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

摘要

一种基于可编程微镜阵列的可见－近红外光谱探测方法，包括光源、样品池、色散元件，成像装置、可编程微镜阵列、单点可见光探测器和单点近红外探测器；光源发出的光经样品池入射到色散元件上，色散后的各波长光经成像透镜后平行入射到可编程微镜阵列上，可见光波段和近红外波段分别对应于微镜阵列的可见光微镜阵列单元和近红外光微镜阵列单元，通过施加驱动电压对可见光和近红外光阵列单元同时进行调制，使可见光按时间次序进入见光探测器，同时近红外光按时间次序进入红外光探测器，即得到物质的可见光和近红外光的光谱信息。本仪器具有价格低廉、体积小、响应速度快、便携使用、可同时实现可见光波段和近红外波段探测等优点。

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。

本发明的色散元件采用可以在可见光波段和近红外波段较均匀分配能量的反射型闪耀光栅，如双闪耀角反射光栅。双闪耀角反射光栅可以产生两个闪耀波长。一个闪耀波长在可见光区域，另一个闪耀波长在近红外区域，从而使得一个光栅可以将能量比较均匀地分配到可见光波段和近红外波段。这样可以只使用一个光栅，不需要切换光栅，也不需要基于双反射光栅的双光路系统，就可以保证可见光波段和近红波段都具有足够的衍射能量。

对于反射光栅，其光栅方程为：

d(sini±sinθ)＝kλ                   (1)

其中i为入射角，θ为衍射角，λ为入射光波的波长，(+)号表示衍射光和入射光在光栅法线的同一侧，(—)号表示他们各在法线的一侧，通常选取一级衍射光，k-＝1。

m个微镜像素单元对应整个可见-近红外光谱波段，第1个像素到第n个微镜像素单元对应400nm-800nm波段，即λ₁到λ_n为可编程微镜阵列左边n个像素对应的可见光波段，使用Si探测器。第n+1个像素单元到第m个像素单元对应800nm-1700nm波段，即λ_n+1到λ_m为可编程微镜阵列右边m-n个像素对应的近红外光波段，使用InGaAs等近红外探测器。

因此整个系统具有价格低廉、体积小、响应速度极快、功耗低、便携使用、精度较高等优点，可广泛应用于环境监测、食品安全监测、生化分析、工业流程控制等领域。

附图说明

图1：基于可编程微镜阵列的可见-近红外光谱仪结构原理图；

图2：双闪耀角反射光栅示意图；

图3：双闪耀角反射光栅各衍射波长的归一化衍射效率示意图；

图4：可编程微镜结构图；图4a为施加一正向电压后微镜处于左偏转状态；图4b为施加一反向电压后微镜处于右偏转状态；图4c为不施加任何电压时，微镜处于中间态。

图5：可编程微镜线阵的编程状态局部示意图；

其中1为光源，2为样品池，3为狭缝，4为双闪耀角反射光栅，5为成像透镜，6为可编程微镜阵列，7为第一汇聚透镜，8为第二汇聚透镜，9近红外长通滤波片，10单点可见光探测器，11单点近红外探测器

41玻璃基底，42金属反射层

61.反射微镜，62.连接体，63.电极，64.下层电路

具体实施方式

如图1所示，光谱仪的样品池2设置在光源1与色散元件双闪耀角反射光栅4之间，并在样品池2与双闪耀角反射光栅4之间设置狭缝3，在双闪耀角反射光栅4的光衍射线路上设置可编程微镜阵列6，并在色散元件4与可编程微镜阵列6之间设置成像透镜5，通过施加驱动电压对可编程微镜阵列6进行调制，分别在可编程微镜阵列6的左右两边设置一个单点可见光探测器10和一个单点近红外探测器11。在可见光探测器10与可编程微镜阵列6之间设置第一汇聚透镜7，在近红外探测器11与可编程微镜阵列6之间设置第二汇聚透镜8和一个近红外波段长通滤波片9。工作时，光源1发出的光，经过样品池2和狭缝3，衍射光束照射到双闪耀角反射光栅4上，衍射光被成像透镜5成像在可编程数字微镜阵列6上，可编程微镜阵列6对衍射光束进行调制，可见光波段的光被可见光探测器10接收，近红外波段的光经滤波片滤掉可见光二级光谱后，被近红外探测器11接收。通过对可见光对应像素和近红外光对应像素同时进行顺序扫描即可获得样品物质的可见-近红外光谱。从而实现对被测物质的成分及含量检测。

双闪耀角反射光栅4的结构如图2所示，与普通一个闪耀角的光栅不同的是，该光栅具有两个闪耀角。普通闪耀光栅只能闪耀一个波长，即要么把衍射能量转移到可见光波段，要么把能量转移到近红外波段，不能同时保证可见光波段和近红外光波段都有比较强的衍射能量。而本两个闪耀角α₁，α₂的光栅，闪耀角α₁对应的光栅部分将能量闪耀到可见光红外波段，闪耀角α₂对应的光栅部分将能量闪耀到近红外光波段，即将接近50％的能量集中在可见光波段，接近50％的能量集中在近红外波段，从而均衡了可见光波段和近红外波段的能量分配从而使得仪器在两个波段区域都有较好的信噪比。

本双闪耀角反射光栅的制作工艺流程如下：首先在一块长方体玻璃基底41上镀上一层金属反射层42，该金属反射层42可以是金反射层，银反射层或铝反射层等。使用光栅刻划机在金属层上刻划出周期结构。一个周期结构内包含两个不同角度的闪耀角α₁和α₂。最后在刻划完成的金属膜表面涂上保护膜，就得到了双闪耀角光栅。

双闪耀角反射光栅的归一化衍射效率，如图3所示。光栅中闪耀角α₁对应的反射面将入射光能量主要转移到可见光波段，即闪耀波长λ₁属于在可见光波段；光栅中闪耀角α₂对应的反射面将入射光能量主要转移到近红外光波段，即闪耀波长λ₂属于可见光波段。该双闪耀角反射光栅可以实现其衍射能量在可见光波段和近红外光波段的相对均匀分布，从而平衡了光谱仪可见光波段和近红外波段的光能量分配。

可编程微镜阵列6中的微镜结构参见图4。该结构以静电力作为驱动力来改变微镜所处的偏转态。如图4a所示，当通过下层电路64给下电极63施加一个正向电压使得上层反射镜61以连接体62为支撑偏转到左侧，入射光被反射进入左边光路，从而进入可见光探测器，此时微镜为“左开态”；如图4b所示，当通过下层电路64给下电极63施加一个反向电压使得上层反射镜61以连接体62为支撑偏转到右侧，入射光被反射进入右边光路，从而进入近红外探测器，此时微镜为“右开态”。如图4c所示，不给微镜施加任何驱动电压，此时微镜不发生偏转，为“关态”。

可编程微镜线阵的编程状态如图5所示，把微镜线阵划分为两个区域。线阵左侧的像素对应于可见光区域，线阵右侧的像素对应于近红外区域。整个线阵有m个像素，其中可见光区域有n个像素，近红外区域有n-m个像素，即线阵中1到n个像素对应400-800nm的波段，n+1到m个像素对应800nm-1700nm的波段。可见光区域的像素有左偏和不偏转两种状态，分别对应对该区域的像素施加正向电压和不施加电压；近红外光区域的像素有右偏和不偏转两种状态，分别对应对该区域的像素施加反向电压和不施加电压。两个区域的像素控制独立完成，没有相互作用关系。具体操作为：在可见光区域，施加顺序扫描正向电压，使得每个微镜(像素)按时间顺序依次向左偏转，可见光探测器就可以获取被探测物质的可见光光谱。在近红外光区域，施加顺序扫描反向电压，使得每个微镜(像素)按时间顺序依次向右偏转，近红外光探测器就可以获取被探测物质的近红外光谱。实际操作中，通过对可见光波段对应的像素按时间顺序依次施加电压，使该光谱区域对应的像素依次为“左开态”就可以获得被测物质的可见光光谱。同时，通过为近红外波段对应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为“右开态”就可以获得被测物质的近红外光谱。若对可见光区域和近红外光区域对象的像素同时施加电压控制，就可以实现对被检测物质的可见光光谱和近红外光谱的同时探测，从而确定出被检测物质中的有害无机物和有害有机物。

基于本实施例使用可编程微镜面阵来替代可编程线阵在本可见-近红外光谱仪中作用的方法，仍属于本专利申请的精神和范畴。