[发明专利]一种基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪。

背景技术

光谱仪是分析物质成分的重要分析仪器。传统的光谱仪体积较大，使用条件严苛。而在现代化工业生产中，往往需要能嵌入生产线并进行实时监测的微小型在线光谱仪。现有技术中的微型光谱仪一般将准直镜、平面光栅以及聚焦镜集成为一个复合器件，在一定程度上缩小了体积。然而，上述微型光谱仪有的未采用曲面元件，有的采用等栅距光栅，使得最终成像谱面不平直、像差较大的问题仍然存在。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪。

本发明提出的基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪包括：入射针孔、变栅距光栅、微凸透镜、透明基板以及阵列光电探测器。其中，所述微凸透镜具有一凸面与一平面，所述变栅距光栅设置于所述微凸透镜的凸面一侧，所述微凸透镜的平面与所述透明基板固定连接；待测光信号从所述入射针孔入射，经过所述变栅距光栅后发生衍射，所述待测光信号被分为包含多种波长光的衍射光信号；所述微凸透镜对所述衍射光信号进行聚焦，聚焦后的衍射光信号通过所述透明基板汇聚在所述阵列光电探测器上形成光点，其中，所述衍射光信号中波长相同的光在所述阵列光电探测器上汇聚成一点，所述阵列光电探测器感测汇聚其上的光点。

本发明提出的基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪采用变栅距光栅与微凸透镜结合的方式消除像差、使经过的光形成的谱面平直，从而达到提高光谱分辨率的目的，同时，变栅距光栅与微凸透镜均采用微纳加工工艺制作，使得基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪体积大幅减小，便于集成到嵌入式检测系统中。此外，本发明中的微凸透镜易于通过微加工工艺制作，尤其是易于制成凸透镜阵列，从而为制作多通道光谱仪提供了可能性。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪结构图；

图2是本发明一实施例的变栅距光栅局部样式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪用于对待测光信号进行光谱分析。

图1所示为本发明一实施例的基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪结构图。所述基于变栅距光栅透镜的微型光谱仪包括：入射针孔100、变栅距光栅200、微凸透镜300、透明基板400以及阵列光电探测器500。

如图1所示，所述微凸透镜300具有一凸面以及一平面，所述变栅距光栅200设置于所述微凸透镜300的凸面一侧，所述微凸透镜300的平面与所述透明基板400固定连接。具体地，可采用MOEMS工艺，结合热熔法或微模铸法在所述透明基底400上制作所述微凸透镜300，采用电子束直写或紫外光刻的方法制作所述变栅距光栅200。在本实施例中，所述微凸透镜300的直径小于等于3毫米，所述变栅距光栅200的栅线密度小于等于2000线/毫米。

图2所示为所述变栅距光栅200的局部示意图，所述变栅距光栅200中各条栅线的形状不相同，且各条栅线之间的距离不等，如上述设计的变栅距光栅200可对不同波长的光进行分光，同时可以有效地降低像差，使通过其的光形成的谱面平直，达到提高光谱分辨率的目的。

待测光信号由多种不同波长的光构成，所述待测光信号从所述入射针孔100入射，经过所述变栅距光栅200后发生衍射形成衍射光信号，并进行像差校正，所述衍射光信号中各种波长光的传播方向各不相同。在本实施例中，所述入射针孔100的直径为5-100μm，所述入射针孔100可有效地限制杂散光通过，避免杂散光的干扰。

所述微凸透镜300对上述包含各种波长光的衍射光信号进行聚焦，聚焦后的所述衍射光信号通过所述透明基板400汇聚在所述阵列光电探测器500上形成光点。其中，所述衍射光信号中波长相同的光在所述阵列光电探测器500上汇聚成一点，因此，在所述阵列光电探测器500上形成有多个光点，每个光点由一种波长的光会聚而成。所述阵列光电探测器500感测汇聚其上的各个光点，从而实现全波段光谱的快速分析。

在本实施例中，所述透明基板400为双面透明，其材质可以是熔融石英、K9光学玻璃、B270光学玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯等材料中的一种。所述阵列光电探测器500是电荷耦合器件阵列、互补金属氧化物半导体、二极管阵列等传感器件中的一种。