一种微型光谱仪及光谱测试方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种微型光谱仪及光谱测试方法。

背景技术

光谱仪是解析光信号在不同波长处相对强弱的一种设备。现有光谱仪要么利用光栅或棱镜对入射光进行空间色散，使得不同波长光投射到不同探测器，从而实现光谱信息获取；要么利用机械传动马达控制反射镜移动产生两束分光间的光程差，并利用傅立叶变换把时间域函数干涉图变换为频率域函数图，从而提取光谱信息。这些光谱分析系统的体积都较为庞大，而且内部光路和检测模块复杂，价格昂贵，因此不利于便携式或集成式的应用。

科学家们开发了一系列微型光谱分析技术。2015年在《自然》期刊第524卷第67页报道了基于胶体量子点阵列的光谱仪，通过连续调节量子点吸收波长，得到低相关度的系列光谱，并通过算法实现光谱解析，但需要合成大量胶体量子点，并且大阵列的制备非常困难；2017年在《科学报告》期刊第7卷第40793页报道了一种基于法布里-珀罗标准具滤波器阵列和图像传感器的集成光谱系统，但需要高难度的灰度曝光工艺，并且光学效率受限于标准具上金属镜的反射损耗；2018年在《科学》期刊第360卷第1105页报道了一种基于计算图像技术的光谱分析方法，将窄线宽超材料共振结构阵列芯片通过成像光路与CMOS图像传感器进行组装，此方案需要制备成本高且产率低的纳米结构。2013年在《自然光子学》期刊第7卷第746页报道了一种通过解析随机分布纳米孔阵列的散射光成像与波长的关系来重构光谱的方法，实现了光谱仪的微型化，但纳米孔的制备依然需要复杂的纳米光刻技术。也有研究人员提出了一种通过解析毛玻璃散射光成像与波长关系来重构光谱的方法，降低了制备成本。但入射光穿过毛玻璃的透射光与散射光无法分离，造成成像对比度低，相关度高，光谱重构分辨率低。还有研究人员提出了一种通过解析银颗粒散射光成像与波长关系来重构光谱的方法，但同样面临无法区分透射光与散射光的问题，成像对比度低，光谱重构分辨率低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微型光谱仪及光谱测试方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种微型光谱仪，其包括：

全反射光耦合机构，其用于对入射光进行全反射并产生倏逝波；

微纳颗粒层，其能够在所述倏逝波的激发下产生辐射和散射光；以及

检测模块，其用于对所述辐射和散射光进行成像，以获得入射光的光谱信息。

本发明实施列还提供了一种光谱检测方法，其包括：

提供上述的微型光谱仪；

使待测的入射光入射全反射光耦合元件，以产生倏逝波激发微纳颗粒层产生辐射和散射光，再使检测模块对所述辐射和散射光进行成像，获得图像；

对所述图像与不同单波长入射光产生的图像之间的关系进行解析，从而获得所述入射光的光谱信息。

进一步的，对所述图像与入射光的波长之间的关系进行解析的方法包括：

(1)将所述微型光谱仪所能检测的波长范围分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ

(2)将检测模块中探测器阵列的每个单元所测得的光强记为I

(3)通过求解以下矩阵方程得到所述入射光中各波长分量λ

其中，C

与现有技术相比，本发明提供的微型光谱仪及光谱测试方法的优点至少在于：

1)本发明提供的一种微型光谱仪，采用全反射的耦合方式产生的倏逝波来激发微纳颗粒层产生辐射和散射光并进行成像，有效消除了现有技术中直接透射光或反射光成像对成像对比度的影响，从而提高光谱重构的精度。

2)本发明提供的一种微型光谱仪，利用光致发光材料修饰微纳颗粒层中的微纳颗粒，在基于微纳颗粒的物理尺寸效应产生散射的基础上还基于修饰的光致发光材料特性产生辐射，为调控不同波长散射分布相关度提供更多的自由度。

3)本发明提供的一种微型光谱仪，利用金属微纳颗粒的等离子体共振来增强辐射和散射光，从而提高成像的对比度和信噪比。

4)本发明提供的一种微型光谱仪，利用金属膜的表面等离子体波进一步增强微纳颗粒层的辐射和散射光，从而能够进一步提高成像的对比度和信噪比。

5)本发明提供的一种微型光谱仪，采用的微纳颗粒可以用退火、纳米球光刻或化学合成等低成本工艺制备，有助于降低成本并适合于大规模应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中的一种微型光谱仪的结构示意图；

图2是本发明实施例2中的一种微型光谱仪的结构示意图；

图3是本发明实施例2中的微型光谱仪的金属颗粒层的剖面示意图；

图4是本发明实施例2中的微型光谱仪对680纳米波长的入射光的成像图；

图5是本发明实施例2中的微型光谱仪与现有光谱仪的光谱重构结果对比图；

图6是本发明实施例3中的一种微型光谱仪的结构示意图；

图7是本发明实施例3中的微型光谱仪的金属颗粒层的剖面示意图；

图8是本发明对比例1中的一种微型光谱仪的结构示意图；

图9是本发明对比例1中的微型光谱仪对680纳米波长的入射光的成像图；

图10是本发明对比例1中的微型光谱仪与现有光谱仪的光谱重构结果对比图。

附图标记说明：1-入射光、2-光束准直模块、3-石英直角棱镜、3l-入射表面、32-反射表面、33-出射表面、4-金纳米颗粒层、41-金纳米颗粒、42-聚乙烯吡咯烷酮、5-探测器阵列、6-辐射和散射光、7-反射光、8-倏逝波、9-等离子体波、10-折射率匹配层、11-石英基底、12-金膜、13-石英半圆棱镜、131-入射表面、132-反射表面、133-出射表面。

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。在本发明中，入射光通过光谱仪的全反射光耦合机构被全反射，并产生沿全反射光耦合机构的全反射表面传播的倏逝波，该倏逝波能够激发微纳颗粒层产生辐射和散射光，之后通过检测模块在没有透射光干扰的情况下仅对辐射和散射光进行成像，可获得高对比度高信噪比的图像，从而提高光谱检测的精度。下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供了一种微型光谱仪，其包括：

全反射光耦合机构，其用于对入射光进行全反射并产生倏逝波；

光束准直模块，其用于将入射光准直处理后再入射所述全反射光耦合机构中；

微纳颗粒层，其能够在所述倏逝波的激发下产生辐射和散射光；

检测模块，其用于对所述辐射和散射光进行成像，以获得入射光的光谱信息。

其中，所述光束准直模块可以是透镜、反射镜和光阑中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

其中，所述检测模块包括探测器阵列，所述探测器阵列可以是具有光电转换或光热电转换能力的探测器线阵或面阵等，且不限于此。

进一步的，所述微纳颗粒层包括多个具有纳米级至微米级粒径的微纳颗粒，所述多个微纳颗粒分布在所述全反射光耦合机构的第一表面上，所述微纳颗粒能够在倏逝波的激发下产生辐射和散射光。

较为优选的，所述微纳颗粒的尺寸为50nm～5μm。

在一些实施方案中，所述微纳颗粒可以是金属颗粒，所述金属颗粒能够在倏逝波的激发下产生等离子体共振增强的辐射和散射光。

较为优选的，所述金属颗粒的材质可以是金、银、铝、铜、钛中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

此外，所述微纳颗粒的材质也可以是硅、锗等大折射率的介质材料。

进一步的，每一所述微纳颗粒上均修饰有光致发光材料，所述光致发光材料能够在所述倏逝波的激发下产生辐射光，从而在基于微纳颗粒的物理尺寸效应产生散射的基础上还基于修饰的光致发光材料特性产生辐射，为调控不同波长散射分布相关度提供更多的自由度。

较为优选的，所述光致发光材料可以是荧光分子、量子点、上转换颗粒中的任意一种或多种的组合。

在一些实施方案中，所述全反射光耦合机构包括光耦合元件，所述光耦合元件能够将入射光全反射的面为所述第一表面。

在另一些实施方案中，所述全反射光耦合机构包括光耦合元件和透明基底，所述透明基底通过折射率匹配层与所述光耦合元件贴合，所述透明基底远离所述光耦合元件的一侧表面为所述第一表面并能够将入射光全反射，并且所述折射率匹配层、所述透明基底和所述光耦合元件中任意两者的折射率的差别不超过5％。

其中，所述透明基底可以是石英基底，所述折射率匹配层能够保证石英基底与光耦合元件之间的光学接触，并能够保证石英基底与光耦合元件的折射率接近，且最大差别不超过5％。

其中，所述光耦合元件可以是直角棱镜或半圆形透镜等能够在其一表面获得全反射的透明光学元件。

在一些实施方案中，所述微纳颗粒层可以直接附着在所述全反射光耦合机构的第一表面上。

在另一些实施方案中，多个所述的微纳颗粒分散在透明固体材料中并且呈一层或多层分布，而所述分布有微纳颗粒的透明固体材料设置于所述全反射光耦合机构的第一表面上。

较为优选的，所述透明固体材料包括聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷或聚对苯二甲酸乙二醇酯，且不限于此。

在一实施方案中，所述微纳颗粒层于厚度方向上的至少一侧表面上还覆设有金属膜层，该金属膜层在所述倏逝波的激发下能够产生等离子体波，等离子波能够进一步加强所述辐射和散射光。

较为优选的，所述金属膜层的厚度为10～80nm。

较为优选的，所述金属膜层的材质为金、银、铝、铜、钛中的任意一种或多种的组合，且不限于此。

本发明实施列还了一种光谱检测方法，其包括：

提供上述的微型光谱仪；

使待测的入射光入射全反射光耦合机构，以产生倏逝波激发微纳颗粒层产生辐射和散射光，再使检测模块对所述辐射和散射光进行成像，获得图像；

对所述图像与不同单波长入射光产生的图像之间的关系进行解析，从而获得所述入射光的光谱信息。

进一步的，对所述图像与入射光的波长之间的关系进行解析的方法包括：

(1)将所述微型光谱仪所能检测的波长范围分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ

(2)将检测模块中探测器阵列的每个单元所测得的光强记为I

(3)通过求解以下矩阵方程得到所述入射光中各波长分量λ

其中，C

在一种实施方式中，探测器阵列的每个单元所测得的光强I

本发明实施例提供的一种微型光谱仪及光谱测试方法，采用全反射的耦合方式产生的倏逝波来激发微纳颗粒层产生辐射和散射光并对其进行成像，可以有效消除现有技术中直接透射光或反射光成像对成像对比度的影响，从而提高成像对比度和光谱重构精度。

本发明实施例提供的一种微型光谱仪及光谱测试方法，利用金属膜的表面等离子体波和/或利用金属颗粒的等离子体共振和/或利用光致发光材料修饰微纳颗粒，来增强辐射和散射光，从而能够进一步提高成像的对比度和信噪比，并进一步提高光谱重构精度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，为本实施例中的一种微型光谱仪，其包括：光束准直模块2、石英直角棱镜3、金纳米颗粒层4和探测器阵列5，其中，金纳米颗粒层4包括多个金纳米颗粒41，且多个金纳米颗粒41直接分布在石英直角棱镜3的反射表面32上。

入射光1经光束准直模块2进行准直处理后正入射到石英直角棱镜3的入射表面31，在反射表面32发生全反射后从出射表面33射出，并在反射表面32上产生倏逝波8，倏逝波8能够激发金纳米颗粒层4中金纳米颗粒的等离子共振辐射和散射光6，通过探测器阵列5对辐射和散射光6进行成像，以获得图像，通过解析该图像与不同单波长入射光产生的图像的关系即可获得入射光1的光谱信息。

实施例2

请参阅图2，为本实施例中的一种微型光谱仪，其与实施例1中的微型光谱仪结构相似，区别之一在于，金纳米颗粒层4由多个分布在聚乙烯吡咯烷酮42中的金纳米颗粒41构成，且多个金纳米颗粒41在聚乙烯吡咯烷酮42中呈多层分布(如图3所示)。另一个区别之处在于，石英直角棱镜3的反射表面32上依次覆设有折射率匹配层10、石英基底11，且金纳米颗粒层4设置于石英基底11上。

其中，折射率匹配层10的折射率为1.51，其能够保证石英基底11与石英直角棱镜3之间的光学接触，并能够保证石英基底11与石英直角棱镜3的折射率的差别不超过5％。

入射光1经光束准直模块2进行准直处理后正入射到石英直角棱镜3的入射表面31，之后经石英直角棱镜3的反射表面32和折射率匹配层10进入石英基底11，入射光1在石英基底11上表面的入射角θ大于全反射角，因此在石英基底11的上表面发生全反射后从石英直角棱镜3的出射表面33射出，并在石英基底11的上表面产生倏逝波8，倏逝波8激发金纳米颗粒层4中金纳米颗粒41的等离子共振辐射和散射光6，通过探测器阵列5对辐射和散射光6进行成像，通过解析不同单波长入射光1的波长与图像的关系即可获得入射光1的光谱信息。

本实施例中的金纳米颗粒层4，由多个分布在聚乙烯吡咯烷酮42中的金纳米颗粒41构成，此种结构有利于增强不同波长的入射光1经金纳米颗粒41的等离子体共振辐射和散射过程的差异性，降低不同波长的入射光1在探测器阵列5上形成的光强分布的相关度，有助于提高光谱仪的检测精度。

采用本实施例中的微型光谱仪获取光谱信息时，假设微型光谱仪所能检测的波长范围为500纳米至1000纳米，将光谱检测范围分为500个带宽为1纳米的波段，并依次将500纳米、501纳米、502纳米、…、1000纳米的单波长光经过光束准直模块2进行准直处理后先后入射到石英直角棱镜3的入射表面31和反射表面32上，并穿过反射表面32和折射率匹配层10后进入石英基底11，其在石英基底11上表面的入射角θ大于全反射角，因此发生全反射，产生的倏逝波8能够激发金纳米颗粒41的等离子体共振辐射和散射光6。在金纳米颗粒层4上方通过探测器阵列5对辐射和散射光6进行成像，成像结果如图4所示，分别记录探测器阵列5的每个单元测得的500纳米、501纳米、502纳米、…、1000纳米的单波长光的光强，从而得到传输矩阵C。

之后采用微型光谱仪对入射光1进行检测，记录探测器阵列5上每个单元测得的入射光1的光强，结合上述的已获得的传输矩阵C即可求解出入射光1的光谱信息。所得光谱信息的重构结果与市面上的微型光谱仪测得的光谱结果对比，如图5所示，可见本实施例中的方法获得的光谱检测信号与市面上光谱仪的检测结果一致，显示了优异的光谱测试精度。

实施例3

请参阅图6，为本实施例中的一种微型光谱仪，其与实施例1中的微型光谱仪结构相似，区别在于，光耦合元件采用石英半圆透镜13，在石英半圆透镜13的反射表面132上依次覆设有折射率匹配层10、石英基底11和金膜12，金纳米颗粒层4设置于金膜12上(如图7所示)，其中，金膜的厚度为50纳米。

入射光1经光束准直模块2变为准直光射入石英半圆透镜13的入射表面131，并依次穿过石英半圆透镜13的反射表面132和折射率匹配层10后进入石英基底11并在石英基底11的上表面发生全反射后经石英半圆透镜13的出射表面133射出，在石英基底11上表面产生的倏逝波8能够激发金膜12的表面等离子体波9和金纳米颗粒层4中的金纳米颗粒41的等离子体共振，其中，沿金膜12表面传播的等离子体波9能够进一步加强金纳米颗粒41的等离子体共振辐射和散射光6，再通过探测器阵列5对辐射和散射光6进行成像的对比度更高，且光谱重构精度也更高。

此外，本实施例还提供了一种金纳米颗粒层4的制备方法，其包括：首先在石英基底11的表面使用磁控溅射生长一层50纳米厚的金膜，随后使用快速退火炉进行高温退火，退火温度为750℃，进而形成金纳米颗粒层4。

本实施例中金纳米颗粒层4的制备方法成本低，适用于大面积的制备。

对比例1

请参阅图8，为本对比例中的一种微型光谱仪，其与实施例2中微型光谱仪的区别在于，未采用光耦合元件，即入射光1经光束准直模块2后直接穿过石英基底11进入金纳米颗粒层4中，经金纳米颗粒层4后通过探测器阵列5对辐射和散射光6进行成像。

成像结果如图9所示，其与图4所示的实施例2中的微型光谱仪的成像结果对比可见，不经过全反射的方式形成的图像的对比度很低。

如图10所示，为此对比例中的微型光谱仪进行的光谱重构结果与实施例2中所述的市面上的微型光谱仪测得的光谱结果对比图，可见测试精度远低于市面上的微型光谱仪，即不采用全反射耦合方式的光谱仪的测试精度远低于实施例2中的微型光谱仪的测试精度，其主要原因就是入射光1的透射光对辐射和散射光6造成了干扰，增加了不同波长的入射光1对应的探测器阵列5上记录的光强分布的相关度，造成光谱重构分辨率下降。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。