專利名稱：集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于光譜分析儀器技術(shù)領域，尤其涉及一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀及其制造方法。
背景技術(shù)：
光譜儀是根據(jù)物質(zhì)的特征光譜吸收/輻射來分析樣品顏色或化學成分的重要分析儀器，在環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生、生物醫(yī)藥、石化冶金等領域有著廣泛的用途。光譜儀廣泛的應用前景對儀器本身也提出了新的要求。傳統(tǒng)的光譜儀體積龐大、使用條件苛刻，造價昂貴，只能限制在實驗室使用。與之相對，微小型光譜儀具有體積小、便于攜帶、使用簡便等優(yōu)點，其光譜分辨率也足以滿足一般應用領域的測量要求，因此特別適合于現(xiàn)場和在線的快速檢測。微小型化已經(jīng)成為光譜儀發(fā)展的必然趨勢。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)化的微小型光譜儀，知名的廠商有美國的Ocean，荷蘭的Avantes等。這些光譜儀都采用“固定衍射光柵+多通道陣列探測器(電荷耦合器件CCD、二極管陣列等)”的固態(tài)化設計，無運動部件抗干擾性強；光路結(jié)構(gòu)上采用精簡體積的Czerny-Turner光路或單塊平場全息凹面光柵形式，整機一般只有手掌大小。然而，這種光譜儀仍不能適應在對體積有苛刻要求的場合。如生物工程中的體內(nèi)組織光譜檢測，要求光譜儀具有芯片的體積進行嵌入式測量；對于執(zhí)行檢測任務的機器人，對其光譜儀載荷有嚴格限制。微光機電系統(tǒng)(MOEMS，Micro Opto-ElectroMechanicalSystems)技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了很好的路徑。采用光刻、鍍膜、刻蝕等微納加工工藝，能制作出芯片大小的微型光譜儀系統(tǒng)，適合嵌入式的光譜檢測應用。按分光方式分類，基于MOEMS技術(shù)的光譜儀主要有傅里葉變換(FourierTransform, FT)型、法布里-拍羅(Febry-Perot、FP)濾光片型、衍射光柵型等。其中衍射光柵型的MOEMS光譜儀被研究得最多，也是最有可能實現(xiàn)光譜芯片集成的形式。美國Stanford大學的 G. Yee 等(Sensors and Actuators A58 (1997) 61-66),荷蘭Delft 大學的 S. Kong 等(Sensors and Actuators A92 (2001) 88-95),以及我國上海微系統(tǒng)所的李鐵等(中國專利200610027341. 3)都提出了“平面等柵距光柵+陣列探測器”的方案。該系統(tǒng)完全基于MOEMS工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片級的體積，但光譜分辨率不理想。這主要是由于硅微加工工藝一般適合于加工平面元件，對曲面的加工很困難，難以精確加工出準直、成像所需的凹面反射鏡、凸透鏡等。而普通的平面等柵距光柵沒有準直、成像作用，導致系統(tǒng)的像差很大，分辨率較低。綜上，傳統(tǒng)的光譜儀雖然具有良好的性能，但是體積龐大，使用條件苛刻，難以集成到嵌入式檢測系統(tǒng)中進行實時在線光譜檢測。目前商用化的微小型光柵光譜儀使用了小型的光學元件和簡化的光路結(jié)構(gòu)，體積為手掌大，但仍不能適應對體積有嚴格要求的嵌入式光譜檢測要求。而MOEMS技術(shù)是提高光譜儀的集成度達到芯片級的體積的有效手段。MOEMS工藝適合于加工平面元件，對曲面元件的加工較為困難，但凸透鏡、凹面反射鏡等曲面元件的準直、成像作用對于光譜儀而言是不可或缺的?，F(xiàn)有技術(shù)的MOEMS光柵光譜儀采用普通的等柵距光柵分光，消除像差效果差，光譜分辨率不理想；此外，現(xiàn)有技術(shù)的MOEMS光柵光譜儀缺少對系統(tǒng)入光口一狹縫的設計考慮，而這對于系統(tǒng)整體封裝和最終性能是至關重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀及其制造方法，其微型光譜儀實現(xiàn)小體積，便于集成，兼具優(yōu)良分辨性能，測量效果佳。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，包括陣列光電探測器、上透光平板和下透光平板，所述上透光平板與所述下透光平板相向平行間距設置，所述陣列光電探測器設置于所述下透光平板的下端；所述上透光平板上設置有用于隔離環(huán)境光的隔光層，所述隔光層上設置有用于供光線穿過的透射狹縫；所述下透光平板與所述上透光平板相向的一面上設置有變柵距光柵，所述上透光平板與所述下透光平板相向的一面上設置有用于將光線反射至所述陣列光電探測器上的反射部件。具體地，所述隔光層為黑鉻膜層，所述黑鉻膜層通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射鍍制于所述上透光平板的上表面。具體地，所述透射狹縫的寬度為10至200 μ m,所述透射狹縫通過刻蝕的方式形成
于所述黑鉻膜層。具體地，反射部件為反射鏡，所述反射鏡通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射鍍制于所述下透光平板與所述上玻璃相向的一面上。具體地，所述反射部件為平面變柵距光柵。具體地，所述上透光平板和下透光平板采用熔石英或光學玻璃制成。具體地，所述陣列光電探測器為電荷耦合器件陣列、互補金屬氧化物半導體、二極管陣列。具體地，所述變柵距光柵通過紫外光刻或電子束直寫及鍍膜工藝制作于所述下透光平板與所述上透光平板相向的一面上。具體地，所述變柵距光柵通過離子束刻蝕制成閃耀槽型的光柵。本發(fā)明還提供了一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀的制造方法，包括以下步驟準備陣列光電探測器、上透光平板和下透光平板；于所述上透光平板的上平面設置一層用于隔離環(huán)境光的隔光層；于所述隔光層開設用于供光線穿過的透射狹縫；于所述上透光平板的下平面設置用于將光線反射至所述陣列光電探測器上的反射部件；于所述下透光平板的上平面設置用于將從所述透射狹縫進入的入射光衍射至所述反射部件的變柵距光柵；將所述上透光平板的下表面與所述下透光平板的上表面相對設置，將所述上透光平板與所述透光平板相向平行間距封裝，并將所述陣列光電探測器設置于所述下透光平板的下表面。本發(fā)明提供的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀及其制造方法，其通過上下設置的上透光平板和下透光平板，上透光平板可鍍黑鉻隔離形成隔光層以隔離環(huán)境光，在隔光層上通過刻蝕技術(shù)得到寬度10-200 μ m的透射微狹縫作為光線入口 ；通過光刻技術(shù)在下透光平板上制作出平面變柵距光柵，它除了具有光柵本身的分光作用外，還能通過光柵柵線間距和形狀的變化來調(diào)制光線，起到減小像差的作用；下平板另一側(cè)用陣列光電探測器來接收分光聚焦的光譜信號，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于封裝，且完全被MOEMS工藝兼容，適用于對體積有嚴格要求的嵌入式光譜檢測系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明實施例提供的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀的平面示意圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀中變柵距光柵的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例提供的一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，包括陣列光電探測器7、上透光平板3和下透光平板6，所述上透光平板3與所述下透光平板6相向平行間距設置，所述陣列光電探測器7設置于所述下透光平板6的下端；陣列光電探測器7可以緊貼于下透光平板6的下表面，采用陣列光電探測器7作為傳感元件，可快速感測出聚焦于其上不同位置的光線，從而實現(xiàn)全波段光譜的快速分析。所述上透光平板3上設置有用于隔離環(huán)境光的隔光層2，隔光層2位于上透光平板3的上表面，即隔光層2位于系統(tǒng)的外表面，所述隔光層2上設置有用于供光線穿過的透射狹縫1，透射狹縫I為微狹縫，透射狹縫I直接開設于隔光層2，透射狹縫I位于微型光譜儀系統(tǒng)的外表面，入光口為透射狹縫1，利于隔絕環(huán)境光的干擾，且便于系統(tǒng)的封裝。所述下透光平板6與所述上透光平板3相向的一面(即下透光平板6的上表面)上設置有可用于衍射分光和像差校正的變柵距光柵4，變柵距光柵4既有普通衍射光柵的分光作用，又通過柵線的變化起到像差校正作用。變柵距光柵4可為平面變柵距光柵，其通過柵線間距和圖案的變化來調(diào)制入射其上的光線的衍射方向，從而能夠有效地減小像差，實現(xiàn)聚焦成像，提高光譜儀的分辨率；同時由于其為平面元件，更容易為硅微加工工藝兼容。所述上透光平板3與所述下玻璃平板6相向的一面(即上透光平板3的下表面)上設置有用于將光線反射至所述陣列光電探測器7上的反射部件5。入射光通過透射狹縫I和透明的上透光平板3后，照射到位于下透光平板6上表面的平面變柵距光柵4上，+1級衍射光從平面變柵距光柵4出射后，先經(jīng)過反射部件5轉(zhuǎn)向，然后經(jīng)過透明的下透光平板6，最后會聚到緊挨下透光平板6下表面的陣列光電探測器7上，光譜的焦平面位置即為此陣列光電探測器7的位置。入射光只能從透射狹縫I進入，不會射至其它部分，上透光平板3、下透光平板6未鍍鋁部分的菲涅爾反射低，雜散光干擾小。而且，本發(fā)明所提供的微型光譜儀，采用平面變柵距光柵作為分光和像差校正元件，該元件既有常規(guī)光柵的衍射分光功能，又能通過柵線間距和圖案的變化對像差進行校正，起到聚焦成像作用。本發(fā)明所提供的微型光譜儀，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于封裝，且完全被MOEMS (微光機電系統(tǒng))工藝兼容，適用于對體積有嚴格要求的嵌入式光譜檢測系統(tǒng)，且檢測精度高、檢測效果好。具體應用中，可通過優(yōu)化上下兩塊上透光平板3和下透光平板6的間距來約束測量光的軌跡，保證光束絕大部分照射在鍍膜的光學元件上，從而達到消除平板未鍍膜部分的菲涅爾反射，減少雜散光的目的。具體地，所述隔光層2為黑鉻膜層，所述黑鉻膜層通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射等方式鍍制于所述上透光平板3的上表面，起到隔絕環(huán)境光干擾的作用。具體地，所述透射狹縫I的寬度為10至200 μ m (微米)，所述透射狹縫I通過刻 蝕等方式形成于所述黑鉻膜層。通過在上透光平板3鍍制黑鉻膜層的方法隔離環(huán)境光，將10-200 μ m寬度的黑鉻膜層刻蝕到底形成透射狹縫1，作為光信號入射口，可有效限制環(huán)境干擾光進入光譜儀系統(tǒng)，提高光譜測量的信噪比和精度?？梢岳斫獾?，透射狹縫I的寬度也可以為其它合適的數(shù)值，均屬于本發(fā)明的保護范圍。具體地，反射部件5為反射鏡，所述反射鏡通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射等方式鍍制于所述下透光平板6與所述上玻璃相向的一面上。或者，所述反射部件5也可以為平面變柵距光柵，通過兩塊平面變柵距光柵可更好地消除像差。具體地，所述上透光平板3和下透光平板6采用熔石英或光學玻璃等合適的材料制成。光學玻璃的牌號可為K9或B270等。具體地，所述陣列光電探測器7為電荷耦合器件陣列、互補金屬氧化物半導體、二極管陣列。具體地，所述變柵距光柵4通過紫外光刻或電子束直寫及鍍膜工藝制作于所述下透光平板6與所述上透光平板3相向的一面上，除具有衍射光柵的分光作用外，還可通過柵線間距和圖案的變化來消除像差，實現(xiàn)聚焦成像?；蛘?，所述變柵距光柵4通過離子束刻蝕制成閃耀槽型的光柵，使其衍射能量集中于+1級，提高系統(tǒng)靈敏度。與“平面等柵距光柵+陣列探測器”的方案，其完全基于MOEMS工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片級的體積，但光譜分辨率不理想。這主要是由于硅微加工工藝一般適合于加工平面元件，對曲面的加工很困難，難以精確加工出準直、成像所需的凹面反射鏡、凸透鏡等。而普通的平面等柵距光柵沒有準直、成像作用，導致系統(tǒng)的像差很大，分辨率較低。而變柵距光柵4則很好地克服了平面等柵距光柵的缺點。本發(fā)明實施例提供的一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，解決了光譜儀的微型化問題，實現(xiàn)具有微小體積并同時具有較高光譜分辨率和準確度的微型光柵光譜儀，使其更加易于集成到嵌入式檢測系統(tǒng)當中，進行在線光譜分析。本發(fā)明實施例還提供了一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀的制造方法，包括以下步驟準備陣列光電探測器7、上透光平板3和下透光平板6 ；
于所述上透光平板3的上平面設置一層用于隔離環(huán)境光的隔光層2 ；于所述隔光層2開設用于供光線穿過的透射狹縫I ;于所述上透光平板3的下平面設置用于將光線反射至所述陣列光電探測器7上的反射部件5 ；于所述下透光平板6的上平面設置用于將從所述透射狹縫I進入的入射光衍射至所述反射部件5的變柵距光柵4 ；將所述上透光平板3的下表面與所述下透光平板6的上表面相對設置，將所述上透光平板3與所述透光平板相向平行間距封裝，并將所述陣列光電探測器7設置于所述下透光平板6的下表面。入射光通過透射狹縫I和透明的上透光平板3后，照射到位于下透光平板6上表 面的平面變柵距光柵4上，然后，+1級衍射光從位于下透光平板6表面的變柵距光柵4出射后，先經(jīng)過反射部件5轉(zhuǎn)向，然后經(jīng)過透明的下透光平板6，最后會聚到緊挨下透光平板6下表面的陣列光電探測器7上，光譜的焦平面位置即為此CCD的位置。通過采用平面變柵距光柵4作為分光和像差校正元件，該元件既有常規(guī)光柵的衍射分光功能，又能通過柵線間距和圖案的變化對像差進行校正，起到聚焦成像作用。通過采用在上平板鍍制黑鉻膜層的方法隔離環(huán)境光，將10-200 μ m寬度的黑鉻膜層刻蝕到底形成透射狹縫I，作為光信號入射口，可有效限制環(huán)境干擾光進入光譜儀系統(tǒng)，提高光譜測量的信噪比和精度。本發(fā)明可通過優(yōu)化上下兩塊玻璃平板的間距來約束測量光的軌跡，保證光束絕大部分照射在鍍膜的光學元件上，從而達到消除平板未鍍膜部分的菲涅爾反射，減少雜散光的目的。本發(fā)明采用陣列光電探測器7作為傳感元件，可快速感測出聚焦于其上不同位置的光線，從而實現(xiàn)全波段光譜的快速分析。本發(fā)明的系統(tǒng)完全基于微光機電系統(tǒng)(MOEMS)技術(shù)制作,制作工藝流程為上透光平板3，上表面通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射鍍制黑鉻膜層，通過光刻及反應刻蝕制作出透射狹縫I ;下表面通過蒸發(fā)鍍膜方式形成金屬膜反射鏡。下透光平板6，上表面通過光刻+鍍膜工藝制作平面變柵距光柵4。本發(fā)明的系統(tǒng)封裝僅需保證上下兩個透光平板的平行度和橫向、縱向距離，保證陣列光電探測器7處于系統(tǒng)的聚焦光譜面上，裝調(diào)十分簡便。本發(fā)明所提供的制造方法，基于平面變柵距光柵4這一核心器件，并設置透射狹縫1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊。平面變柵距光柵4既有普通衍射光柵的分光作用，還通過柵線的變化具有像差校正作用。本發(fā)明的另一優(yōu)點在于透射狹縫I在消除雜散光環(huán)節(jié)優(yōu)于反射狹縫。反射狹縫在應用中難以與環(huán)境光隔絕，系統(tǒng)封裝不便，且菲涅爾反射強造成雜散光大。本發(fā)明采用上表面入光，在上透光平板3的上表面鍍黑鉻隔光層2，入光口就是透射狹縫，黑鉻鍍層可將環(huán)境光干擾全部擋住，系統(tǒng)的封裝也很簡便。通過優(yōu)化設計平板的距離可以保證入射光只打在平面變柵距光柵4上，從而減少了雜散光。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，包括陣列光電探測器、上透光平板和下透光平板，所述上透光平板與所述下透光平板相向平行間距設置，所述陣列光電探測器設置于所述下透光平板的下端；所述上透光平板上設置有用于隔離環(huán)境光的隔光層，所述隔光層上設置有用于供光線穿過的透射狹縫；所述下透光平板與所述上透光平板相向的一面上設置有變柵距光柵，所述上透光平板與所述下透光平板相向的一面上設置有用于將光線反射至所述陣列光電探測器上的反射部件。
2.如權(quán)利要求1所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述隔光層為黑鉻膜層，所述黑鉻膜層通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射鍍制于所述上透光平板的上表面。
3.如權(quán)利要求2所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述透射狹縫的寬度為10至200 μ m，所述透射狹縫通過刻蝕的方式形成于所述黑鉻膜層。
4.如權(quán)利要求1所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，反射部件為反射鏡，所述反射鏡通過蒸發(fā)鍍膜或磁控濺射鍍制于所述下透光平板與所述上玻璃相向的一面上。
5.如權(quán)利要求1所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述反射部件為平面變柵距光柵。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述上透光平板和下透光平板采用熔石英或光學玻璃制成。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述陣列光電探測器為電荷耦合器件陣列、互補金屬氧化物半導體、二極管陣列。
8.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述變柵距光柵通過紫外光刻或電子束直寫及鍍膜工藝制作于所述下透光平板與所述上透光平板相向的一面上。
9.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀，其特征在于，所述變柵距光柵通過離子束刻蝕制成閃耀槽型的光柵。
10.一種集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀的制造方法，其特征在于，包括以下步驟 準備陣列光電探測器、上透光平板和下透光平板； 于所述上透光平板的上平面設置一層用于隔離環(huán)境光的隔光層； 于所述隔光層開設用于供光線穿過的透射狹縫； 于所述上透光平板的下平面設置用于將光線反射至所述陣列光電探測器上的反射部件； 于所述下透光平板的上平面設置用于將從所述透射狹縫進入的入射光衍射至所述反射部件的變柵距光柵； 將所述上透光平板的下表面與所述下透光平板的上表面相對設置，將所述上透光平板與所述透光平板相向平行間距封裝，并將所述陣列光電探測器設置于所述下透光平板的下表面。
全文摘要
本發(fā)明適用于光譜分析儀器領域，公開了集成平面變柵距光柵和微狹縫的微型光譜儀及其制造方法。微型光譜儀包括陣列光電探測器、上透光平板和下透光平板；上透光平板上設置有隔光層，隔光層上設置有透射狹縫；下透光平板上設置有變柵距光柵。本發(fā)明提供的微型光譜儀基于平面變柵距光柵這一核心器件，該器件既有普通衍射光柵的分光作用，又通過柵線的變化起到像差校正作用。設置了透射微狹縫為系統(tǒng)入光口，克服了反射式微狹縫難以隔絕環(huán)境光干擾、系統(tǒng)封裝不便、雜散光強的缺點，降低了系統(tǒng)集成的難度，提高了光譜信號檢測的精度。制造方法完全被MOEMS工藝兼容，體積微小緊湊，適用于對體積有嚴格要求的嵌入式光譜檢測系統(tǒng)，且檢測精度高、檢測效果好。
文檔編號G01J3/30GK103017905SQ20121059205
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者林慧, 黎華, 張國棟, 歐紅師, 丁海鵬, 杜如虛 申請人:深圳先進技術(shù)研究院