CN108917927B

CN108917927B - 色散装置和光谱仪

Info

Publication number: CN108917927B
Application number: CN201810844249.9A
Authority: CN
Inventors: 孟宪芹; 王维; 谭纪风; 孟宪东; 陈小川; 高健; 王方舟; 凌秋雨
Original assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Current assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: CN108917927A; WO2020019711A1

Abstract

本发明公开了一种色散装置和光谱仪，色散装置包括：光学基板，其配置为传输光；多个准直的光源，其设置在光学基板的一侧上；多个光栅，多个光栅与多个准直的光源一一对应地设置在光学基板的一侧的表面上，被配置为分别对来自相应准直的光源的光的不同波段进行色散，使得色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波的衍射角都小于光学基板与空气之间的全反射角；出光口，其与准直的光源对应地设置在光学基板的另一侧的表面上，被配置为取出色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波。本实施例的色散装置中，光栅结构简单，且准直的光源和光栅一一对应设置，直接一次通过光学基板实现色散，可以实现较高的光能利用率。

Description

色散装置和光谱仪

技术领域

本发明涉及光检测领域，特别涉及一种色散装置和光谱仪。

背景技术

现有技术中，都是用复杂结构实现色散，尤其是全息光栅或者布拉格光栅等，加工难度都比较大。现有技术中还有利用体玻璃作为光波导实现体玻璃分色，但是这种方式光效太低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出了一种色散装置和光谱仪，用以解决现有技术的如下问题：实现色散的光栅结构较复杂、加工难度大以及光效色散效率低的问题。

一方面，本发明实施例提出了一种色散装置，包括：光学基板，其配置为传输光；多个准直的光源，其设置在所述光学基板的一侧上；多个光栅，其与多个所述准直的光源一一对应地设置在所述光学基板的所述一侧的表面上，被配置为分别对来自相应准直的光源的光的不同波段进行色散，使得色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波的衍射角都小于光学基板与空气之间的全反射角；出光口，其与所述准直的光源对应地设置在所述光学基板的另一侧的表面上，被配置为取出所述色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波。

在一些实施例中，所述光学基板的厚度t与所有目标波长光的一级衍射角的最大角度和最小角度的距离ΔD满足以下公式：ΔD＝(tanθ_d-max-tanθ_d-min)*t，其中，θ_d-max为所有目标波长光的一级衍射角的最大角度，θ_d-min为所有目标波长光的一级衍射角的最小角度，ΔD为所述出光口宽度。

在一些实施例中，所述色散装置包括：设置在各个光源的两侧的第一黑矩阵，所述第一黑矩阵的宽度w1为:

w1＝2*tanθ_d-max*t。

在一些实施例中，所述色散装置还包括：第二黑矩阵，其与所述光栅一一对应地设置在所述光学基板的所述另一侧上，所述第二黑矩阵至少覆盖所述光栅的中心在所述光学基板上的正投影所在点至所述出光口靠近所述光源一端的范围。

在一些实施例中，所述第二黑矩阵的中心与所述光栅的中心在垂直于所述光学基板的方向上重合，所述第二黑矩阵的宽度w2为：

w2＝2*tanθ_d-min*t。

在一些实施例中，各个光栅的周期根据一级衍射角、各个准直的光源的波段以及所述光学基板的折射率来确定。

在一些实施例中，所述准直的光源由光源和准直构件构成，所述准直构件为微纳结构或吸光层。

在一些实施例中，所述出光口设置在相应各个光源的两侧，以共同取出同个波长范围内的光，并从所述两侧的出光口交替取出相邻波长的光。

在一些实施例中，所述光源为白光Micro-LED光源或者单色Micro-LED光源。

在一些实施例中，所述光学基板的所述另一侧上目标波长光的出光口设有半波长的光栅结构。

在一些实施例中，衍射光中一级衍射的衍射强度在15-30％之间。

另一方面，本发明实施例提出了一种光谱仪，包括：上述的色散装置；待测物通道，其设置在所述色散装置的所述光学基板的所述另一侧上，以接收从其出射的目标波长光；以及，检测基板，其上设置有光敏传感器，以对所述待测物通道出射的光线进行检测。

在一些实施例中，所述待测物通道包括微流通道，通过在基材上刻蚀而成，且其内壁上涂覆改性膜层。

在一些实施例中，所述待测物通道的上端连通有进液池，下端连通有废液池，且所述待测物通道设置在上述的第二黑矩阵内。

在一些实施例中，所述光敏传感器与所述光学基板的所述另一侧上目标波长光的出光口对应设置。

在一些实施例中，所述光敏传感器与所述出光口出射的目标波长光一一对应设置。

在一些实施例中，所述光学基板的厚度、光栅周期、以及光栅数目中的至少一个参数根据光敏传感器的尺寸和所需的光谱仪的分辨率来设置。

本实施例的色散装置中，光栅结构简单，且准直的光源和光栅一一对应设置，直接一次通过光学基板实现色散，可以实现较高的光能利用率。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的色散装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的色散装置的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的光谱仪的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的待测物通道的结构示意图；

图5a为本发明第二实施例提供的Royal Blue和Blue Micro-LED通过500nm光栅后的一级衍射角度分布图；

图5b为本发明第二实施例提供的Royal Blue和Blue Micro-LED通过500nm光栅后的(b)距离光源所在中心位置的距离图；

图5c为本发明第二实施例提供的Royal Blue和Blue Micro-LED通过500nm光栅后的一级衍射强度分布图；

图6a为本发明第二实施例提供的通过500nm光栅后的一级衍射角度分布图；

图6b为本发明第二实施例提供的通过500nm光栅后的每一个波长距离光源所在中心位置的距离图；

图6c为本发明第二实施例提供的通过500nm光栅后的一级衍射强度分布图；

图7为本发明第二实施例提供的通过光栅的+/-1st衍射体玻璃色散的示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

用以解决现有技术的如下问题：实现色散的光栅结构较复杂、加工难度大以及光效色散效率低的问题

本发明第一实施例提供了一种色散装置，该色散装置的结构示意如图1所示，包括：

光学基板0，其配置为传输光；多个准直的光源1，其设置在光学基板的一侧上；多个光栅2，多个光栅2与多个准直的光源1一一对应地设置在光学基板0的一侧的表面上，被配置为分别对来自相应准直的光源1的光的不同波段进行色散，使得色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波的衍射角都小于光学基板0与空气之间的全反射角；出光口3，其与准直的光源1对应地设置在光学基板的另一侧的表面上，被配置为取出色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波。

实现时，上述的准直的光源可以是准直性比较好的光源，当然，也可以是普通光源加准直构件组成的光源，准直构件可以为微纳结构或吸光层。具体的，可以是由准直性比较好的单色光谱较宽的LED芯片制成，也可以准直后的白光Micro-LED光源、单色Micro-LED光源或者激光光源，也但不限于这些类型。为了降低成本，本实施例优选准直的Micro-LED芯片作为光源。

对于光学基板，其可以设置为体玻璃基板，也可以选用稳定性较好的树脂或者聚酯化合物，也可以用其他基材。材质根据实际需求定，要求体玻璃基板的厚度有一定厚度，以便色散后的光在体玻璃内传输到下表面时，相邻分辨波长之间具有一定距离，方便与下表面正对的微流通道和光敏传感器尺寸和位置一一对应。

光学基板厚度t与所有目标波长光的一级衍射角的最大角度和最小角度的距离ΔD满足以下公式：ΔD＝(tanθ_d-max-tanθ_d-min)*t，其中，θ_d-max为一级衍射角的最大角度，θ_d-min为一级衍射角的最小角度，ΔD为出光口宽度，其能够根据光谱仪的分辨率、光敏传感器的尺寸和光的各个波段范围大小来确定。通过该设置，即使在光敏传感器不能做到很小的时候，也可以通过改变体玻璃的厚度来增大距离ΔD。

本实施例的光栅就是简单光栅，其中，光栅的周期由需要出射的光的波长、出、入射材料的折射率、入光角度和设计的出光方向决定共同决定，具体的，各个光栅的周期可以根据一级衍射角、各个准直的光源的波段以及光学基板的折射率来确定；光栅的占空比一般为0.5，但在实际产品设计中可以偏离此值(比如出于调节出光的强度，平衡显示面板不同位置亮度的差异等目的)。光栅的高度，根据要求某个波长或者某几个波长的光的强度决定，可以是几百纳米，也可以是微米级。如果是其他滤光结构，以滤光的特殊波长和出光角度要求，设计特殊结构，可以是内置的微反射镜，或者是其他微结构等。

上述光学基板的另一侧上目标波长光的出光口设有半波长的光栅结构，进而可以实现准直取出各个波长的光。

在一些实施例中，上述准直构件还可以包括第一黑矩阵4，设置在各个光源的两侧。第一黑矩阵4的宽度w1按照如下公式确定:

w1＝2*tanθ_d-max*t。本实施例的第一黑矩阵主要用来吸收不是目标角度入射的光。

在一些实施例中，上述色散装置可以包括第二黑矩阵5，其与光栅2一一对应地设置在光学基板的另一侧上。如图2所述，第二黑矩阵5至少覆盖光栅2的中心在光学基板0上的正投影所在点M至出光口3靠近光源1一端N的范围。进一步地如图3所示，第二黑矩阵5的中心与光栅2的中心在垂直于光学基板0的方向上重合，第二黑矩阵5的宽度w2为：

w2＝2*tanθ_d-min*t。该第二黑矩阵的设置可以降低检测过程中其他波长光的干扰，提高测量精度和信噪比。

上述第一黑矩阵和第二黑矩阵的材质均可以是黑色光阻resin薄膜或者是金属薄膜(Cr/CrO)，厚度以吸收非目标波长光为目的，厚度在100nm左右。

在一些实施例中，上述出光口设置在相应各个光源的两侧，以共同取出同个波长范围内的光，并从两侧的出光口交替取出相邻波长的光。本实施例通过两侧间隔取光，能够增加相邻波长之间的间距，从而弥补光敏传感器的尺寸限制。

在一些实施例中，衍射光中一级衍射的衍射强度设置在15-30％之间，该设置可以减少更大级次衍射光带来的串扰。

本发明第二实施例提供了一种光谱仪，该光谱仪的结构示意如图3所示，包括：

第一实施例中的色散装置11；待测物通道6，其设置在色散装置的光学基板的另一侧上，以接收从其出射的目标波长光；以及，检测基板7，其上设置有光敏传感器，以对待测物通道出射的光线进行检测。

其中，待测物通道包括微流通道，微流通道的宽度和高度可以是纳米级通道，也可以比之大或者小，具体根据实际应用设计，对微流通道大小不做特殊要求。微流通道可以通过光刻、刻蚀的方法做在硅、玻璃或者聚合物(如PDMS或者PMMA)上，也可以在其他材料上，对微流通道的材质和形成不做特殊要求。微流沟道的内壁依据实际的需求，一般在微流沟道内涂覆疏/亲水膜层，使微流体在微流通道内根据实验需求流动或者短暂滞留，如特氟龙-AF疏水层，可以使使微流尽可能不粘附在微流通道内，根据需求流动。

如图4所示，为设置在第二黑矩阵5内的待测物通道6的结构示意图，待测物通道6的上端连通有进液池61，下端连通有废液池62。

上述光敏传感器72与光学基板的另一侧上目标波长光的出光口对应设置，设置在下基板71上，具体的，光敏传感器71与出光口出射的目标波长光一一对应设置。由于希望光敏传感器与出光口一一对应，两者间距依赖于光线耦合结构(阵列)的出光方向的精度以及光探测器的信噪比需求，以两者紧密贴合较佳(中间可以包含缓冲膜层等)。光敏传感器类型可以是CCD、CMOS、PIN等。

实现时，可以是一种微流体被分成无数个纳升或者皮升的小液滴，进入不同的待测物通道内，与其特定的波长发生物理或者化学反应，根据微流体在物理或者化学反应前后携带信息发生变化，被待测物通道下方的感光传感器探测，对标，完成检测。完成检测后的废液进入废液池。

具体实现时，可以通过设置光学基板的厚度、光栅周期、以及光栅数目中的至少一个参数，来在光敏传感器的尺寸限制下实现所需的光谱仪的分辨率。

本实施例提供的光谱仪可以应用于物理、化学、生物相关中，可以用于光谱分析、分子诊断、食品检疫和细菌分类等领域。

下面，结合具体实例和附图对上述光谱仪的原理及器件的选择进行详细说明。

(1)本实施例的器件结构基本组成

基本器件结构为光学基片+微流基片+传感基片。本实施例主要用2mm的玻璃基片作为光学部分基片，主要负责对白光色散；微流基片可以是单独的一个基片，材质可以是PDMS也可以是PMMA，也可以是在光学基片上甩光刻胶，在特定的区域用曝光的方式实现，做出微流通道。主要用来通过微流体或者气体的通道，本实施例采用spin-on光刻胶，然后用曝光的方式直接在光学基板的上表面加工出微流通道。微反应池和废液池可以用掩膜版遮挡的方式曝光得到。传感器基片是将光敏传感器集成在传感基片上，可以是玻璃基片，也可以是其他材质的基片，根据实际需求选择，主要作用是探测通过微探测物的光学信号。为了方便直观观察和追踪，光敏传感器的电路可以采用透明电极如ITO或者Al掺杂的ZnO。

(2)光源选择

A：Micro-LED多色光源。

本实施例选用光谱较宽的单色Micro-LED作为光源，实现分波段通过光栅色散的目的。

在不同Micro-LED进行准直处理后，进入到光栅区域。准直处理可以用微纳结构(如牛眼结构)准直，也可以用黑矩阵遮挡吸收杂散光达到准直的目的。也可以使用白光Micro-LED作为光源，设计不同的光栅，色散不同的波段，实现高精度的光谱色散。

B:单色宽光谱Micro-LED光源。

如果选用的是Royal Blue[440nm,460nm]或Blue[460nm,480nm]的Micro-LED，可以用周期是500nm，线宽和高度是250nm的简单光栅，得到的衍射角度、距离光源的距离和一级衍射强度对比如图5a-5c的1区域和2区域所示。

也可以用其他参数的光栅，只要满足最大波长的一级衍射角度小于光学介质到空气的临界角(如光学介质为玻璃，则临界角为41°)。设计光栅时，为了使ΔD最大化，方便在有限的ΔD范围内排布更多的传感器或者微流通道，使光谱检测的精度降到更大，令最大和最小波长的衍射角度之差越大越好。

(3)色散原理和说明

单个Micro-LED被体玻璃表面的光栅色散，为一次通过体玻璃实现色散，以实现较高的光能利用率，可以采用以下方案：

1.所有的衍射光尽量以一级衍射色散，减少更大级次衍射光带来的串扰；

2.所有的一级衍射波长的衍射角都小于玻璃与空气之间的全反射角

根据衍射公式：

其中，n_i和θ_i分别为入射空间折射率和入射角度，m为衍射级次，Λ为光栅周期，λ为入射光波长，θ_d为衍射光方向与面板平面法线之间的夹角，n_d为玻璃和空气的等效折射率。

根据公式(1)，设计通过光栅透射色散入射光，为了降低或者避免不同衍射级次色散串色，使所有的波长通过光栅之后只存在一个衍射级次，每个衍射级次的衍射角度不同，就可以将目标波长光依次分开。但是，很难用一个光栅实现宽光谱如380-780nm范围内的光都只有一个衍射级次，因此，将采用多个多色Micro-LED和其一一对应的简单光栅，分波段衍射色散。

如图6a-6c所示，为通过500nm光栅后的一级衍射角度分布、每一个波长距离光源所在中心位置的距离、一级衍射强度分布示意。

色散后各个波长距离中心光源在基板上的正投影所在的点的距离(Distance)可以通过公式(3)计算：

Distance＝tanθ_d*t…(3)；

其中，为θ_d衍射角度(Diffraction angle),t为体玻璃的厚度。此时，通过公式(2)可以算出最大和最小衍射角度，可以求出色散后的最大波长和最小波长之间的距离(ΔD):

ΔD＝(tanθ_d-max-tanθ_d-min)*t…(4)；

其中，θ_d-max和θ_d-min为一级衍射的最大和最小角度，t为体玻璃厚度。从公式(3)-(4)可以看出，体玻璃厚度t对色散后各波长之间的间距起到至关重要的作用，且色散后Distance与厚度t呈正比例关系，因此，如果微流通道或者传感器不能做到很小的时候，也可以通过改变体玻璃的厚度来增大Distance，以达到三者之间一一对应的关系。

Micro-LED左右两边需要黑矩阵隔绝环境光，同时用于吸收衍射角度大于全反射角的光被玻璃下表面反射回上表面。Micro-LED左右两边的第一黑矩阵的宽度为w1:

w1＝2*tanθ_d-max*t……(6)；

同公式(5)，t为体玻璃厚度，θ_d-max为一级衍射角度的最大值。

第一黑矩阵用来吸收大于全反射角的衍射级次的光。

另外，通过光栅衍射特性，面光源准直垂直入射时，通过光栅衍射之后，其+/-1st衍射级次的衍射角相同，即法线对称分布的，衍射强度也相同(如图7所示)。基于此，ΔD可变为原来的2倍，则分辨率就会变为原来的一半。

通过图7可以看出，左右两边的不同波长的1st衍射都是法线对称分布的，用左、右两边的ΔD共同取出同等波长范围内的光，所以ΔD变为原来的两倍。考虑到传感器尺寸的显示，可以在分色的区域两边间隔取光，单边以(λ_i,λ_i-2…)出光的位置开微通道，取出间隔一个波长的光，同理，对称的另一边以(λ_i-1,λ_i-3…)的出光位置取出对应波长的光。使上一个波长与下一个波长之间的间距ΔD变大，弥补传感器不能做到目标要求尺寸的缺陷。

本实施例准直后的Micro-LED光源和简单玻璃光栅制备到玻璃基板上表面，下玻璃基片上集成了微流通道，另一个玻璃基片上集成的光敏传感器，上玻璃基板的出光波长需要与下玻璃基板的光敏探测器一一对应，方便准确监控透过待测物的信号。

检测时，点亮Micro-LED光源，经过光栅透射色散后，在上玻璃基板的下表面的不同位置出射不同波长。上玻璃下表面加工有微流通道，微流通道中通过待测气体或者液体，特定波长的光与待测物进行物理或者化学反应，微流通道下的探测器接受最终光学信号，再传回数据分析系统，完成对特定物质或者气体的标定，或者检测，即完成探测。

本实施例采用易加工的简单光栅，利用体玻璃作为光学基板，高效的实现宽光谱白光分色和微流检测的系统，该系统也可以用到其他微气体或者其他微检测领域。

以上对本发明多个实施例进行了详细说明，但本发明不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本发明构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种色散装置，其特征在于，包括：

光学基板，其配置为传输光；

多个准直的光源，其设置在所述光学基板的一侧上；

多个光栅，其与多个所述准直的光源一一对应地设置在所述光学基板的所述一侧的表面上，被配置为分别对来自相应准直的光源的光的不同波段进行色散，使得色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波的衍射角都小于光学基板与空气之间的全反射角；

出光口，其与所述准直的光源对应地设置在所述光学基板的另一侧的表面上，被配置为取出所述色散光束中的所有目标波长光的一级衍射波，其中，所述光学基板的所述另一侧上目标波长光的出光口设有半波长的光栅结构；

第二黑矩阵，其与所述光栅一一对应地设置在所述光学基板的所述另一侧上，所述第二黑矩阵至少覆盖所述光栅的中心在所述光学基板上的正投影所在点至所述出光口靠近所述光源一端的范围。

2.如权利要求1所述的色散装置，其特征在于，

所述光学基板的厚度t与所有目标波长光的一级衍射角的最大角度和最小角度的距离ΔD满足以下公式：ΔD＝(tanθ_d-max-tanθ_d-min)*t，其中，θ_d-max为所有目标波长光的一级衍射角的最大角度，θ_d-min为所有目标波长光的一级衍射角的最小角度，ΔD为所述出光口的宽度。

3.如权利要求2所述的色散装置，其特征在于，所述色散装置包括：

设置在各个光源的两侧的第一黑矩阵，所述第一黑矩阵的宽度w1为:

w1＝2*tanθ_d-max*t。

4.如权利要求1所述的色散装置，其特征在于，

所述第二黑矩阵的中心与所述光栅的中心在垂直于所述光学基板的方向上重合，所述第二黑矩阵的宽度w2为：

w2＝2*tanθ_d-min*t。

5.如权利要求1所述的色散装置，其特征在于，

各个光栅的周期根据一级衍射角、各个准直的光源的波段以及所述光学基板的折射率来确定。

6.如权利要求2所述的色散装置，其特征在于，所述准直的光源由光源和准直构件构成，所述准直构件为微纳结构或吸光层。

7.如权利要求6所述的色散装置，其特征在于，

所述出光口设置在相应各个光源的两侧，以共同取出同个波长范围内的光，并从所述两侧的出光口交替取出相邻波长的光。

8.如权利要求1所述的色散装置，其特征在于，

所述光源为白光微型发光二极管Micro-LED光源或者单色Micro-LED光源。

9.如权利要求1所述的色散装置，其特征在于，

衍射光中一级衍射的衍射强度在15-30％之间。

10.一种光谱仪，其特征在于，包括：

根据权利要求1-9中任一项所述的色散装置；

待测物通道，其设置在所述色散装置的所述光学基板的所述另一侧上，以接收从其出射的目标波长光；以及

检测基板，其上设置有光敏传感器，以对所述待测物通道出射的光线进行检测。

11.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于，

所述待测物通道包括微流通道，通过在基材上刻蚀而成，且其内壁上涂覆改性膜层。

12.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于，

所述色散装置包括第二黑矩阵，其与所述光栅一一对应地设置在所述光学基板的所述另一侧上，所述待测物通道的上端连通有进液池，下端连通有废液池，且所述待测物通道设置在所述第二黑矩阵内。

13.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于，

所述光敏传感器与所述光学基板的所述另一侧上目标波长光的出光口对应设置。

14.如权利要求13所述的光谱仪，其特征在于，

所述光敏传感器与所述出光口出射的目标波长光一一对应设置。

15.如权利要求10所述的光谱仪，其特征在于，

所述光学基板的厚度、光栅周期、以及光栅数目中的至少一个参数根据光敏传感器的尺寸和所需的光谱仪的分辨率设置。