[发明专利]基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于分析仪器技术领域，特别涉及基于MEMS微镜和凹面光栅的微型宽光谱高分辨率的光谱分析仪器。

背景技术

利用物质的发射光谱、吸收光谱或散射光谱特征对物质进行定性、定量分析的技术称为光谱分析技术。光谱分析技术广泛应用于工业，农业，化工，医药等领域。现有的光谱分光技术分为光栅扫描式、干涉调制分光式、滤光片式、声光调谐式等，各自有各自的特点。

光栅扫描分光系统是利用光栅作为分光元件，并且通过扫描光栅，将入射的复色光分解为光谱宽度很窄的单色光，这种分光技术发展成熟，应用广泛，主要优点是波段范围广，在全波段色散均匀，单色光的波长可以做到均匀控制。在紫外-可见光波段，大多采用CCD线阵进行光谱信号的探测。但是对于红外波段，由于该波段波长较长，分光成像时像差较大且不容易控制，CCD线阵技术发展缓慢，常见宽光谱的接收系统一般采用热探测器系统，所以必须采用斩波器对所探测的红外辐射进行有效的调制，以便于准确测量，这样就增加了光谱仪器的体积，仪器的便携性受到限制，使得此波段的光谱仪器技术发展受到很大限制。

干涉调制分光式光谱仪的主要代表是傅里叶变换光谱仪，它是利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息。傅里叶变换光谱仪光通量大，光谱分辨率高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于该设计中动镜的存在，该动镜依靠步进电机和其他精密机械系统驱动，所以仪器的可靠性和便携性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求。并且它的价格昂贵，体积庞大，主要用于实验室。比如日本岛津的FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪，其光谱仪外形尺寸达640×580×250mm³，无法实现便携的实时在线检测。

滤波片型分光系统一般是用干涉滤光片作为分光元件，价格低廉，设计简单；但是滤光片的光学性能如带宽、峰值波长和透过率受温度、湿度影响很大，仅能用作对单个或几个波长的响应，所以只适合于专用仪器。

微型化、宽光谱、高精度是光谱仪发展的重要方向。利用MEMS和MOEMS的微加工技术制作微型光谱仪是光谱仪发展的热点方向。德国的F.Zimmer等人提出了一种使用MOEMS技术制作的光谱范围在900-2000nm的红外光谱仪，该光谱仪基于扫描微镜技术，采用单个微镜进行光谱扫描，由于镜面面积(面积达毫米数量级)和镜面转角大，采用静电驱动技术，所以基于这种微镜的光谱仪的问题在于微镜的驱动电压过高(达数百伏)，无法完全克服转动过程中镜面平动所导致分辨率下降的问题，并且外部角度检测装置导致光谱仪体积相对较大，使该仪器的实用化受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有微型化光谱仪局限性而提出的一种扩展性好，可应用于紫外-可见-近红外-中红外光谱波段的高精度宽光谱的基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪，它采用不同于传统扫描型光谱仪的全新光路系统，完全省去斩波器装置，减小系统的体积，提高系统的便携性。

本发明通过以下技术方案来加以实现：

基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪，它包括分光成像、MEMS扫描微镜阵列、光谱信号获取与处理三部分；其中，

所述分光成像部分包括狭缝和平场凹面光栅，狭缝位于平场凹面光栅的正前方，经过狭缝的光束入射到平场凹面光栅上，所述狭缝的宽度根据光谱的波长范围及分辨率进行调整确定；所述平场凹面光栅进行光谱的分光成像，通过选择具有不同工作波段的平场凹面光栅达到扩展光谱范围的要求。

所述MEMS扫描微镜阵列部分包括微镜阵列器件和微镜控制电路模块，所述MEMS微镜阵列由微加工工艺制作完成，MEMS微镜阵列器件布置在平场凹面光栅的像面位置，并由微镜控制电路模块控制依次改变每个微镜单元的状态，对各个不同波长的光谱像元进行依次反射扫描。

所述光谱信号获取与处理部分由一个单管探测器和光谱信号采集与处理电路组成，所述单管探测器布置在MEMS微镜阵列器件的公共光扫描空间。光谱信号采集与处理电路在得到反射扫描微镜的位置信号、扫描次数信号(这两个信号由微镜控制电路模块发出)以及同一时间段内单管探测器本身响应的光强信号之后，进行连续光谱信号的识别，经过处理后得到准确的连续光谱信息。