专利名称：手机内置式微型光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱仪，具体是指一种微型光谱仪。
背景技术：
目前光谱技术被广泛应用于环境监测、法医鉴定、生物医学、科技农业、 交通、资源勘探与开发、防伪检测、军事分析等方面。由于绝大部分光谱仪器 都属于大型精密仪器，采用的都是以空间色散为原理的光栅或棱镜分光方式， 以及以干涉为原理的傅立叶变换分光方式，这些分光方式导致了分光系统体积 庞大、抗震性能低，只能在实验室和车间等相对固定的场所使用，难以满足现 场和野外检测等方面的应用需求，更无法普及应用到人们的日常生活中。近几 年集成滤光片技术不断发展，集成滤光片的体积越来越小，成本越来越低。
如2006年中国专利局公告的由上海欧菲尔光电技术有限公司;中国科学院上海 技术物理研究所;苏州市光电元件厂申报的，授权公告号为CN1862296，申请号 为200610027388.X，名称是《微型集成窄带滤光片列阵及其制备方法》的发明， 公开了一种可以防止各滤光通道之间串音和节约成本的微型集成窄带滤光片列 阵及其制备方法。
集成滤光片技术的发展，给光谱技术的普及创造了条件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种手机内置式微型光谱仪。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现手机内置式微型光谱仪，包括一个照相手机本体，其特征在于所述照相 手机本体内的CCD芯片感光面上装有集成窄带滤光片列阵。
所述集成窄带滤光片列阵，由下层膜系、间隔层和上层膜系构成。
下层膜系结构为(LH)5，间隔层结构为xL，上层膜系结构为(HL)5，上层膜 系与下层膜系形成镜面对称，H表示厚度为的高折射率膜层，L表示厚度 为人0/4的低折射率膜层，XO为初始窄带滤光片的中心波长，下标数值5表示高 折射率膜层和低折射率膜层交替叠层的次数，l<x<5，每个窄带滤光片的x值不 同，以致每个窄带滤光片的间隔层厚度值xL不同。高折射率膜层可以是五氧化 二钽膜层，低折射率膜层可以是二氧化硅膜层。
工作原理，光线从镜头射入，经过集成窄带滤光片后，使不同波长的光分 散在空间的不同区域。由于集成窄带滤光片位于CCD芯片感光面之前，所以从 集成窄带滤光片不同位置射出不同波长的光照射在CCD芯片感光面的不同光敏 元上，CCD芯片不同的光敏元给出不同波长的光所对应的强度信息，即光谱信 息。随后将该光谱信息导入照相手机的数据处理系统，通过相应的处理，形成 一幅光谱图象，并显示在照相手机的显示屏上。还可以进一步对光谱进行处理， 得出被测量物的基本信息。
本发明的使用方法是使用时，类似于用照相手机拍照，只需连续拍摄两张 光谱图片先拍一张没有样品的光谱图a，以作参考；接着在相同条件下拍摄另 一张含有样品的光谱图b。然后由照相手机自动进行数据处理，将样品光谱图b 比对参考光谱图a (这种简单运算功能只需对手机芯片和软件稍作改进即可实 现)，扣除各种背景的影响就可以得到样品本身的光谱图。最后可像处理手机短 信那样处理光谱图，即进行存储、发送或者删除等操作。如果照相手机存储空 间足够的话，还可在照相手机内预先存储一些常见物品的标准光谱数据，这样就可将所测物品的光谱与标准光谱进行比较，使用起来非常方便快捷，而且是 非接触、非破坏性的检测。这种手机内置式微型光谱仪不会明显增加成本，而 手机本身的各种功能依然保留，因此它将会是一种使用方便、普及率极高的微 型光谱仪。
有益效果
1. 结构简单、成本极低
由于整个手机内置式微型光谱仪充分利用了照相手机现有的各主体结构和 功能，只外加了一个体积很小的集成窄带滤光片列阵，既保持了照相手机原有 的结构，大大地降低了制作成本，与传统光谱仪相比，其成本极其低廉。
2. 小巧、便携
由于整个手机内置式微型光谱仪的主体就是照相手机，因此非常小巧、便携。
3. 操作简便、功能多
由于没有改变照相手机本身的芯片结构和外观，操作和照相手机一样简便； 而且照相手机原有的通讯、娱乐等功能都完全保留下来，属于多功能微型光谱 仪；还可利用照相手机本身的通讯功能，随时随地获取光谱信息并瞬间发送到 世界各地。
图1为本发明的整体结构示意图，图2为集成窄带滤光片与透光光谱对应 图，图3为1X16集成窄带滤光片与CCD芯片对应图，图4为16X16集成窄 带滤光片与CCD芯片对应图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参照图1，手机内置式微型光谱仪整体结构为，镜头7后面的CCD芯片8 上装有集成窄带滤光片列阵3。
装有集成窄带滤光片列阵3的CCD芯片8(目前CCD芯片2的规模通常都 大于256X256为此本专利以256X256规模CCD为例)的制备方法:集成窄带滤 光片列阵3的初始膜系结构为(LH)5(xL)(HL)5，其中下层膜系4为(LH)5，间隔 层5为xL，上层膜系6为(HL)5。上层膜系6与下层膜系4形成镜面对称。H表 示厚度为入o/4的高折射率膜层，L表示厚度为、/4的低折射率膜层，入^550nm 为初始窄带滤光片的中心波长。高折射率膜层和低折射率膜层可分别为五氧化 二钽膜层和二氧化硅膜层。集成窄带滤光片列阵3各单元之间的唯一差别就是 间隔层5厚度不同，由于窄带滤光片的带通峰位与间隔层5的厚度成正比，间 隔层5的厚度不同则相应窄带滤光片的带通峰位不同，通过改变x来实现，x的 变化范围为l<x<5。具体范围和每个窄带滤光片单元之间的间隔可视情况而定， 本实施例取x为1.60 2.40， x间隔差值为0.05，集成窄带滤光片列阵3的对应 带通峰位为511.94 588.44nm。
在手机用的CCD芯片8上采用真空镀膜或磁控反应溅射等方法镀制下层膜 系4和厚度为2.40L的间隔层5。然后中止镀膜，将己经镀好下层膜系4和间隔 层5的样品取出，采用半导体工艺中常规的离子刻蚀方法分区域进行刻蚀，形 成厚度不等的间隔层5，构成列阵。接着在此基础上进行上层膜系6的镀制，虽 然此时所镀的间隔层5厚度各不相同，但镀膜时各处沉积速率都一样，因此在 不同间隔层厚度的区域上所镀的上层膜系6都完全相同，于是在CCD芯片8上
就形成了只有间隔层厚度不同，其他膜系完全相同的集成窄带滤光片列阵3。这 样就将一个集成窄带滤光片列阵3有效地转移到了 CCD芯片8上。
如图3所示，图的条形拼接图案表示集成窄带滤光片列阵3，类似于图2的 上图，图3下图的方格拼接图案表示CCD芯片8，每个方格表示一个象元。按 上述方法将集成窄带滤光片列阵3转移到CCD芯片8上后，CCD芯片8的一 列象元都对应了一种窄带滤光片，为此这一列象元所探测到信号之和就是该窄 带滤光片透光量的大小。最终的光谱信号是由CCD芯片8的各列器件信号大小 按序排列组成的。
实施方案一
参照图2，在本实施例中m取l， n取16，即间隔层5为条状，如图2的上 图所示，每16条与1种窄带滤光片单元对应，本实施例为16种等差值间隔层 5窄带滤光片的集成，图2下图的光谱分别对应于上图各条滤光片的透光光谱。 容易看到每一条滤光片都与一种窄带透光光谱对应。
实施例二
参照图4，本实施例与实施例一的差异仅在集成窄带滤光片列阵3的间隔层 5的分布上，在实施例一中滤光片呈现为条状，如图2上图所示。而在本实施例 中的窄带滤光片呈现为方格状，m取16， n取16，如图4上图所示。这样的集 成窄带滤光片列阵3同样可以用实施例一所述的方法来设计和制备，仅仅是在 间隔层的刻蚀过程中刻蚀步骤要比实施例一多一倍。实施例一中刻蚀步骤为4 步，而在本实施例中刻蚀步骤为8步。
因此在本实施例中形成了 16X16=256个窄带滤光片。类似于实施例一， 这样的集成窄带滤光片列阵3可以被转移到CCD芯片2上，如图4所示。按上 述方法将集成窄带滤光片列阵3转移到CCD芯片2上后，CCD芯片2的每一组 象元都对应了一个窄带滤光片单元，为此每个象元所探测到信号组成了被测量
光谱的数据。最终的光谱是由CCD芯片2上的各个象元信号大小按序排列组成 的。根据目前CCD芯片2的规模通常都大于256X256， 一个窄带滤光片单元后 将有16X 16=256个CCD芯片2中的象元与其对应，其中这256个CCD象元 探测到的光信号都来自同一窄带滤光片单元。这样CCD器件的256个16X16 (由256X256规模CCD器件分解而成)规模的象元组合块对应了 256个窄带 滤光片单元，最终的光谱是由256X256规模的CCD芯片2中256个象元组合 块获得的信号大小按序排列组成。
本发明的使用方法是使用时，类似于用照相手机拍照，只需连续拍摄两张 光谱图片，先拍一张没有样品的光谱图a，以作参考；接着在相同条件下拍摄另 一张含有样品的光谱图b。然后照相手机自动进行数据处理，将样品光谱图b比 对参考光谱图a (这种简单运算功能只需对手机芯片和软件稍作改进即可实现)， 扣除各种背景的影响就可以得到样品本身的光谱图。最后可像处理手机短信那 样处理光谱图，即进行存储、发送或者删除等操作。如果照相手机存储空间足 够的话，还可在照相手机内预先存储一些常见物品的标准光谱数据，这样就可 将所测物品的光谱与标准光谱进行比较，使用起来非常方便快捷，而且是非接 触、非破坏性的检测。这种手机内置式微型光谱仪不会明显增加成本，而手机 本身的各种功能依然保留，因此它将会是一种使用方便、普及率极高的微型光 谱仪。
有益效果
l.结构简单、成本极低
由于整个手机内置式微型光谱仪充分利用了照相手机现有的各主体结构和 功能，只外加了一个体积很小的集成窄带滤光片列阵，既保持了照相手机原有的结构，大大地降低了制作成本，与传统光谱仪相比，其成本极其低廉。
2. 小巧、便携
由于整个手机内置式微型光谱仪的主体就是照相手机，因此非常小巧、便
3. 操作简便、功能多
由于没有改变照相手机本身的芯片结构和外观，操作和照相手机一样简便; 而且照相手机原有的通讯、娱乐等功能都完全保留下来，属于多功能微型光谱 仪；还可利用照相手机本身的通讯功能，随时随地获取光谱信息并瞬间发送到 世界各地。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1、手机内置式微型光谱仪，包括一个照相手机本体，手机本体内带有一CCD芯片，其特征在于所述CCD芯片上装有集成窄带滤光片列阵。
2、 根据权利要求l所述的手机内置式微型光谱仪，其特征在于，所述集成 窄带滤光片列阵由下层膜系、间隔层和上层膜系构成。
3、 根据权利要求2所述的手机内置式微型光谱仪，其特征在于，所述间隔 层是由二氧化硅制成的mXn个厚度不同的中层膜组成的列阵构成，m是集成窄 带滤光片列阵的列数，n是集成窄带滤光片列阵的行数。
4、 根据权利要求2所述的手机内置式微型光谱仪，其特征在于，上层膜系 和下层膜系都是由5层高折射率膜层和5层低折射率膜层交替层叠而成，并形 成镜面对称，高折射率膜层是五氧化二钽膜层，低折射率膜层是二氧化硅膜层。
全文摘要
手机内置式微型光谱仪，包括一个照相手机本体，其特征在于所述照相手机本体内的CCD芯片感光面上装有集成窄带滤光片列阵。所述集成窄带滤光片列阵，由下层膜系、间隔层和上层膜系构成。工作原理，光线从镜头射入，经过集成窄带滤光片后，使不同波长的光分散在空间的不同区域。由于集成窄带滤光片位于CCD芯片感光面之前，所以从集成窄带滤光片不同位置射出不同波长的光照射在CCD芯片感光面的不同光敏元上，CCD芯片不同的光敏元给出不同波长的光所对应的强度信息，即光谱信息。随后将该光谱信息导入照相手机的数据处理系统，通过相应的处理，形成一幅光谱图象，并显示在照相手机的显示屏上。还可以进一步对光谱进行处理，得出被测量物的基本信息。
文档编号G01J3/00GK101344432SQ200710172500
公开日2009年1月14日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者陆晟侃 申请人:上海海事大学