專利名稱：基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法及光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儀器分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)能 同時實現(xiàn)對被檢測物質(zhì)的可見光波段和近紅外波段探測的光譜監(jiān)測系統(tǒng)，該儀器可廣泛應(yīng) 用于食品安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、生化分析、醫(yī)藥鑒定、工業(yè)流程監(jiān)控等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
食品安全檢測和環(huán)境監(jiān)測是當(dāng)前我國面臨著的巨大現(xiàn)實問題。研究用于食品安全檢測 和環(huán)境安全監(jiān)測的微型，快速，便攜式，廉價分析儀是目前的研究熱點?？梢姽夤庾V分析 技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)是用于食品安全檢測和環(huán)境監(jiān)測中最常用的光譜分析技術(shù)。
目前微型化的可見光光譜儀絕大多數(shù)是基于CCD線陣探測器技術(shù)。長春精密機(jī)械及 物理研究所、天津大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、重慶大學(xué)微系統(tǒng)中心等都進(jìn)行了微小型可見光光譜儀 器的研究。這類儀器技術(shù)非常成熟，但僅能用于被測量物質(zhì)中無機(jī)物有害物質(zhì)的檢測。
近紅外光譜儀主要包括濾光片型、光柵掃描型、傅立葉型、聲光調(diào)諧型、MEMS技術(shù) 型等，但受探測波段的限制，近紅外光譜儀僅能用于被測量物質(zhì)中有機(jī)物有害物質(zhì)的檢測。
若要求對被測物質(zhì)進(jìn)行全面檢測，即既能檢測出無機(jī)物有害物質(zhì)，又能檢測出有機(jī)物 有害物質(zhì)，就需要對被測物質(zhì)的可見光波段和近紅外波段進(jìn)行光譜探測。能夠?qū)崿F(xiàn)這些檢 測功能的光譜儀叫可見-近紅外光譜儀。目前的可見-近紅外光譜儀主要是由分別用于可見 光波段和近紅外波段的兩個反射光柵，機(jī)械掃描可見光光路，機(jī)械掃描近紅外光光路，可 見光探測，近紅外探測器，驅(qū)動電機(jī)等組成。其對被測物質(zhì)光譜探測的過程為先在可見光 光路上使用可見光探測器進(jìn)行可見光光譜掃描，然后再切換到另外一個近紅外光路上使用 近紅外探測器進(jìn)行近紅外光譜掃描。這種儀器存在體積大，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，控制電路難， 檢測時間長等缺點。而且屬于大型實驗室設(shè)備，僅僅適合在實驗室使用，無法作為一種在 線的現(xiàn)場檢測設(shè)備。
針對我國食品安全檢測和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用急需，本發(fā)明克服了以上各類儀器的缺 點，可以對被檢測物質(zhì)的可見光光譜和近紅外光譜實現(xiàn)同時探測，同時具有廉價，高精度， 快速，微型化等優(yōu)點，具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前我國食品安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域缺乏快速監(jiān)測手段和設(shè) 備的需要，提供的一種價格低廉、監(jiān)測速度快、體積小、重量輕、使用方便的基于可編程 微鏡陣列的可見-近紅外光譜監(jiān)測方法及光譜儀。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法，包括布置在儀器殼體內(nèi)的光源、樣 品池、探測部分、雙閃耀角反射光柵、成像裝置、可編程微鏡陣列、單點可見光探測器、 單點近紅外探測器等組成，將光源發(fā)出的光，先經(jīng)過裝有待測樣品的樣品池，再使其入射 到一個雙閃耀角反射光柵上，不同波長的光在空間上被色散開，使空間分開的各色波長 的光再經(jīng)成像透鏡后入射到可編程微鏡陣列上；在可編程微鏡陣列兩邊分別設(shè)置一個單點 可見光探測器和一個單點近紅外探測器以及相應(yīng)的匯聚透鏡，通過對可編程微鏡陣列上對 應(yīng)可見光波段的像素按時間順序依次施加正向電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依次向左偏 轉(zhuǎn)，將不同波長的可見光依次反射到單點可見光探測器上，通過讀取一個掃描時間周期內(nèi) 探測器上的光強(qiáng)數(shù)值就可以獲得被測物質(zhì)的可見光光譜；同時，對可編程微鏡陣列上對應(yīng) 近紅外波段的像素按時間順序依次施加反向電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依次向右偏轉(zhuǎn)， 將不同波長的近紅外光依次反射到單點近紅外探測器上，通過讀取一個掃描時間周期內(nèi)探 測器上的光強(qiáng)數(shù)值就可以獲得被測物質(zhì)的近紅外光譜；若將上述在可見光區(qū)域與近紅外區(qū) 域的操作同時進(jìn)行就可以同時獲得被檢測物質(zhì)的可見光光譜和近紅外光譜。
所述樣品池設(shè)置在光源與雙閃耀角反射光柵之間，光源發(fā)出的光，經(jīng)過樣品池，入射 到雙閃耀角反射光柵上；在雙閃耀角反射光柵的衍射光傳播線路上設(shè)置可編程微鏡陣列， 并在雙閃耀角反射光柵與可編程微鏡陣列之間設(shè)置成像裝置，通過施加驅(qū)動電壓對可編程 微鏡陣列進(jìn)行調(diào)制，在可編程微鏡陣列兩邊的單點可見光探測器和單點近紅外探測器就可 以同時分別獲取被檢測物質(zhì)的可見光光譜和近紅外光譜，從而實現(xiàn)對被檢測物質(zhì)里面的有 害無機(jī)物和有害有機(jī)物的同時檢測。
本發(fā)明的光源可選擇目前市場上的鹵鉤燈光源，適用于整個可見光及近紅外光波段
的應(yīng)用，發(fā)射光譜從400nm 2700nm,可以方便地進(jìn)行各種光纖和探頭連接。
本發(fā)明的可見光探測器可選擇Si探測器(200 1100nm);近紅外探測器可選擇PbSe 探測器(1000 3000nm), InGaAs (700 1800nm)非制冷探測器，InGaAs (800 2600nm)制冷探測器等。
本發(fā)明的色散元件采用可以在可見光波段和近紅外波段較均勻分配能量的反射型閃耀 光柵，如雙閃耀角反射光柵。雙閃耀角反射光柵可以產(chǎn)生兩個閃耀波長。 一個閃耀波長 在可見光區(qū)域，另一個閃耀波長在近紅外區(qū)域，從而使得一個光柵可以將能量比較均勻 地分配到可見光波段和近紅外波段。這樣可以只使用一個光柵，不需要切換光柵，也不 需要基于雙反射光柵的雙光路系統(tǒng)，就可以保證可見光波段和近紅波段都具有足夠的衍 射能量。
對于反射光柵，其光柵方程為
d(siiH'土sin汐)=(1)
其中i為入射角，e為衍射角，義為入射光波的波長，(+ )號表示衍射光和入射光在
光柵法線的同一側(cè)，(一)號表示他們各在法線的一側(cè)，通常選取一級衍射光，k-=l。
m個微鏡像素單元對應(yīng)整個可見-近紅外光譜波段，第1個像素到第n個微鏡像素單元 對應(yīng)400nm-800nm波段，即、到Xn為可編程微鏡陣列左邊n個像素對應(yīng)的可見光波段，使 用Si探測器。第n+l個像素單元到第m個像素單元對應(yīng)800nm-1700nm波段，即Vm到^ 為可編程微鏡陣列右邊m-n個像素對應(yīng)的近紅外光波段，使用InGaAs等近紅外探測器。
因此整個系統(tǒng)具有價格低廉、體積小、響應(yīng)速度極快、功耗低、便攜使用、精度較高 等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全監(jiān)測、生化分析、工業(yè)流程控制等領(lǐng)域。


圖1:基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜儀結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2:雙閃耀角反射光柵示意圖3:雙閃耀角反射光柵各衍射波長的歸一化衍射效率示意圖4:可編程微鏡結(jié)構(gòu)圖；圖4a為施加一正向電壓后微鏡處于左偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；圖4b為 施加一反向電壓后微鏡處于右偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；圖4c為不施加任何電壓時，微鏡處于中間態(tài)。 圖5:可編程微鏡線陣的編程狀態(tài)局部示意其中1為光源，2為樣品池，3為狹縫，4為雙閃耀角反射光柵，5為成像透鏡，6為 可編程微鏡陣列，7為第一匯聚透鏡，8為第二匯聚透鏡，9近紅外長通濾波片，IO單點可 見光探測器，ll單點近紅外探測器
41玻璃基底，42金屬反射層61.反射微鏡，62.連接體，63.電極，64.下層電路
具體實施例方式
如圖1所示，光譜儀的樣品池2設(shè)置在光源1與色散元件雙閃耀角反射光柵4之間， 并在樣品池2與雙閃耀角反射光柵4之間設(shè)置狹縫3，在雙閃耀角反射光柵4的光衍射線 路上設(shè)置可編程微鏡陣列6，并在色散元件4與可編程微鏡陣列6之間設(shè)置成像透鏡5，通 過施加驅(qū)動電壓對可編程微鏡陣列6進(jìn)行調(diào)制，分別在可編程微鏡陣列6的左右兩邊設(shè)置 一個單點可見光探測器10和一個單點近紅外探測器11。在可見光探測器10與可編程微鏡 陣列6之間設(shè)置第一匯聚透鏡7，在近紅外探測器11與可編程微鏡陣列6之間設(shè)置第二匯 聚透鏡8和一個近紅外波段長通濾波片9。工作時，光源l發(fā)出的光，經(jīng)過樣品池2和狹 縫3，衍射光束照射到雙閃耀角反射光柵4上，衍射光被成像透鏡5成像在可編程數(shù)字微 鏡陣列6上，可編程微鏡陣列6對衍射光束進(jìn)行調(diào)制，可見光波段的光被可見光探測器10 接收，近紅外波段的光經(jīng)濾波片濾掉可見光二級光譜后，被近紅外探測器ll接收。通過對 可見光對應(yīng)像素和近紅外光對應(yīng)像素同時進(jìn)行順序掃描即可獲得樣品物質(zhì)的可見-近紅外 光譜。從而實現(xiàn)對被測物質(zhì)的成分及含量檢測。
雙閃耀角反射光柵4的結(jié)構(gòu)如圖2所示，與普通一個閃耀角的光柵不同的是，該光柵 具有兩個閃耀角。普通閃耀光柵只能閃耀一個波長，即要么把衍射能量轉(zhuǎn)移到可見光波段， 要么把能量轉(zhuǎn)移到近紅外波段，不能同時保證可見光波段和近紅外光波段都有比較強(qiáng)的衍 射能量。而本兩個閃耀角0H,0l2的光柵，閃耀角cn對應(yīng)的光柵部分將能量閃耀到可見光紅 外波段，閃耀角(X2對應(yīng)的光柵部分將能量閃耀到近紅外光波段，即將接近50%的能量集中 在可見光波段，接近50%的能量集中在近紅外波段，從而均衡了可見光波段和近紅外波段 的能量分配從而使得儀器在兩個波段區(qū)域都有較好的信噪比。
本雙閃耀角反射光柵的制作工藝流程如下:首先在一塊長方體玻璃基底41上鍍上一層 金屬反射層42，該金屬反射層42可以是金反射層，銀反射層或鋁反射層等。使用光柵刻
劃機(jī)在金屬層上刻劃出周期結(jié)構(gòu)。 一個周期結(jié)構(gòu)內(nèi)包含兩個不同角度的閃耀角CH和(X2。最
后在刻劃完成的金屬膜表面涂上保護(hù)膜，就得到了雙閃耀角光柵。
雙閃耀角反射光柵的歸一化衍射效率，如圖3所示。光柵中閃耀角at對應(yīng)的反射面將 入射光能量主要轉(zhuǎn)移到可見光波段，即閃耀波長、屬于在可見光波段；光柵中閃耀角(X2 對應(yīng)的反射面將入射光能量主要轉(zhuǎn)移到近紅外光波段，即閃耀波長M屬于可見光波段。該
7雙閃耀角反射光柵可以實現(xiàn)其衍射能量在可見光波段和近紅外光波段的相對均勻分布，從 而平衡了光譜儀可見光波段和近紅外波段的光能量分配。
可編程微鏡陣列6中的微鏡結(jié)構(gòu)參見圖4。該結(jié)構(gòu)以靜電力作為驅(qū)動力來改變微鏡所 處的偏轉(zhuǎn)態(tài)。如圖4a所示，當(dāng)通過下層電路64給下電極63施加一個正向電壓使得上層反 射鏡61以連接體62為支撐偏轉(zhuǎn)到左側(cè)，入射光被反射進(jìn)入左邊光路，從而進(jìn)入可見光探 測器，此時微鏡為"左開態(tài)"；如圖4b所示，當(dāng)通過下層電路64給下電極63施加一個反 向電壓使得上層反射鏡61以連接體62為支撐偏轉(zhuǎn)到右側(cè)，入射光被反射進(jìn)入右邊光路， 從而進(jìn)入近紅外探測器，此時微鏡為"右開態(tài)"。如圖4c所示，不給微鏡施加任何驅(qū)動電 壓，此時微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為"關(guān)態(tài)"。
可編程微鏡線陣的編程狀態(tài)如圖5所示，把微鏡線陣劃分為兩個區(qū)域。線陣左側(cè)的像 素對應(yīng)于可見光區(qū)域，線陣右側(cè)的像素對應(yīng)于近紅外區(qū)域。整個線陣有m個像素，其中可 見光區(qū)域有n個像素，近紅外區(qū)域有n-m個像素，即線陣中1到n個像素對應(yīng)400-800nm 的波段，n+l到m個像素對應(yīng)800nm-1700nm的波段。可見光區(qū)域的像素有左偏和不偏轉(zhuǎn)兩 種狀態(tài)，分別對應(yīng)對該區(qū)域的像素施加正向電壓和不施加電壓；近紅外光區(qū)域的像素有右 偏和不偏轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，分別對應(yīng)對該區(qū)域的像素施加反向電壓和不施加電壓。兩個區(qū)域的 像素控制獨立完成，沒有相互作用關(guān)系。具體操作為在可見光區(qū)域，施加順序掃描正向 電壓，使得每個微鏡(像素)按時間順序依次向左偏轉(zhuǎn)，可見光探測器就可以獲取被探測 物質(zhì)的可見光光譜。在近紅外光區(qū)域，施加順序掃描反向電壓，使得每個微鏡(像素)按 時間順序依次向右偏轉(zhuǎn)，近紅外光探測器就可以獲取被探測物質(zhì)的近紅外光譜。實際操作 中，通過對可見光波段對應(yīng)的像素按時間順序依次施加電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依 次為"左開態(tài)"就可以獲得被測物質(zhì)的可見光光譜。同時，通過為近紅外波段對應(yīng)像素按 時間順序依次施加反向電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依次為"右開態(tài)"就可以獲得被測 物質(zhì)的近紅外光譜。若對可見光區(qū)域和近紅外光區(qū)域?qū)ο蟮南袼赝瑫r施加電壓控制，就可 以實現(xiàn)對被檢測物質(zhì)的可見光光譜和近紅外光譜的同時探測，從而確定出被檢測物質(zhì)中的 有害無機(jī)物和有害有機(jī)物。
基于本實施例使用可編程微鏡面陣來替代可編程線陣在本可見-近紅外光譜儀中作用 的方法，仍屬于本專利申請的精神和范疇。
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權(quán)利要求
1、基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法，其特征在于將光源發(fā)出的光，先經(jīng)過裝有待測樣品的樣品池，再使其入射到一個雙閃耀角反射光柵上，不同波長的光在空間上被色散開，使空間分開的各色波長的光再經(jīng)成像透鏡后入射到可編程微鏡陣列上；在可編程微鏡陣列兩邊分別設(shè)置一個單點可見光探測器和一個單點近紅外探測器以及相應(yīng)的匯聚透鏡，通過對可編程微鏡陣列上對應(yīng)可見光波段的像素按時間順序依次施加正向電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依次向左偏轉(zhuǎn)，將不同波長的可見光依次反射到單點可見光探測器上，讀取一個掃描時間周期內(nèi)探測器上的光強(qiáng)數(shù)值就可以獲得被測物質(zhì)的可見光光譜；同時，對可編程微鏡陣列上對應(yīng)近紅外波段的像素按時間順序依次施加反向電壓，使該光譜區(qū)域?qū)?yīng)的像素依次向右偏轉(zhuǎn)，將不同波長的近紅外光依次反射到單點近紅外探測器上，讀取一個掃描時間周期內(nèi)探測器上的光強(qiáng)數(shù)值就可以獲得被測物質(zhì)的近紅外光譜；若將上述在可見光區(qū)域與近紅外區(qū)域的操作同時進(jìn)行就可以同時獲得被檢測物質(zhì)的可見光光譜和近紅外光譜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法，其特征 在于所述可編程微鏡陣列的微鏡具有可以通過編程的方式施加兩個不同的電壓來使得微 鏡獲得三個穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，即施加正向電壓，微鏡向左偏轉(zhuǎn)，施加反正電壓，微 鏡向右偏轉(zhuǎn)，不施加電壓時，微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；所述可編程微鏡陣列被分為可見光區(qū)域和 近紅外光區(qū)域，可見光區(qū)域內(nèi)的微鏡只有左偏轉(zhuǎn)和不偏轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，向左偏轉(zhuǎn)為開態(tài)，此 時將對應(yīng)像素的光強(qiáng)反射到可見光探測器上，不偏轉(zhuǎn)為關(guān)態(tài)，此時將對應(yīng)像素的光強(qiáng)反射 到儀器內(nèi)部其他空間位置上；近紅外區(qū)域內(nèi)的微鏡只有右偏轉(zhuǎn)和不偏轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，向右偏 轉(zhuǎn)為開態(tài)，此時將對應(yīng)像素的光強(qiáng)反射到近紅外光探測器上，不偏轉(zhuǎn)為關(guān)態(tài)，此時將對應(yīng) 像素的光強(qiáng)反射到儀器內(nèi)部其他空間位置上；所述可編程微鏡陣列是線陣或面陣。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法，其特 征在于所采用的雙閃耀角反射光柵是在反射光柵的一個周期結(jié)構(gòu)內(nèi)具有兩個不同角度的 閃耀角，產(chǎn)生兩個與閃耀角相關(guān)的閃耀波長， 一個閃耀波長在可見光波段， 一個閃耀波長 在近紅外波段。
4、實現(xiàn)權(quán)利要求1所述監(jiān)測方法的基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜儀，其特征在于它包括設(shè)置在儀器外殼內(nèi)的光源、樣品池、雙閃耀角反射光柵、成像裝置、可編程微鏡陣列、 一個單點可見光探測器和一個單點近紅外探測器；所述樣品池設(shè)置在光源與雙閃耀角反射光柵之間，光源發(fā)出的光，經(jīng)過樣品池，入射到雙閃耀角反射光柵上；在雙 閃耀角反射光柵的衍射光傳播線路上設(shè)置可編程微鏡陣列，并在雙閃耀角反射光柵與可編 程微鏡陣列之間設(shè)置成像裝置，通過施加驅(qū)動電壓對可編程微鏡陣列進(jìn)行調(diào)制，在可編程 微鏡陣列兩邊的單點可見光探測器和單點近紅外探測器就可以同時分別獲取被檢測物質(zhì)的 可見光光譜和近紅外光譜，從而實現(xiàn)對被檢測物質(zhì)里面的有害無機(jī)物和有害有機(jī)物的同時 檢測。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜儀，其特征在于 所述可編程微鏡陣列的微鏡具有可以通過編程的方式施加兩個不同的電壓來使得微鏡獲得 三個穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，即施加正向電壓，微鏡向左偏轉(zhuǎn)，施加反正電壓，微鏡向右 偏轉(zhuǎn)，不施加電壓時，微鏡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；所述可編程微鏡陣列被分為可見光區(qū)域和近紅外 光區(qū)域，可見光區(qū)域內(nèi)的微鏡只有左偏轉(zhuǎn)和不偏轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，向左偏轉(zhuǎn)為開態(tài)，此時將對 應(yīng)像素的光強(qiáng)反射到可見光探測器上，不偏轉(zhuǎn)為關(guān)態(tài)，此時將對應(yīng)像素的光強(qiáng)反射到儀器 內(nèi)部其他空間位置上；近紅外區(qū)域內(nèi)的微鏡只有右偏轉(zhuǎn)和不偏轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，向右偏轉(zhuǎn)為開 態(tài)，此時將對應(yīng)像素的光強(qiáng)反射到近紅外光探測器上，不偏轉(zhuǎn)為關(guān)態(tài)，此時將對應(yīng)像素的 光強(qiáng)反射到儀器內(nèi)部其他空間位置上；所述可編程微鏡陣列是線陣或面陣。
6、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜儀，其特征在于 所采用的雙閃耀角反射光柵是在反射光柵的一個周期結(jié)構(gòu)內(nèi)具有兩個不同角度的閃耀角， 產(chǎn)生兩個與閃耀角相關(guān)的閃耀波長， 一個閃耀波長在可見光波段， 一個閃耀波長在近紅外 波段。
全文摘要
一種基于可編程微鏡陣列的可見-近紅外光譜探測方法，包括光源、樣品池、色散元件，成像裝置、可編程微鏡陣列、單點可見光探測器和單點近紅外探測器；光源發(fā)出的光經(jīng)樣品池入射到色散元件上，色散后的各波長光經(jīng)成像透鏡后平行入射到可編程微鏡陣列上，可見光波段和近紅外波段分別對應(yīng)于微鏡陣列的可見光微鏡陣列單元和近紅外光微鏡陣列單元，通過施加驅(qū)動電壓對可見光和近紅外光陣列單元同時進(jìn)行調(diào)制，使可見光按時間次序進(jìn)入見光探測器，同時近紅外光按時間次序進(jìn)入紅外光探測器，即得到物質(zhì)的可見光和近紅外光的光譜信息。本儀器具有價格低廉、體積小、響應(yīng)速度快、便攜使用、可同時實現(xiàn)可見光波段和近紅外波段探測等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/17GK101509869SQ20091010338
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者潔 張, 永 朱, 寧 王, 瑋 韋 申請人:重慶大學(xué)