CN101091100A - 微型傅立叶变换分光光度计 - Google Patents

Abstract

微型傅立叶变换分光光度计提供了通过傅立叶变换光谱学技术在微型化设备中确定气体或液体的采集样品的光吸收/传输光谱的能力。该设备采用来自光纤的光输入，通过微型光学元件操纵光，并将其发射到具有获取光输入干涉图的扫描镜的迈克尔逊干涉仪中。干涉图可进行处理以取回输入光的光谱。新颖的多阶梯式微反射镜在微型化干涉仪中用作光程长度调制器。特有的整体分光器/反射镜组合提供准确的元件对齐，并极大地简化产品集成。该设备被设计成覆盖感兴趣的各种光学光谱。在工作期间，设备中微制造元件的精确度和准确度允许甚至在极低波长下工作和分析。另外，设备的微型化特性允许其被用于新型及空间极度受限的应用中。

Description

微型傅立叶变换分光光度计

相关申请的交叉引用

本申请要求对题为“Miniature Fourier Transform Spectrophotometer(微型傅立叶变换分光光度计)”并于2004年11月18日提交的序列号为60/629,073的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用全部结合于此。

政府特许权利

本发明是由美国政府支持、在美国空军所授予的合同No.FA8650-04-C-1715下做出的。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明一般涉及傅立叶变换光谱学的领域，尤其涉及微光电机械(“MOEMS”)傅立叶变换分光光度计。

背景技术

将微型传感器嵌入产品、系统、储运集装箱、以及其它物品中允许对这些物品进行监视，以便确定完好状况、维修需要、寿命和其它物品属性。来自微型化学传感器的信息可告知用户物品是否已经暴露于可导致损害的有毒或腐蚀性化学能级，或者已泄漏出系统内的化学制品。

另外，来自传统军事活动和涉及普通公众群体的居民区两者中的化学/生物试剂和有毒工业化学品的威胁日益严重。这已导致对可广泛用于迅速检测化学/生物试剂增长量的仪器的需要。军事需要包括诸如有机磷和爆炸性化学品的传统制剂、氯双光气的窒息性毒气和芥子气糜烂性毒剂、诸如胂、氰或氯化氢的全身中毒性毒剂、诸如索曼、塔崩或沙林的神经性毒剂、诸如黄曲霉毒素、肉毒杆菌、蓖麻毒素、蛤蚌毒素。和平时期和民用化学/生物试剂检测所关心的包括街头毒品、环境污染物、疾病爆发以及与诸如移动或固定存储罐的各种各样的反应堆安全壳相关联的泄漏化学品。适用于化学/生物检测的检测设备具有应用到民用以及政府赞助的研究和开发活动、勘探及商业中的巨大潜力。

潜在化学/生物试剂和有毒工业化学场所的增长量、以及递增的采样实施的速率已产生了对实时检测，即100ms或更短数量级的采样时间的需要。另外，化学和生物试剂的实时检测在检测仪器的可达性、或在小平台上运载检测仪器的能力受到功率、体积和重量约束的限制的许多应用中变得越来越关键。此外，在当前所设想的未来军事操作方案中的无人平台、手持式检测器和便携式系统中，对检测系统的功率和大小要求变得更难以实现。这些挑战已产生了对包括微型光学频谱仪的新型的微型化学/生物分析系统的需要。光源、微光学集成、微电磁(“MEMS”)、MOMES和光学检测器中的新技术已使得这些新型的微型光学传感器、以及更复杂的光学技术能结合到更小的封装中。

具体地，MOEMS结构上微型光学元件的精确设置、排列和控制使得主要用于红外线(“IR”)光谱仪器设计中的傅立叶变换光谱技术能扩展到可见/UV光谱中，且具有对来自小型无人运载和侦察平台的化学和生物试剂的实时检测能力。

一些光学技术已经展示了特有的识别化学/生物试剂的能力，包括荧光、发射和吸收光谱学。在历史上，因为发射和荧光光谱学都需要使用特定波长下的强光源将化学分子中的电子激励至以特征频率进行衰变的较高能态，所以吸收光谱技术在从紫外线(“UV”)到IR的范围的光谱仪器中占优势。这通常需要使用较大的低效频率加倍或可调的染料激光器来达到UV波长，并且经常会受到诸如瑞利(Raleigh)散射的高强度现象干扰。

然而，吸收光谱学可用来测量在UV(200nm到400nm)和可见光波长(400nm到800nm)中发生电子能态跃迁的化学分子，并且通常使用诸如棱镜、或更普通地使用衍射光栅的光学色散元件来实现。然而，衍射光谱仪需要对越过检测器的光束执行慢速机械扫描，或者需要使用线性电子扫描大检测器阵列。基于衍射光栅的设计代表了光谱仪大小缩减的技术发展水平，它表征为由各个设备商所出售的手掌大小或个人计算机内插卡大小的光谱仪。在较长的近-IR(“NIR”)到IR波长(1,000nm到超出30,000nm或30um)下的吸收光谱技术通常被用来检测与较低能级的分子振动激发能级相关联的光学吸收。由于优于基于衍射的光学设计的一些优点，多年来傅立叶变换光谱学在光谱学的此领域中占优势。傅立叶变换光谱学具有较大的光学效率、由于用干涉测量技术同时测量整个光谱而提高速度、通过允许多重扫描而提高灵敏度、以及因为不需要外部校准并且仅使用线性运动部件而在机械上较为简单从而减少维修。

然而，在历史上，即使傅立叶变换技术通常是优选的，但是由于对光学元件设置、元件运动和通过较短波长下操作所要求的系统控制的精度的严格要求，难以将这种技术应用于UV和可见(光)微型光谱仪设计。尽管大学研究人员已经提出了大范围的设计(指UVFT)，但是目前还是无法购买或者无法得知是否已经实际制造和测试。然而，出现使用通常用于半导体芯片制造的光刻或蚀刻技术的MOEMS技术使得具有容差仅为几百纳米(10^-7米)的物理特性的微光学元件能得以装配。另外，可在能控制和测量相同精度的动作的MOEMS结构中制造电磁致动器。这些新技术可推动UVFT光谱学及其在无人系统、手持式检测器和便携式分析仪器的化学/生物检测中的应用的发展。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供使用精确的显微机械加工光学和MEMS元件在低波长工作的微型傅立叶变换分光光度计。

本发明通过提供可在以前难以达到的包括紫外线和可见光谱的波长范围内工作的微型傅立叶变换分光光度计来实现这个目的。该设备将覆盖感兴趣光谱的宽带光源施加到取样室内由微型干涉仪进行分析的样本上。该干涉仪包括输入源、准直透镜、分光器、固定反射镜、检测器和光程长度调制器。干涉仪是已被微型化到整体器件中的迈克尔逊(Michelson)-型干涉仪。在这种MOEMS设备中所能实现的对齐容差的精度使得该设备可在比先前所能达到的更低波长，即从200到800nm下工作。

为了概括本发明的目的起见，本文已描述了本发明的特定方面、优点和新颖特性。应当理解：根据本发明的任一特定实施例，并非必须实现所有这些优点。因而，本发明可在并非必需实现本文可示教或建议的其它优点的情况下，以实现或最优化本文所示教的一个或一组优点的方式来具体化或实现。

对本领域技术人员而言，从以下参考附图对各实施例的详细描述中，本发明的这些及其它实施例也可容易变得显而易见，而且本发明并不限于所公开的任意特定实施例。

附图说明

图1是微型分光光度计及其元件的框图。

图2是现有技术标准迈克尔逊干涉仪的示图。

图3是本发明中干涉仪的示图。

图4是分光光度计的一个实施例的三维示图。

图5示出干涉仪元件在微光学工作台上的安装位置。

图6示出了微光学工作台上的固定件的一个实施例的尺寸。

图7示出了用于输入光纤和准直器的固定件的一个实施例。

图8示出了多反射镜的一个实施例的尺寸。

图9示出了多反射镜中的阶梯的配置。

图10示出了多反射镜的一个实施例中的阶梯的制造过程。

图11示出了在分光光度计的设计中使用的参数的定义。

在整个本说明书和附图中重复使用标号旨在表示本发明的相同或相似的部件或元件。

具体实施方式

通过参考附图将最好地理解本发明及其优点。附图的各元件不必按比例绘制，而是着重于清晰地说明本发明的原理。

图1是本发明的框图，它由光源1、样品室2、微光学工作台3、信号处理电子设备4和图形用户接口5构成。微光学工作台3装有傅立叶变换分光光度计的基本元件：可在UV、可见光和NIR波长下工作的微型干涉仪6。干涉仪6包括立方体分光器9、固定反射镜10、检测器11和光程长度调制器(多反射镜)12。

当样品被置于样品室2中时，光源1打开并通过光纤13将光传输到样品室2中。然后，光离开样品室2并通过输入源7(在一些实施例中为光纤)和准直透镜8进入微型干涉仪6。

标准现有技术迈克尔逊干涉仪(在图2中示出)包含由进入路径20、静态路径21、差分路径22和检测器路径23表示的四(4)个光束路径。如图3中所示，本发明包含所有标准路径(进入路径30、静态路径31、差分路径32和检测器路径33)，但是在微型干涉仪中，干涉仪元件与立方体分光器9之间的距离与现有技术的相比已缩短。事实上，固定反射镜10和光程长度调制器(多反射镜)12粘附到立方体分光器的表面以构成一个整体器件。

光程长度调制器(多反射镜)12改变差分路径32的长度，由此将输入光的干涉图扫描到检测器11。检测器11的输出由信号处理电子设备4进行采集和滤波，并对此结果数据进行傅立叶变换。然后，变换后返回的光谱可显示在图形用户接口5上，或者存储在存储器中。

微型光学元件的精确度和准确度、以及光程长度调制器中微制造致动器和反射镜元件的使用使得该设备在低波长下工作。在低波长的光下，容差中很小的缺陷和误差可在输出中造成较大误差。本发明利用微制造能力来使误差最小化，由此允许在低光学波长范围工作。

干涉仪6-其一个实施例以三维方式在图4中示出-采用安装到微光学工作台3的输入光纤7、球形透镜准直器8和立方体分光器9。微光学工作台3用厚硅层或其它显微机械加工衬底制成，其上使用高精度光刻蚀刻了一组对齐特性或模以限定图案。图5示出了显微机械加工的固定结构的一种可能布局，该结构已被用来实现形成微型干涉仪6所需的光学元件的精确定位。如图5所示，微光学工作台3具有被设计成夹持输入光纤7、球形透镜准直器8和立方体分光器9的固定结构。图5也示出了光纤/准直器固定件50和分光器固定件52的可能定位。在图5所示的实施例中，分光器固定件52由其中固定和粘合了立方体分光器9的四(4)个L-形固定件构成。光纤/准直器固定件50由用于夹持输入光纤7和准直器8的双重目的的镜像固定件构成。图6示出了用于本发明一实施例中的固定件组的尺寸。也可使用其它配置的固定件。

用于光纤和球形透镜组合的固定结构50包含重要的对齐特性，因为其对齐质量对于使输入光准直的能力是关键的。通常球形透镜直径的充分变化使得定位和对齐透镜以获得高质量对齐是困难的，而且通常要求提供有效对齐。然而，微光学工作台3上的对齐结构被专门设计成在不改变焦距和准直能力的情况下允许球形透镜中的变化。如图7所示，固定结构50通常由通道80构成，光纤(未示出)被置入该通道80中并抵靠在此通道端部的小开口81上。此开口设置光纤的输出点。对于球形透镜，透镜的焦距是透镜直径的函数。为了进行光学准直，从球形透镜到光纤输出的距离必需等于透镜的直径。球形透镜被插入到其对齐结构中，并抵靠在该结构的壁82上。这些壁的角度被设置成43度的特定角度。在此角度下，即使使用不同直径的球形透镜，从光纤输出到透镜中心的距离也会变化，并且具有恰好消除焦距变化的影响的校正量。这允许在不考虑球形透镜尺寸的变化的情况下进行准直。

在微光学工作台3制成之后，形成干涉仪的微光学元件被放置到各自相应的固定件中，并使用UV-固化粘合剂来连接。因而，微光学工作台上的固定件执行对齐和连接两种功能。

另外，干涉仪中的分光器9用于多种目的。首先，它用作干涉仪工作所需的分光元件。另外，它是其上可附加固定反射镜10和光程长度调制器11的固定结构。分光器9由接合在一起的两个熔融石英棱镜制成。取决于所研究的波长和所使用的操作装备，除熔融石英之外也可使用其它材料。分光器的一典型实施例的大小是12.5立方毫米，尽管也可使用其它大小。

光程长度调制器12是微型分光光度计的关键元件。在多数常规迈克尔逊干涉仪(在图2中示出)中，光程长度调制器使用移动的反射镜改变差分路径的长度。将光学元件微型化至坚固传感器中的难题使得移动反射镜变得不实用。图8示出多反射镜元件的有效面积的前视图和侧视图。多反射镜由以不同深度蚀刻到衬底的各个平坦阶梯的大阵列90构成。熔融石英衬底被用于本发明的一个实施例中，尽管取决于所研究的波长和用来分析结果数据的操作装备，也可使用其它材料。每个平坦阶梯都以不同深度蚀刻，然后使用诸如UV-增强铝的反射材料涂敷。结果设备表示固定微反射镜元件大阵列，各个固定微反射镜分开与扫描镜在常规干涉仪中占用的位置相对应的特定距离。光学元件可接合到分光器并装配到干涉仪中。尽管图8示出总共具有一百(100)个阶梯的10-阶梯x10-阶梯反射镜阵列，但所示阶梯的数量仅仅是为了清晰说明各个阶梯。另外，图8中140微米的尺寸旨在表示全部阶梯中“最高”的阶梯与全部阶梯中“最低”的阶梯之间的距离，而非一列阶梯内的距离差。本发明的用于分析期望波长的优选实施例包括具有900个阶梯的一个30x30阵列。在此实施例中，每个阶梯都是96平方微米，并且多反射镜的有效面积约为三平方毫米。取决于感兴趣的波长、期望分辨率和系统中所使用的检测器，也可使用具有不同数量阶梯的其它大小的反射镜阵列。

图9进一步示出了阶梯式多反射镜的配置，仅为了说明性目的也具有一百(100)个阶梯。图9(a)和图9(b)-分别为多反射镜的前视图和侧视图-示出了与衬底104的表面处于相同水平面的“第一”阶梯101。然后，“第二”阶梯102“降低”等于阶深108的距离。类似地，“第三”阶梯103降低另一个阶深。这种相同增量的降低持续到作为多反射镜阶梯第一列中最低阶梯的“第十”阶梯105。如图9(b)中所示，“第十一”阶梯106-第二列阶梯中的第一个阶梯-比第十阶梯105深一个阶深。每一相继列中的最高阶梯比前一列中的最低阶梯要低一个阶梯长度的距离。这种步进过程持续到作为最深阶梯的“第一百”阶梯107。

本发明的其它实施例可使用诸如同心“螺纹”扇形阶梯的不同步进配置而不背离本发明的范围。

使用多反射镜作为光程长度调制器要求使用一个阵列检测器，其中阵列检测器中的单个像素或一组像素与多反射镜元件中的平面反射镜之一对齐。当工作时，每个像素和反射镜组合用作具有固定光程长度差的单个小干涉仪。作为一个整体来看，整个干涉仪实际上是一个小得多的干涉仪的阵列，每个干涉仪具有特定路径长度差和专用检测器。为了取回输入的光谱，设备可简单地以平行方式获得来自阵列检测器的所有数据、对其进行交织以便形成标准的一维干涉图、并且执行常规处理以从该干涉图中获得光谱。在替代方案中，光谱仪中的控制和信号处理电子设备可分析两维干涉图案或干涉图，并使用查找表比较该干涉图案和已知图像以便识别样品。

多反射镜光学元件可使用先前已开发的用于制造衍射和折射光学元件的多级二元工艺来制造。该工艺的主要特性是允许形成2ⁿ蚀刻级，其中n是蚀刻阶梯的数量。图10(a)-10(c)所示的掩模阶梯示出了八(8)级(2³级)器件如何通过三(3)个蚀刻阶梯来形成。第一阶梯级111通过施加光致抗蚀剂100并蚀刻至如图10(a)所示的阶深108来形成。接着，较低阶梯级通过如图10(b)所示地掩模并蚀刻至阶深108的两倍来形成。这里，最低的阶梯处于阶深的四倍之处。然后，通过如图10(c)所示地掩模并蚀刻至阶深108的四(4)倍来形成，最低的阶梯变成阶深的八(8)倍，并且形成均匀的八(8)阶梯组。在优选实施例中，可重复这种工艺以形成900个阶梯，或者任意其它2ⁿ级配置。

固定反射镜是使用诸如UV-增强铝的反射材料涂敷的熔融石英平板。取决于所研究的波长和所使用的操作装备，除熔融石英之外也可使用其它材料。固定反射镜和多反射镜两者在未蚀刻表面上使用水接合法接合到立方体分光器，并且沿着边缘用UV-固化环氧树脂接合到光学平面立方体分光器以便确保永久接合。

图11示出了用来设计微型分光光度计的主要参数的定义。作为初始问题，注意：多反射镜12的第一阶梯与分光器9偏离T_n的距离，该距离必需等于固定反射镜10的厚度以消除固定反射镜12的厚度的影响。此偏离不是气隙，而是多反射镜的衬底材料的增加厚度。

在微型干涉仪中，每个路线(leg)的标定长度给定为L1和L2。有N个反射镜置于路线2的端部。这些反射镜彼此偏移ΔLS(阶深)的距离。然后，路线1与路线2之间的最大长度差给出如下：

ΔLT＝N*ΔLS，

其中每个反射镜对路径长度差增加ΔLS的距离(阶深)。

当扫描干涉仪时，所需干涉图包含所有输入光学频率的叠加。这通过各个反射镜元件或者根据扫描镜的各个位置来采样。阶梯大小根据干涉仪中存在的光的最低波长来确定。为了在不产生混叠或其它非期望特性的情况下捕捉最小波长，反射镜的阶深ΔLS必须小于最小波长的一半：

$\mathrm{\ΔLS}=\frac{1}{2}{n}_{\min }{\mathrm{\λ}}_{\min },$

其中λ_min是进入干涉仪的光的最小波长，而n_min是最小波长下的折射率。

在一次扫描期间多反射镜或静电致动反射镜横贯的阶梯的数量决定了微型干涉仪的光谱分辨率。较大数量的阶梯改进光谱分辨率。傅立叶变换分光光度计自然根据波数而非波长来操作。根据波数，波数分辨率给出如下：

$k_2-k_1=\mathrm{\Δk}=\frac{2\mathrm{\π}}{N*\mathrm{\ΔLS}},$

其中Δk是波数分辨率，而ΔLS是阶梯距离或采样间隔。将其变换成波长给出是λ的函数的波长分辨率Δλ：

${\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1=\mathrm{\Δ\λ}=\frac{n_2{\mathrm{\λ}}_2*n_1{\mathrm{\λ}}_1}{N*\mathrm{\ΔLS}}\≈\frac{n^2{\mathrm{\λ}}^2}{N*\mathrm{\ΔLS}}$

以下表格1示出了在200nm-800nm波长范围内获得1750cm^-1波数分辨率、或者平均1nm波长分辨率的设计规范的表格。因为干涉仪的两个路线的光程差完全落在作为闭合形式解的中值内，并且仅忽略不计诸如未对准和缺少工作频带上的完全准直光的误差项。

参数	值
		N	900
ΔLS	155.9nm
		ΔLT	140.3μm
res200nm	0.65nm
		res800nm	10.9nm

表格1-多反射镜设计参数

在140μm扫描长度实现干涉仪距离的155nm控制的困难已成为开发用于UV操作的傅立叶变换分光光度计和微型化分光光度计这两者中的难以解决的任务。然而，所使用的显微机械加工技术中涉及的精度和对齐能力使得在本发明中能实现这种等级的准确度和控制。

本发明的初始目的是分析便携式和嵌入式系统中的化学品浓度。然而，可预见执行不同应用的设备的其它实施例或部分。例如，微型分光光度计可被用在诸如偏振分析、相干长度分析器和其它系统的其它干涉仪设备中。另外，多阶梯反射镜可在诸如自适应光学设备、多谱成像器和光束引导器的其它光学系统中用作分隔元件。多反射镜也可用在法布里-珀罗(Fabrey-Perot)干涉仪中，并且多反射镜用作阻挡特定光的波长的校准器。

此外，用于包括多反射镜和微光学工作台的元件的制造工艺可以不同。不将多级二值化处理用于多反射镜，可使用包括标准蚀刻和光刻、灰度级光刻、以及模塑法或模压工艺的其它工艺。可使用诸如LIGA、模压和模塑法的其它制造工艺替代硅显微机械加工来实现光学元件的固定件和对齐结构。

最后，只要功能未改变，显微分光光度计的基本元件就可在形式上变化而不超出本公开的范围。例如，所示实施例使用球形透镜用来对光进行准直，但是也可使用GRIN透镜或其它类型的准直器。

Claims (5)

1.一种微型傅立叶变换分光光度计，包括：

衬底；

迈克尔逊干涉仪，包括：

立方体分光器，它与

光程长度调制器以及

固定反射镜结合成整体；以及

检测器。

2.如权利要求1所述的微型傅立叶变换分光光度计，其特征在于，所述光程长度调制器是整体多阶梯式反射镜阵列。

3.如权利要求1所述的微型傅立叶变换分光光度计，其特征在于，还包括：

输入源；以及

准直透镜。

4.一种微型迈克尔逊干涉仪，包括：

整体立方体分光器，包括：

整体多阶梯式反射镜阵列，它包括多个阶梯式反射镜元件；以及

固定反射镜，其中所述整体多阶梯式反射镜阵列和所述固定反射镜被接

合到所述立方体分光器的两侧；以及

阵列检测器，它包括可与所述阶梯式反射镜元件对齐的多个像素。

5.一种包括蚀刻于衬底中的多个阶梯式反射镜元件的整体多阶梯式反射镜阵列。

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