[发明专利]一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，更具体的说，本发明是利用平动式光栅光阀器件对光的干涉调制，实现对光谱的分析。

背景技术

近年来，微机电系统（MOMES）得到了较大的发展，微机械部件，微型探测元件等缩小了光谱仪器结构。光谱仪向微型化、高度集成化、便携式方向发展。微型近红外光谱仪主要利用MOMES器件构成的高集成微型光路，结合化学计量法、微弱信号检测法实现物质测量检测。因其具有体积小、成本低、无可动部件、快速高效、无损检测、可靠性高、可实现在线检测等特点，在现代生产科研中受到了广泛重视。主流微型光谱仪为傅里叶数字变换光谱仪和光栅分光式光谱仪，傅里叶数字变换光谱仪传统光路为迈克尔逊干涉仪式光路，光路中需要采用离子分束器进行分光，通过移动动镜，产生动镜和定镜之间的相位差实现光谱调制，这种光谱仪结构需要器件多，动镜的移动一般依赖于精密的机械联动结构，体积较大，移动精度的控制是整个光谱仪实现的技术关键及难点。光栅分光式光谱仪技术难点在于其分辨率受光栅和入射狭缝限制，精度提高的同时会引起光能量的锐减，并且平行栅条式光栅会引起光谱谱面内弯曲，这个光学系统的成像质量要求比傅里叶光谱仪的高，也无法很好的实现全谱段的测量。

本发明采用前期研究的平动式光栅光阀GMLM（Grating Moving Light Modulator）作为光谱调制的核心器件，具有加工简单，响应速度更快，成本更低，可批量化成产的优点，并且该器件可以较好的避免这些问题。

发明内容

针对平动光栅光阀在光谱仪中的实用性，本发明提出了一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，其包含有光源、样品池、准直成像系统、平动光栅光阀阵列和单探测器；所述样品池位于光源的出射光路上，所述准直系统位于样品池之后的光路上，所述平动光栅光阀阵列位于准直成像系统出射光之后，所述单探测器位于平动光栅光阀阵列的反射光经过准直系统后的二次出射光路之后。

所述光源发出的光为复色光源，样品池内装入待测样品，准直成像系统、光栅光调制器构成主要的光路系统。复色光通过样品池后，经由准直成像系统准直，进入平动式光栅光阀阵列，利用平动光栅光阀作为光谱仪的核心光调制器件，实现复色光波面调制，调制光二次经过准直成像系统，成像在单探测器上，进而测出能量谱，即可完成对光能量谱的探测。

本发明的光路原理为光由准直成像系统（如凹面反射镜（透镜））准直后入射到平动式光栅光阀，受到光栅光阀的调制，再一次由准直成像系统准直到探测器面上，进行光信号探测；光路中二次利用准直成像系统准直成像，可简化光路，降低装调难度，减少成本，缩短整体光路尺寸。

上述光谱仪的核心器件平动光栅光阀，为本申请人前期研发的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8），其结构可通过静电驱动下拉光栅光阀上表面，从而连续改变上下表面的高度差。复色光进入平动光栅光阀后，在任一高度差下，光波都可以被光栅上下表面分割为相干的两束光，并且两束光之间形成稳定的干涉条纹。由于光栅光阀的调制特性，改变高度差，不同高度差下的干涉光谱信号可以在成像位置由单探测器输出响应电信号，再经信号处理电路对信号进行采样，采样点位于每个改变高度差之后形成稳定干涉条纹的时刻，并与驱动信号时序相匹配，以区分不同下拉电压对应的高度差；最后对信号采用傅里叶光谱变换算法进行处理之后，通过傅里叶逆变换还原光谱信息，获得入射光的光谱。

采用本申请人前期研发的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8）作为光谱仪的核心器件平动光栅光阀，可以简化常见色散光谱仪中分光选通系统，也无需使用傅里叶光路中的迈克尔逊干涉光路中的离子分束器，大大简化了光路结构，缩短光路尺寸，并且可以在较高的光能量下进行全谱段扫描，在微型光谱仪的设计中有着较大的优势。

傅里叶变换光谱仪主要利用的是傅里叶数字变换处理算法。探测器通过测得干涉零级光谱能量，经过傅里叶逆变换得到原始光谱能量分布。原始能量谱和入射功率谱之间有如下关系：

δ为移动的光程差，σ是波数，ΔI是入射功率谱变化量，I(σ)是原始能量谱。

其中光谱精度跟栅条下拉距离有关，下拉行程越大，得到的光谱分辨率越高。