CN104880433A - 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪 - Google Patents

基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪 Download PDF

Info

Publication number
CN104880433A
CN104880433A CN201510308193.1A CN201510308193A CN104880433A CN 104880433 A CN104880433 A CN 104880433A CN 201510308193 A CN201510308193 A CN 201510308193A CN 104880433 A CN104880433 A CN 104880433A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mirror
infrared spectrometer
scanning
scanning mirror
blazed grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510308193.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104880433B (zh
Inventor
张中卫
王新良
王科平
靳翔
黄静静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201510308193.1A priority Critical patent/CN104880433B/zh
Publication of CN104880433A publication Critical patent/CN104880433A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104880433B publication Critical patent/CN104880433B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明提出一种基于离轴抛物反射镜的MEMS微镜红外光谱仪，其由光纤连接器、入射狭缝、抛物面反射镜、扫描镜、闪耀光栅、反射聚焦镜、出射狭缝、探测器等部分组成。扫描镜是采用MEMS（微电子机械系统）技术制作而成的扫描微镜，其与闪耀光栅共同实现扫描与分光功能；外部待测光信号通过光纤传输后由光纤连接器、入射狭缝耦合进光谱仪，被抛物面反射镜离轴准直为平行光束；平行光束被扫描镜扫描反射至紧靠扫描镜放置的闪耀光栅上，经光栅分光、聚焦镜反射聚焦后，不同波长的光依次通过出射狭缝照到探测器上，实现光谱的连续扫描探测。本发明提出的光谱仪是具有体积小、光谱范围宽、信噪比高、成本低廉等优点的高分辨率MEMS红外光谱仪。

Description

基于离轴抛物反射镜的高分辨率MEMS微镜红外光谱仪
技术领域
本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及一种基于离轴抛物面反射镜、MEMS微镜的红外光谱仪。
背景技术
红外光谱仪是一种通过测定物质的发射光谱、透射或漫反射吸收光谱对物质的分子结构和化学组份进行定性、定量分析的精密光学仪器。红外光谱仪在使用过程中具有使用简单、快速、无损、清洁无污染等优点，被广泛用于工业、农业、军事、医药、科技、石油化工、航空航天、环境保护等众多领域，是最为重要的光学分析仪器之一。
近些年，随着经济的发展、科技的进步、工业化水平的提高，红外光谱仪的市场需求量不断增长，与此同时，人们也对红外光谱仪的使用提出了微型、便携、能够进行现场实时在线检测等新的要求。于是，在广阔市场的牵引下，研制方便耐用、结构紧凑的便携式微型红外光谱仪成为国内外科研工作者的研究热点。
基于MEMS技术的红外光谱仪，是以微机械加工技术制作的MEMS微光学元件作为核心关键器件研制的微型红外光谱仪。由于MEMS光学器件的使用，基于MEMS技术的光谱仪具有体积小、重量轻、性能稳定、成本低廉、能够满足实时、在线快速检测要求等优点。利用MEMS技术研制基于各种结构原理的微型光谱仪已成为当前光谱仪的主流发展方向。
基于MEMS微镜的微型光谱仪，是利用闪耀光栅和基于MEMS技术研制的扫描微镜，代替传统光栅光谱仪通过机械部件带动光栅扫描，实现复合光束扫描与分光的一种光谱检测仪器，其具有体积小、重量轻、稳定性好、测量快速等优点。但利用MEMS微镜研制宽光谱范围、高分辨率、高信噪比的微型红外光谱仪一直是难以解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现代工业对微型化、集成化高性能红外光谱仪的应用需求，提出基于离轴抛物面反射镜及MEMS微镜，研制一种微型化高分辨率红外光谱仪。
本发明提供的红外光谱仪，采用的技术方案如下：基于离轴抛物反射镜的MEMS微镜红外光谱仪，包括光纤连接器（1）、入射狭缝（2）、抛物面反射镜（3）、扫描镜（4）、闪耀光栅（5）、聚焦反射镜（6）、出射狭缝（7）、探测器（8）等部分组成。光纤连接器（1）位于入射狭缝（2）的前端，入射狭缝（2）位于抛物面反射镜（3）的焦点位置或其附近，待测光信号由光纤连接器（1）输出后通过入射狭缝（2）照射到抛物面反射镜（3）上、被准直成为平行光束；扫描镜（4）的镜面处于抛物面反射镜（3）的反射光路上，闪耀光栅（5）放置在扫描镜（4）镜面的一侧、与扫描镜呈小于90度夹角，待测光信号被抛物面反射镜（3）准直为平行光束后照射到扫描镜（4）的镜面上，被扫描镜（4）扫描反射至闪耀光栅上进行色散分光；聚焦反射镜（6）与闪耀光栅（5）对向放置，由于扫描镜（4）对平行光束的周期性扫描运动，平行光束在闪耀光栅（5）上的入射角、入射位置也在不断做周期性变化；与此同时，在仪器的波长探测范围内、不同波长的光依次以相同衍射角被闪耀光栅（5）衍射至聚焦反射镜（6）上，被聚焦反射镜（6）聚焦成像于同一位置点附近，出射狭缝（7）放置于该位置点或其附近；探测器（8）放置在出射狭缝（7）后；这样，仪器工作过程中，由于扫描镜（4）的周期性扫描运动，在光谱探测波长范围内，不同波长的光将依次通过出射狭缝（7）照射到探测器（8）上，实现不同波长光的连续扫描探测。
本发明中所用抛物面反射镜（3）为离轴抛物面反射镜，其主要作用是把耦合进光谱仪的待测光信号离轴准直为平行光束。在研制的光谱仪器系统中，采用离轴抛物面反射镜作为准直镜，既有利于光学器件的摆放，又可通过使用短焦抛物面反射镜增加准直平行光束的光强，提高仪器光谱信号的强度及信噪比。
本发明中所述扫描镜（4）是一种基于MEMS（微电子机械系统）技术制作的一种微光学元件，其实质是具有一可绕固定轴（悬臂梁）作周期性扭摆运动镜面的光学器件。目前，利用MEMS技术研制扫描镜在技术上已趋于成熟，基于静电驱动、电磁驱动等多种类型的MEMS扫描镜均已达到实用化要求。由于MEMS微镜的使用，可使研制的光谱仪器满足小体积、低功耗、低成本的性能要求。
本发明中，外部待测光信号，即可耦合进光纤、经光纤传输至光纤连接器（1）后，通过入射狭缝（2）耦合进光谱仪中，又可根据实际需要略去光纤连接器（1），把外部待测光信号直接通过入射狭缝（2）耦合进光谱仪；此外，根据系统实际需要，或可在光谱仪系统中略去入射狭缝（2），外部待测光信号经光纤传输至光纤连接器（1）后，直接把待测光信号耦合进光谱仪中。
本发明中，可根据实际需要利用光纤代替出射狭缝（7），通过光纤把待测光信号传输至探测器（8）进行光谱探测（如附图2所示）。
本发明中，闪耀光栅（5）紧靠扫描镜（4）的镜面放置，可减小平行光束在闪耀光栅（5）上的移动幅度，有利于降低光谱像的离焦量，提高光谱仪器的分辨率。
本发明中，聚焦反射镜（6）既可是球面聚焦反射镜，又可是抛物面聚焦反射镜。
本发明中，光纤连接器（1）既可是利用FC端口制作的连接装置，又可是基于SMA端口制作的连接装置。
本发明的优点：
1. 提出的光谱仪器系统，采用离轴抛物面反射镜作为光谱仪器的准直镜，既有利于仪器系统中各光学部件的摆放，又可通过使用短焦抛物面反射镜增加准直平行光束的光强，提高探测器接收到的光信号强度，使研制的仪器具有高信噪比；
2. 提出的光谱仪器系统结构，把闪耀光栅紧靠扫描镜镜面放置，可减小平行光束在光栅上的移动幅度，降低光谱像平面的离焦量，提高光谱仪器的分辨率，能够被广泛应用于各个光谱波段，具有较强的技术优势；
3. 提出的光谱仪器系统结构，结合MEMS扫描镜、离轴抛物面反射镜，在实现光谱仪器的模块化与集成化、降低仪器成本的同时，可使仪器在较宽的波长探测范围内具有较高的光谱分辨率，解决了利用MEMS扫描镜研制具有宽光谱范围、高分辨率、高信噪比红外光谱仪的技术障碍；
4. 提出的光谱仪器系统结构，不但可用于近红外光谱区域，而且可用于中远红外光谱区域及紫外光谱区域，光谱波长探测范围的拓展性非常强。
附图说明
 图1为本发明所述基于离轴抛物反射镜的高分辨率MEMS微镜红外光谱仪系统结构图；图2为本发明所述红外光谱仪系统结构中利用光纤连代替出射狭缝时的结构示意图。
具体实施方式
 如附图1所示，本发明所提出的光谱仪由光纤连接器1，入射狭缝2，抛物面反射镜3，扫描镜4，闪耀光栅5，聚焦反射镜6，出射狭缝7和探测器8组成。扫描镜4是基于MEMS技术研制、具有可绕固定旋转轴做周期性扭摆运动镜面的微型光学元器件。待测光信号由光纤连接器1、入射狭缝2耦合进光谱仪系统内部后，被抛物面反射镜3准直为平行光束；扫描镜4的镜面位于抛物面反射镜3的准直光路上，闪耀光栅5紧靠扫描镜4的镜面放置、与扫描镜夹角小于90度，聚焦反射镜6与闪耀光栅对向放置；扫描镜4镜面的周期性扫描运动，使平行光束在闪耀光栅5上的入射角发生周期性改变、在光谱探测范围内不同波长的光依次以相同的衍射角入射到聚焦反射镜6上，被聚焦反射镜聚焦成像至同一位置点附近，出射狭缝7处于该位置点或其附近；出射狭缝7后放置探测器8；仪器工作时，由于扫描镜的周期性扫描运动，不同波长的光被光栅衍射分光、聚焦反射镜聚焦成像后依次通过出射狭缝照射到红外探测器上，实现待测光信号的全谱线连续扫描探测。

Claims (8)

1.基于离轴抛物反射镜的高分辨率MEMS微镜红外光谱仪，它是由光纤连接器（1）、入射狭缝（2）、抛物面反射镜（3）、扫描镜（4）、闪耀光栅（5）、聚焦反射镜（6）、出射狭缝（7）、探测器（8）等部分组成；其特征在于：所述光纤连接器（1）放置在入射狭缝（2）前，入射狭缝（2）设置于抛物面反射镜（3）的焦点或焦点附近，待测光信号通过光纤连接器（1）、入射狭缝（2）耦合进光谱仪，被抛物面反射镜（3）准直为平行光束；扫描镜（4）放置在抛物面反射镜（3）的准直光路上，闪耀光栅（5）紧靠扫描镜（4）、与扫描镜（4）呈小于90°夹角放置，聚焦反射镜（6）与闪耀光栅对向放置；准直的平行光束被扫描镜（4）反射到闪耀光栅（5）上，通过闪耀光栅（5）进行色散分光；色散光被聚焦反射镜（6）聚焦成像；出射狭缝（7）位于聚焦反射镜（6）的焦平面上或焦平面附近，探测器（8）放置在出射狭缝（7）后方；由于扫描镜（4）的周期性扫描运动，不同波长的待测光信号被闪耀光栅（5）分光、聚焦反射镜（6）聚焦成像后依次通过出射狭缝（7）照射在探测器（8）上，从而实现光谱的连续扫描探测。
2.根据权利要求1所述红外光谱仪，其特征在于：所述抛物面反射镜（3）为离轴抛物面反射镜。
3.根据权利要求1所述红外光谱仪，其特征在于：所述扫描镜（4）是利用微电子机械系统技术制作而成、具有可绕固定转轴做周期性扭摆运动镜面的微光学元件。
4.根据权利要求1所述红外光谱仪，其特征在于：色散光被聚焦反射镜（6）聚焦反射后，反射光路与经抛物面反射镜（3）准直的平行光束相交叉。
5.根据权利要求1所述红外光谱仪，其特征在于：所用探测器（8）既可以是光导型近、中红外单元探测器，也可以是光伏型近、中红外单元探测器。
6.根据权利要求1所述红外光谱仪，其特征在于：光纤连接器（1）既可以是FC端口光纤连接器，又可以是SMA端口光纤连接器。
7.根据权利要求1及权利要求6所述红外光谱仪，其特征在于：根据实际需要，光谱仪可略去入射狭缝（2）或光纤连接器（1）。
8.根据权利要求1、权利要求6或/和7所述红外光谱仪，其特征在于：根据实际需要，出射狭缝（7）可被光纤代替，使待测光信号依次耦合进光纤后、通过光纤传输输出到探测器（8）上进行光谱探测。
CN201510308193.1A 2015-06-09 2015-06-09 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪 Expired - Fee Related CN104880433B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510308193.1A CN104880433B (zh) 2015-06-09 2015-06-09 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510308193.1A CN104880433B (zh) 2015-06-09 2015-06-09 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104880433A true CN104880433A (zh) 2015-09-02
CN104880433B CN104880433B (zh) 2018-07-10

Family

ID=53948010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510308193.1A Expired - Fee Related CN104880433B (zh) 2015-06-09 2015-06-09 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104880433B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106198325A (zh) * 2016-06-27 2016-12-07 南开大学 一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统及分析方法
CN110632058A (zh) * 2019-11-04 2019-12-31 宁波源禄光电有限公司 一种用于拉曼光谱分析的小型分光装置
CN110987864A (zh) * 2019-12-06 2020-04-10 重庆大学 基于扫描光栅微镜的宽光谱微型近红外光谱仪
CN111879714A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 杭州谱析光晶半导体科技有限公司 一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法
CN113655465A (zh) * 2021-08-12 2021-11-16 重庆理工大学 一种基于多波长连续扫描的抗干扰激光雷达
CN114393313A (zh) * 2021-12-01 2022-04-26 华中科技大学 一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1831517A (zh) * 2005-09-27 2006-09-13 重庆大学 一种微型化便携式红外光谱仪
US7157711B1 (en) * 2001-08-31 2007-01-02 Ric Investments, Llc Microspectrometer gas analyzer
WO2010096081A1 (en) * 2008-09-04 2010-08-26 University Of Florida Research Foundation, Inc. Mems-based ftir spectrometer
CN102359949A (zh) * 2011-09-20 2012-02-22 重庆大学 一种基于mems扫描微镜的高分辨率微型红外光谱仪
CN102620829A (zh) * 2012-04-12 2012-08-01 重庆大学 基于可编程mems微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪
CN103411674A (zh) * 2013-07-08 2013-11-27 杭州久傲科技有限公司 一种基于cortex-M3的微型光纤光谱仪
CN103543495A (zh) * 2013-08-05 2014-01-29 华中科技大学 一种图像采集和原位投影的光学装置
CN104596987A (zh) * 2015-02-03 2015-05-06 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7157711B1 (en) * 2001-08-31 2007-01-02 Ric Investments, Llc Microspectrometer gas analyzer
CN1831517A (zh) * 2005-09-27 2006-09-13 重庆大学 一种微型化便携式红外光谱仪
WO2010096081A1 (en) * 2008-09-04 2010-08-26 University Of Florida Research Foundation, Inc. Mems-based ftir spectrometer
CN102359949A (zh) * 2011-09-20 2012-02-22 重庆大学 一种基于mems扫描微镜的高分辨率微型红外光谱仪
CN102620829A (zh) * 2012-04-12 2012-08-01 重庆大学 基于可编程mems微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪
CN103411674A (zh) * 2013-07-08 2013-11-27 杭州久傲科技有限公司 一种基于cortex-M3的微型光纤光谱仪
CN103543495A (zh) * 2013-08-05 2014-01-29 华中科技大学 一种图像采集和原位投影的光学装置
CN104596987A (zh) * 2015-02-03 2015-05-06 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106198325A (zh) * 2016-06-27 2016-12-07 南开大学 一种在线检测悬浮液中微小颗粒大小分布的背向弹性散射光谱测量分析系统及分析方法
CN110632058A (zh) * 2019-11-04 2019-12-31 宁波源禄光电有限公司 一种用于拉曼光谱分析的小型分光装置
CN110632058B (zh) * 2019-11-04 2022-05-03 宁波源禄光电有限公司 一种用于拉曼光谱分析的小型分光装置
CN110987864A (zh) * 2019-12-06 2020-04-10 重庆大学 基于扫描光栅微镜的宽光谱微型近红外光谱仪
CN111879714A (zh) * 2020-08-03 2020-11-03 杭州谱析光晶半导体科技有限公司 一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法
CN113655465A (zh) * 2021-08-12 2021-11-16 重庆理工大学 一种基于多波长连续扫描的抗干扰激光雷达
CN114393313A (zh) * 2021-12-01 2022-04-26 华中科技大学 一种基于同轴检测的激光扫描智能加工装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104880433B (zh) 2018-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105136293B (zh) 一种基于透射光栅的mems微镜微型光谱仪
CN104880433A (zh) 基于离轴抛物反射镜的高分辨率mems微镜红外光谱仪
CN102359949A (zh) 一种基于mems扫描微镜的高分辨率微型红外光谱仪
US11921211B2 (en) Apparatuses and methods for a rotating optical reflector
Merten et al. Design of differential optical absorption spectroscopy long-path telescopes based on fiber optics
CN104502304B (zh) 基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪
CN103389159B (zh) 棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统
CN104458696A (zh) 基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪
CN104568826A (zh) 一种基于线性渐变滤光片的微型固化近红外光谱仪
CN106017673A (zh) 基于mems扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构
JP2007530964A (ja) スペクトルおよび空間選択性を特徴とする電子距離測定装置
CN109073544B (zh) 长光程吸收池
CN202083627U (zh) 光纤式卡塞格林望远镜结构的空气差分吸收光谱测量系统
CN100491975C (zh) 便携式红外光谱仪
CN103777348A (zh) 一种多波段灵巧红外光学系统
CN102901717B (zh) 基于激光诱导击穿光谱的便携手持式土壤重金属探测装置
Wang et al. Ground simulation method for arbitrary distance optical transmission of a free-space laser communication system based on an optical fiber nanoprobe
CN100443885C (zh) 一种微型化便携式红外光谱仪
CN103884659A (zh) 角分辨微纳光谱分析装置
CN102141440A (zh) 高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学系统
CN113607687A (zh) 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统
CN104330162A (zh) 一种便携式傅里叶变换光谱仪
CN110109262A (zh) 光源切换复用单元同轴度调试系统及方法
CN104568777A (zh) 基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法
CN213275352U (zh) 一种基于离轴抛物面反射镜的拉曼信号收集探头

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180710

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee