專利名稱：基于可編程mems微鏡和單點探測器的傅里葉變換紅外光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析儀器領(lǐng)域，具體涉及一種基于可編程MEMS微鏡和單點探測器的傅立葉變換紅外光譜儀，該儀器可以廣泛應用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測、化學分析等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傅立葉變換紅外光譜儀的基本原理是通過干涉儀中動鏡的勻速運動實現(xiàn)不同光程差的干涉圖，干涉圖是干涉強度隨光程差變化的函數(shù)，也是干涉強度隨時間變化的函數(shù)。 干涉圖數(shù)據(jù)經(jīng)過傅立葉變換，可變換成光譜圖，從而實現(xiàn)光譜探測。由于干涉光是很高波長分辨率的全光譜信息，因此傅立葉變化紅外光譜儀具有高信噪比，高分辨率，高通量的優(yōu)點。然后，傳統(tǒng)的傅立葉變換光譜儀采用機械裝置移動動鏡，機械結(jié)構(gòu)復雜且精度要求極高，使得控制系統(tǒng)非常復雜。近年來，研究人員致力于采用新結(jié)構(gòu)代替移動動鏡實現(xiàn)光程差的變化。兩種典型結(jié)構(gòu)如下
國外報道的微型傅立葉變換紅外光譜儀，采用MEMS精細加工技術(shù)制備可動反射鏡，仍然基于邁克爾遜干涉儀原理形成微型光譜儀。該結(jié)構(gòu)的光程差變化靠可動反射鏡移動距離實現(xiàn)，可動反射鏡在微驅(qū)動下的移動距離受限，使得光譜探測靈敏度受限。國內(nèi)長春光機所報道采用兩個階梯反射鏡代替邁克爾遜干涉儀中的平面反射鏡和動反射鏡，兩個階梯反射鏡有相同的m個臺階數(shù)，周期分別為d和md，且沿X和y方向正交放置。兩束由兩個階梯反射鏡反射的出射光在空間不同位置發(fā)生干涉形成多個定域干涉條紋，所以光束被分成了 m2個小空間，采用探測器陣列記錄每一個干涉級次的條紋并通過傅立葉變換即可恢復待測光譜曲線。近紅外探測器陣列價格昂貴，使得此結(jié)構(gòu)的光譜儀成本增加。因此，如何構(gòu)建微型化、分辨率高、成本低廉的傅立葉變換紅外光譜儀是目前傅立葉變換紅外光譜儀發(fā)展中的一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了解決目前傅立葉變換紅外光譜儀體積大、價格昂貴的難題，提出一種基于可編程MEMS微鏡和單點探測器的傅立葉變換紅外光譜儀。本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明包括光源，在光路上依次設(shè)置的準直透鏡、可編程MEMS微鏡、分束鏡、平面反射鏡、階梯/斜面反射鏡、樣品池、匯聚透鏡和單點光電探測器；其中平面反射鏡設(shè)置在分束鏡反射光方向上，階梯/斜面反射鏡設(shè)置分束鏡透射光方向上，它們的位置均固定。該方法采用寬帶光作為光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡準直成平行光照射到可編程MEMS微鏡， 可編程MEMS微鏡通過偏轉(zhuǎn)不同角度使其各列依次反射光進入分束鏡，經(jīng)過分束鏡的一路光到達平面反射鏡，經(jīng)過分束鏡的另外一路光到達階梯/斜面反射鏡，從平面反射鏡和階梯/斜面反射鏡反射回來的光依次經(jīng)過分束鏡、樣品池，由匯聚透鏡匯聚到單個光電探測器上，實現(xiàn)對干涉光強度的探測。單點探測器可依次獲得不同光程差的干涉光強，利用傅立葉變換方法還原出光譜信息，從而實現(xiàn)光譜探測。在匯聚透鏡和單點探測器之間放置被測物質(zhì)樣品池，可實現(xiàn)對被測物質(zhì)檢測。為了實現(xiàn)上述方法，在可編程MEMS微鏡的一個掃描周期內(nèi)，單點探測器依次接收到平面反射鏡和階梯/斜面反射鏡的干涉光強序列，對依次得到的干涉光強序列進行傅里葉變換，還原出光譜信息，從而實現(xiàn)光譜探測。所述紅外光譜儀由分束鏡、平面反射鏡和階梯/斜面反射鏡實現(xiàn)雙光束干涉。分束鏡將可編程MEMS微鏡的反射光分成反射光束和投射光束兩束光，反射光束到達平面反射鏡，投射光束到達階梯/斜面反射鏡，兩束光再反射回分束鏡進行干涉?？删幊蘉EMS微鏡不同列反射光經(jīng)過分束鏡到達階梯/斜面反射鏡的不同位置，從而實現(xiàn)不同光程差。所述單點光電探測器探測到不同光程差的干涉信號，經(jīng)過傅立葉變化解調(diào)可得到光譜信息。如放置了待測物質(zhì)樣品池，可得到攜帶待測物質(zhì)信息的光譜信號，從而實現(xiàn)對待測物質(zhì)的檢測。 所述基于可編程MEMS微鏡和單點探測器的傅立葉變換紅外光譜儀應用于近紅外波段探測時，光源可以采樣普通鹵鎢燈，其波長范圍在400-2700nm;當應用于中紅外波段時，光源可以采用硅碳棒光源、能斯特燈等光源，其波長覆蓋了整個中紅外波段。所述階梯 /斜面反射鏡可以采用高精度機械加工方法、微納加工技術(shù)如納米壓印、紫外光刻、化學腐蝕等方法實現(xiàn)。所述單點探測器可依據(jù)探測光譜寬度選擇PbSe探測器，InGaAs探測器等。 可利用其他譜段的光源和對應的探測器實現(xiàn)對應譜段的光譜探測。本發(fā)明采用單點探測器和傅立葉變換解調(diào)方法實現(xiàn)了光譜探測，避免了傳統(tǒng)傅立葉變換光譜儀需要價格昂貴探測器陣列的缺點；采用驅(qū)動電路控制可編程MEMS微鏡和階梯/斜面反射鏡實現(xiàn)多個光程差，避免了傳統(tǒng)的機械裝置移動可動反射鏡，具有體積小，易于控制的優(yōu)點。


圖I :本發(fā)明的原理示意圖。圖2 :階梯/斜面反射鏡示意圖(a)階梯反射鏡示意圖(b)斜面反射鏡示意圖。圖3 :可編程MEMS微鏡示意圖。其中，2-1光源；2-2準直透鏡；2-3可編程MEMS微鏡；2_4分束鏡；2_5平面反射鏡；2_6階梯/斜面反射鏡；2-7樣品池；2-8匯聚透鏡；2-9單點探測器；2_3_1可編程MEMS 微鏡基底；2-3-2可動微鏡。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步闡述
參見圖1，本發(fā)明涉及的基于可編程MEMS微鏡和單點探測器的傅立葉變換紅外光譜儀包括光源2-1 ;準直透鏡2-2 ;可編程MEMS微鏡2-3 ;分束鏡2_4 ;平面反射鏡2_5 ;階梯/ 斜面反射鏡2-6 ;樣品池2-7 ;匯聚透鏡2-8 ;單點探測器2-9。實現(xiàn)本發(fā)明的光譜分析，其過程如下首先，由光源2-1發(fā)出的光到達設(shè)置在其后的準直透鏡2-2，光束被準直成平行光，照射到可編程MEMS微鏡2-3，經(jīng)可編程MEMS微鏡2_3選擇后的反射光到達分束鏡2_4， 經(jīng)過分束鏡2-4以后，一束反射光到達平面反射鏡2-5，另一束透射光到達階梯/斜面反射鏡2-6，兩束光再反射回分束鏡2-4，再分別透射和反射反生干涉，干涉光經(jīng)過樣品池2-7， 再經(jīng)過聚焦透鏡2-8，到達單點探測器2-9，完成干涉信號探測。探測信號經(jīng)過傅立葉變換解調(diào)，從而實現(xiàn)光譜重現(xiàn)，根據(jù)所得光譜信息可實現(xiàn)對待測物質(zhì)的檢測。
圖I中的階梯/斜面反射鏡2-6，可以是如圖2所示的2-6-1階梯反射鏡，也可以是2_6_2斜面反射鏡。可編程MEMS微鏡2-3，由基底2-3-1和可動微鏡2-3-2組成，如圖3所示。當平行光束到達2-3-2可動微鏡表面，由驅(qū)動裝置選擇對應一列與其余列微鏡偏轉(zhuǎn)角度不同， 從而使得一列的反射光進入后續(xù)光學系統(tǒng)，其余反射光不進入后續(xù)光學系統(tǒng)?？筛鶕?jù)實際需要，選擇多列可動微鏡與其他列微鏡偏轉(zhuǎn)角度不同。可編程MEMS微鏡2-3實現(xiàn)光束到達階梯/斜面反射鏡2-6的不同位置，由于階梯/斜面的作用，與平面反射鏡之間的光程差不同，不同光程差的干涉信號被單點探測器2-9探測，得到一系列光程差不同的干涉信號，采用傅立葉變換可解調(diào)出光譜信息，從而實現(xiàn)光譜分析。圖I中的樣品池2-8，可以根據(jù)不同的待測物質(zhì)優(yōu)化設(shè)計，達到對該待測物質(zhì)的探測。本發(fā)明不僅可以對樣品池2-8中的待測物質(zhì)進行光譜探測；也可以在整個系統(tǒng)中不要樣品池2-8,可對未知光源2-1進行光譜分析。本發(fā)明采用可編程MEMS微鏡和階梯/斜面反射鏡，利用單點探測器和傅立葉變換解調(diào)方法實現(xiàn)了光譜探測，避免了傳統(tǒng)傅立葉變換光譜儀需要價格昂貴探測器陣列的缺點；采用驅(qū)動電路控制可編程MEMS微鏡和階梯/斜面反射鏡實現(xiàn)多個光程差，避免了傳統(tǒng)的機械裝置移動可動反射鏡，具有體積小，易于控制的優(yōu)點。本發(fā)明也可以拓展到食品安全、環(huán)境監(jiān)測、化學分析等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種基于可編程微鏡和單點探測器的傅里葉變換紅外光譜儀，其特征在于包括光源，在光路上依次設(shè)置的準直透鏡、可編程MEMS微鏡、分束鏡、平面反射鏡、階梯/斜面反射鏡、匯聚透鏡和單點光電探測器；其中平面反射鏡設(shè)置在分束鏡反射光方向上，階梯/斜面反射鏡設(shè)置分束鏡透射光方向上，它們的位置均固定；所述光譜儀采用寬帶光作為光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡準直成平行光照射到可編程MEMS微鏡，可編程MEMS微鏡通過偏轉(zhuǎn)不同角度選擇合適的反射光進入分束鏡，經(jīng)過分束鏡的一路光到達平面反射鏡，經(jīng)過分束鏡的另外一路光達到階梯/斜面反射鏡，從平面反射鏡和階梯/斜面反射鏡反射回來的光依次經(jīng)過分束鏡，由匯聚透鏡匯聚到單點光電探測器上，實現(xiàn)對干涉光強度的探測；通過驅(qū)動上述可編程MEMS微鏡，使經(jīng)過分束鏡的透射光到達階梯/斜面反射鏡的不同位置，實現(xiàn)不同光程差干涉，單點探測器可依次獲得不同光程差的干涉光強，利用傅立葉變換方法解調(diào)還原出光譜信息，從而實現(xiàn)對樣品池待測物質(zhì)的檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于可編程微鏡和單點探測器的傅里葉變換紅外光譜儀，其特征在于在分束鏡和匯聚透鏡之間設(shè)置樣品池。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于可編程微鏡和單點探測器的傅里葉變換紅外光譜儀，其特征在于所述階梯/斜面反射鏡的整體尺寸大小Z決定了光譜系統(tǒng)的分辨率，各級階梯的寬度Dz決定光強采樣的周期，決定光譜探測的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I或2所述的基于可編程微鏡和單點探測器的傅立葉變換紅外光譜儀，其特征在于可利用其他譜段的光源和對應的探測器實現(xiàn)對應譜段的光譜探測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于可編程MEMS微鏡和單點探測器的傅里葉變換紅外光譜儀，其采用寬帶光作為光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡準直成平行光照射到可編程MEMS微鏡，可編程MEMS微鏡通過偏轉(zhuǎn)不同角度選擇合適的反射光進入分束鏡，經(jīng)過分束鏡的一路光到達平面反射鏡，經(jīng)過分束鏡的另外一路光到達階梯/斜面反射鏡，從平面反射鏡和階梯/斜面反射鏡反射回來的光依次經(jīng)過分束鏡，由匯聚透鏡匯聚到單點探測器上，實現(xiàn)對干涉光強度的探測。通過驅(qū)動上述可編程MEMS微鏡，使經(jīng)過分束鏡的透射光到達階梯/斜面反射鏡的不同位置，實現(xiàn)不同光程差干涉。單點探測器可依次獲得不同光程差的干涉光強，利用傅立葉變換方法解調(diào)還原出光譜信息，從而實現(xiàn)對樣品池待測物質(zhì)的檢測。
文檔編號G01J3/02GK102620829SQ20121010589
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者朱永, 王寧, 陳建君, 韋瑋 申請人:重慶大學