基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪

摘要

本发明涉及一种基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪，其采用宽带光作为光源，光源发出的光经过准直透镜准直成平行光照射到可编程MEMS微镜，可编程MEMS微镜通过偏转不同角度选择合适的反射光进入分束镜，经过分束镜的一路光到达平面反射镜，经过分束镜的另外一路光到达阶梯/斜面反射镜，从平面反射镜和阶梯/斜面反射镜反射回来的光依次经过分束镜，由汇聚透镜汇聚到单点探测器上，实现对干涉光强度的探测。通过驱动上述可编程MEMS微镜，使经过分束镜的透射光到达阶梯/斜面反射镜的不同位置，实现不同光程差干涉。单点探测器可依次获得不同光程差的干涉光强，利用傅立叶变换方法解调还原出光谱信息，从而实现对样品池待测物质的检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器领域，具体涉及一种基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪，该仪器可以广泛应用于食品安全、环境监测、化学分析等领域。

背景技术

傅立叶变换红外光谱仪的基本原理是：通过干涉仪中动镜的匀速运动实现不同光程差的干涉图，干涉图是干涉强度随光程差变化的函数，也是干涉强度随时间变化的函数。干涉图数据经过傅立叶变换，可变换成光谱图，从而实现光谱探测。由于干涉光是很高波长分辨率的全光谱信息，因此傅立叶变化红外光谱仪具有高信噪比，高分辨率，高通量的优点。然后，传统的傅立叶变换光谱仪采用机械装置移动动镜，机械结构复杂且精度要求极高，使得控制系统非常复杂。

近年来，研究人员致力于采用新结构代替移动动镜实现光程差的变化。两种典型结构如下：

国外报道的微型傅立叶变换红外光谱仪，采用MEMS精细加工技术制备可动反射镜，仍然基于迈克尔逊干涉仪原理形成微型光谱仪。该结构的光程差变化靠可动反射镜移动距离实现，可动反射镜在微驱动下的移动距离受限，使得光谱探测灵敏度受限。

国内长春光机所报道采用两个阶梯反射镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜和动反射镜，两个阶梯反射镜有相同的m个台阶数，周期分别为d和md，且沿x和y方向正交放置。两束由两个阶梯反射镜反射的出射光在空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹，所以光束被分成了m²个小空间，采用探测器阵列记录每一个干涉级次的条纹并通过傅立叶变换即可恢复待测光谱曲线。近红外探测器阵列价格昂贵，使得此结构的光谱仪成本增加。

因此，如何构建微型化、分辨率高、成本低廉的傅立叶变换红外光谱仪是目前傅立叶变换红外光谱仪发展中的一个难题。

发明内容

本发明的目的正是为了解决目前傅立叶变换红外光谱仪体积大、价格昂贵的难题，提出一种基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：

本发明包括光源，在光路上依次设置的准直透镜、可编程MEMS微镜、分束镜、平面反射镜、阶梯/斜面反射镜、样品池、汇聚透镜和单点光电探测器；其中平面反射镜设置在分束镜反射光方向上，阶梯/斜面反射镜设置分束镜透射光方向上，它们的位置均固定。该方法采用宽带光作为光源，光源发出的光经过准直透镜准直成平行光照射到可编程MEMS微镜，可编程MEMS微镜通过偏转不同角度使其各列依次反射光进入分束镜，经过分束镜的一路光到达平面反射镜，经过分束镜的另外一路光到达阶梯/斜面反射镜，从平面反射镜和阶梯/斜面反射镜反射回来的光依次经过分束镜、样品池，由汇聚透镜汇聚到单个光电探测器上，实现对干涉光强度的探测。单点探测器可依次获得不同光程差的干涉光强，利用傅立叶变换方法还原出光谱信息，从而实现光谱探测。在汇聚透镜和单点探测器之间放置被测物质样品池，可实现对被测物质检测。

为了实现上述方法，在可编程MEMS微镜的一个扫描周期内，单点探测器依次接收到平面反射镜和阶梯/斜面反射镜的干涉光强序列，对依次得到的干涉光强序列进行傅里叶变换，还原出光谱信息，从而实现光谱探测。

所述红外光谱仪由分束镜、平面反射镜和阶梯/斜面反射镜实现双光束干涉。分束镜将可编程MEMS微镜的反射光分成反射光束和投射光束两束光，反射光束到达平面反射镜，投射光束到达阶梯/斜面反射镜，两束光再反射回分束镜进行干涉。可编程MEMS微镜不同列反射光经过分束镜到达阶梯/斜面反射镜的不同位置，从而实现不同光程差。

所述单点光电探测器探测到不同光程差的干涉信号，经过傅立叶变化解调可得到光谱信息。如放置了待测物质样品池，可得到携带待测物质信息的光谱信号，从而实现对待测物质的检测。

所述基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪应用于近红外波段探测时，光源可以采样普通卤钨灯，其波长范围在400-2700nm；当应用于中红外波段时，光源可以采用硅碳棒光源、能斯特灯等光源，其波长覆盖了整个中红外波段。所述阶梯/斜面反射镜可以采用高精度机械加工方法、微纳加工技术如纳米压印、紫外光刻、化学腐蚀等方法实现。所述单点探测器可依据探测光谱宽度选择PbSe探测器，InGaAs探测器等。可利用其他谱段的光源和对应的探测器实现对应谱段的光谱探测。

本发明采用单点探测器和傅立叶变换解调方法实现了光谱探测，避免了传统傅立叶变换光谱仪需要价格昂贵探测器阵列的缺点；采用驱动电路控制可编程MEMS微镜和阶梯/斜面反射镜实现多个光程差，避免了传统的机械装置移动可动反射镜，具有体积小，易于控制的优点。

附图说明

图1：本发明的原理示意图。

图2：阶梯/斜面反射镜示意图 （a）阶梯反射镜示意图（b）斜面反射镜示意图。

图3：可编程MEMS微镜示意图。

其中，2-1光源；2-2准直透镜；2-3可编程MEMS微镜；2-4分束镜；2-5平面反射镜；2-6阶梯/斜面反射镜；2-7样品池；2-8汇聚透镜；2-9单点探测器；2-3-1可编程MEMS微镜基底；2-3-2可动微镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：

参见图1，本发明涉及的基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪包括：光源2-1；准直透镜2-2；可编程MEMS微镜2-3；分束镜2-4；平面反射镜2-5；阶梯/斜面反射镜2-6；样品池2-7；汇聚透镜2-8；单点探测器2-9。实现本发明的光谱分析，其过程如下：首先，由光源2-1发出的光到达设置在其后的准直透镜2-2，光束被准直成平行光，照射到可编程MEMS微镜2-3，经可编程MEMS微镜2-3选择后的反射光到达分束镜2-4，经过分束镜2-4以后，一束反射光到达平面反射镜2-5，另一束透射光到达阶梯/斜面反射镜2-6，两束光再反射回分束镜2-4，再分别透射和反射反生干涉，干涉光经过样品池2-7，再经过聚焦透镜2-8，到达单点探测器2-9，完成干涉信号探测。探测信号经过傅立叶变换解调，从而实现光谱重现，根据所得光谱信息可实现对待测物质的检测。 

图1中的阶梯/斜面反射镜2-6，可以是如图2所示的2-6-1阶梯反射镜，也可以是2-6-2斜面反射镜。

可编程MEMS微镜2-3，由基底2-3-1和可动微镜2-3-2组成，如图3所示。当平行光束到达2-3-2可动微镜表面，由驱动装置选择对应一列与其余列微镜偏转角度不同，从而使得一列的反射光进入后续光学系统，其余反射光不进入后续光学系统。可根据实际需要，选择多列可动微镜与其他列微镜偏转角度不同。可编程MEMS微镜2-3实现光束到达阶梯/斜面反射镜2-6的不同位置，由于阶梯/斜面的作用，与平面反射镜之间的光程差不同，不同光程差的干涉信号被单点探测器2-9探测，得到一系列光程差不同的干涉信号，采用傅立叶变换可解调出光谱信息，从而实现光谱分析。

图1中的样品池2-8，可以根据不同的待测物质优化设计，达到对该待测物质的探测。本发明不仅可以对样品池2-8中的待测物质进行光谱探测；也可以在整个系统中不要样品池2-8，可对未知光源2-1进行光谱分析。

本发明采用可编程MEMS微镜和阶梯/斜面反射镜，利用单点探测器和傅立叶变换解调方法实现了光谱探测，避免了传统傅立叶变换光谱仪需要价格昂贵探测器阵列的缺点；采用驱动电路控制可编程MEMS微镜和阶梯/斜面反射镜实现多个光程差，避免了传统的机械装置移动可动反射镜，具有体积小，易于控制的优点。本发明也可以拓展到食品安全、环境监测、化学分析等领域。