CN100507477C - 一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪，包括光纤连接器、入射狭缝、反射镜、闪耀光栅、聚焦镜和探测器等组成部分。反射镜采用微电子机械系统技术(MEMS)制作而成，其镜面可在外加信号的控制下周期性运动；闪耀光栅为色散元件，与反射镜一起构成分光光路系统。在光路设计上，待测光信号由光纤连接器引入后，经反射镜、闪耀光栅分光后，特定波长的单色光，由聚焦镜会聚进入探测器；通过反射镜镜面的周期性运动，各种波长的单色光进入探测器，完成光谱的扫描。本发明提出的基于微电子机械系统技术器件的微型光谱仪具有体积小，光谱范围广，成本低廉等优点。

Description

一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱测量仪，尤其是特别涉及一种基于微电子机械系统技术(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的微型光谱仪。

背景技术

光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种技术，被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。传统光谱测量仪由众多光学、电学与机械等分立器件组成，需要极其复杂的光路系统与精密机械结构，降低了整个仪器的可靠性，对仪器工作、存放环境也有着严格的要求，限制了对其更加广泛的应用。特别是针对在线(现场)光谱测量的应用需求，传统光谱仪无力解决，开发微型化光谱仪已成为当前一大研究热点。

随着科技的进步，微电子机械系统(MEMS)技术和微细加工技术已取得了迅猛的发展。众多基于MEMS技术的新型器件亦已崭露头角，其与传统器件相比具有许多优势，如体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等。采用MEMS技术制作光谱仪已成为光谱仪开发的主流技术之一。

S.H.Kong等(Infrared micro-spectrometer based on a diffraction grating，见Sensors and Actuators A，2001，92：88-95)于2001年提出采用MEMS技术将黑白衍射光栅和热电堆探测器集成制作了一体化光栅光谱仪。

李铁等(200610027341.3，CN1865923A，2006年12月22日)提出的基于闪耀光栅和热堆探测器的微型光谱仪的结构中，也利用了MEMS技术将不同功能器件堆叠在一起。

这些设想都试图利用MEMS技术制作出一体化光谱仪，但只停留于理论探讨阶段，实际器件制作成本过高，市场竞争力小。

温志渝等(200610070845.3，CN1831517A，2006年9月13日)提出利用脉冲红外光源与扫描微镜制作红外光谱仪。该结构适用于红外光谱范围，而对紫外、可见、近红外等光谱波段的实现方式未有提及；其光路系统采用折叠结构，衍射光与入射光共用同一光路，增加了实际光路设计的难度与复杂度，并且信号噪声大，影响了光谱分辨率，因此该方案的应用范围有限。

本发明利用MEMS器件与新型光路结构，设计出具有良好适用性的微型光谱仪，光路结构简单，可适用于各个光谱波段，具有明显的技术优势。

发明内容

本发明针对现代工业对光谱分析仪微型化、集成化的要求，提出了一种基于微电子机械系统技术的微型光谱分析仪的设计，采用基于微电子机械系统技术的光电器件，并设计出一种新型光路结构，能克服现有的微型光谱仪折叠结构光路系统设计存在的信号噪声大、光学结构复杂的缺点，并且本发明的微型光谱仪适用的光谱范围广，使用灵活，便于携带。

本发明采用如下技术方案：

一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪，包括光纤连接器(1)、入射狭缝(2)、反射镜(3)、闪耀光栅(4)、聚焦镜(5)和探测器(6)；待测光信号由光纤连接器(1)接入光谱仪，入射狭缝(2)位于光纤连接器(1)后部，光信号经由入射狭缝(2)入射到反射镜(3)上，反射镜(3)反射光信号至闪耀光栅(4)，闪耀光栅(4)将入射复色光分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜(5)上，由聚焦镜(5)会聚并反射至探测器(6)上，探测器(6)放置于聚焦镜(5)的会聚焦点处，探测器(6)测量接收的单色光强度；反射镜(3)的镜面(8)作周期性运动，使得入射复色光在闪耀光栅(4)上的入射角度和各单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜(5)会聚后，依次进入探测器(6)中，实现全光谱的扫描。

根据本发明，外部光纤将待测光信号传至光纤连接器，光信号通过入射狭缝进入仪器内部，入射狭缝紧靠光纤连接器后部。本发明使用光纤连接器和入射狭缝将待测光信号引入光谱仪内部，有效避免环境杂散光进入仪器内，而且改变光纤管芯直径与狭缝宽度可调节入射光束的宽度，提高仪器的光学分辨率。

经光纤连接器和入射狭缝进入光谱仪的待测光信号，入射至反射镜，并经由反射镜将入射光反射至闪耀光栅上。反射镜的镜面可以在控制下移动，闪耀光栅为色散元件，完成分光作用。反射镜与闪耀光栅相结合，完成对于待测光信号在其光谱范围内各波长上的分光和扫描。

本发明所涉及的反射镜的镜面可以发生运动。在外加电源信号激励下，反射镜(3)的镜面(8)发生运动，其运动频率、幅度与模式由外加信号控制。当反射镜转动至某一镜面角度时，反射至闪耀光栅的光信号经闪耀光栅分光后，只有特定波长的单色光能够经聚焦镜会聚后进入探测器中。该特定的波长值取决于反射镜面角度值。控制反射镜的镜面作周期性运动，将可以使各种不同波长的单色光依次进入探测器中，实现对待测光信号的全谱线扫描。

本发明所涉及的反射镜采用MEMS技术制作而成，微电子机械系统技术以半导体工艺为主进行制造，其主要原料包含但不仅限于硅、含硅化合物、金属等。利用MEMS技术制作反射镜等器件在现代工业中已得到了许多应用。在光通讯行业中，已出现了微镜反射型MEMS光开关产品，如美国德州仪器(Texas Instruments)公司生产的用于投影装置的数字微镜阵列(DMD)；美国朗讯公司研制的基于MEMS光学开关的新路由器等等。本发明中，所述的反射镜，包括但不限于，静电驱动式反射镜和电磁驱动式反射镜。

在现有技术中，静电驱动式反射镜一般由一个高反射率平面镜、悬臂梁、一对背电极和外部框架组成，如图2、图3所示。通过改变平面镜与背电极对之间的电压，可使悬浮的平面镜发生偏转，其偏转角度由电压值控制。

如图4所示，电磁驱动式反射镜由一个高反射率平面镜、悬臂梁、金属线圈、外部永磁体组成，其制作工艺使用硅深反应离子蚀刻技术和氢氧化钾各向异性腐蚀技术。平面镜与线圈处于永磁体磁场内，当线圈通电时，产生的磁场力带动平面镜偏转，线圈中的电流强度控制平面镜偏转角度。

为提高反射镜的反射效率，在反射镜表面覆盖一层高反射率的薄膜，包括但不限于金属Ag、Au、Al膜。

反射镜将入射光反射至闪耀光栅上，由闪耀光栅完成对于待测光信号的分光，即闪耀光栅作为色散元件，将入射的复色光分解成其光谱范围内的各种波长的单色光，使不同波长的单色光在空间上分散排列。各种波长的单色光的分布位置取决于光栅属性和原始入射光束宽度。为提高闪耀光栅(4)的分光性能，还可以在其表面覆盖高反射率的薄膜，薄膜种类，包括但不仅限于金属Ag、Au、Al膜。

闪耀光栅分解后的单色光形成一定的空间分布，只有特定波长的单色光能反射至聚焦镜上，由聚焦镜会聚单色光并反射至探测器上，探测器放置于聚焦镜的会聚焦点处。探测器测量出接收单色光强度。

本发明所涉及的光路系统中，只有反射镜的镜面可发生运动，其余器件均固定。因此当反射镜保持某一镜面角度时，只有特定波长的单色光才能进入探测器中。控制反射镜镜面作周期性运动，可使不同波长的单色光依次进入探测器中，实现对待测光信号的全谱线扫描。

本发明所述的探测器可以采用现有技术中通用的任何具有光电转化功能的探测器。根据实际应用场合下具体检测波段的要求，改变探测器，即可实现对不同波段的待测光信号的光谱测量功能，例如在近红外波段，可选用铟镓砷探测器，红外波段可用碲镉汞探测器。探测器种类，包括但不仅限于，光电二极管(Photo Diode)、电荷耦合器件(CCD)，铟镓砷探测器(InGaAs Detector)，碲镉汞探测器(HgCdTe Detector)，互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor)等。

本发明所涉及的光学系统需要光学器件数量少，并且采用了基于微电子机械系统技术的器件，系统结构紧凑、性能优异。

本发明所涉及的光路系统结构简单，器件少、光程短，衍射光与入射光空间上相互分离，两者之间不产生干涉或串扰等问题，测量噪声低，光谱分辨率高。

本发明实现了一种光谱范围广，使用灵活，便于携带的微型光谱仪。这种微型光谱仪具有大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、便于携带、使用方便以及成本低廉等，可以应用于实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域。尤其是对于煤矿、油井等危险系数较高的场所，高性能、便于携带的微型光谱分析仪可深入实地生产第一线，执行瓦斯气体检测、有毒有害物质监测等重要安全保障功能。

附图说明

图1、微型光谱仪结构示意图；

其中，1光纤连接器、2入射狭缝、3反射镜、4闪耀光栅、5聚焦镜、6探测器

图2、静电驱动式反射镜平面结构示意图；

其中，7外部框架、8平面镜、9悬臂梁、10背电极对；

图3、静电驱动式反射镜沿图2中AA’的剖面图；

图4、电磁驱动式反射镜结构示意图；

其中，11金属线圈12外部永磁体。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。本发明的范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求的范围加以限定。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明所涉及的微型光谱仪系统。实施例中给出的相关器件的名称、型号以及参数只作为示例用，为实施本发明所采用的器件包括所述的器件，但不受此限制。如图1所示，本发明所涉及的微型光谱仪由光纤连接器1、入射狭缝2、反射镜3、闪耀光栅4、聚焦镜5和探测器6组成。待测光信号由外部光纤中传至光纤连接器1SMA905，通过入射狭缝2进入仪器内部，入射狭缝2位于光纤连接器1后部，狭缝宽度50微米，小于光纤纤芯直径，这种设计将提高光谱分辨率。光信号经由入射狭缝2入射到反射镜3上，反射镜3反射光信号至闪耀光栅4，闪耀光栅4将入射复色光分解成不同波长的单色光。反射镜3采用日本信号公司的ECO SCAN：ESS115电磁驱动式反射镜，具有如图4所示的结构，反射镜3的镜面摆动角度为±35°，频率50——100Hz，能在一个摆动周期内完成全光谱的扫描，因此测量用时少于20ms。闪耀光栅可以针对所测量的波长范围选用。本实例对于近红外——红外波段的应用需求，选择闪耀光栅的闪耀波长为1000nm，光栅条纹密度为600/mm或更高，光学分辨率优于0.3nm。某一波长的单色光可经由聚焦镜5会聚并反射至探测器6上，探测器6放置于聚焦镜的会聚焦点处；探测器6测量出接收到的单色光强度。

当反射镜3保持某一镜面角度时，只有特定波长的单色光才能进入探测器6中；反射镜3的镜面呈周期性运动，使得入射复色光在闪耀光栅4上的入射角度和各单色光的空间排列位置呈周期性变化，并使不同波长的单色光经聚焦镜5会聚后，依次进入探测器6中，实现对待测光信号全谱线的扫描。反射镜3的镜面摆动频率为50——100Hz，可在一个周期内完成全光谱的扫描，测量用时少于20ms，真正实现了高速测量。

Claims (6)

1、一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪，其特征在于：包括光纤连接器(1)、入射狭缝(2)、反射镜(3)、闪耀光栅(4)、聚焦镜(5)和探测器(6)；待测光信号由光纤连接器(1)接入光谱仪，入射狭缝(2)位于光纤连接器(1)后部，光信号经由入射狭缝(2)入射到反射镜(3)上，反射镜(3)反射光信号至闪耀光栅(4)，闪耀光栅(4)将入射复色光分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜(5)上，由聚焦镜(5)会聚并反射至探测器(6)上，探测器(6)放置于聚焦镜(5)的会聚焦点处，探测器(6)测量接收的单色光强度；反射镜(3)的镜面(8)作周期性运动，使得入射复色光在闪耀光栅(4)上的入射角度和各单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜(5)会聚后，依次进入探测器(6)中，实现全光谱的扫描。

2、根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于：所述的反射镜(3)采用微电子机械系统技术制作而成。

3、根据权利要求2所述的微型光谱仪，其特征在于：所述的反射镜(3)的镜面(8)在外加信号激励下运动，其运动频率、幅度与模式由外加信号控制。

4、根据权利要求2所述的微型光谱仪，其特征在于：所述的反射镜(3)的镜面(8)覆有高反射率的薄膜，薄膜种类为金属Au、Ag或Al膜。

5、根据权利要求1或2所述的微型光谱仪，其特征在于：所述的闪耀光栅(4)表面覆有高反射率的薄膜，薄膜种类为金属Ag、Au或Al膜。

6、根据权利要求1或2所述的微型光谱仪，其特征在于：所述的探测器(6)为光电二极管、电荷耦合器件、铟镓砷探测器、碲镉汞探测器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

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