CN101387552A - 基于空间光调制器的光谱探测方法及光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种基于可编程空间光调制器阵列的光谱仪，包括光源、准直透镜、可编程空间光调制器阵列、成像装置和单个探测器；光源发出的光，经过准直透镜，平行入射到可编程空间光调制器阵列，通过施加驱动电压对空间光调制器阵列进行调制，在成像装置焦平面设置单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强，再利用信息处理技术实现对各个波长光谱探测。本仪器的可编程空间光调制器阵列为基于MEMS技术的光栅光调制器阵列，光电探测部分也仅为单个探测器，具有价格低廉、体积小、响应速度快、便携使用等优点。

Description

基于空间光调制器的光谱探测方法及光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱探测技术，具体的说，本发明涉及一种基于空间光调制器的光谱仪，该仪器可广泛应用于光谱分析、食品安全监测、环境监测、水质监测、大气污染监测等领域。

背景技术

光谱分析仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理，对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备，广泛应用于化学分析、农业生产、环境监测、临床检验、工业检测以及航空航天遥感等领域。现有的光谱仪主要包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶型、声光调谐等，但都有各自优缺点。

滤光片型：结构简单、成本低、光通量大、坚固耐用，但灵活性差，分辨率很低，检测对象单一，仅适于特殊的用途。

光栅扫描型：仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过样品进入检测器检测。这种分光技术发展成熟，应用广泛。但也存在扫描速度慢，波长重现性差，内部移动部件多，难以在线监测和微小型化的缺点。

傅立叶变换光谱技术：能同时测量、记录所有波长的信号，光通量大，分辨率和信噪比高，在弱辐射探测方面优势明显。但由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线长久可靠性受到限制，另外对仪器的使用和放置环境也有严格的要求。价格昂贵、体积庞大，目前仅限于实验室使用。

声光调谐：是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的调谐技术。程序化的波长控制使其应用更佳灵活，但分辨率相对较低，价格高。

还有非扫描固定光路多通道近红外光谱仪器，其色散系统采用平面光栅或全息光栅，无可移动部件，速度快，适合作为现场或在线分析仪器使用。缺点是在近红外探测阵列极其昂贵，属于高档检测仪器，用户范围小，难以普及。

目前，随着MEMS技术的发展，光谱分析仪向微型化、速度快、低成本、高精度发展是必然之路，而且十分迫切。

国外具有代表性的是：①美国德州仪器公司的Ronald E.Stafford等人提出使用DMA(Digital Mirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，降低了仪器成本，提高了检测速度；但是采用三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低。②美国Polychromix公司，Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组的StephenSenturia教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪。可测波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动而可能带来的误差。在近红外光谱监测技术领域是真正意义上从实验室检测仪器发展到了现场检测仪。目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监测。但是，其使用三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高，国内很难加工，价格昂贵，同时受到国外专利保护及技术垄断。③德国的F.Zimmer等人提出的一种基于MEMS技术的扫描光栅光谱仪，复色光入射到可旋转的光栅上，通过调制光栅，使不同波长的衍射光入射到单个InGaAs探测器。可测范围0.9um～2um。但是，该光栅光谱仪中使用了机械扫描结构，同时所使用的衍射光栅加工复杂。此外，德国Hamburg-Harburg大学、瑞士Neuchatel大学、美国斯坦福大学、芬兰学者Martti Blomberg等都进行了光谱仪方面研究。

国内具有代表性的是：重庆大学开发的基于微镜的红外光谱仪器和集成微型近红外光谱仪。该微型近红外光谱仪采用采用MEMS扫描微镜，使用集成化技术，仪器体积大大减小，是国内科研机构最早研制出来的微型近红外光谱仪。但是由于国内工艺很难有效解决扫描镜面积(入光能量)和驱动电压这两个关键参数的匹配，目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外光谱仪的研究。另外重庆大学也研制了基于线阵探测器件的微型近红外光谱仪。但是，由于使用昂贵的InGaAs探测线阵，仪器成本比较昂贵。此外，天津大学、中国科学院长春精密机械及物理研究所、复旦大学等都进行了光谱仪器的研究，并取得了一定的成绩。

但是，以上的这些光谱监测方法存在以下问题：

(1)除了滤波片型光谱仪，均只能进行少样本定点抽查检验或者实验室使用，而且费用昂贵；而滤波片型的检测对象又过分单一，造成了我国食品安全监测力度弱的现状。

(2)国外技术受专利垄断，不利于国内推广应用。

(3)作为光谱分析仪器中的关键器件——衍射光栅/调制器，上述光谱分析仪器用到的此类器件，其MEMS工艺制作较复杂。

(4)近红外光谱的线阵探测器价格昂贵，不利于整套监测系统的低成本，难以提高光谱仪器的普及率。

鉴于目前光谱分析方法以上的缺点，旨在发明一种结构简单、价格廉价、体积小、重量轻、便携式的光谱仪器。

发明内容

本发明的目的是针对目前我国光谱仪器存在的缺点，提供的一种结构简单、价格低廉、体积小、重量轻、便携式的基于空间光调制器的光谱仪器。

本发明的技术方案如下：

一种基于可编程空间光调制器阵列的光谱探测方法及光谱仪，包括光源、准直透镜、可编程空间光调制器阵列、成像透镜和单个探测器；所述准直透镜设置在光源的入射光路上，可编程空间光调制器阵列设置在准直透镜后方，成像装置设置在可编程空间光调制器阵列的一级衍射角方向，成像装置对一级光能量成像，在成像装置的焦平面设置单个探测器。

光源出射的光经过准直透镜平行照射到可编程空间光调制器阵列上，当可编程空间光调制器阵列的某个象素被电压驱动后，该象素对对应的波长进行调制，衍射能量集中到正负一级，设计成像物镜的位置，使成像物镜对一级光能量成像，放置在成像物镜焦平面的探测器将探测到该波长的能量，从而实现光谱探测；依次驱动可编程空间光调制器阵列象素，探测器可以按时间顺序依次获得各种波长的光强，再利用信号处理得到各个波长对应的光能量，从而实现光谱探测。

可编程空间光调制器阵列为基于微光机电系统(MOMES)技术的光栅光调制器阵列(ZL200510020186.8)，并且对该光栅光调制器阵列进行了优化。具体措施如下：

衍射角度由光栅周期决定；衍射能量的分布由高度决定，即驱动电压。

可编程空间光调制器阵列象素依次满足：

d₁(sinθ+sini)＝λ₁

d₂(sinθ+sini)＝λ₂        (1)

……

d_N(sinθ+sini)＝λ_N

其中，d代表每个可编程空间光调制器阵列象素的周期，λ代表入射光波的波长，i为入射角，θ为一级衍射角。

满足这样的条件，利用驱动电压驱动单个光栅光调制器象素，可以在同样的出射方向上得到一级衍射光线。

由于每个可编程空间光调制器阵列象素的周期d不同，一方面可编程空间光调制器阵列可以实现色散，另一方面，利用对其象素驱动，可以在同一方向上得到衍射光线，利用成像装置，在成像装置的焦平面上就可以用一个探测器实现光能量的探测，再利用信号处理得到各个波长对应的光能量，从而实现光谱探测。

本发明具有如下的优点：

本发明采用基于MEMS光栅光调制器阵列，成本低，响应速度快，开关效率较高，可批量生产。

本发明采用的可编程空间光调制器阵列具有色散作用，又具有光调制作用，构成的系统具有结构简单，体积小，使用便捷等优点。

本发明采用按时间顺序进行光强的探测方法，仅需要单个探测器就能实现光谱探测，价格便宜，极大降低了整个系统的成本。

因此整个系统具有价格低廉、体积小、响应速度极快、功耗低、便携使用、精度较高等优点。可运用领域包括食品安全检测、生化分析等。

附图说明

图1：基于可编程空间光调制器阵列的光谱仪光路图

图2：单像素光栅光调制器结构图

其中：1为光源；2准直透镜；3可编程空间光调制器阵列；4成像透镜；5单个探测器；6电压驱动装置；31硅衬底；32氧化物；33绝缘层；34负电极；35顶层反射面；36底层反射面；37悬臂梁；38偏压施加装置。

具体实施方案

如图1所示，准直透镜2设置在光源1的入射光路上，可编程空间光调制器阵列3设置在准直透镜2后方，成像透镜4设置在可编程空间光调制器阵列3的一级衍射角方向，成像透镜4对一级光能量成像，在成像透镜4的焦平面设置单个探测器5。光源1出射的光经过准直透镜2，到可编程空间光调制器阵列3上，通过驱动装置6依次驱动可编程空间光调制器阵列3的象素，和象素对应的波长将发生衍射，衍射光进入成像透镜4，单个探测器5探测到的对应波长的衍射光能量，从而实现对光能量探测，再利用信号处理得到各个波长对应的光能量，从而实现光谱探测。

图3为本仪器采用的可编程的可编程空间光调制器阵列3的单像素光栅光调制器结构图，其是基于微光机电系统(MOMES)技术的光栅光调制器阵列(参见ZL200510020186.8)，并且其象素依次满足：

d₁(sinθ+sini)＝λ₁

d₂(sinθ+sini)＝λ₂

……

d_N(sinθ+sini)＝λ_N

具体结构是在硅衬底31上淀积生长一层氧化物32，再淀积刻蚀绝缘层33、负电极34，镀上底层反射面35，通过淀积牺牲层，形成顶层反射面36，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为正电极，最后释放牺牲层就可以得到如图3所示结构。入射光线实际上接受到了顶层光栅和镂空的底层光栅的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过偏压施加装置38来调节。顶面反射层36通过四根旋转对称的悬臂梁37支撑，悬臂梁37共四根，通过立柱支撑于硅衬底31上，位于四方形顶层反射面36的四边外侧，并与顶层反射面在同一平面内平行布局，保持一定间隙，臂的长度不超过顶层反射面单边边长的一半，四根悬臂梁37由顶面反射层36四边中间相对的位置沿一个方向向顶面反射层的四角延伸，并连接这四个角，形成独特的旋臂式支撑结构，即达到了为顶层反射面36提供柔性支撑的效果，又使得顶层反射面36中心的有效光栅面积足够大。当上下反射面的光程差为入射光半波长的偶数倍，这时GMLM相当于一个反射镜，衍射能量集中在0级，光通过为“开”态；当加上一定的电压后，可动光栅在静电吸引力的作用下下拉λ/4距离，上下反射面的光程差为入射光的半波长的奇数倍，理想情况下约81％衍射能量集中在±1级，而0级能量几乎为0，这时GMLM相当于是一个矩形相位光栅，入射光以一定角度衍射，此时光通道为“关”态。采用线阵GMLM实现被光盘分色后的光的空间调制，每个像素对应一个光通道。像素状态为“开”，此光通道为“开”，要经过该光通道的光可以经过该像素达到探测器件；像素状态为“关”，此光通道为“关”，要经过该光通道的光不能经过该像素达到探测器件，被衍射到了其他空间位置。

Claims (3)

1、一种可编程空间光调制器阵列的光谱探测方法，其特征在于它包括：光源、准直透镜、可编程空间光调制器阵列、成像装置和单个探测器；所述光源发出的光，经过准直透镜，平行入射到可编程空间光调制器阵列，通过施加驱动电压对空间光调制器阵列进行调制，当可编程空间光调制器阵列的某个象素被电压驱动后，该象素对对应的波长进行调制，衍射能量集中到正负一级，成像装置对一级光能量成像，在成像装置焦平面设置单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强，实现对光能量探测，再利用信号处理得到各个波长对应的光能量，从而实现光谱探测。

所述可编程空间光调制器阵列象素依次满足：

d₁(sinθ+sin i)＝λ₁

d₂(sinθ+sin i)＝λ₂

.....

d_N(sinθ+sin i)＝λ_N

其中，d代表每个可编程空间光调制器阵列象素的周期，λ代表入射光波的波长，i为入射角，θ为一级衍射角。

2、实现权利要求1所述光谱探测方法的基于可编程空间光调制器阵列的光谱仪，其特征在于它包括：光源、准直透镜、可编程空间光调制器阵列、成像装置和单个探测器；所述准直透镜设置在光源的入射光路上，可编程空间光调制器阵列设置在准直透镜后方，光源发出的光，经过准直透镜，平行入射到可编程空间光调制器阵列，通过施加驱动电压对可编程空间光调制器阵列进行调制；成像装置设置在可编程空间光调制器阵列的一级衍射角方向，成像装置对一级光能量成像，在成像装置的焦平面设置单个探测器，单个探测器按时间顺序依次获得各种波长的光强，实现对光能量探测，再利用信号处理得到各个波长对应的光能量，从而实现光谱探测；

所述可编程空间光调制器阵列象素依次满足：

d₁(sinθ+sin i)＝λ₁

d₂(sinθ+sin i)＝λ₂

.....

d_N(sinθ+sin i)＝λ_N

其中，d代表每个可编程空间光调制器阵列象素的周期，λ代表入射光波的波长，i为入射角，θ为一级衍射角。

3、根据权利要求2所述的基于可编程空间光调制器阵列的光谱仪，其特征在于：所述可编程空间光调制器采用基于MEMS的光栅光调制器，所述成像装置采用成像物镜。

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