基于超构表面的集成光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及光谱仪技术领域，尤其是涉及一种基于超构表面的集成光谱仪，包括相对设置且用于反射光线的第一光线反射模块和第二光线反射模块，所述第一光线反射模块上设置有准直反射镜、聚焦光栅和线阵CCD，所述第二光线反射模块上设置有用于入射光通过的光阑，所述准直反射镜与光阑相对设置且位于入射光的出射光路上，所述聚焦光栅和线阵CCD均位于第二光线反射模块的出射光路上，通过对纳米微结构阵列的合理的设计，该光谱仪能够适用于不同的波段范围探测，利用反射式的离轴折叠光路设计，能够大大降低光谱仪的空间尺寸，且通过刻蚀将多个光学元件集成在同一块衬底上，免去了组装中高精度的对准过程，增加了系统的抗干扰能力。增加了系统的抗干扰能力。增加了系统的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
基于超构表面的集成光谱仪


[0001]本专利技术涉及光谱仪
，尤其是涉及一种基于超构表面的集成光谱仪。

技术介绍

[0002]光谱仪能够将复色光分离并探测，是光谱学应用最基本的探测仪器。光谱仪通常由光阑、棱镜或光栅、透镜等元件按照精确的位置排列组合而成，其中光栅或棱镜对不同波长光的分光角度不同，因而需要较长的传播距离才能有效地实现复色光的空间分离，导致传统光谱仪的体积大，对光学元件的对准精度要求高，且抗干扰能力差。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：为了解决传统光谱仪的体积大，对光学元件的对准精度要求高，且抗干扰能力差的问题，现提供了一种基于超构表面的集成光谱仪。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超构表面的集成光谱仪，包括相对设置且用于反射光线的第一光线反射模块和第二光线反射模块，所述第一光线反射模块上设置有准直反射镜、聚焦光栅和线阵CCD，所述第二光线反射模块上设置有用于入射光通过的光阑，所述准直反射镜与光阑相对设置且位于入射光的出射光路上，所述聚焦光栅和线阵CCD均位于第二光线反射模块的出射光路上；
[0005]在使用时，入射光通过光阑照射至准直反射镜，由所述准直反射镜将入射光进行相位调制并反射至第二光线反射模块，再通过第二光线反射模块反射至聚焦光栅上，再由所述聚焦光栅将光线调制成不同波长的光并以不同的衍射角反射至第二光线反射模块，然后光线在第一光线反射模块和第二光线反射模块之间反射，最后将光线聚焦在线阵CCD的不同位置。与现有技术相比，本方案利用反射式的离轴折叠光路设计，能够大大降低光谱仪的空间尺寸，本方案中的光谱仪具有小型化、轻量化、抗干扰能力强等特点。
[0006]为了提高系统的抗干扰能力和集成度，进一步地，所述第一光线反射模块为第一光学芯片，所述准直反射镜为通过在第一光学芯片上刻蚀的第一微结构阵列。通过刻蚀将第一微结构阵列集成在第一光学芯片上，免去了组装中高精度的对准过程。
[0007]为了提高系统的抗干扰能力和集成度，进一步地，所述聚焦光栅为通过在第一光学芯片上刻蚀的第二微结构阵列。通过刻蚀将第二微结构阵列集成在第一光学芯片上，免去了组装中高精度的对准过程。
[0008]为了提高系统的抗干扰能力和集成度，进一步地，第二光线反射模块为第二光学芯片，所述光阑为第二光学芯片上刻蚀的通孔。通过刻蚀将光阑集成在第二光学芯片上，免去了组装中高精度的对准过程。
[0009]进一步地，所述准直反射镜与光阑在x
‑
y平面上且两者的中心相互对齐，所述第一光线反射模块和第二光线反射模块之间的间距为g，所述光阑的直径为d，所述入射光通过光阑后的发散角为θ，所述准直反射镜的直径为D＝d+2g tanθ。
[0010]进一步地，所述准直反射镜对应的相位空间分布为：
[0011][0012]其中λ0为光谱仪工作的中心波长，α为准直反射镜调制后光线的反射角。
[0013]进一步地，所述聚焦光栅对应的相位空间分布为：
[0014][0015]其中λ0为光谱仪工作的中心波长，f＝2n
·
g为聚焦光栅(4)的焦距(n＝1，2，3...)，β为中心波长经过聚焦光栅调制后的反射角。
[0016]进一步地，所述准直反射镜和聚焦光栅的中心距离为L1＝2g tanα，所述聚焦光栅与线阵CCD之间的中心距离为L2＝2ng tanβ。
[0017]进一步地，所述第一微结构阵列和第二微结构阵列均由依次堆叠的透明衬底、金属镀膜、透明介电质薄膜和刻蚀的若干介电质纳米圆柱构成。
[0018]进一步地，若干所述介电质纳米圆柱呈六边形网格排列，若干所述介电质纳米圆柱的高度相同且小于半中心波长，若干所述介电质纳米圆柱的直径有差异。若干直径有差异的介电质纳米圆柱对局域场的调制相位不同，能够实现对入射光场的任意调制，从而能够控制反射光的波前。
[0019]本专利技术的有益效果是：本专利技术基于超构表面的集成光谱仪在使用时，通过对纳米微结构阵列的合理的设计，该光谱仪能够适用于不同的波段范围探测，利用反射式的离轴折叠光路设计，能够大大降低光谱仪的空间尺寸，且通过刻蚀将多个光学元件集成在同一块衬底上，免去了组装中高精度的对准过程，增加了系统的抗干扰能力，不仅能够满足传统的光谱探测中，如环境监测、食品医药检测、光通信等，同时也能够满足一些极端环境中的光谱探测需求，如小型化、轻量化、剧烈震动或扭动、高速运动等环境中，提高了光谱仪的适用范围，避免了传统光谱仪的体积大，对光学元件的对准精度要求高，且抗干扰能力差的问题。
附图说明
[0020]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0021]图1是本专利技术的结构示意图；
[0022]图2是本专利技术中第二光线反射模块的刻蚀结构示意图；
[0023]图3是本专利技术中第一光线反射模块的刻蚀结构示意图；
[0024]图4是本专利技术中第一光线反射模块上准直反射镜和聚焦光栅的微结构阵列示意图一；
[0025]图5是本专利技术中第一光线反射模块上准直反射镜和聚焦光栅的微结构阵列示意图二。
[0026]图中：1、第一光线反射模块，2、第二光线反射模块，3、准直反射镜，4、聚焦光栅，5、线阵CCD，6、光阑，7、透明衬底，8、金属镀膜，9、透明介电质薄膜，10、介电质纳米圆柱。
具体实施方式
[0027]本专利技术下面结合实施例作进一步详述：
[0028]本专利技术不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本专利技术公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本专利技术的，或者凡是采用本专利技术的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本专利技术的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0029]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0030]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超构表面的集成光谱仪，其特征在于：包括相对设置且用于反射光线的第一光线反射模块(1)和第二光线反射模块(2)，所述第一光线反射模块(1)上设置有准直反射镜(3)、聚焦光栅(4)和线阵CCD(5)，所述第二光线反射模块(2)上设置有用于入射光通过的光阑(6)，所述准直反射镜(3)与光阑(6)相对设置且位于入射光的出射光路上，所述聚焦光栅(4)和线阵CCD(5)均位于第二光线反射模块(2)的出射光路上；在使用时，入射光通过光阑(6)照射至准直反射镜(3)，由所述准直反射镜(3)将入射光进行相位调制并反射至第二光线反射模块(2)，再通过第二光线反射模块(2)反射至聚焦光栅(4)上，再由所述聚焦光栅(4)将光线调制成不同波长的光并以不同的衍射角反射至第二光线反射模块(2)，然后光线在第一光线反射模块(1)和第二光线反射模块(2)之间反射，最后将不同波长的光线聚焦在线阵CCD(5)的不同位置。2.根据权利要求1所述的基于超构表面的集成光谱仪，其特征在于：所述第一光线反射模块(1)为第一光学芯片，所述准直反射镜(3)为通过在第一光学芯片上刻蚀的第一微结构阵列。3.根据权利要求2所述的基于超构表面的集成光谱仪，其特征在于：所述聚焦光栅(4)为通过在第一光学芯片上刻蚀的第二微结构阵列。4.根据权利要求3述的基于超构表面的集成光谱仪，其特征在于：第二光线反射模块(2)为第二光学芯片，所述光阑(6)为第二光学芯片上刻蚀的通孔。5.根据权利要求1所述的基于超构表面的集成光谱仪，其特征在于：所述准直反射镜(3)与光阑(6)在x...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭起龙，赵光宇，
申请(专利权)人：江苏集萃应用光谱技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：