CN101504364A

CN101504364A - 基于mems光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统

Info

Publication number: CN101504364A
Application number: CN 200910103382
Authority: CN
Inventors: 陈伟民; 韦玮; 王宁; 张洁; 朱永
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-08-12

Abstract

一种基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，包括光源、色散元件、光栅光调制器线阵、探测器等。光源发出的光，经过准直系统入射到光栅上；不同波长的光衍射角度不同，各种波长的衍射光经过成像系统后入射到可编程光栅光调制器线阵上，通过施加电压对光栅光调制器线阵进行操作，使其具有对不同波长光的衍射状态进行控制的功能，安置在探测面上的单点探测器即可依次获得各种波长的光强或几种波长光的合成光强，从而实现对被检物质的红外光谱监测。本系统采用了一种新的光路系统，不使用价格昂贵的红外探测阵列，仅需要单点红外探测器，具有价格低廉、体积小、响应速度极快、精度高、功耗低、便携使用等优点。

Description

基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统

技术领域

本发明涉及仪器分析技术领域；更具体的说，本发明涉及一种基于MEMS技术的微型可编程红外光谱监测系统，该仪器可用于环境监测、食品安全检测等领域。

背景技术

红外光谱仪由于在近红外和中红外光谱区域中含氢基团和碳化合物等有强烈的吸收特征光谱，可以利用此性质测出物质的成份。检测时间短，光谱测量时不需要对分析样品进行前处理，分析过程中不消耗其它材料或破坏样品，仪器自身无污染，分析重现性好、成本低。对于经常的质量监控是十分经济且快速。现有的红外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，但都有各自的优点和不足。

现有红外光谱分析仪主要包括滤光片型、光栅扫描型、傅立叶型、声光调谐型、多通道型等，但都有各自的优点和不足。

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，检测对象单点，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测样器件进入检测器检测。波段范围宽广，波长控制精确。但扫描速度慢，波长重现性差，难以用于在线监测和微小型化。

傅立叶型：同时测量、记录所有波长的信号，光通量大，分辨率和信噪比更高，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一定的限制。价格昂贵、体积庞大，主要用于实验室。

声光调谐型：光学系统无移动部件，波长切换快、重现性好。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。

多通道型：仪器内部无可移动部件，稳定性好，扫描速度快，适合作为现场或在线分析仪器使用。缺点是红外探测阵列价格极其昂贵。

随着MEMS(微加工技术)技术的出现及深入发展，利用MEMS技术制作的红外微型光谱仪是红外光谱仪发展的一个新的热点方向。具有微型化、速度快、成本低、精度高、在线使用等特点。

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数字变换光谱仪，成功的降低了仪器成本，提高了检测速度，但是采用三层结构，加工工艺复杂，成品率低。

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Stephen Senturia教授等人推出了基于MEMS衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪。目前已成功应用到乳品的成分分析中。

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，经过一次时间顺序波长扫描后就可以获得被探测物质的光谱信息。

重庆大学黄尚廉教授等人提出了基于MEMS技术的食品安全监测仪。该仪器中核心光学元件光栅光调制器采用四条蟹形腿形支撑梁对上层可动光栅进行支撑，主要是工作在能用于食品安全监测的近红外波段，目前尚存在光能利用效率低的问题。

在食品安全及环境监测应用中，若检测仪器的工作波段能扩展到中远红外波段，即检测波段从0.9um到10um左右，检测对象将更加广泛。以上基于MEMS技术的红外光谱仪虽然具有价格低廉，微小型化，快速，便携等优点，但其主要工作在近红外波段。本发明针对这一问题，提出了一种基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，该系统不仅适合于近红外波段光谱检测，还适合在中远红外波段光谱检测。从而使得仪器的测量对象更为广泛，极大增大了检测仪器的实际作用，应用意义更加显著。

发明内容

为了克服上述红外光谱分析仪器的各种缺点，本发明提出了一种基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，以达到降低仪器价格，提高分辨本领，减小体积的优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，它包括光源和依次设置在光路上的样品池、狭缝、准直系统、反射光栅、光栅光调制器线阵、成像系统和单点探测器；

所述准直系统用于将光准直成平行光；

所述反射光栅作为分光元件，将不同波长的光色散开来，使其按不同的衍射角度进行传播。

所述成像系统将被色散后的各色光经成像后，平行入射到光栅光调制器线阵上。

所述光栅光调制器线阵上的每个像素对应一个特定的波段，各像素对应的零级反射光再次经成像系统后入射到反射光栅上，实现对不同波长光路的选择及多波长光的合成。

所述单点探测器用于获得各种波长的光强，从单点探测器的随时间变化的光强就可获得物质的红外光谱信息。可采用单点红外探测器(InGaAs或PbSe等)，价格便宜。

光源发出的光，经过准直系统入射到反射光栅上，不同波长光的衍射角度不同，各种波长的衍射光经过成像系统后入射到光栅光调制器线阵上，该光调制器为各种不同波长的衍射光束提供了一个全编程式光学转换功能，出射的经过调制的光束经过成像透镜后入射到单点红外探测器上，通过对光栅光调制器线阵进行波长扫描，探测器就可以获得各种波长的光强，实现红外光谱监测。

所述光栅光调制器线阵采用的是MEMS光栅光调制器线阵，可实现多种工作模式下的波长扫描，提高能量利用率和信噪比。所述MEMS光栅光调制器线阵的每个光栅光调制器结构包括：

1.硅基底；

2.在硅基底之上沉积刻蚀形成的电极层和绝缘层，构成下层反射镜；

3.利用牺牲层技术在下层反射镜之上制成的柔性支撑结构和上层可动光栅，下层反射镜和上层可动光栅之间留有合适的空气间隙；支撑上层可动光栅的柔性支撑结构一端支撑在基底上的四个固定支撑立柱上，另一端连接在上层可动光栅的四个角上；所述柔性支撑结构采用弹性系数比上层可动光栅所用材料大的材料制成，或采用减薄型支撑结构，即使支撑结构在垂直方向的厚度要远小于上层可动光栅在垂直方向的厚度来达到柔性支撑作用；

4.上层可动光栅上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下层反射镜形成可动的电容极板；

5.驱动电路，通过电极引出线连接上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层，产生不同电平、不同频率的驱动电压；在上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层之间施加电压V₁，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为nλ/2，调制器反射光强取最大值；施加电压V₂时，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为(2n-1)λ/4，调制器反射光强几乎为零。

上述MEMS光栅光调制器线阵实现的光学转换功能，可利用数字变换功能，如Hadamard变换等，使用矩阵形式，可以提高光能利用率和仪器信噪比。根据数字变换功能与单点探测器的结合，可解调出各个波长对应的光能量，低成本的实现红外光谱波段的探测。

Hadamard变换实际上是统计学中的称量设计在光学中的应用。采用N个时间序列的Hadamard变换模板对试样信号进行调制，可得到N个调制的信号，用检测器检测每一个调制信号的量值，N次测量后则可以通过解调矩阵把N次测得的调制信号还原成试样的信号。在常规测量中，检测器在每一时间间隔里只检测一个分辨单元的信号强度，而Hadamard变换多通道检测技术在同一时间里却可以同时检测多个分辨单元里组合信号的总强度。

Hadamard变换原理如式(1)所示：

[\begin{matrix} Y_{1} \\ Y_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ Y_{N} \end{matrix}] = [\begin{matrix} A_{11} A_{12} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A_{1 N} \\ A_{21} A_{21} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A_{2 N} \\ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \\ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \\ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \\ A_{N 1} A_{N 2} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A_{NN} \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{1} \\ X_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ X_{N} \end{matrix}] - - - (1)

X_j＝1...N为信号光经光盘光栅衍射后，入射到光调制器上，被调制器离散采样后第j个光通道的光强。

Y_j＝1...N为信号光经光调制器编码后，成为按时间顺序第j个次序入射到单点近红外探测器上的多通道光合成光强。

A_{ij(i＝1...N，＝1...N)}为空间调制器上第i个离散采样光通道，第j个时刻所处于的光调制状态。第i个光通道第j个时刻为开态时，经过该通道的反射光可以顺利达到探测器，编码为“1”，即A_ij＝1。第i个光通道第j个时刻为关态时，经过该通道的光被光调制器衍射到其他位置，零级反射光不能顺利到达探测器，编码为“0”，即A_ij＝0。

根据Hadamard变换原理，按一定规律进行N次N通道合成光强的采集，就可以通过矩阵运算X＝A^-1Y求出光栅光调制器线阵各像素对应的光强，从而得到被测量物质的红外光谱。

本发明具有如下的优点：

本发明采用一种不同于传统光谱仪的全新光路系统，采用基于MEMS技术的空间光调制器实现波长扫描，仅需要使用单个红外探测器，避免了使用极其昂贵的红外探测阵列，具有光谱探测范围广(近红外和中红外波段)，成本低廉，扫描速度快，微小型化，可批量生产等优点。

采用柔性梁支撑结构的光栅光调制器线阵，增大了上层可动光栅的工作距离，降低了工作电压。降低了仪器的功率效耗和电路设计的复杂性，有利于仪器的便携性。具有测量范围更广，精度更高，驱动电压更低，驱动电路更简单的特点。主要用于适合做食品安全监测的近红外波段和用于环境监测的中远红外波段。

采用编程技术控制基于MEMS技术的光栅光调制器线阵，使其具有可以实现适宜多种场合的检测模式：(1)顺序扫描模式：在整个光谱范围区按时间顺序依次扫描得到各个波长的光强，从而得到光谱(2)数字转换模式：利用Hadamard变换对光调制器线阵进行编程能极大地增强到达探测器的光通量，有效提高光能利用率，显著提高仪器信噪比。

双光栅共焦光学系统的应用，大大简化系统结构，非常有利于红外光谱仪的微型化。

附图说明

图1：基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱仪光学系统图

图2：基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱仪系统结构框图

图3：不加电压情况下的单像素光栅光调制器

图4：施加电压情况下的单像素光栅光调制器

图5：光栅光调制器线阵示意图

图6：光栅光调制器对入射光进行能量调制示意图；图6A为施加电压前，图6B为施加电压后

图7：光栅光调制器衍射光能量分布示意图

图8：波长顺序扫描模式下，光栅光调制器线阵各像素状态示意图

图9：数字变换模式下，光栅光调制器线阵各像素状态示意图

其中1为带狭缝的光源，2为准直镜，3为固定反射光栅，4为成像透镜，5为光栅光调制器线阵，6为红外长通滤波片，7为单点红外探测器

51为上层可动光栅，52为柔性支撑结构，53为下层反射镜，54为支撑柱，55为基底

具体实施方式

如图1所示，带有狭缝的光源1发出的光，经过准直镜2准直成平行光后，照射到固定反射光栅3上，不同波长的光按不同的衍射角度方向进行传播，被色散后的各色光经成像透镜4后，平行入射到光栅光调制器线阵5上。光栅光调制器上的每个像素对应一个特定的波段。各像素对应的零级反射光再次经成像透镜后入射到反射光栅3上，经过光栅对光线合成后，通过红外长通滤波片6，进入单点红外探测器7。通过对光栅光调制器线阵5进行编程，就可以从单点探测器7的随时间变化的光强获得物质的红外光谱信息。该光学系统采用双光栅共焦光学系统，大大简化系统结构，非常有利于红外光谱仪的微型化。

参见图2，本系统包括光源和依次设置在光路上的样品池、狭缝、准直系统、反射光栅、光栅光调制器线阵、成像系统和单个探测器、A/D转换、微处理器以及驱动电路。从光源发出的光经样品池后，被准直成平行光入射到色散元件上。被色散的各衍射光经成像系统后，入射到光栅光调制器线阵上。零级反射光再次经成像系统后，入射到单点探测器。A/D转换电路将单点探测器获得的模拟信号转换成数字信号。微处理器对所获得的数字信号进行数据处理后将光谱数据传送到显示器进行光谱显示。同时，微处理器还对光栅光调制器的驱动电路进行控制。

光栅光调制器采用如图3所示的结构，包括上层可动光栅51、柔性支撑结构52、下层反射镜53、支撑柱54和基底55。其制作方式如下：

利用过氧化技术先在硅基底55上淀积一金属层，形成电极层，然后在上面沉积一层二氧化硅起到绝缘作用；再利用牺牲层技术，制成柔性支撑结构52及上层可动光栅51。下层反射镜53和上层可动光栅51之间留有合适的空气间隙。支撑上层可动光栅51的柔性支撑结构52一端支撑在基底上的四个固定支撑柱54上，另一端连接在上层可动光栅51的四个角上的上。上层可动光栅51是在一反射面上均匀刻蚀出镂空矩形槽而形成，上层可动光栅51上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下反射镜电极层之间形成可动的电容式极板。柔性支撑结构52可选用弹性系数比上层可动光栅大得多的材料来制作，也可以在使用相同材料的条件下，采用厚度比上层可动光栅小很多的减薄型支撑结构。

柔性梁支撑结构52可以采用与上层可动光栅材料相同的减薄型支撑结构，也可以采用弹性系数更大的不同材料的支撑结构，从而使光栅光调制器的驱动电压更小，工作波长范围更大，非常适合工作在红外波段。

如图4所示，通过给上层可动光栅51和下层反射镜53施加电压后，上层可动光栅与下层反射镜的距离会发生改变，从而达到对入射光的位相调制。柔性支撑结构提高了上层可动光栅下拉后的平整度，增大了光栅光调制器的开关系数，提高了光谱探测仪器的信号探测能力。

将上述光栅光调制器按阵列布置，即形成图5所示的光栅光调制器线阵。

图6的图6A和图6B为光栅光调制器对入射光能量的调制示意图。如该图所示，通过给上层可动光栅51和下层反射镜53施加电压后，上层可动光栅与下层反射镜的距离会发生改变，反射光可以实现明暗调制。

图7为光调制器衍射能量分布示意图。

如图8所示，通过给光栅光调制器线阵施加一个顺序扫描电压，各像素按相同的时间顺序依次处于反射态，从而实现波长扫描。

如图9所示，通过进行数字变换，按一定的编码原则对光栅光调制器线阵各像素的反射状态进行编程，从而实现波长扫描。该方法可以提高光能利用效率和仪器信噪比。

那些只要在本领域的技术人员阅读了本公开文件后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims

1、一种基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，其特征在于它包括光源和依次设置在光路上的样品池、狭缝、准直系统、反射光栅、光栅光调制器线阵、成像系统和单点探测器；

所述准直系统用于将光准直成平行光；

所述反射光栅作为分光元件，将不同波长的光色散开来，使其按不同的衍射角度进行传播；

所述成像系统将被色散后的各色光经成像后，平行入射到光栅光调制器线阵上；

所述光栅光调制器线阵上的每个像素对应一个特定的波段，各像素对应的零级反射光再次经成像系统后入射到反射光栅上，实现对不同波长光路的选择及多波长光的合成；

所述单点探测器用于获得各种波长的光强，从单点探测器的随时间变化的光强就可获得物质的红外光谱信息。

2、根据权利要求1所述的基于MEMS光栅光调制器线阵的红外光谱监测系统，其特征在于：所述光栅光调制器线阵采用的是MEMS光栅光调制器线阵，所述MEMS光栅光调制器线阵的每个光栅光调制器结构包括：

a.硅基底；

b.在硅基底之上沉积刻蚀形成的电极层和绝缘层，构成下层反射镜；

c.利用牺牲层技术在下层反射镜之上制成的柔性支撑结构和上层可动光栅，下层反射镜和上层可动光栅之间留有合适的空气间隙；支撑上层可动光栅的柔性支撑结构一端支撑在基底上的四个固定支撑立柱上，另一端连接在上层可动光栅的四个角上；所述柔性支撑结构采用弹性系数比上层可动光栅所用材料大的材料制成，或采用减薄型支撑结构，即使支撑结构在垂直方向的厚度要远小于上层可动光栅在垂直方向的厚度来达到柔性支撑作用；

d.上层可动光栅上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下层反射镜形成可动的电容极板；

e.驱动电路，通过电极引出线连接上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层，产生不同电平、不同频率的驱动电压；在上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层之间施加电压V₁，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为nλ/2，调制器反射光强取最大值；施加电压V₂时，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为(2n-1)λ/4，调制器反射光强几乎为零；其中λ表示入射光的波长。