CN103913235A - 基于moems技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，涉及光谱分析仪器领域，解决现有技术中采用FTIR体积、重量较大，且在线可靠性受到限制的问题，本发明的红外光谱仪基于迈克尔逊干涉仪原理，采用两个正交放置的多级阶梯反射镜来取代系统中的动镜系统和定镜，在实现系统静态化的同时使系统的可靠性，可重复性，实时性都得到了很大的提高，便于实现对未知物进行实时的和在线的测量；采用一个栅格型分束器代替了传统的傅里叶变换光谱仪中的分束器和补偿板，在实现系统轻量化，采用一个微透镜阵列代替了传统傅里叶变换光谱仪中的缩束系统，有利于更好地满足光谱仪轻量化和微小型化的需求。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析仪器领域，涉及一种新型空间调制红外傅里叶变换光谱仪系统，具体涉及一种基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪。
背景技术
红外光谱仪器可进行高精度的光谱测量，进行定性或定量分析，可对未知物进行探测，因此在诸多领域得到了十分广泛的应用。当前，环境和安全监测、医疗分析检测、空间探测、气象或资源探测、军事地物侦察分析以及反恐防化等领域对高精度、微型化和轻量化的红外光谱分析系统有迫切需求。傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）具有多通道、辐射通量大、杂散光低、波数准确、精度高等优点，可实现对弱辐射体的高分辨率探测和分析研究。但目前普遍应用的FTIR体积、重量较大，不利于便携使用。对工作环境要求严格，而且运行维护费用昂贵。此外，由于大型FTIR中存在精密移动的反射镜，对仪器的使用和放置环境有严格要求，使仪器的在线监测可靠性受到限制。因此，迫切需要微型化、固态化的FTIR来解决这一问题。
发明内容
本发明解决现有技术中采用FTIR体积、重量较大，且在线可靠性受到限制的问题，提供一种基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪。
基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，包括准直系统、样品池、干涉系统、微透镜阵列和红外探测器，所述干涉系统包括多级小阶梯微反射镜、栅格型分束器和多级大阶梯微反射镜；红外光源发出的光经准直系统准直成平行光，红外平行光经过样品池样品吸收后经栅格型分束器分成相干的两束光；一束光入射到多级大阶梯微反射镜上，并经多级大阶梯微反射镜反射到栅格型分束器，另一束光入射到多级小阶梯微反射镜上，并经多级小阶梯微反射镜反射到栅格型分束器；经栅格型分束器反射后的光经微透镜阵列后，在红外面阵探测器上获得干涉条纹。对干涉条纹做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息。
设定多级小阶梯微反射镜的阶梯高度为d,阶梯数为n，多级大阶梯微反射镜的阶梯高度为nd,阶梯数为n；光谱仪系统的光程差δ为：δ＝2nd；微透镜阵列中微透镜的数量为k为一个微透镜对应的等光程面元数；所述多级小阶梯微反射镜到栅格型分束器的距离与多级大阶梯微反射镜到栅格型分束器的距离相等。
本发明的有益效果：本发明基于迈克尔逊干涉仪原理，所不同的是用两个正交放置的多级阶梯反射镜来取代系统中的动镜系统和定镜，在实现系统静态化的同时使系统的可靠性，可重复性，实时性都得到了很大的提高，便于实现对未知物进行实时的和在线的测量；本系统用一个栅格型分束器代替了传统的傅里叶变换光谱仪中的分束器和补偿板，在实现系统轻量化的同时，可以消除传统的分束器和补偿板引起的色散效应与光能损耗；本系统采用一个微透镜阵列代替了传统傅里叶变换光谱仪中的缩束系统，有利于更好地满足光谱仪轻量化和微小型化的需求。
附图说明
图1为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪的系统结构图；
图2为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中干涉系统结构图；
图3为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪的光程差分布示意图；
图4为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中准直系统的结构图；
图5为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中栅格型分束器的结构图；
图6为本发明所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中微透镜阵列的结构图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，包括准直系统2、样品池3、干涉系统4、微透镜阵列5和红外探测器6，所述干涉系统4包括栅格型分束器7、多级大阶梯微反射镜9和多级小阶梯微反射镜8，红外光源1发出的光依次经准直系统2和样品池3之后，由栅格型分束器7分成两束相干光。一束入射到多级大阶梯微反射镜9上，经多级大阶梯镜9反射之后回到栅格型分束器7。另一束光入射到多级小阶梯微反射镜8上，经其反射之后回到栅格型分束器7。之后，再由微透镜阵列5汇聚，在红外面阵探测器6上得到干涉信息。对干涉图做傅里叶变换即可获得待测样品的光谱信息。
本实施方式中系统用两个正交放置多级大阶梯微反射镜7和多级小阶梯微反射镜8来代替传统的时间调制型傅里叶变换光谱仪中的动镜和定镜，利用两个多级阶梯微反射镜的空间位置的不同来产生光程差分布，实现了系统的静态化。利用栅格型分束器7代替传统的分束器和补偿板，实现了系统的轻量化。采用微透镜阵列代替传统傅里叶变换光谱仪中的缩束系统，更好地适应了光谱仪微型化、轻量化的应用要求。本实施方式所述的光谱仪的采样方式可以是单边采样方式、双边采样方式和过零单边采样方式等。
结合图2和图3说明本实施方式，整个干涉系统由栅格型分束器7、多级大阶梯微反射镜9和多级小阶梯反射镜8组成。其中栅格型分束器7是采用MOEMS技术，将基膜固定在一个具有网格结构的栅格支撑体上，然后将红外分光膜镀在基膜上，分束器的栅格尺寸和数量以及基膜厚度可以根据实际的应用需求进行调整。该红外分束器利用栅格结构对分光膜系进行支撑，取消了补偿板，具有体积小、重量轻的优点。多级大阶梯微反射镜9采用挤压倾角叠片法制作，多级小阶梯微反射镜8通过在基底上进行多次光刻镀膜的方法制作，在两个多级阶梯微反射镜的表面都镀有红外高反膜。l1为多级大阶梯微反射镜9距离栅格型分束器中心最近的面到分束器中心的距离，l2为多级小阶梯微反射镜8距离栅格型分束器中心最近的面到分束器中心的距离。为了保证系统在零光程差处不引入额外的光程差，则l1=l2。结合图3，本实施方式所述的光谱仪的光程差是由两个多级阶梯微反射镜的空间位置的不同产生的，两个多级阶梯微反射镜沿x,y方向正交放置，两个多级阶梯微反射镜具有相同的阶梯数n,多级小阶梯微反射镜的阶梯高度为d,多级大阶梯微反射镜的高度为nd.则由两个多级阶梯微反射镜的不同位置反射的光在探测器的空间不同位置发生干涉，形成多个干涉定域条纹。则相干光束被分成了n2个小空间，设x,y分别代表多级小阶梯微反射镜和多级大阶梯微反射镜的阶梯的序数，则系统的光程差δ为δ＝2nd系统的光程差的分布如图3所示，其中Δ等于2d。系统的光谱分辨率等于系统最大光程差的倒数。
结合图4说明本实施方式，准直系统2采用两片式结构。材料可以采用硅和锗，或者是硅和硒化锌等红外材料的组合。准直系统2的主要作用是将红外光源1发出的光准直成平行光，经由栅格型分束器7入射到两个多级阶梯微反射镜上。准直系统2的口径以多级阶梯微反射镜的对角线长度为基准，保证经其出射的平行光能完全的覆盖两个多级阶梯微反射镜的表面。
结合图5和图6说明本实施方式，图5为栅格分束器的结构图。图6是微透镜阵列的结构示意图，其作用是微透镜阵列主要是实现光束的分割和与探测器像元的匹配。采用如硅、锗或ZnSe等红外材料作为基底，采用MOEMS等工艺制作的符合系统要求的微透镜阵列，微透镜和两个多级阶梯微反射镜的等光程面元可以采用一一对应的方式，这样微透镜的数量为n2，n两个多级阶梯微反射镜的阶梯数。当然微透镜和两个多级阶梯微反射镜的等光程面元也可以是一对多的方式，这样微透镜的数量为k为一个微透镜对应的等光程面元数。因此在进行微透镜阵列的设计时将两个多级阶梯微反射镜作为微透镜阵列的物来设计。多级阶梯微反射镜和面阵探测器分别放置在微透镜阵列的前置焦点和后置焦点上。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，包括准直系统（2）、样品池（3）、干涉系统（4）、微透镜阵列（5）和红外探测器（6），其特征是，所述干涉系统（4）包括多级小阶梯微反射镜（8）、栅格型分束器（7）和多级大阶梯微反射镜（9）；红外光源（1）发出的光经准直系统（2）准直成平行光，红外平行光经过样品池（3）样品吸收后经栅格型分束器（7）分成相干的两束光；一束光入射到多级大阶梯微反射镜（9）上，并经多级大阶梯微反射镜（9）反射到栅格型分束器（7），另一束光入射到多级小阶梯微反射镜（8）上，并经多级小阶梯微反射镜（8）反射到栅格型分束器（7）；经栅格型分束器（7）反射后的光经微透镜阵列（5）后，在红外面阵探测器（6）上获得干涉图；对干涉图做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息；
设定多级小阶梯微反射镜（8）的阶梯高度为d,阶梯数为n，多级大阶梯微反射镜（9）的阶梯高度为nd,阶梯数为n；光谱仪系统的光程差δ为：δ＝2nd；微透镜阵列中微透镜的数量为k为一个微透镜对应的等光程面元数；所述多级小阶梯微反射镜（8）到栅格型分束器（7）的距离与多级大阶梯微反射镜（9）到栅格型分束器（7）的距离相等。
2.根据权利要求1所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，所述多级小阶梯微反射镜（8）和多级大阶梯微反射镜（9）的阶梯反射面镀有红外高反膜。
3.根据权利要求1所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，所准直系统（2）采用三片式或者两片式的透镜结构，三片式结构的材料采用硒化锌和氟化钙的组合，两片式的结构采用硅和锗或者是硅和硒化锌红外材料的组合。
4.根据权利要求1所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，所述多级大阶梯微反射镜（9）和多级小阶梯微反射镜（8）位于微透镜阵列（5）的前置焦点，红外探测器（6）位于在微透镜阵列（5）的后置焦点上。
5.根据权利要求1所述的基于MOEMS技术的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，设多级大阶梯微反射镜（9）的阶梯高度为D，多级小阶梯微反射镜（8）的阶梯高度为d,阶梯数为n，则N=nd。阶梯高度应符合奈奎斯特采样定理，即如果系统的工作波长为λ，则多级小阶梯微反射镜的阶梯高度必须小于
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