CN106017673A - 基于mems扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱测量仪器领域，为提供一种基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构。本发明‑基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，MEMES微镜，光栅，平面反射镜和出射光纤端口组成；光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进去自由空间，经过双胶合透镜准直以后照射到MEMS微镜上，MEMS微镜将光信号反射到光栅上进行第一次衍射分光，紧接着平面反射镜将光信号按原路反射回光栅进行第二次衍射，最后进入入射光纤端口。本发明主要应用于光谱测量仪器设计制造。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量仪器领域，涉及微电子机械、光学元件、系统，具体涉及一种基于MEMS微镜扫描的双通过光栅单色仪光路结构。
背景技术
光谱测量仪器被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定，通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。它是应用光学技术及光谱检测技术原理,对物质的结构和组成进行观测、分析和处理的基本设备,具有分析精度高、测量范围大、测量速度快和样品用量少等优点,广泛用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门,也是航空航天、宇宙探索、资源和水文勘测所必不可少的仪器,具有极为重要的应用价值与广阔的市场前景。不同领域的应用对光谱仪器的分辨率有特定的要求，在某些要求比较高的领域为了高的分辨率不得不采用增大透镜和光栅尺寸或者级联单色器的方法，这增加了仪器的体积和重量，又不利于特殊环境下的便携要求。本发明采用基于MEMS扫描微镜，可以大大降低光路体积，同时采用双通过的光路结构，提高了仪器的分辨率。
随着制造工艺水平的进步,MEMS(微电子机械系统)技术得到了快速的发展。基于MEMS技术的各种器件由于具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、加工工艺稳定、成本低廉等优点,已被大量用于高精技术领域。采用MEMS技术研制新型的光谱仪器已成为当今光谱仪的主要发展趋势。
德国佛罗恩霍夫电子纳米系统研究所(ENAS)与克姆尼茨工业大学(TU Chemnitz)携手，共同研究如何将大型且笨重的实验室设备缩小到微米或奈米级规模。他们所设计的光谱仪利用MEMS扫描微镜与固定放置的光栅联合实现分光功能,代替传统扫描光栅光谱仪中扫描光栅所起的作用。在工作过程中,MEMS扫描微镜镜面持续不断地做周期性摆动,使微镜镜面反射的平行光束以不同角度入射到光栅上,通过光栅衍射分光、球面反射镜聚焦成像,不同波长的光依次进入探测器中。采用此光学结构的光谱仪,在工作过程中,由于扫描微镜镜面的摆动,经微镜面反射的平行光束在光栅上的照射位置将会产生移动。这样,不同波长的光经光栅分光,并依次以相同衍射角入射到凹面反射镜上时,在凹面反射镜上的入射位置也将产生相应移动,使不同波长的光经凹面反射镜聚焦成像后的聚焦像平面产生较大幅度的移动,严重影响了仪器的光谱分辨率。为了弥补这种缺陷,当前这种类型的光谱仪采用两个探测器进行光谱探测,以减小微镜所需的摆动幅度,并达到提高仪器分辨率的目的。为了简化设备结构，重庆大学设计了采用两个凹面反射镜进行聚焦，减小了聚焦像的移动，同时采用一个单元探测器进行光谱探测。
EXFO公司的光通信信道检测光谱仪的光路(美国专利：US 6636306 B2)，主要包括：入射狭缝，准直元件，光栅，直角棱镜，聚焦元件，出射狭缝和机械旋转机构。这种光路结构的功能实际上是可选波长的单色器，即将待测的复色光信号分解为各单色光信号。工作过程是：准直元件将从入射狭缝出射的发散复色光准直为平行光照射到光栅上半部分上，光栅将复色光分解为单色光，各单色光被直角棱镜再次反射到光栅下半部分，形成第二次分光后，只有一路单色光被聚焦元件聚焦于出射狭缝上输出至探测电路，通过机械旋转机构带动直角棱镜旋转完成选光功能。由于采用了机械旋转机构进行光谱扫描其稳定性和仪器尺寸收到很大限制。同时，两次衍射需要照射到光栅上下两部分，因此需要光栅的面积很大。
针对上述缺陷，研制体积小，又满足高分辨率要求的光谱仪器是十分必要的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构。本发明采用的技术方案是，基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，MEMES微镜，光栅，平面反射镜和出射光纤端口组成；光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进去自由空间，经过双胶合透镜准直以后照射到MEMS微镜上，MEMS微镜将光信号反射到光栅上进行第一次衍射分光，紧接着平面反射镜将光信号按原路反射回光栅进行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微镜，然后经过MEMS微镜反射，双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口，从光环行器的第二端口进入后，从第三端口即光纤出射端口出射；通过MEMES微镜的小角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口出射。
光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器,在MEMES微镜扭摆过程中,不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。
准直和聚焦镜为同一消色差双胶合透镜。
光栅为平面刻划光栅或者平面全息光栅。
MEMES微镜为具有可绕一固定轴暨悬臂梁扭摆的平行反射镜面的微光机电装置,镜面的摆动幅度能够达到15°以上。
在光纤芯径较大的情况下，在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束进行调整,以提高仪器的光谱分辨率。
本发明的特点及有益效果是：
1、采用一平面反射镜对待测光信号进行反射，经光栅两次分光,提高了此类光谱仪器的光学分辨率,使其在较宽的光谱范围内具有较高的光谱分辨率,能够被广泛应用于各个光谱波段,具有明显的技术优势。
2、采用基于MEMS技术的微型平面反射镜扫描的方式替代传统的伺服机构带动光栅扫描的方式,实现了仪器体积的小型化的同时,使仪器具有高精度、高稳定性、便携等优点。
3、本结构可以用于光谱分析仪器的各个波段，根据具体需要可以采用灵活的参数设计。
附图说明：
图1为本发明整体结构示意图。图中：1为光纤信号输入端口、2为入射光纤端口、3为准直与聚焦镜、4为MEMES微镜、5为平面衍射光栅、6为平面反射镜、7为出射光纤端口、8为光环形器。
具体实施方式
本发明提供的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构是由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，微电子机械系统MEMES微镜，光栅，平面反射镜和出射光纤端口组成。光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进去自由空间，经过双胶合透镜准直以后照射到MEMS微镜上，MEMS微镜将光信号反射到光栅上进行第一次衍射分光，紧接着平面反射镜将光信号按原路反射回光栅进行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微镜，然后经过MEMS微镜反射，双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口，从光环行器的第二端口进入后，从第三端口即光纤出射端口出射。通过MEMES微镜的小角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口出射。
光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器,在MEMES微镜扭摆过程中,不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。
准直和聚焦镜为同一消色差双胶合透镜。
本发明采用了新结构的光学分光系统,利用平面反射镜对衍射光进行第二次衍射，相对于普通单次衍射光谱仪，具有分辨率高的优势，同时相对于级联光谱仪具有结构简单体积小的优势。
另外,本发明的光学结构也不同于传统的光栅扫描分光光谱仪,传统的光栅扫描分光光谱仪是把光栅安装在伺服机构上,在伺服机构的带动下通过摆动光栅实现不同波长单色光的连续探测。本发明中的光学结构由MEMS扫描微镜与平面衍射光栅联合实现光学分光,MEMS扫描微镜把经过准直后的平行光束反射到平面衍射光栅上进行分光,在扫描微镜镜面的摆动过程中实现不同波长单色光的连续探测。此外,由于本发明在光学系统中采用了MEMS扫描微镜器件,利用此种光学结构所研制的光谱仪具有体积小、重量轻、结构紧凑等优点。
本发明中所述的扫描微镜是一种基于MEMS(微电子机械系统)技术开发的微光学元件,其实质是具有可绕一固定轴(悬臂梁)扭摆的平行反射镜面的微光机电装置,镜面的摆动幅度可达15°以上。
本发明中,外部待测光信号,可以为自由空间光信号，自由空间光信号需先耦合进光纤,然后经光纤引入信号输入端口。
本发明中,光纤连接装置既可是标准的FC端口光纤连接器,又可是标准的SMA端口光纤连接器。
本发明中，在光纤芯径较大的情况下，可在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束进行调整,以提高仪器的光谱分辨率。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
如图1所示,本装置由光环形器(8)，光纤信号输入端口(1)，入射光纤端口(2)，准直与聚焦镜(3)，MEMES微镜(4)，光栅(5)，平面反射镜(6)和出射光纤端口(7)组成。基于MEMS技术的扫描微镜(4)是具有可绕固定中心轴周期性摆动镜面的微型光学元件。待测光信号光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口1,光信号经过光环行器的第二端口2从入射光纤端口进去自由空间，经过双胶合透镜3准直以后照射到MEMS微镜4上，MEMS微镜将光信号反射到光栅5上进行第一次衍射分光，紧接着平面反射镜6将光信号按原路反射回光栅5进行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微镜4，然后经过MEMS微镜4反射，双胶合透镜3聚焦后进入入射光纤端口2，从光环行器的第二端口2进入后，从第三端口7即光纤出射端口出射。通过MEMES微镜的小角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口7出射。光环行器的端口芯径为9μm，双胶合透镜参数如下：
| 表面编号 | 曲率半径/mm | 厚度/mm | 玻璃 | 口径/mm |
| 1 | 89.589 | 4 | H-ZF75 | 2.5 |
| 2 | 11.243 | 4.8 | LAF2 | 2.5 |
| 3 | -12.501 | — | - | 2.5 |
MEMS振镜摆角±4°，光栅刻线密度为1050lp/mm。
光谱扫描器件为MEMS扫描微镜，置于准直和聚焦镜的平行光路上；所述光路结构可以实现光栅的二次衍射，提高了光谱分辨率；光路的准直和聚焦采用同一透镜，简化了光路；
光环形器(8)，为三端口的光路径可控光纤元件，作用是将待测信号导入入射光纤端口(2)，同时将从入射光纤端口返回的单色光导入出射光纤端口(7),实现收发信号的光路径分离。
准直与聚焦镜(3)为双胶合消色差透镜，作用是既作为准直镜，将从入射光纤端口(2)发出的待测信号准直为平行光，又作为聚焦镜，将返回的单色平行光聚焦到入射光纤端口(2)上。
光栅(5)为平面刻划光栅或者平面全息光栅。
平面反射镜(6)将垂直入射的衍射光按原光路反射回光栅，形成第二次衍射，同时使光路按原路折返回去。
MEMS微镜(4)，可在其驱动器的控制下进行精密的小角度摆动，形成不同的入射角度，筛选出满足不同入射角的波长的光，完成光谱扫描功能。
Claims (6)
1.一种基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，由光环形器，光纤信号输入端口，入射光纤端口，准直与聚焦镜，MEMES微镜，光栅，平面反射镜和出射光纤端口组成；光纤信号输入端口连接光环行器的第一端口,光信号经过光环行器的第二端口从入射光纤端口进去自由空间，经过双胶合透镜准直以后照射到MEMS微镜上，MEMS微镜将光信号反射到光栅上进行第一次衍射分光，紧接着平面反射镜将光信号按原路反射回光栅进行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微镜，然后经过MEMS微镜反射，双胶合透镜聚焦后进入入射光纤端口，从光环行器的第二端口进入后，从第三端口即光纤出射端口出射；通过MEMES微镜的小角度扫描，不同波长的单色光分别从光纤出射端口出射。
2.如权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，光纤出射端口后面放置高灵敏度单元探测器,在MEMES微镜扭摆过程中,不同波长的单色光依次以特定衍射角经光栅两次衍射分光，从而实现不同波长的单色光在探测器上的连续扫描探测。
3.如权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，准直和聚焦镜为同一消色差双胶合透镜。
4.如权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，光栅为平面刻划光栅或者平面全息光栅。
5.如权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，MEMES微镜为具有可绕一固定轴暨悬臂梁扭摆的平行反射镜面的微光机电装置,镜面的摆动幅度能够达到15°以上。
6.如权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的双通过光栅单色仪光路结构，其特征是，在光纤芯径较大的情况下，在入射光纤端口后附加狭缝对入射光束进行调整,以提高仪器的光谱分辨率。
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