CN105136293B - 一种基于透射光栅的mems微镜微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪，该光谱仪由光纤连接器、入射狭缝、准直反射镜、扫描镜、透射光栅、聚焦透镜、出射狭缝和探测器等部分组成。其中，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，其与透射光栅共同实现光谱仪的扫描与分光功能；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，被准直反射镜准直为平行光束；平行光束被扫描镜扫描反射到透射光栅上色散分光后、由聚焦透镜聚焦成像，使不同波长的光依次通过出射狭缝照到探测器上，实现光信号的连续扫描探测。本发明提出的光谱仪具有体积小、分辨率高、集成度高、成本低廉等优点，可用于可见、紫外和近红外光谱区域。

Description

一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及一种基于透射光栅、MEMS微镜的微型光谱仪。

背景技术

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。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，在工农业、军事、医药、石油化工、航空航天、环境保护等众多领域均有广泛应用，是最为重要的光学分析仪器之一。

近些年，随着经济的发展、工业化水平的提高、人们对环境保护意识的加强，光谱仪的市场需求量在不断增长，与此同时，人们对光谱仪的使用提出了微型、便携、能够作为OEM模块使用等新要求。于是，在广阔市场的牵引下，研制方便耐用、结构紧凑、集成化、模块化的低成本微型光谱仪已成为国内外科研工作者的研究热点。

基于MEMS技术的光谱仪，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、集成度高、性能稳定、成本低廉等优点。利用MEMS技术研制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，实现光谱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微镜研制高分辨率、高信噪比的微型光谱仪一直是难以解决的技术问题，本发明提出基于MEMS微镜、透射光栅研制模块化、集成化的微型光谱仪，将具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明针对现代工业对微型化、集成化、模块化高性能光谱仪的应用需求，提出基于透射光栅及MEMS微镜，研制一种微型高分辨率光谱仪。

本发明提供的光谱仪，采用的技术方案如下：一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪，包括光纤连接器（1）、入射狭缝（2）、准直反射镜（3）、扫描镜（4）、透射光栅（5）、聚焦透镜（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）位于准直反射镜（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）照射到准直反射镜（3）上、被准直成为平行光束；扫描镜（4）的镜面处于准直反射镜（3）的反射光路上，透射光栅（5）紧靠扫描镜（4）的镜面放置，待测光信号被准直反射镜（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）扫描反射至透射光栅上进行色散分光；聚焦透镜（6）紧靠透射光栅（5）放置，由于扫描镜（4）对平行光束的周期性扫描，平行光束在透射光栅（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透射光栅（5）衍射至聚焦透镜（6）上，被聚焦透镜（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，在光谱波长探测范围内，不同波长的光依次通过出射狭缝照射到探测器（8）上，实现不同波长光的全谱线连续扫描探测。

本发明中所用准直反射镜（3）既可为价格便宜的球面反射镜，又可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。

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具有体积小、能耗低、集成度高等优点。

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，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，透射光栅（5）紧靠扫描镜（4）的镜面放置，可减小平行光束在透射光栅（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，聚焦透镜（6）既可是单体的聚焦镜或消色差胶合透镜，又可是具有消色差、消色散功能的透镜组。

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，采用透射光栅作为仪器的分光部件，透射光栅可以最大限度靠近MEMS微镜放置，大大降低复合平行光束在光栅上的移动幅度，提高仪器在光谱探测波长范围内的分辨率；

2. 采用透射光栅分光、聚焦透镜对光谱进行聚焦成像，有利于光学系统的模块化集成，使仪器易于装调；

3. 提出的光谱仪器光学系统结构，不但可用于近红外光谱区域，而且可用于可见及紫外光谱区域，光谱探测波长范围具有较强的拓展性。

附图说明

图1为本发明所述基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪系统结构图；图2为本发明所述光谱仪系统结构中利用光纤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，准直反射镜3，扫描镜4，透射光栅5，聚焦透镜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耦合进光谱仪后，被准直反射镜3准直为平行光束；扫描镜4的镜面位于准直反射镜3的准直光路上，透射光栅5紧靠扫描镜4的镜面放置，聚焦透镜6紧靠透射光栅放置；扫描镜4镜面的周期性扫描运动，使平行光束在透射光栅5上的入射角、入射位置均发生周期性改变、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透镜6上，被聚焦透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；探测器8放置在出射狭缝7后面；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、聚焦透镜聚焦成像后依次通过出射狭缝照射到探测器上，实现待测光信号的全谱线连续扫描探测。

Claims (8)

1.一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪，它是由光纤连接器（1）、入射狭缝（2）、准直反射镜（3）、扫描镜（4）、透射光栅（5）、聚焦透镜（6）、出射狭缝（7）、探测器（8）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）设置于准直反射镜（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、被准直反射镜（3）准直为平行光束；扫描镜（4）放置在准直反射镜（3）的准直光路上；透射光栅（5）紧靠扫描镜（4）放置，透射光栅（5）是具有一定闪耀波长的近红外、可见或紫外透射光栅；准直的平行光束被扫描镜（4）反射到透射光栅（5）上，通过透射光栅（5）进行色散分光；色散光被聚焦透镜（6）聚焦成像；聚焦透镜（6）为单体聚焦透镜或消色差透镜组；出射狭缝（7）位于聚焦透镜（6）的焦平面上，探测器（8）为单元探测器、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透射光栅（5）分光、聚焦透镜（6）聚焦成像后依次通过出射狭缝（7）照射在探测器（8）上，从而实现光谱的全谱线连续扫描探测。

2.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：准直反射镜（3）既可是球面反射镜，又可是离轴抛物面反射镜。

3.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：扫描镜（4）是利用微电子机械系统技术研制而成、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。

4.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：扫描镜（4）、透射光栅（5）联合实现光束的扫描与分光功能。

5.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：光纤连接器（1）即可以是FC端口光纤连接器，又可以是SMA端口光纤连接器。

6.根据权利要求1所述光谱仪，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）。

7.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：探测器（8）为光伏型或光导型单元探测器。

8.根据权利要求1、5或6所述光谱仪，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，通过光纤传输输出至探测器（8）进行光谱探测。