[发明专利]基于可编程微镜阵列的可见-近红外光谱探测方法及光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及仪器分析技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于微光机电系统技术能同时实现对被检测物质的可见光波段和近红外波段探测的光谱监测系统，该仪器可广泛应用于食品安全监测、环境监测、生化分析、医药鉴定、工业流程监控等领域。

背景技术

食品安全检测和环境监测是当前我国面临着的巨大现实问题。研究用于食品安全检测和环境安全监测的微型，快速，便携式，廉价分析仪是目前的研究热点。可见光光谱分析技术和近红外光谱分析技术是用于食品安全检测和环境监测中最常用的光谱分析技术。

目前微型化的可见光光谱仪绝大多数是基于CCD线阵探测器技术。长春精密机械及物理研究所、天津大学、复旦大学、重庆大学微系统中心等都进行了微小型可见光光谱仪器的研究。这类仪器技术非常成熟，但仅能用于被测量物质中无机物有害物质的检测。

近红外光谱仪主要包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶型、声光调谐型、MEMS技术型等，但受探测波段的限制，近红外光谱仪仅能用于被测量物质中有机物有害物质的检测。

若要求对被测物质进行全面检测，即既能检测出无机物有害物质，又能检测出有机物有害物质，就需要对被测物质的可见光波段和近红外波段进行光谱探测。能够实现这些检测功能的光谱仪叫可见-近红外光谱仪。目前的可见-近红外光谱仪主要是由分别用于可见光波段和近红外波段的两个反射光栅，机械扫描可见光光路，机械扫描近红外光光路，可见光探测，近红外探测器，驱动电机等组成。其对被测物质光谱探测的过程为先在可见光光路上使用可见光探测器进行可见光光谱扫描，然后再切换到另外一个近红外光路上使用近红外探测器进行近红外光谱扫描。这种仪器存在体积大，光学系统复杂，控制电路难，检测时间长等缺点。而且属于大型实验室设备，仅仅适合在实验室使用，无法作为一种在线的现场检测设备。

针对我国食品安全检测和环境监测领域的应用急需，本发明克服了以上各类仪器的缺点，可以对被检测物质的可见光光谱和近红外光谱实现同时探测，同时具有廉价，高精度，快速，微型化等优点，具有极其广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对目前我国食品安全监测、环境监测等领域缺乏快速监测手段和设备的需要，提供的一种价格低廉、监测速度快、体积小、重量轻、使用方便的基于可编程微镜阵列的可见-近红外光谱监测方法及光谱仪。

本发明的技术方案如下：

基于可编程微镜阵列的可见-近红外光谱探测方法，包括布置在仪器壳体内的光源、样品池、探测部分、双闪耀角反射光栅、成像装置、可编程微镜阵列、单点可见光探测器、单点近红外探测器等组成，将光源发出的光，先经过装有待测样品的样品池，再使其入射到一个双闪耀角反射光栅上，不同波长的光在空间上被色散开，使空间分开的各色波长的光再经成像透镜后入射到可编程微镜阵列上；在可编程微镜阵列两边分别设置一个单点可见光探测器和一个单点近红外探测器以及相应的汇聚透镜，通过对可编程微镜阵列上对应可见光波段的像素按时间顺序依次施加正向电压，使该光谱区域对应的像素依次向左偏转，将不同波长的可见光依次反射到单点可见光探测器上，通过读取一个扫描时间周期内探测器上的光强数值就可以获得被测物质的可见光光谱；同时，对可编程微镜阵列上对应近红外波段的像素按时间顺序依次施加反向电压，使该光谱区域对应的像素依次向右偏转，将不同波长的近红外光依次反射到单点近红外探测器上，通过读取一个扫描时间周期内探测器上的光强数值就可以获得被测物质的近红外光谱；若将上述在可见光区域与近红外区域的操作同时进行就可以同时获得被检测物质的可见光光谱和近红外光谱。

所述样品池设置在光源与双闪耀角反射光栅之间，光源发出的光，经过样品池，入射到双闪耀角反射光栅上；在双闪耀角反射光栅的衍射光传播线路上设置可编程微镜阵列，并在双闪耀角反射光栅与可编程微镜阵列之间设置成像装置，通过施加驱动电压对可编程微镜阵列进行调制，在可编程微镜阵列两边的单点可见光探测器和单点近红外探测器就可以同时分别获取被检测物质的可见光光谱和近红外光谱，从而实现对被检测物质里面的有害无机物和有害有机物的同时检测。

本发明的光源可选择目前市场上的卤钨灯光源，适用于整个可见光及近红外光波段的应用，发射光谱从400nm～2700nm，可以方便地进行各种光纤和探头连接。

本发明的可见光探测器可选择Si探测器(200～1100nm)；近红外探测器可选择PbSe探测器(1000～3000nm)，InGaAs(700～1800nm)非制冷探测器，InGaAs(800～2600nm)制冷探测器等。