CN100443885C - 一种微型化便携式红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种微型化红外光谱仪，它是由脉冲红外光源1，抛物面反射镜2，扫描微镜3，闪耀光栅4，转向反射镜5，狭缝6，高灵敏度室温红外单元探测器7组成。它采用一种新的光路系统，应用基于MEMS技术的脉冲红外光源从而省去了斩波器，并通过扫描微镜和衍射光栅共同实现分光，具有体积小、价格低、精度较高、方便移动使用等优点。

Description

一种微型化便携式红外光谱仪

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，涉及一种基于扫描微镜和脉冲红外光源的微小型便携式红外光谱仪。

背景技术

红外光谱仪由于在近红外和中红外光谱区中含氢基团和含碳化合物等有强烈的吸收特征光谱，我们利用此性质可测定出物质的成份，这使得红外光谱仪在工业、农业、化工、医药等领域有着广泛应用。但是，现有的红外光谱仪采用的分光技术主要包括光栅扫描式、傅立叶式、滤光片式、声光调谐等，都有各自的不足。

光栅扫描分光系统是利用光栅作为分光元件，并通过扫描光栅，将入射的复色光分解为分布于全波段的可提供任意选择的光谱宽度很窄的单色光。这种分光技术发展成熟，应用广泛，主要优点是波段范围宽广，在全波段色散均匀，单色光的波长可以达到精确控制。但它存在以下不足：扫描速度慢，波长重现性差，内部移动部件多。

傅立叶变换光谱仪是利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅立叶变换关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶变换来获得物体的光谱信息。傅立叶变换光谱仪光通量大，光谱分辨率高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于干涉计中动镜的存在，仪器的可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求。并且它的价格昂贵、体积庞大，主要用于实验室。

滤光片式光谱仪结构简单，但分辨率很低，只适于特殊的用途。声光调谐式光谱仪分辨率较高，体积也较小，但一般波谱范围较窄，而且价格昂贵。

所以红外光谱仪向微小型化、低成本、宽光谱、高精度发展才是唯一的出路。利用MEMS和MOEMS的微加工技术制作集成式微型光谱仪是光谱仪微型化发展的热点方向。德国的F.Zimmer等人提出了一种使用MOEMS技术制作的光谱范围在900-2000nm的近红外光谱仪，它是基于扫描微镜技术，但这个微镜的表面是镀铝的衍射结构，也即扫描的还是光栅，但这种方式最大的问题是所用的微光栅的加工非常困难，而本发明专利采用微镜是平面反射镜，更易于加工。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种微型化便携式红外光谱仪，它采用一种不同于传统扫描型光谱仪的全新光路系统，改变基于热释电或PbSe等非光子型探测器所采用斩波器的方案，直接采用小型化的脉冲红外光源，并且采用摆动基于MEMS技术的微型平面反射镜的方式扫描，从而大大简化系统结构，真正实现红外光谱仪的微型化。

本发明提供的微型化红外光谱仪是由脉冲红外光源、抛物面反射镜、扫描微镜、闪耀光栅、转向反射镜、狭缝及室温红外单元探测器组成。所述脉冲红外光源置于抛物面反射镜焦点附近，在抛物面反射镜后的平行光路中放置扫描微镜，在微镜的反射光路中紧接闪耀光栅，这里的可摆动扫描微镜既把抛物面反射镜入射来的复色光反射到闪耀光栅上，又把经闪耀光栅分光后的单色平行光反射到抛物面反射镜上进行会聚，然后在会聚光路中设置一个转向反射镜，并在会聚的焦点附近设置狭缝，狭缝背后设置室温红外单元探测器，分出的单色光通过狭缝入射到室温红外单元探测器上，并且通过扫描微镜摆动实现单色光在探测器上的扫描。

本发明的系统光路结构不同于传统的扫描分光光谱仪。传统光谱仪是通过摆动光栅从而实现分光，并且一般是分别采用准直物镜和会聚物镜的对称式结构实现分光。本发明中的光路只用一片抛物面反射镜，既做准直物镜又作会聚物镜，而且直接扫描平行光路中的微型平面反射镜而不是扫描光栅从而实现分光。

所用的脉冲红外光源，是一种具有MEMS技术带抛物反射镜红外光源，工作波长覆盖至中红外区，因此光谱仪的工作波段可选择不同的脉冲红外光源而由近红外延伸到中远红外。脉冲红外光源应用金钢石碳薄膜技术，通电流后发热并产生红外辐射。它的高发射率，高热传导性，以及很低的热驻留特性，使它在高频脉冲工作时，能快速加热和冷却，能在连续工作模式以及脉冲模式下工作作为快速调制元件。而其抛物面反射镜加强了轴向的10倍以上的红外能量，比其它光源具有更好的优势。并且由于此光源的发光面积可小至1-2mm²，对分辨率要求不高的场合，完全可省去狭缝，使结构进一步简化。采用的红外脉冲光源，只相当于拇指头大小，取代了传统的如碳化硅红外光源这样的大型光源，并且可根据光源的发散角设计相应的光学系统从而充分利用光能。根据美国ION OPTICS，INC提供的RFIR-55微型脉冲红外光源，可调频输出，最高可至100Hz，从而又省去了体积庞大的斩波器组件。

所说的扫描微镜是一种基于MEMS技术开发的微光学元件，其实质是一个可以转动角度的平面反射镜，根据德国弗朗和费研究院微技术中心的报道，它们生产出的微镜体积只相当于一个小镜片的大小，但能实现10°以上的转角，而且能达到较高的扫描频率。在本发明的系统中，此微镜置于平行光路中，既把抛物面反射镜入射来的复色光反射到光栅上，又把分光后的单色光反射到抛物面反射上，并且通过摆动它可以实现单色光在探测器上的扫描。

本发明的优点：

1、采用的新型分光光路系统，组件少，结构简单，真正实现了红外光谱仪的微型化。

2、采用MEMS技术的微型脉冲红外光源，取代了传统的大型红外光源。

3、采用红外光源直接脉冲调制，减少了传统光谱仪系统中的斩波器组件。

4、采用摆动基于MEMS技术的微型平面反射镜的方式扫描，而不是采用步进电机扫描光栅的方式，大大简化系统结构，体积小，精度高，性能稳定，适于移动便携使用。

5、一体化的微型化设计思路，实现了红外光谱仪的模块化设计，并且价格低廉。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图中1表示脉冲红外光源，2是抛物面反射镜，3为扫描微镜，4是闪耀光栅，5是转向反射镜，6是狭缝，7是室温红外单元探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明

参见图1，本光谱仪是由脉冲红外光源1、抛物面反射镜2、扫描微镜3、闪耀光栅4、转向反射镜5、狭缝6、室温红外单元探测器7组成。脉冲红外光源1发出的经调制的脉冲红外光，是一束发散角很小的可近似看作是点光源发出的红外光束，当光束入射到抛物面反射镜2上，因为点光源可看作是在抛物面反射镜2的焦点上，所以光束经过抛物面反射镜2反射后，变为平行光束；平行光经扫描微镜3反射到闪耀光栅4上，由光栅的衍射效应，连续光谱被分解成多束单色平行光，这些单色平行光再经过扫描微镜3入射到抛物面反射镜2上，然后再会聚，在会聚光路中采用转向反射镜5把反射出的单色光转向，并经狭缝6最后打到高灵敏度室温红外探测器7的光敏面上。然后，通过扫描微镜3的摆动使不同单色光点依次落在探测器光敏面上，从而采集到了不同波长光的能量信号，这些信号输入计算机就可进行光谱识别处理。

Claims (3)

1.一种微型化便携式红外光谱仪，其特征在于：它由脉冲红外光源(1)、抛物面反射镜(2)、扫描微镜(3)、闪耀光栅(4)、转向反射镜(5)、狭缝(6)和室温红外单元探测器(7)组成；所述脉冲红外光源(1)置于抛物面反射镜(2)焦点附近，在抛物面反射镜(2)后的平行光路中放置扫描微镜(3)，并在扫描微镜(3)的反射光路中紧接闪耀光栅(4)，扫描微镜(3)既把抛物面反射镜(2)入射来的复色光反射到闪耀光栅(4)上，又把经闪耀光栅(4)分光后的单色平行光反射到抛物面反射镜(2)上进行会聚，并在会聚光路中设置一个转向反射镜(5)，在转向反射镜(5)后，也即会聚的焦点附近设置狭缝(6)，狭缝(6)背后设置室温红外单元探测器(7)，分出的单色光通过狭缝(6)入射到室温红外单元探测器(7)上，并且通过扫描微镜(3)的摆动实现单色光在室温红外单元探测器(7)上的扫描。

2.根据权利要求1所述微型红外光谱仪，其特征在于：脉冲红外光源(1)是采用MEMS技术可调频的宽光谱连续红外光源。

3.根据权利要求1所述微型红外光谱仪，其特征在于：扫描微镜(3)是基于MEMS技术的可摆动的微型平面反射镜。

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