专利名称：基于菲涅耳衍射微透镜阵列的光谱成像装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种用于对气体/液体的成份和浓度进行多 通道光谱分析检测的光谱成像系统。
背景技术：
光谱技术是物质分析的常用方法，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生和环 境保护等领域，特别是气体/液体分析检测，基于红外吸收原理的光谱分析能对气体的种 类或浓度进行有效且灵敏地检测。传统的光谱分析仪器采用连续光谱测量，测量范围宽、 精度高，但是体积大，价格高，不便于携带。随着MEMS、 二元光学与集成光学技术的发展， 光谱仪小型化、微型化成为可能。微型光谱仪主要采用光栅衍射分光和Febir-Perot (F-P) 腔干涉滤光两种分光机制。虽然F-P滤光结构紧凑，设计简单，但要求两块微反射镜必须 制作平整，具有高反射率，且严格平行，因此制备工艺要求高，光谱精度难以控制。而光 栅衍射分光具有结构简单、无需可动部件、无需外围电路控制、微型化程度高、可作为成 像光谱仪在实时多光谱监测中快速分析等独特优势，因此一直是微型光谱仪研究的主要热 点。但由于MEMS制作工艺水平的限制，接近实用化的微型光栅光谱仪大都是无透镜系统， 有的釆用反射式准直和成像系统,也有的取消了成像系统，这就必然使得入射到探测器上 的光斑较大，光通量较小，从而降低系统分辨率和信噪比，削弱微型光谱仪对光谱信号的 探测能力。
经文献检索发现，中国专利CN 1410796A (2003年4月16日公开)提出了一种光栅 分光系统，它采用透射式闪耀光栅和微透镜阵列组成，闪耀光栅首先进行分光，分出的单 色光然后由微透镜阵列进行会聚，会聚在成像平面上，由于采用微透镜阵列，因此成像平 面上可以同时得到多条光谱图像。但这种结构存在体积较大，系统集成难度大，不易于批 量制造等不足。
中国专利CN 1831517A (2007年9月19日公开)提出了一种基于微镜技术的便携式微 型红外光谱仪结构，它采用微镜对光栅出射的光谱空间进行扫描，从而在微镜的特定位置获得相应的光谱信号，然后送入单元探测器进行检测。这种设计能获得较高的光学分辨率，采用扫描微镜能降低分光系统的体积，但是扫描式的分光系统具有稳定性差、检测速度慢等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种光学结构简单、灵敏度高、体积小巧、易于加工和系统集成，并且抗振动能力强，可实现多种气体/液体检测或实时监测的基于菲涅耳衍射微透镜阵列的光谱成像装置。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案 一种基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，包括微透镜基片、探测器衬底和支撑侧块；其特征在于，微透镜基片、探测器衬底和支撑侧块构成密封的光学通道，微透镜基片和探测器底衬分别上下设置并相互平行；所述微透镜基片的下表面上加工N个菲涅尔衍射微透镜的微透镜阵列，探测器衬底上表面设有N个探测器单元并与所述微透镜阵列相对应；微透镜阵列上N个菲涅尔衍射微透镜的焦点与探测器阵列上N个探测器的光敏面分别一一重合；其中N为正整数。
所述的微透镜阵列作为聚光和色散元件，微透镜阵列上N个菲涅尔衍射微透镜采用二
元微加工技术制作而成，为多台阶的位相型菲涅耳波带板FZP结构(Fresnel Zone Plate),这种结构同时具有聚光和色散作用，使每个微透镜具有相同的会聚焦距/。和台阶数丄，但
具有不同的会聚中心波长A)，分别对应N种检测成分(如N种气体或液体成分)的吸收波长，此时FZP的每个环带半径 需满足
r ,=V^7^，其中^=1,2,……，M(M为最大环带数)；并且微透镜的焦距/。与微透
镜的光谱分辨率A义之间满足/。》39 'A° 'V'Z ，其中v是加工工艺的最小线宽，微透镜对
A义
;i。士Axi范围的光具有会聚作用，从而通过微透镜阵列可得到不同波长的光谱信号，同时，
菲涅尔衍射微透镜通过衍射效应将光谱信号会聚增强。
当一束宽带光(如红外光)通过微透镜基片入射到微透镜阵列上时，微透镜阵列上的
N个菲涅尔衍射微透镜分别会聚得到N个不同中心波长的单色光，并被位于微透镜阵列焦平面上的探测器阵列上的N个探测单元获取，从而得到光谱信号。
相比现有技术，本发明具有如下优点
1、本发明光谱成像装置基于微电子加工工艺、菲涅耳衍射微透镜和探测技术相结合，利用多个具有不同会聚波长的菲涅耳衍射微透镜，采用多通道阵列方式，同时获得多种气体或物质成份的多条吸收光谱，无需机械扫描部件；具有很好的抗振动能力，能够对多种气体或物质成份进行实时监测能力；
2、 该光谱成像装置采用具有会聚与色散两种功能的菲涅尔衍射微透镜作为光学元件，在分光的同时进行会聚，不仅有效简化了光学系统，而且通过会聚提高了单色光强，具有灵敏度高的特点；
3、 该光谱成像装置还具有体积小、重量轻、易于批量制造和成本低等优点；此光谱成像系统不仅可以应用于环境监测、临床医学、航天航空军事分析等多种领域，还可以应用于室内空气监测、野外考察、工业流程现场监控等多种场合。
图1为本发明光谱成像装置的结构示意图2为本发明光谱成像装置中的菲涅尔衍射微透镜阵列示意图；图3为单个菲涅尔衍射微透镜的位相示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示， 一种基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，包括微透镜基片l、探测器衬底5和支撑侧块3;微透镜基片1、探测器衬底5和支撑侧块3构成密封的光学通道，所述菲涅尔衍射微透镜阵列2和探测器阵列4之间为真空或惰性气体封装的光学通道，间隙为厘米级。微透镜基片1和探测器衬底5分别上下设置并相互平行；所述微透镜基片1的下表面上加工N个菲涅尔衍射微透镜的微透镜阵列2，探测器衬底5上表面设有N个探测器的探测器阵列4并与所述微透镜阵列2相对应；微透镜阵列2上N个菲涅尔衍射微透镜的焦点与探测器阵列4上N个探测器的光敏面分别一一重合；其中N为正整数，与被测物成份的多少相同，如某气体中含有8种成份，则N为8;如某血液中含有16种成份，则N为16。
如图2为菲涅尔衍射微透镜阵列2的示意图。菲涅尔衍射微透镜阵列2上有N个菲涅尔衍射微透镜，是在微透镜基片的下表面采用现有成熟的直写法或灰阶掩膜法等微细加工工艺加工出来，同时，该微透镜基片要保证能透过被测试的所有波段，如所有测试波段位于3_5 u m的红外区，就可以选择能透过该红外区的硅材料作为微透镜基片。图3给出了单个菲涅尔衍射微透镜的位相示意图。微透镜阵列上每个菲涅尔衍射微透镜为多台阶的位相型菲涅耳波带板FZP (Fresnel Zone Plate)结构，波带板制作成具有浮雕表面的相位结构，浮雕的厚度在波长量级，即采用位相补偿的办法，通过减小或增加奇数波带的厚度，使光通过偶数波带时相对于奇数波带再产生H的相位变化，为了提高衍射效率，可将菲涅耳透镜的每个波带再分为多个同心圆环，制成多台阶的位相型结构，这种结
构同时具有聚光和色散作用，使每个微透镜具有相同的会聚焦距/。和台阶数￡ (台阶数丄
与灵敏度相关，其数值越大，灵敏度越高，但不利于加工； 一般说来台阶数丄取8即可)，但具有不同的会聚中心波长;t。，分别对应N个吸收波长，此时FZP每个环带半径 需满
足r"V2"'Vo/i '其中附=1，2,……，M (M为最大环带数，与测量的灵敏度相关，而同一
阵列中是一致的)；并且微透镜的焦距/。与微透镜的光谱分辨率a;i之间满足
/。>39.义0."，其中是加工工艺的最小线宽，v的取值通常为0.1 — l微米；此时微透镜
对义。土a义范围的光具有会聚作用，从而通过微透镜阵列可得到不同波长的光谱信号，同时，菲涅尔衍射微透镜通过衍射效应将光谱信号会聚增强。由此可根据分辨率的要求确定焦距/0。
工作原理 一束宽带光通过微透镜基片1入射到微透镜阵列2上，微透镜阵列2上的
N个菲涅尔衍射微透镜分别会聚得到N个不同中心波长的单色光，并被位于微透镜阵列焦平面上的探测器阵列4上的N个探测单元获取，从而得到N个光谱信号；该光谱信号通过读出电路依次读出，经过处理芯片进行数据处理后将测试结果由液晶显示或计算机显示输出。所述光谱信号读出电路、液晶显示和计算机均为现有成熟技术，非本发明的创新。
微透镜基片1可为玻璃、石英、硅片或其它微加工基底材料，菲涅尔衍射微透镜阵列的每个微透镜是通过直写法或灰阶掩膜法在微透镜基片1上加工而成的；所述探测器衬底
5为硅或蓝宝石衬底，探测器阵列采用MEMS技术加工在探测器衬底5的上表面；支撑侧块3为铟柱，用于保证微透镜基片1和探测器底衬5的平行和密封。
例如，将这种光谱成像装置应用在汽车尾气的检测上。所要检测的气体四种C02、
CO、 CH4、 S02，这四种气体的吸收波长分别为4.26jxm、 4.60nm、 3.32pm和4.00^mi，位于3 5pm波段，因此可选择红外玻璃或硅衬底作为微透镜基片，在微透镜基片上加工四个等焦距的菲涅耳透镜，根据公式^=7^7^计算出每个环带半径 ，其中环带数m取3，台阶数i取8;并且使每个菲涅耳透镜对应一个中心波长，即每个菲涅尔衍射微透镜只能选择吸收一种气体，形成一个四通道的菲涅耳微透镜阵列，同时，探测器阵列选择能响应红外的材料(如PtSi)在硅衬底上制备出四个探测器单元，并通过铟柱和真空封装将探测器阵列固定在微透镜阵列的焦平面上，使两者耦合构成光谱成像系统。
工作时，首先让未经过气体吸收的红外光通过微透镜基片入射到微透镜阵列上，微透镜阵列上的四个菲涅尔衍射微透镜分别会聚得到四个不同吸收波长的单色光，并被位于微透镜阵列焦平面上的探测器阵列上的四个探测单元获取，得到初始光谱信号并由读出电路依次输出；然后，让红外入射光经过多种混合气体吸收后再通过红外玻璃基片入射到微透镜阵列上，由于气体会吸收某个特定波长的红外光，因此该气体吸收波长下的红外光强被衰减，并且衰减强度与吸收气体的浓度成比例，与气体对应的菲涅尔衍射微透镜出射的单色光强也随之衰减，并被红外探测器探测得到，形成测试光谱信号；再将测试光谱信号与初始光谱信号进行比对，从而可以确定被吸收气体或物质成分的浓度。
本发明并不限于所述实施方式，可以对液体中的多种成分(如血液中多成分的光谱检测)或其它气体中的多种成分(如大气中有毒有害气体的检测)进行上述类似实施，其中，微透镜基片需要选择能透过所有所测波段的材料，探测器要求能响应所测波段的光，菲涅尔衍射微透镜的个数需与被检成分的项目数一致，菲涅尔衍射微透镜的结构参数按照本发明给出的设计公式进行相应变化，只要在本发明技术方案的结构上所作的简单变化，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，包括微透镜基片(1)、探测器衬底(5)和支撑侧块(3)；其特征在于，微透镜基片(1)、探测器衬底(5)和支撑侧块(3)构成密封的光学通道，微透镜基片(1)和探测器衬底(5)分别上下设置并相互平行；所述微透镜基片(1)的下表面上加工N个菲涅尔衍射微透镜的微透镜阵列(2)，探测器衬底(5)上表面设有N个探测器的探测器阵列(4)并与所述微透镜阵列(2)相对应；微透镜阵列(2)上N个菲涅尔衍射微透镜的焦点与探测器阵列(4)上N个探测器的光敏面分别一一重；其中N为正整数；所述菲涅尔衍射微透镜的微透镜阵列(2)作为聚光和色散元件，微透镜阵列(2)上N个菲涅尔衍射微透镜采用二元微加工技术制作而成，为多台阶的位相型菲涅耳波带板FZP结构，每个FZP结构具有相同的焦距f0和台阶数L，但具有不同的会聚中心波长λ0，分别对应N种检测成分的吸收波长，此时FZP的每个环带半径rm需满足其中m＝1，2，……，M(M为最大环带数)；并且微透镜的焦距f0与微透镜的光谱分辨率Δλ之间满足其中v是加工工艺的最小线宽，微透镜对λ0±Δλ范围的光具有会聚作用。
2. 如权利要求l所述的基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，其特征在于， 所述微透镜基片(1)为玻璃、石英或硅片微加工基底材料，菲涅尔衍射微透镜阵列的每 个微透镜是通过直写法或灰阶掩膜法在微透镜基片(1)上加工而成。
3. 如权利要求l所述的基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，其特征在于， 所述探测器衬底(5)为硅或蓝宝石衬底，探测器阵列采用MEMS技术加工在探测器衬底(5)的上表面。
4. 如权利要求l所述的基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，其特征在于， 所述支撑侧块(3)为铟柱。
5. 如权利要求l所述的基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，其特征在于， 所述菲涅尔衍射微透镜阵列(2)和探测器阵列(4)之间为真空或惰性气体封装的光学通 道，间隙为厘米级。
全文摘要
一种基于菲涅尔衍射微透镜阵列的光谱成像装置，包括微透镜基片、探测器衬底和支撑侧块构成密封的光学通道，微透镜基片和探测器衬底分别上下设置并相互平行；所述微透镜基片的下表面上加工N个菲涅尔衍射微透镜的微透镜阵列，探测器衬底上表面设有N个探测器的探测器阵列并与所述微透镜阵列相对应；微透镜阵列上N个菲涅尔衍射微透镜的焦点与探测器阵列上N个探测器的光敏面分别一一重合；每个微透镜具有相同的会聚焦距f<sub>0</sub>和台阶数L，但具有不同的会聚中心波长λ<sub>0</sub>，分别对应N种检测成份的吸收波长，此时FZP的每个环带半径r<sub>m</sub>需满足式(1)，其中m＝1，2，……，M；焦距f<sub>0</sub>与分辨率Δλ之间满足式(2)，微透镜对λ<sub>0</sub>±Δλ范围的光具有会聚作用。它采用多通道阵列方式，同时获得多种气体或物质成份的多条吸收光谱；还具有体积小、重量轻、易于批量制造和成本低等优点。
文档编号G01N21/31GK101458209SQ200810233220
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者杜晓晴, 广 童 申请人:重庆大学