基于MEMS微镜的微型光谱仪设计

摘要

光谱仪作为一种精密的光学仪器，由于其所具有的高精度、宽探测范围、高灵敏度以及高可靠性等优势，在工业、农业、医药、军事、环境污染、食品安全、科学研究等各种行业和研究领域都有极其广泛的应用。MEMS微镜是一种体积很小的可调节反射镜，是微型光学系统的重要器件之一，其能够有效解决传统光谱仪成本高、体积大、不便携、不够大众化等缺点。 本论文利用了MEMS微镜的体积小以及成本低等特点，研究和设计了一种基于MEMS微镜的微型光谱系统。首先，通过对多种不同的光路系统的设计及研究成果的调研，考虑了本次设计主要针对的研究需求点及应用价值，最终确定本次设计采用基于MEMS微镜的利特罗光路设计。其次，分析MEMS微镜、闪耀光栅、探测器等相关器件的工作原理，确定了主要光学器件的参数。第三，根据计算确定的光学器件参数，对比多家公司及厂家的器件，按所需要求选取合适的产品，进行订购和寻求技术支持。第四，进行软件仿真，在光学仿真软件上画出系统主要光路图，确定系统可行性。第五，着重进行光学系统的实际搭建，主要进行光路实际搭建中的分析讨论，对MEMS驱动电路及其反向器电路、探测器供电电路等进行焊接及调试，确定光学系统的中心点位置，搭建光路并且进行相关微调。最后，利用相关设备仪器如EE1643C、YB3202、DS5022M、HP8000等，与整个光学系统进行联合调试，并且利用测试软件UltraScope采集探测器信号，形成整套光谱分析系统。利用这个系统测量了中心波长约在401nm和648nm的紫光和红光二极管激光器的光谱特性，并与其他商业光谱仪测量出来的谱线进行比较和分析，探讨影响光谱系统性能的主要因素及解决办法。利用构建的光谱分析系统测量了不同浓度的次甲基蓝水溶液的透射谱，测量结果明显体现了溶液浓度逐渐变化的规律。 基于上述的设计方法，本论文完成了基于MEMS微镜微型光谱仪的设计，基本实现了低成本便携微型光谱仪的设计目标。测试结果表明，在波长为390～710nm之间可以获得稳定的测量结果，平均光谱分辨率可达到30nm，可满足部分光谱分析的要求，通过选用不同的光源和探测器还可以进一步拓展光谱系统的测量范围。

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