專利名稱：基于mems微鏡陣列的微型光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于MEMS微鏡和凹面光柵的微型寬 光譜高分辨率的光譜分析儀器。
背景技術(shù)：
利用物質(zhì)的發(fā)射光譜、吸收光譜或散射光譜特征對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析的技 術(shù)稱為光譜分析技術(shù)。光譜分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，化工，醫(yī)藥等領(lǐng)域?，F(xiàn) 有的光譜分光技術(shù)分為光柵掃描式、干涉調(diào)制分光式、濾光片式、聲光調(diào)諧式等，各 自有各自的特點(diǎn)。
光柵掃描分光系統(tǒng)是利用光柵作為分光元件，并且通過(guò)掃描光柵，將入射的復(fù)色 光分解為光譜寬度很窄的單色光，這種分光技術(shù)發(fā)展成熟，應(yīng)用廣泛，主要優(yōu)點(diǎn)是波 段范圍廣，在全波段色散均勻，單色光的波長(zhǎng)可以做到均勻控制。在紫外-可見(jiàn)光波 段，大多采用CCD線陣進(jìn)行光譜信號(hào)的探測(cè)。但是對(duì)于紅外波段，由于該波段波長(zhǎng) 較長(zhǎng)，分光成像時(shí)像差較大且不容易控制，CCD線陣技術(shù)發(fā)展緩慢，常見(jiàn)寬光譜的 接收系統(tǒng)一般采用熱探測(cè)器系統(tǒng)，所以必須采用斬波器對(duì)所探測(cè)的紅外輻射進(jìn)行有效 的調(diào)制，以便于準(zhǔn)確測(cè)量，這樣就增加了光譜儀器的體積，儀器的便攜性受到限制， 使得此波段的光譜儀器技術(shù)發(fā)展受到很大限制。
干涉調(diào)制分光式光譜儀的主要代表是傅里葉變換光譜儀，它是利用光譜像元干涉 圖與光譜圖之間的傅里葉變換關(guān)系，通過(guò)測(cè)量干涉圖和對(duì)千涉圖進(jìn)行傅里葉變換來(lái)獲 得物體的光譜信息。傅里葉變換光譜儀光通量大，光譜分辨率高，在弱輻射探測(cè)方面 優(yōu)勢(shì)明顯。但由于該設(shè)計(jì)中動(dòng)鏡的存在，該動(dòng)鏡依靠步進(jìn)電機(jī)和其他精密機(jī)械系統(tǒng)驅(qū) 動(dòng)，所以儀器的可靠性和便攜性受到限制，特別是對(duì)儀器的使用和放置環(huán)境有嚴(yán)格要 求。并且它的價(jià)格昂貴，體積龐大，主要用于實(shí)驗(yàn)室。比如日本島津的FTIR-8400S 傅里葉變換紅外光譜儀，其光譜儀外形尺寸達(dá)640X580X250mm3，無(wú)法實(shí)現(xiàn)便攜的 實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
濾波片型分光系統(tǒng)一般是用干涉濾光片作為分光元件，價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；但 是濾光片的光學(xué)性能如帶寬、峰值波長(zhǎng)和透過(guò)率受溫度、濕度影響很大，僅能用作對(duì) 單個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)的響應(yīng)，所以只適合于專用儀器。
微型化、寬光譜、高精度是光譜儀發(fā)展的重要方向。利用MEMS和MOEMS的微加工技術(shù)制作微型光譜儀是光譜儀發(fā)展的熱點(diǎn)方向。德國(guó)的F.Zimmer等人提出了 一種使用MOEMS技術(shù)制作的光譜范圍在900-2000nm的紅外光譜儀，該光譜儀基于 掃描微鏡技術(shù)，采用單個(gè)微鏡進(jìn)行光譜掃描，由于鏡面面積(面積達(dá)毫米數(shù)量級(jí))和 鏡面轉(zhuǎn)角大，采用靜電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，所以基于這種微鏡的光譜儀的問(wèn)題在于微鏡的驅(qū)動(dòng) 電壓過(guò)高(達(dá)數(shù)百伏)，無(wú)法完全克服轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中鏡面平動(dòng)所導(dǎo)致分辨率下降的問(wèn)題， 并且外部角度檢測(cè)裝置導(dǎo)致光譜儀體積相對(duì)較大，使該儀器的實(shí)用化受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有微型化光譜儀局限性而提出的一種擴(kuò)展性好，可應(yīng)用于 紫外-可見(jiàn)-近紅外-中紅外光譜波段的高精度寬光譜的基于MEMS微鏡陣列的微型光 譜儀，它采用不同于傳統(tǒng)掃描型光譜儀的全新光路系統(tǒng)，完全省去斬波器裝置，減小 系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的便攜性。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)加以實(shí)現(xiàn)
基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀，它包括分光成像、MEMS掃描微鏡陣列、 光譜信號(hào)獲取與處理三部分；其中，
所述分光成像部分包括狹縫和平場(chǎng)凹面光柵，狹縫位于平場(chǎng)凹面光柵的正前方， 經(jīng)過(guò)狹縫的光束入射到平場(chǎng)凹面光柵上，所述狹縫的寬度根據(jù)光譜的波長(zhǎng)范圍及分辨 率進(jìn)行調(diào)整確定；所述平場(chǎng)凹面光柵進(jìn)行光譜的分光成像，通過(guò)選擇具有不同工作波 段的平場(chǎng)凹面光柵達(dá)到擴(kuò)展光譜范圍的要求。
所述MEMS掃描微鏡陣列部分包括微鏡陣列器件和微鏡控制電路模塊，所述 MEMS微鏡陣列由微加工工藝制作完成，MEMS微鏡陣列器件布置在平場(chǎng)凹面光柵 的像面位置，并由微鏡控制電路模塊控制依次改變每個(gè)微鏡單元的狀態(tài)，對(duì)各個(gè)不同 波長(zhǎng)的光譜像元進(jìn)行依次反射掃描。
所述光譜信號(hào)獲取與處理部分由一個(gè)單管探測(cè)器和光譜信號(hào)采集與處理電路組 成，所述單管探測(cè)器布置在MEMS微鏡陣列器件的公共光掃描空間。光譜信號(hào)采集 與處理電路在得到反射掃描微鏡的位置信號(hào)、掃描次數(shù)信號(hào)(這兩個(gè)信號(hào)由微鏡控制 電路模塊發(fā)出)以及同一時(shí)間段內(nèi)單管探測(cè)器本身響應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)之后，進(jìn)行連續(xù)光 譜信號(hào)的識(shí)別，經(jīng)過(guò)處理后得到準(zhǔn)確的連續(xù)光譜信息。
本發(fā)明采用小面積微鏡陣列(單元鏡面面積為微米數(shù)量級(jí))掃描光譜，微鏡驅(qū)動(dòng) 電壓低，無(wú)需角度檢測(cè)裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積，提升了精度，性能更 穩(wěn)定，可用于便攜式儀器的在線檢測(cè)。本發(fā)明可以針對(duì)不同的光譜范圍選擇不同特定波段的平場(chǎng)凹面光柵，其中每一個(gè)平場(chǎng)凹面光柵的工作波段是相對(duì)有限的，這樣對(duì)于 微鏡陣列有效長(zhǎng)度一定時(shí)，可以提高分辨率，而且根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可以分別達(dá) 到很高的分辨率要求。此外，本發(fā)明采用了可以用MEMS工藝批量生產(chǎn)的MEMS微 鏡陣列，該陣列對(duì)成像后的光譜像斑反射、掃描(對(duì)于中紅外波段，此發(fā)明可以省去 非光子型探測(cè)器所采用斬波器的方案)。通過(guò)硬件電路/軟件來(lái)控制單元鏡面的逐次掃 描，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波段光譜的掃描，光譜數(shù)據(jù)的采集。另外，本發(fā)明采用平場(chǎng)凹面光柵、 MEMS微鏡和單管探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其光路固定。本發(fā)明特別適用于對(duì)于采用熱探測(cè)器系 統(tǒng)進(jìn)行光譜探測(cè)的光譜儀。


圖1為本發(fā)明的光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖l中l(wèi)表示狹縫，2為凹面光柵，3為MEMS微鏡陣列，4為單管探測(cè)器。
圖2為本發(fā)明的光譜儀原理框圖。
圖3是單元微鏡的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3中5為支柱，6為微鏡鏡面，7為支撐梁，8為電極，9為硅襯底。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本光譜儀是由狹縫l、平場(chǎng)凹面光柵2、 MEMS微鏡陣列3、探測(cè)器4 組成。狹縫1位于平場(chǎng)凹面光柵2的正前方，MEMS微鏡陣列器3件布置在平場(chǎng)凹面 光柵2的像面位置，單管探測(cè)器4布置在MEMS微鏡陣列器件3的公共光掃描空間， 由狹縫1發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)平場(chǎng)凹面光柵2分光成像于MEMS微鏡陣列3上，通過(guò) MEMS微鏡陣列3的掃描反射到位于微鏡公共光掃描空間的單管探測(cè)器4處。
參見(jiàn)圖2，圖2中光路原理框圖中所述具體光學(xué)實(shí)施方式與圖1相同，所以在此 主要介紹微鏡控制電路模塊與光電信息處理電路部分。微鏡控制電路模塊對(duì)MEMS 微鏡陣列進(jìn)行控制，某一時(shí)間段內(nèi)對(duì)單個(gè)光譜像元進(jìn)行反射掃描，同時(shí)與光譜信號(hào)采 集與處理電路進(jìn)行雙向通信。光譜信號(hào)采集與處理電路在得到反射掃描微鏡的位置信 號(hào)、掃描次數(shù)信號(hào)(這兩個(gè)信號(hào)由微鏡控制電路模塊發(fā)出)以及同一時(shí)間段內(nèi)單管探 測(cè)器本身響應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)之后，進(jìn)行連續(xù)光譜信號(hào)的識(shí)別，經(jīng)過(guò)處理后得到準(zhǔn)確的連 續(xù)光譜信息。
工作方式狹縫l中發(fā)出光線，由于光線發(fā)散角很小，狹縫l可以近似看作是點(diǎn) 光源；當(dāng)光束入射到平場(chǎng)凹面光柵2后，由于凹面光柵的分光成像作用，光譜成像后 的平直譜面位于MEMS微鏡陣列3處，光譜像斑經(jīng)過(guò)單個(gè)或者多微鏡反射后到達(dá)單管探測(cè)器4的光敏面(圖1中以第2個(gè)微鏡單元反射掃描為例，此時(shí)要求其他微鏡單 元處于不產(chǎn)生干擾光的偏置狀態(tài))，依次改變掃描微鏡的狀態(tài)，從而采集到不同波長(zhǎng) 的光學(xué)能量信號(hào)，這些信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)后就可以進(jìn)行光譜識(shí)別處理。
參見(jiàn)圖3， MEMS微鏡陣列的微鏡單元的基本結(jié)構(gòu)和原理如下該微鏡單元使用 襯底材料為硅襯底9，微鏡鏡面6和支撐梁7位于支柱5之上，微鏡鏡面6在和電極 8產(chǎn)生的電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，對(duì)像斑反射，掃描，由于鏡面6面積很小(微米 量級(jí))，支柱5高度低，所以在鏡面6和電極8之間不需要太高的驅(qū)動(dòng)電壓就可以達(dá) 到偏轉(zhuǎn)，掃描的功能。
權(quán)利要求
1、基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀，其特征在于，它包括分光成像、MEMS掃描微鏡陣列、光譜信號(hào)獲取與處理三部分；其中，所述分光成像部分包括狹縫和平場(chǎng)凹面光柵，狹縫位于平場(chǎng)凹面光柵的正前方，經(jīng)過(guò)狹縫的光束入射到平場(chǎng)凹面光柵上，所述狹縫的寬度根據(jù)光譜的波長(zhǎng)范圍及分辨率進(jìn)行調(diào)整確定；所述平場(chǎng)凹面光柵進(jìn)行光譜的分光成像，通過(guò)選擇具有不同工作波段的平場(chǎng)凹面光柵達(dá)到擴(kuò)展光譜范圍的要求；所述MEMS掃描微鏡陣列部分包括微鏡陣列器件和微鏡控制電路模塊，所述MEMS微鏡陣列器件布置在平場(chǎng)凹面光柵的像面位置，并由微鏡控制電路模塊控制依次改變每個(gè)微鏡單元的狀態(tài)，對(duì)各個(gè)不同波長(zhǎng)的光譜像元進(jìn)行依次反射掃描；所述光譜信號(hào)獲取與處理部分由一個(gè)單管探測(cè)器和光譜信號(hào)采集與處理電路組成，所述單管探測(cè)器布置在MEMS微鏡陣列器件的公共光掃描空間；光譜信號(hào)采集與處理電路在得到由微鏡控制電路模塊發(fā)出反射掃描微鏡的位置信號(hào)、掃描次數(shù)信號(hào)以及同一時(shí)間段內(nèi)單管探測(cè)器本身響應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)之后，進(jìn)行連續(xù)光譜信號(hào)的識(shí)別，經(jīng)過(guò)處理后得到準(zhǔn)確的連續(xù)光譜信息。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于MEMS微鏡陣列的微型光譜儀，包括分光成像、MEMS掃描微鏡陣列、光譜信號(hào)獲取與處理三部分；分光成像部分包括狹縫和平場(chǎng)凹面光柵，MEMS掃描微鏡陣列部分包括微鏡陣列器件和微鏡控制電路模塊，光譜信號(hào)獲取與處理部分由一個(gè)單管探測(cè)器和光譜信號(hào)采集與處理電路組成。由狹縫發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)平場(chǎng)凹面光柵分光成像于MEMS微鏡陣列上，通過(guò)MEMS微鏡陣列的掃描反射到位于微鏡公共光掃描空間的單管探測(cè)處。本發(fā)明采用小面積微鏡陣列掃描光譜，微鏡驅(qū)動(dòng)電壓低，無(wú)需角度檢測(cè)裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積，提升了精度，使性能更穩(wěn)定，可用于便攜式儀器的在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101539457SQ200910103679
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者溫中泉, 溫志渝, 彪 羅 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)