CN102175327A - 一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，采用MEMS技术，光谱分析技术，傅里叶数字变换技术；系统中包括光源，准直系统，成像系统，可编程空间光调制器阵列，和单个探测器件；激光波面到调制器处，会发生波面分割，一部分光从上表面反射，另一部分从下表面反射，两束为相干光发生干涉；通过静电驱动改变可编程空间光调制器上下表面之间的高度差，从而改变相干光光程差，实现干涉条纹调制；由单探测器测得光能量变化，利用傅里叶数字变换技术和光程差校正技术，测得样品信息；无需使用传统分光光栅或离子分束器，实现单一器件既分光又选通双重功能，简化系统，缩短光路，使得器件结构更加紧凑，集成度高，可广泛应用于各类生产研究中。
Description
技术领域
本发明涉及一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，更具体的说，本发明是利用平动式光栅光阀器件对光的干涉调制，实现对光谱的分析。
背景技术
近年来，微机电系统（MOMES）得到了较大的发展，微机械部件，微型探测元件等缩小了光谱仪器结构。光谱仪向微型化、高度集成化、便携式方向发展。微型近红外光谱仪主要利用MOMES器件构成的高集成微型光路，结合化学计量法、微弱信号检测法实现物质测量检测。因其具有体积小、成本低、无可动部件、快速高效、无损检测、可靠性高、可实现在线检测等特点，在现代生产科研中受到了广泛重视。主流微型光谱仪为傅里叶数字变换光谱仪和光栅分光式光谱仪，傅里叶数字变换光谱仪传统光路为迈克尔逊干涉仪式光路，光路中需要采用离子分束器进行分光，通过移动动镜，产生动镜和定镜之间的相位差实现光谱调制，这种光谱仪结构需要器件多，动镜的移动一般依赖于精密的机械联动结构，体积较大，移动精度的控制是整个光谱仪实现的技术关键及难点。光栅分光式光谱仪技术难点在于其分辨率受光栅和入射狭缝限制，精度提高的同时会引起光能量的锐减，并且平行栅条式光栅会引起光谱谱面内弯曲，这个光学系统的成像质量要求比傅里叶光谱仪的高，也无法很好的实现全谱段的测量。
本发明采用前期研究的平动式光栅光阀GMLM（Grating Moving Light Modulator）作为光谱调制的核心器件，具有加工简单，响应速度更快，成本更低，可批量化成产的优点，并且该器件可以较好的避免这些问题。
发明内容
针对平动光栅光阀在光谱仪中的实用性，本发明提出了一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，其包含有光源、样品池、准直成像系统、平动光栅光阀阵列和单探测器；所述样品池位于光源的出射光路上，所述准直系统位于样品池之后的光路上，所述平动光栅光阀阵列位于准直成像系统出射光之后，所述单探测器位于平动光栅光阀阵列的反射光经过准直系统后的二次出射光路之后。
所述光源发出的光为复色光源，样品池内装入待测样品，准直成像系统、光栅光调制器构成主要的光路系统。复色光通过样品池后，经由准直成像系统准直，进入平动式光栅光阀阵列，利用平动光栅光阀作为光谱仪的核心光调制器件，实现复色光波面调制，调制光二次经过准直成像系统，成像在单探测器上，进而测出能量谱，即可完成对光能量谱的探测。
本发明的光路原理为光由准直成像系统（如凹面反射镜（透镜））准直后入射到平动式光栅光阀，受到光栅光阀的调制，再一次由准直成像系统准直到探测器面上，进行光信号探测；光路中二次利用准直成像系统准直成像，可简化光路，降低装调难度，减少成本，缩短整体光路尺寸。
上述光谱仪的核心器件平动光栅光阀，为本申请人前期研发的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8），其结构可通过静电驱动下拉光栅光阀上表面，从而连续改变上下表面的高度差。复色光进入平动光栅光阀后，在任一高度差下，光波都可以被光栅上下表面分割为相干的两束光，并且两束光之间形成稳定的干涉条纹。由于光栅光阀的调制特性，改变高度差，不同高度差下的干涉光谱信号可以在成像位置由单探测器输出响应电信号，再经信号处理电路对信号进行采样，采样点位于每个改变高度差之后形成稳定干涉条纹的时刻，并与驱动信号时序相匹配，以区分不同下拉电压对应的高度差；最后对信号采用傅里叶光谱变换算法进行处理之后，通过傅里叶逆变换还原光谱信息，获得入射光的光谱。
采用本申请人前期研发的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8）作为光谱仪的核心器件平动光栅光阀，可以简化常见色散光谱仪中分光选通系统，也无需使用傅里叶光路中的迈克尔逊干涉光路中的离子分束器，大大简化了光路结构，缩短光路尺寸，并且可以在较高的光能量下进行全谱段扫描，在微型光谱仪的设计中有着较大的优势。
傅里叶变换光谱仪主要利用的是傅里叶数字变换处理算法。探测器通过测得干涉零级光谱能量，经过傅里叶逆变换得到原始光谱能量分布。原始能量谱和入射功率谱之间有如下关系：
δ为移动的光程差，σ是波数，ΔI是入射功率谱变化量，I(σ)是原始能量谱。
其中光谱精度跟栅条下拉距离有关，下拉行程越大，得到的光谱分辨率越高。
平动光栅光阀驱动电压和下拉距离存在非线性关系，并且下拉和回复过程中会引入一定的回程差，可采用补偿法对相位进行修正。δ 1 为修正后的光程差：
d为动镜移动距离，通过实验拟合后，得到移动距离和光程变化量间关系δ(d)然后对光程差进行校正，得到能谱与入射功率谱修正后关系。
可见，本发明采用平动光栅光阀与单探测器相结合实现傅里叶变换能量谱的探测，经过数字变换得到全光谱，取代了传统的阵列探测器对光谱探测的方法，降低成本，避免阵列探测器的非均匀性，提高光谱准确度和变换精度。本发明采用的是非迈克尔逊干涉光路，无需分束器，利用平动式光栅光阀上下表面既实现相干光的分离，又代替了动镜和定镜，实现光干涉调制的功能，器件采用静电控制方式，体积小，耗能低，稳定性高。
附图说明
图1为平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪系统光路图；
图2为上述微型光谱仪的平动光栅光阀空间结构图；
图3为上述微型光谱仪的傅里叶变换原理图；
图中1光源；2样品池；3准直成像系统；4平动光栅光阀；5单探测器；6平动光栅光阀下表面；7平动光栅光阀上表面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1，平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪包含有光源1、样品池2、准直成像系统3、平动光栅光阀4和单探测器5；所述样品池位于光源1的出射光路上，所述准直系统3位于样品池2之后的光路上，所述平动光栅光阀4位于准直成像系统3出射光之后，所述单探测器5位于平动光栅光阀4的反射光经过准直系统3后的二次出射光路之后。
平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪的系统光路通过如下方式实现：光源1发出的复色光通过样品池2入射到准直成像系统3（采用凹面反射镜）上，经过凹面反射镜的平行复色光进入平动光栅光阀4后，在任一高度差下，光波都可以被光栅上下表面分割为相干的两束光，并且两束光之间形成稳定的干涉条纹，成像在单点探测器5上，输出电信号，再经过信号处理电路对信号进行采集。
上述傅里叶微型光谱仪的关键器件平动光栅光阀阵列采用本申请人前期研发的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8），以阵列形式排布，其空间结构图如图2所示，该器件以静电力作为驱动力，可动光栅通过悬臂梁相互连接作为上电极接入公共地，下反射镜作为下电极，在下电极的下方键合有类似DRAM的CMOS电路用以控制充放电。当不加电压时，入射的复色光在初始高度差下有一个初始的干涉能量；当加上一定电压后，可动光栅在静电吸引力的作用下高度差发生变化，上下反射面的光程差发生相应变化，从而产生不同的干涉条纹，实现傅里叶变换。
上述微型光谱仪系统的数字转换原理图如图3所示，可动光栅光阀上表面6相当于定镜，当可动光栅在静电吸引力的作用下高度发生变化时，下表面7相当于动镜，从而在探测器5处形成稳定的干涉条纹。
以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之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 (2)
1.一种平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，其特征在于所述光谱仪包含有光源（1）、样品池（2）、准直成像系统（3）、平动光栅光阀阵列（4）和单探测器（5）；所述样品池位于光源（1）的出射光路上，所述准直系统（3）位于样品池（2）之后的光路上，所述平动光栅光阀阵列（4）位于准直成像系统（3）出射光之后，所述单探测器（5）位于平动光栅光阀阵列（4）的反射光经过准直系统（3）后的二次出射光路之后；
所述光源（1）发出的光为复色光，复色光通过样品池（2）后，经由准直成像系统（3）准直，进入平动式光栅光阀阵列（4），实现复色光波面调制，调制光二次经过准直成像系统（3），成像在单探测器（5）上，进而测出能量谱；
所述平动光栅光阀阵列（4）是通过静电驱动下拉光栅光阀上表面，连续整体改变平动光栅光阀上下表面间高度差，所述复色光进入平动光栅光阀阵列（4）后，在任一高度差下，光波都可以被光栅上下表面分割为相干的两束光，并且两束光之间形成稳定的干涉条纹，利用光栅光阀的调制特性，改变高度差，不同高度差下的干涉光谱信号可以在成像位置由单探测器输出响应电信号，再经信号处理电路对电信号进行采样，采样点位于每个改变高度差之后形成稳定干涉条纹的时刻，并与驱动信号时序相匹配，以区分不同下拉电压对应的高度差；对该电信号采用傅里叶光谱变换算法进行处理之后，通过傅里叶逆变换还原光谱信息，获得入射光的光谱。
2.根据权利要求1所述平动光栅光阀傅里叶微型光谱仪，其特征在于：所述平动光栅光阀阵列（4）的驱动电压和下拉距离为非线性关系，采用相位误差修正法，对下拉和回复过程的光程差进行算法补偿，δ 1 为修正后的光程差：
其中d为动镜移动距离，通过实验拟合后，得到移动距离和光程变化量间关系δ(d)然后对光程差进行校正，得到能谱与入射功率谱修正后关系。
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