[發明專利]基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀

無效

• 申請號: 200910103679.6
• 申請日: 2009-04-24
• 公開（公告）號: CN101539457A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 溫志渝;羅彪;溫中泉
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 重慶華科專利事務所
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于分析儀器技術領域，特別涉及基于MEMS微鏡和凹面光柵的微型寬光譜高分辨率的光譜分析儀器。

背景技術

利用物質的發射光譜、吸收光譜或散射光譜特征對物質進行定性、定量分析的技術稱為光譜分析技術。光譜分析技術廣泛應用于工業，農業，化工，醫藥等領域。現有的光譜分光技術分為光柵掃描式、干涉調制分光式、濾光片式、聲光調諧式等，各自有各自的特點。

光柵掃描分光系統是利用光柵作為分光元件，并且通過掃描光柵，將入射的復色光分解為光譜寬度很窄的單色光，這種分光技術發展成熟，應用廣泛，主要優點是波段范圍廣，在全波段色散均勻，單色光的波長可以做到均勻控制。在紫外-可見光波段，大多采用CCD線陣進行光譜信號的探測。但是對于紅外波段，由于該波段波長較長，分光成像時像差較大且不容易控制，CCD線陣技術發展緩慢，常見寬光譜的接收系統一般采用熱探測器系統，所以必須采用斬波器對所探測的紅外輻射進行有效的調制，以便于準確測量，這樣就增加了光譜儀器的體積，儀器的便攜性受到限制，使得此波段的光譜儀器技術發展受到很大限制。

干涉調制分光式光譜儀的主要代表是傅里葉變換光譜儀，它是利用光譜像元干涉圖與光譜圖之間的傅里葉變換關系，通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅里葉變換來獲得物體的光譜信息。傅里葉變換光譜儀光通量大，光譜分辨率高，在弱輻射探測方面優勢明顯。但由于該設計中動鏡的存在，該動鏡依靠步進電機和其他精密機械系統驅動，所以儀器的可靠性和便攜性受到限制，特別是對儀器的使用和放置環境有嚴格要求。并且它的價格昂貴，體積龐大，主要用于實驗室。比如日本島津的FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀，其光譜儀外形尺寸達640×580×250mm³，無法實現便攜的實時在線檢測。

濾波片型分光系統一般是用干涉濾光片作為分光元件，價格低廉，設計簡單；但是濾光片的光學性能如帶寬、峰值波長和透過率受溫度、濕度影響很大，僅能用作對單個或幾個波長的響應，所以只適合于專用儀器。

微型化、寬光譜、高精度是光譜儀發展的重要方向。利用MEMS和MOEMS的微加工技術制作微型光譜儀是光譜儀發展的熱點方向。德國的F.Zimmer等人提出了一種使用MOEMS技術制作的光譜范圍在900-2000nm的紅外光譜儀，該光譜儀基于掃描微鏡技術，采用單個微鏡進行光譜掃描，由于鏡面面積(面積達毫米數量級)和鏡面轉角大，采用靜電驅動技術，所以基于這種微鏡的光譜儀的問題在于微鏡的驅動電壓過高(達數百伏)，無法完全克服轉動過程中鏡面平動所導致分辨率下降的問題，并且外部角度檢測裝置導致光譜儀體積相對較大，使該儀器的實用化受到限制。

發明內容

本發明的目的是針對現有微型化光譜儀局限性而提出的一種擴展性好，可應用于紫外-可見-近紅外-中紅外光譜波段的高精度寬光譜的基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀，它采用不同于傳統掃描型光譜儀的全新光路系統，完全省去斬波器裝置，減小系統的體積，提高系統的便攜性。

本發明通過以下技術方案來加以實現：

基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀，它包括分光成像、MEMS掃描微鏡陣列、光譜信號獲取與處理三部分；其中，

所述分光成像部分包括狹縫和平場凹面光柵，狹縫位于平場凹面光柵的正前方，經過狹縫的光束入射到平場凹面光柵上，所述狹縫的寬度根據光譜的波長范圍及分辨率進行調整確定；所述平場凹面光柵進行光譜的分光成像，通過選擇具有不同工作波段的平場凹面光柵達到擴展光譜范圍的要求。

所述MEMS掃描微鏡陣列部分包括微鏡陣列器件和微鏡控制電路模塊，所述MEMS微鏡陣列由微加工工藝制作完成，MEMS微鏡陣列器件布置在平場凹面光柵的像面位置，并由微鏡控制電路模塊控制依次改變每個微鏡單元的狀態，對各個不同波長的光譜像元進行依次反射掃描。

所述光譜信號獲取與處理部分由一個單管探測器和光譜信號采集與處理電路組成，所述單管探測器布置在MEMS微鏡陣列器件的公共光掃描空間。光譜信號采集與處理電路在得到反射掃描微鏡的位置信號、掃描次數信號(這兩個信號由微鏡控制電路模塊發出)以及同一時間段內單管探測器本身響應的光強信號之后，進行連續光譜信號的識別，經過處理后得到準確的連續光譜信息。