專利名稱：衍射孔陣列結構微型光譜儀及其高分辨率光譜復原方法
技術領域：
本發明涉及一種便攜式實時探測的微型光譜測量裝置及其高分辨率光譜復原方法。
背景技術：
光譜儀是一種重要的光學儀器。它是將光學方法與現代電子數據處理系統相結合，通過獲取所研究物質的光譜信息來精確分析物質的結構、成分和含量的基本設備。隨著光譜儀的發展，它的應用范圍越來越廣，并涵蓋了多個領域，如天文觀測、航空航天、生物醫藥、石油化工、農業、冶金、地質勘探、生態環境及國防軍事等。由于其重要的應用價值，光譜儀已越來越受到人們的關注，它已成為現代科學儀器的重要組成部分。然而，隨著社會的進步和科學技術的迅猛發展，在諸多領域對光譜儀又提出了更高的要求。特別是在環境監測、軍事分析、地質勘探、微流控等眾多研究、應用領域，要求光譜儀在提高分辨率和加寬測量頻段范圍的同時能夠微型化、集成化，而一些特殊場合如野外勘測、現場檢測、星載分析還需要光譜儀抗振動干擾能力強、性能穩定、功耗小、使用靈活、重量輕、攜帶方便，能夠快速、實時、直觀地獲取光譜信號。顯然，傳統的光譜儀器很難同時達到上述要求。譬如傅里葉變換光譜儀，其體積較大，對振動敏感，光譜分辨率受制于動鏡移動范圍并且測量頻帶主要集中在紅外波段。再如光柵衍射型光譜儀雖然體積較小，探測頻率范圍較寬，但這類光譜儀分辨率不高，價格也不菲。得益于光電技術、計算機技術和微制造工藝的發展、高效低廉的光學元件及線性陣列檢測器件的出現，光譜儀正逐步朝著微型化、小型化方向發展以適應更廣闊的應用領域。現在用來制造這類微小型光譜儀的技術有很多，諸如微機電系統(MEMS)、微型光機電系統(M0EMS)，集成光學技術以及二元光學技術等。而且，一些新型的微型光譜儀已經被研制出來。比如法布里-珀羅(F-P)型微型光譜儀，它體積很小，無可移動部件，可以組成陣列以適用于不同的光譜波段。然而，通常該微型光譜儀中的F-P諧振腔是以一階模式工作的， 其反射鏡金屬層厚度限制了該光譜儀的分辨率，雖然采用高階模式工作可以提高分辨率， 但以現有技術很難滿足其諧振腔寬度要求，與此同時兩個鏡面的平行程度將極大影響光譜分辨率。再如采用硅表面微機械工藝制作的的微型光柵光譜儀，同樣做到了集成化和微型化，但由于從光柵到探測器的光程有限，這就限制了它的光譜分辨率。因此，對于光譜儀來說，要求其在微型化的同時能夠降低成本，性能上能夠達到較高的光譜分辨率，結構簡單并且易于制作，用現有的技術很難實現。

發明內容
技術問題本發明的目的在于提供一種衍射孔陣列結構微型光譜儀及其高分辨率光譜復原方法，該光譜儀及其光譜復原方法解決了背景技術中光譜儀的體積較大、成本較高、制作困難、對振動敏感、分辨率不高、波長測量范圍較窄等技術問題。
技術方案本發明的衍射孔陣列結構微型光譜儀的主要部件包括 1) 一層透明的基底。2) 一個構建在基底上表面的擋光層中的衍射孔二維陣列，該擋光層由不透明材料制成，該衍射孔二維陣列中的各個孔的孔徑大小不等，孔徑尺寸與入射光波長接近，各個衍射孔的深度相同且都等于擋光層厚度。3 )基底下方設有探測陣列芯片，可采用電荷耦合元件(CXD )或者互補金屬氧化物半導體元件(CMOS)，每一個衍射孔的正下方都對應設置探測陣列芯片中的一個像素元。這些像素元經過校準后，可以確保相同波長、相同功率的光入射到這些像素元時，各像素元輸出的數據相同。4)如果每個像素元面積較大，為提高器件靈敏度，在成像芯片和基底間設有遮光板以遮住各像素元的大部分面積。該遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔徑相同的透光小孔，每個透光小孔下對應設置一個像素元，采集數據時僅取透光小孔下像素元的數據；如果像素元面積較小，可以不設遮光板，但是在采集數據時僅取衍射孔中心正下方的像素元的數據。5)在衍射孔二維陣列上方設有兩個共焦的透鏡，在兩個共焦的透鏡之間的焦點處的遮光板中有一個小孔，該裝置用以準直入射光。6) 一組計算分析部件，用來分析和計算探測陣列芯片采集到的數據以進行光譜復原。本發明包括一種衍射孔陣列結構微型光譜儀的高分辨率光譜復原方法
根據衍射孔的數量將探測陣列芯片所能探測的波長(或頻率)范圍均勻劃分成《份，每一份取其中心波長(或中心頻率)。事先測得探測陣列芯片中各個衍射孔正下方的各個像素元對各個中心波長(或中心頻率)光的探測率，即其中一個中心波長(或中心頻率)光被其中一個像素元探測到的功率與入射到衍射孔陣列之前該波長(或頻率)光功率的比值。入射光經過衍射孔陣列后會發生衍射，成像陣列芯片中位于各個衍射孔正下方的像素元會接收到相應的衍射光功率；將所得數據組成一個線性方程組，其中不同像素元對不同中心波長(或中心頻率)光的探測率作為系數矩陣，而各個像素元所接收到相應的衍射光功率作為增廣矩陣，采用TiWionov正則化方法[Z. W. Wang, and J. Liu, "New model function methods for determining regularization parameters in linear inverse problems", Applied Numerical Mathematics 59 (10), 2489-2506 (2OO9)]求解該線性方程組就可以得到入射光各中心波長(或中心頻率)對應的歸一化光譜功率，然后將這些光譜功率值進行線性擬合并經光譜輻射定標可得到入射光的光譜。如果需要獲得更高的分辨率的復原光譜，可根據前一次光譜復原的結果或者加入濾波鏡來縮小波長(或頻率)劃分范圍進行多次復原。有益效果1、該光譜儀采用陣列結構，無可移動光學器件，因此抗振動干擾能力強，性能穩定，可用于復雜環境中的測量；由于衍射孔二維陣列里的各衍射孔孔徑尺寸與光波長接近，而各個衍射孔之間間隔即使為光波長的十倍，那么一萬個衍射孔結構單元，其核心部件的橫截面只有1平方毫米左右。即使加上程序計算部件，整個裝置體積只相當于一個手機的大小，便于攜帶。2、該光譜儀容易制作。基于現今發展已比較成熟的微加工技術和光電技術，制作該光譜儀微型結構的可選方法有很多，諸如光亥IJ、離子刻蝕、電子束刻蝕、模具壓制、蒸鍍、 旋涂等；由于二維空間的微細加工技術已經比較成熟，而制作衍射孔陣列時只需對表面二維空間進行精密控制，因此該器件易于制作。而且由于該光譜儀的主體部件可用聚合物材料或其他價格低廉的透明材料，CXD和CMOS都是技術成熟的產品，所以整個裝置的成本較低。3、該光譜儀分辨率高，光譜測量范圍寬，復原速度快。探測陣列像素數量和衍射孔的數量是決定了該光譜儀分辨率的主要因素。由于一個芯片上有成千上萬個衍射孔結構單元，而CCD、CMOS的像素都很高，所以該光譜儀可以達到很高的分辨率；該光譜儀中探測陣列芯片所能探測到的頻段決定了光譜測量范圍，由于目前CCD、CMOS的探測范圍覆蓋了可見光以及相當寬的紅外和紫外波段，因此該光譜儀也相應具有很寬的光譜探測范圍。另外， 采用縮小波長(或頻率)劃分范圍進行多次復原的方法可以在獲得寬的頻譜探測范圍的同時達到高的光譜分辨率。4、該光譜儀采用TiW10n0v正則化求解大型線性方程組的方法復原光譜，可以消除失真，實現快速實時光譜復原。與此同時，串擾、色散、器件制作誤差等原因造成很多像素元采集到無效數據，但可以通過舍去無效數據的方法求解方程組，使得新的方程組滿秩并符合求解條件，避免光譜復原的較大失真。因此該光譜復原方法也保證了光譜復原的效果。


圖1是本發明的光譜儀結構原理圖。圖2是圖1其中一個衍射單元的截面示意圖以及入射光準直裝置的截面示意圖。圖中有衍射孔1、擋光層2、基底3、探測陣列芯片4、遮光板5、透鏡6、小孔7。圖3是本發明采用的入射光光譜頻率劃分方法。橫坐標表示頻率，單位是赫茲 ’縱坐標是歸一化光譜功率，單位是瓦特每赫茲。用微積分的方法把入射光譜按照頻率劃分成 等份，每一份取其中心頻率，每一份的頻寬為△八是其中任意一個小矩形的中心頻率， 它的幅值為/^/；)。
具體實施例方式圖1為本發明所采用的一種衍射孔陣列結構。該衍射孔陣列微型光譜儀包括構建在基底3表面擋光層2中的衍射孔1 二維陣列，每一個衍射結構單元中的衍射孔1在擋光層2中孔徑不同，孔徑尺寸與入射光波長接近，各個衍射孔1的深度相同且都等于擋光層2 厚度；衍射孔二維陣列中的各個衍射孔1之間間隔10 μ m左右或者更多；基底3下方設有探測陣列芯片4，每一個衍射孔1的正下方都對應設置探測陣列芯片4中的一個像素元；如果每個像素元面積較大，為提高器件靈敏度，在探測陣列芯片4和基底3間設有遮光板5以遮住各像素元的大部分面積。在衍射孔1中心正下方的遮光板5上留有一系列孔徑相同的透光小孔，每個透光
小孔下對應設置一個像素元，采集數據時僅取透光小孔下像素元的數據；如果像素元面積較小，可以不設遮光板5，但是在采集數據時僅取衍射孔中心正下方的像素元的數據。為說明具體工作過程，取圖1中衍射孔陣列的其中一個衍射單元的截面以作說明，參見圖2。在衍射孔二維陣列上設有兩個共焦的透鏡6，在兩個共焦的透鏡6之間的焦點處的遮光板中有一個小孔7，該裝置用以對入射光進行準直。入射光經過準直后照射到各個衍射孔1上，由于衍射孔1尺寸與入射光波長接近，光波將在衍射孔1處發生衍射，衍射光在基底3中繼續傳播并最終照射在探測陣列芯片4的像素元上。圖2中所示為采用較大像素元面積的探測陣列芯片4的情況，此時遮光板5遮擋住了探測陣列芯片4像素元的大部分面積，僅在對應衍射孔1中心正下方留有透光小孔，衍射光大部分被遮光板5遮擋，一部分衍射光經過透光小孔到達探測陣列芯片4的各個有效像素元，這里有效像素元是指衍射孔1中心正下方對應的像素元。由于各個衍射孔1孔徑不同，最終每個透光小孔下的探測陣列芯片4的像素元將采集到一系列大小不等的衍射光功率，將采集到的光功率數據代入到下面將要介紹的高分辨率光譜復原方法中的增廣矩陣_7，采用高分辨率光譜復原法進行反演，就可以得到入射光的光譜。上述基底3的材料為透明材料，可采用聚合物材料PMMA。在基底3表面是擋光層 2，為不透明材料，可采用金屬鉻。基底3下方是探測陣列芯片4，可采用CXD或者CMOS，每一個衍射孔1對應使用一個探測陣列芯片4的像素元用于探測不同衍射孔下方像素元位置處的衍射光功率大小。但這些像素元在測量前需要修正由于暗電流及探測陣列芯片4的各像素響應不均勻等原因所引起的測量誤差。對于像素元面積較大的探測陣列芯片4，在其上方和基底3之間設置遮光板5，該遮光板5采用不透光材料。上述衍射孔陣列中每個衍射孔1孔徑不同。各個衍射孔1可以按孔徑尺寸的線性變化組成二維陣列，也可以不按孔徑尺寸的線性變化組成二維陣列，但要保證各個衍射孔1 保持一定間距且各個衍射孔1的孔徑不同。這即是說無論衍射孔1如何排布，只要確保入射光到達各個衍射孔1后發生不同程度的衍射，各探測陣列芯片4的像素元能夠探測到不同大小的、有足夠區分度的衍射光功率。上述基底3可以用旋涂的方法制備，擋光層2可以用蒸鍍的方法制備，而不同孔徑的衍射孔1的制備可以采用離子刻蝕的方法。即用離子發生器發出的離子束聚焦在擋光層 2表面，通過精密控制離子束的作用位置和作用時間來刻蝕衍射
孔1。也可以通過制作模具用機械熱壓的方法進行模壓來制作衍射孔陣列。另外，光刻也是可供選擇的方法之一。幾種方法的成本和精度各有差異。上述衍射孔二維陣列中的各個衍射孔單元之間的信號串擾是不可避免的，即當入射光照射到各個衍射孔1后將發生不同程度的衍射，一個衍射孔結構單元的衍射光會射到另一個衍射孔結構單元下方的像素元。因此，在制作衍射孔1時應使得各個衍射孔1之間間隔10 μ m左右或者更多，以減小各個衍射單元間的信號串擾，從而保證器件具備較高性能。 另外，當探測陣列芯片4的像素元面積較大時，需要在探測陣列芯片4和基底3之間設置遮光板5，以遮擋住大部分串擾光，這同樣是為了提高探測陣列芯片4的靈敏度。而當探測陣列芯片4的像素元面積
較小時，采集數據僅取衍射孔中心正下方像素元的數據。由于這些像素元面積較小，它們主要接收來自其正上方衍射孔的衍射光，因此可以不設遮光板5。高分辨率光譜復原方法如下
如圖3所示，以光譜曲線的頻率劃分方式為例，在探測陣列芯片4的測量頻率范圍內， 將光譜曲線均勻劃分成《段。整個光譜面積就被近似劃分為多個細長的矩形，取每一段的頻率中心為/；.，頻寬為Lf,Pif)為頻率對應的功率大小，因此入射光中每個頻段所對應的功率即為每個小矩形的面積，當Z7比較大時，那么根據微積分的原理，整個入射光譜與橫軸所圍面積實際就是這些矩形面積的求和即入射光的整個功率，將所有點(S” Pif1))進行線性擬合即得到光譜曲線。事先測得各個有效像素元對各個頻率光的探測率，即各衍射孔1中心正下方像素元接受到的各個中心頻率光的光功率/^/；.)*與入射光照射到衍射孔陣列之前對應各中心頻率光的光功率/^/；.)的比值。這里，各有效像素元所采集的光功率/^/；.)*不僅包括了從其正上方對應衍射孔射來的衍射光的光功率，也包括了從其它衍射孔射來的串擾光的光功率，而對于一個已經制作好的光譜儀，該探測率值/^/；.)*/ Pif1)對于各個像素元是固定值。當采集到各衍射孔1對應探測器陣列4像素元上的衍射光功率數據，就可以用一方程組將其表示出來，這里C代表各探測率組成的系數矩陣，而各個像素元所接收到相應的衍射光功率作為增廣矩陣_7，Z則代表入射光各中心頻率光功率的大小。在這里，系數矩陣C對應器件來說是固定參數，在測定C的過程中衍射光串擾影響實際已經計算在內， 因此在光譜復原過程中，衍射單元之間的光串擾實際不影響該方程組的求解。通過求解該線性方程組得到X，即得到入射光各中心頻率對應光功率/^/；.)的大小，最后將這些光譜功率值進行線性擬合并經光譜輻射定標可得到入射光的光譜，各中心頻率的間隔△/即為該光譜儀的頻率分辨率。由于探測陣列芯片4的測量范圍很寬，僅進行一次上述的復原不能得到很高的分辨率，為提高分辨率，可根據第一次光譜復原的結果確定入射光譜大致的頻率范圍，在此頻率范圍內按上述過程進行頻率劃分和復原，如還需進一步提高分辨率，可以根據上一次復原得到的光譜曲線繼續縮小頻率范圍進行更多次復原。另外，也可以在準直系統和衍射孔二維陣列之間插入不同頻率透過范圍的濾波鏡，同樣起到了減小了入射光頻率劃分范圍的作用，提高了每個濾波鏡頻段范圍內的入射光譜分辨率。在實際器件制作過程中，器件的尺寸或形狀可能與最初設計要求有一定的偏差，基底等波導結構本身會對光產生色散、吸收，各個衍射孔結構單元之間的信號串擾
也不可避免。然而，只要探測陣列芯片4不同像素元對于一定的入射光波長有不同探測率， 就可以組成方程組進行求解從而得到復原光譜。當然，對于兩個不同的衍射孔結構單元，用相同波長的光照射，其下方各自對應的探測陣列芯片4的像素元測得的探測率有可能是相同的，也就是說此時探測陣列芯片4的像素元不能分辨不出其上方不同的衍射單元結構之間的微小差異。這是由于各衍射孔1的大小非常接近，以至于它們下方的探測陣列芯片4 的像素元分辨不出各衍射單元衍射光功率的差別。上述問題體現在復原的數學方法上，即是說假如衍射孔二維陣列中有5000個衍射孔單元，會相應的有5000個方程來解5000個未知數，但由于實際測得的有效數據可能只有4000個，而4000個方程是不能求解5000個未知數的，復原光譜會產生明顯失真，所以上述得到的線性方程實為病態方程，且方程數相當大，用一般的方法很難求解。因此選用 Tikhonov正則化方法求解上述線性方程組，舍去那1000個無效的數據，那么4000個方程解 4000個未知數是可行的，盡管這樣會使得光譜分辨率較原來變低，但實際的仿真結果顯示， 即使僅有幾十個有效的衍射孔結構單元，在分辨率要求不高的前提下依然可以取得較好的光譜復原效果。
權利要求
1. 一種衍射孔陣列結構微型光譜儀，其特征在于該衍射孔陣列結構微型光譜儀包括1.)一層基底，采用透明材料制作；2.)一個構建在基底上表面的擋光層中的衍射孔二維陣列，該擋光層由不透明材料制成，該衍射孔二維陣列中的各個孔的孔徑大小不等，孔徑尺寸與入射光波長接近，各個衍射孔的深度相同且都等于擋光層厚度；3.)基底下方設有探測陣列芯片，該探測陣列芯片采用電荷耦合元件CCD或者互補金屬氧化物半導體元件CMOS，每一個衍射孔的正下方都對應設置探測陣列芯片中的一個像素元，這些像素元經過校準后，能確保相同波長、相同功率的光入射到這些像素元時，各像素元輸出的數據相同；4.)基底和探測陣列芯片有兩種設計，一是在探測陣列芯片和基底間設有遮光板以遮住各像素元的大部分面積，以提高器件靈敏度；該遮光板由不透明材料制成，在衍射孔中心正下方的遮光板上留有一系列孔徑相同的透光小孔，每個透光小孔下對應設置一個像素元，采集數據時僅取透光小孔下像素元的數據；二是不設遮光板，但是在采集數據時僅取衍射孔中心正下方的像素元的數據；5.)在衍射孔二維陣列上方設有兩個共焦的透鏡，在兩個共焦的透鏡之間的焦點處的遮光板中有一個小孔，該裝置用以準直入射光；6.)一組計算分析部件，用來分析和計算探測陣列芯片采集到的數據以進行光譜復原。
2.一種衍射孔陣列結構微型光譜儀的高分辨率光譜復原方法，其特征在于根據衍射孔的數量將探測陣列芯片所能探測的波長或頻率范圍均勻劃分成《份，每一份取其中心波長或中心頻率；事先測得探測陣列芯片中各個衍射孔正下方的各個像素元對各個中心波長或中心頻率光的探測率，該探測率是一個比值，其分子是其中一個中心波長或中心頻率光被另一個像素元探測到的功率，分母是入射到衍射孔陣列之前該波長或頻率光功率；入射光經過衍射孔陣列后會發生衍射，成像陣列芯片中位于各個衍射孔正下方的像素元會接收到相應的衍射光功率；將不同像素元對不同中心波長或中心頻率光的探測率、各個像素元所接收到相應的衍射光功率以及入射光中各中心波長或中心頻率所對應的光譜功率分別作為系數矩陣、增廣矩陣和未知數矩陣組成一個線性方程組，采用TiWlonov正則化方法求解該線性方程組，就可以得到入射光各中心波長或中心頻率對應的歸一化光譜功率，然后將這些光譜功率值進行線性擬合并經光譜輻射定標，得到入射光的光譜，即完成高分辨率光譜復原。
3.根據權利要求2所述的衍射孔陣列結構微型光譜儀的高分辨率光譜復原方法，其特征在于所述高分辨率光譜復原，還可根據前一次光譜復原的結果判斷光譜大致分布位置或者通過加入濾波鏡的方法縮小波長或頻率劃分范圍進行多次復原，獲得更高的分辨率的復原光譜。
全文摘要
本發明提供一種衍射孔陣列結構微型光譜儀及其高分辨率光譜復原方法，衍射孔陣列結構微型光譜儀基本結構包括一個構建在基底表面擋光層上的孔徑大小不等的微型衍射孔二維陣列；基底材料采用透明材料；在基底的下方對應設有探測陣列芯片，一個衍射孔對應一個探測陣列芯片的像素元；在基底和探測陣列芯片中間有一層遮光板，遮光板把每個CCD像素元的大部分面積遮住，遮光板上有一系列孔徑相同的透光孔；每一個衍射孔都正對著一個透光孔，其下是每個CCD像素元。由于入射光通過基底上方的衍射孔后會發生衍射現象，因此下方所對應的CCD像素元能探測到一定的衍射光光功率。因為陣列上的各個衍射孔孔徑大小不等，其下方所對應的各個CCD像素元所測得的衍射光光功率大小也不同，對各個CCD像素元所測得數據進行反演就可以得到入射光的光譜信息。
文檔編號G01J3/02GK102564586SQ20121000416
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者何浩培, 李偉, 楊濤, 梁忠誠, 黃維 申請人:南京郵電大學