CN106404713A - 一种全谱段800nm‑2500nm的双探测器微型近红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种全谱段800nm‑2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，它是由近红外光源、入射狭缝、凹面准直镜、MOEMS扫描光栅微镜、凹面成像镜、出射狭缝、响应波长范围不同的单管近红外双探测器组成。本发明设计的改进型Czerny‑Turner光路系统，有效抑制了像差，确保了系统成像质量。本发明采用集成角度传感器的MOEMS扫描光栅微镜，兼具宽波段范围内扫描与分光功能，同时能够实时精确控制扫描角度，实现了单管近红外双探测器的不同波长连续精确探测。本发明具有价格低、体积小、响应快、精度高、探测光谱范围宽等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型近红外光谱仪，属于光谱测量技术领域。
背景技术
光谱分析仪器是现代光学仪器的重要组成部分，通过运用分光原理，可以实现对物质的结构和组分进行定性和定量上的分析。近红外光谱是指波长在800nm—2500nm范围内的电磁波。在近红外光谱范围内,主要研究的是含氢基团振动的合频及倍频吸收。分子结构不同其振动频率也不同，故对应的红外吸收光谱也有区别。近红外光谱仪通过识别不同分子结构的吸收光谱实现成分鉴定功能。现有的近红外光谱仪主要分为色散式、滤光片式、傅里叶式、声光调谐式等，特点各异。
色散型近红外光谱仪的分光元件可以是棱镜或光栅。为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，通过光栅转动，使不同波长的单色光依次进入检测器检测。该类型仪器的优点：使用扫描型近红外光谱仪可对样品进行全谱扫描，扫描的重复性和分辨率较滤光片型仪器有很大程度的提高。采用全谱分析，可以从近红外谱图中提取大量的有用信息；通过合理的计量学方法将光谱数据与训练集样品的性质(组成、特性数据)相关联可得到相应的校正模型；进而预测未知样品的性质。
滤光片型近红外光谱仪以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器是近红外光谱仪最早的设计形式。仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一定带宽的单色光，与样品作用后到达检测器。该类型仪器优点是：仪器的体积小，可以作为专用的便携仪器；制造成本低，适于大面积推广。该类型仪器缺点是：单色光的谱带较宽，波长分辨率差;对温湿度较为敏感；得不到连续光谱；不能对谱图进行预处理，得到的信息量少。因此只能作为较低档的专用仪器。
傅里叶变换近红外光谱仪利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对其进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。其核心部分是干涉仪，作用是使光源发出的光分为两束后，造成一定的光程差，用以产生空间(时间)域中表达的分析光即干涉光，然后通过采样系统将检测到的干涉光数字化，并导入计算机系统。再将样品干涉光函数和光源干涉光函数分别经傅里叶变换为强度俺频率分布图，二者的比值即样品的近红外图谱，并显示出来。
声光可调谐式近红外光谱仪是基于各向异性晶体在声光相互作用下的反常布拉格衍射效应制成的电可调谐滤光器，通过施加不同的射频信号频率，入射复色光进行衍射从而得到特定波长的单色光。由于其采用AOTF作为分光器件，能够在较宽的波长范围内提供快速的电可调谐光源，因而在光谱分析类仪器中得到了广泛的应用。缺点是对偏振态较敏感，分辨率较低等。
近年来，基于环境监测、食品安全检测、生物医学甚至军事现代化等领域飞速发展，从而对分析仪器提出了小型化、高精度等新的迫切要求。光谱分析仪器走微型化、低成本、宽光谱、高精度的发展道路，已是大势所趋。利用MEMS技术和MOEMS技术研制集成化微小型光谱仪已是当今的热点方向。
发明内容
本发明针对现有微型近红外光谱仪无法实现近红外波段全覆盖的局限性，提出一种全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，真正实现了近红外全谱段连续扫描分光与探测，大大减小仪器体积，简化系统结构，提高仪器精度。
本发明的技术方案如下：
本发明的一种基于双探测器的微型近红外光谱仪，其光路系统包括近红外光源、入射狭缝、凹面准直镜、MOEMS扫描光栅微镜、凹面成像镜、出射狭缝和两个响应波长范围不同的单管近红外探测器。
所述近红外光源置于凹面准直镜焦点附近，入射狭缝置于凹面准直镜焦点处，近红外光源产生的复合光经入射狭缝限制发散角后进入凹面成像镜，在凹面成像镜后面的平行光路中放置MOEMS扫描光栅微镜，MOEMS扫描光栅微镜将入射复合光衍射分光并进行周期性扫描，凹面成像镜将MOEMS扫描光栅微镜衍射产生的不同波长的单色光通过出射狭缝汇聚到后端的单管近红外双探测器上，通过MOEMS扫描光栅微镜的周期性扫描，实现单色光在不同波长响应范围的单管近红外双探测器上的连续探测。
本发明设计的光路系统不同于传统非对称式Czerny-Turner结构。传统非对称式Czerny-Turner结构凹面准直镜和凹面成像镜曲率半径不同或与MOEMS扫描光栅微镜的垂直距离不同，该结构在长波段范围存在光路遮挡问题，无法实现近红外全谱段800nm-2500nm的高分辨率、小像差的成像质量要求。本发明设计的全新非对称式Czerny-Turner结构，专门针对全谱段800nm-2500nm的微型近红外光谱仪高分辨率、小像差的成像质量要求。该结构以MOEMS扫描光栅微镜为光轴沿左右两侧非对称设置口径分别为12.7mm和50.7mm的凹面准直镜和凹面成像镜，两者的焦距均为50mm、曲率半径均为100mm，两者的质心到光轴的垂轴距离分别为16.5mm和19.5mm,离轴角度分别为-10o和5o， MOEMS扫描光栅微镜转动角度为±6.5o,光路系统设置两个出射狭缝，在出射狭缝分别安装一个波长响应范围不同的单管近红外探测器，在确保全谱段800nm-2500nm光谱分辨率在15nm内的基础上，实现近红外全谱段的连续扫描分光与探测。
同时，本发明的MOEMS扫描光栅微镜是指采用MEMS技术、MOEMS技术将衍射光栅、扫描微镜、电磁式驱动器和磁电式角度传感器的一体化集成结构。其中，硅基片正面集成衍射光栅、扭转梁、固定边框，硅基片背面集成电磁式驱动线圈和磁电式角度传感器。衍射光栅将入射复合光进行衍射分光；扭转梁在电磁式驱动器的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜进行周期性扫描；固定边框实现支撑和固定；磁电式角度传感器在MOEMS扫描光栅微镜运动过程中产生感应信号，该信号通过后端闭环控制电路设计可实现对扫描角度的精确闭环控制和光谱信息的重构。
进一步，所述单管近红外探测器是指具有不同宽光谱响应范围的InGaAs PIN光电二极管，光谱响应范围为500nm-1700nm和900nm-2600nm。并结合MOEMS扫描光栅微镜的扫描分光功能，确保能够实时、连续探测各自响应波段内的光谱信息，实现近红外波段的全谱连续探测。
与现有基于双探测器的微型近红外光谱仪相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用新型非对称式Czerny-Turner光路结构，通过合理设计所有光学元件的摆放位置、倾斜角度、曲率半径及有效焦距等诸多光学参数确保整个光路在近红外长波段处不被遮挡，波长范围可拓展至800nm-2500nm近红外全谱段。同时该光路结构稳定、紧凑，有效抑制了像差，确保了系统成像质量。
2、本发明采用MOEMS扫描光栅微镜进行扫描分光，通过8.7o闪耀角和1210nm闪耀波长的衍射光栅参数设计，确保在800nm-2500nm近红外全谱段范围内整体衍射效率达40%以上。结合上述新型非对称式Czerny-Turner光路结构设计，实现了在较小驱动电压下驱动MOEMS扫描光栅微镜转动并完成800nm-2500nm近红外全谱段扫描分光，大大降低了系统功耗，提高了系统的控制稳定性和精度。该MOEMS扫描光栅微镜可流程化制造更换，实现了近红外光谱仪核心元器件的模块化设计。
3、本发明采用功率可调的覆盖近红外全波段的卤钨灯光源，取代了传统的大型近红外光源，且可针对不同的检测环境和检测要求设置不同功率，大大提高了仪器的环境适用性。
3、本发明采用500nm-1700nm和900nm-2600nm不同宽光谱响应范围的InGaAs PIN光电二极管，避免了一些重要物质成分鉴定的缺失，实现了近红外波段的全谱段覆盖。
可见，本发明的一体化的微型近红外光谱仪设计思路，真正实现了近红外波段的全谱段连续分光扫描探测和近红外光谱仪的模块化设计。
附图说明
图1为本发明的光路系统结构原理图。
图2为本发明的MOEMS扫描光栅微镜正面结构图。
图3为本发明的MOEMS扫描光栅微镜背面结构图。
图中：1、近红外光源，2、入射狭缝，3、凹面准直镜，4、MOEMS扫描光栅微镜，5、凹面成像镜， 6、出射狭缝，7、500nm-1700nm单管近红外探测器，8、900nm-2600nm单管近红外探测器，9、衍射光栅，10、扭转梁，11、固定边框，12、电磁式驱动线圈，13、磁电式角度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明的一个实施例中，微型近红外光谱仪的光路系统是由近红外光源1、入射狭缝2、凹面准直镜3、MOEMS扫描光栅微镜4、凹面成像镜5、出射狭缝6、500nm-1700nm单管近红外探测器7和900nm-2600nm单管近红外探测器8组成。
本实施例中，采用改进型Czerny-Turner结构的光路系统，以MOEMS扫描光栅微镜4为光轴沿左右两侧非对称设置口径分别为12.7mm和50.7mm、焦距均为50mm、曲率半径均为100mm的两组凹面准直镜3，两者的质心到光轴的垂轴距离分别为16.5mm和19.5mm,离轴角度分别为-10o和5o， MOEMS扫描光栅微镜4转动角度为±6.5o,并在两个出射狭缝6后分别安装一个波长响应范围不同的单管近红外探测器7。
本实施例中，近红外光源1置于凹面准直镜3焦点附近，50μm缝宽入射狭缝2置于凹面准直镜3焦点处，近红外光源产生的复合光经入射狭缝限制发散角后进入凹面成像镜。光路系统采用非对称式的Czerny-Turner结构，以MOEMS扫描光栅微镜4为光轴沿左右两侧非对称分别设置凹面准直镜3和凹面成像镜5，由MOEMS扫描光栅微镜将入射复合光衍射分光并进行周期性扫描，凹面成像镜将MOEMS扫描光栅微镜衍射产生的不同波长的单色光通过出射狭缝汇聚到后端的近红外探测器上。光路系统设置有两个80μm缝宽出射狭缝6，在一个出射狭缝后安装500nm-1700nm单管近红外探测器7，另一个出射狭缝后安装900nm-2600nm单管近红外探测器8，通过MOEMS扫描光栅微镜的周期性扫描，实现单色光在不同波长响应范围的双单管近红外探测器上的连续探测。
具体地，近红外光源1发出一束复合光，入射狭缝2处于凹面准直镜3焦点处且用来限制入射复合光发散角，复合光经凹面准直镜3反射后以平行光进入MOEMS扫描光栅微镜4，由于MOEMS扫描光栅微镜4的衍射分光作用，将该连续复合光分为不同波长的平行单色光依次排开进入凹面成像镜5，出射狭缝6置于两个单管近红外探测器之上，用来改善成像质量，两个单管近红外探测器7、8平行置于凹面成像镜5焦点处，当MOEMS扫描光栅微镜在电磁驱动力的驱动下进行周期性扫描分光时，不同波长的单色光可依次周期性通过后端的500nm-1700nm单管近红外探测器7和900nm-2600nm单管近红外探测器8，由于两个单管近红外探测器的响应范围不同，可选择性探测不同波长的光能量信号，并通过后端计算机进行光谱识别处理。
本发明的另一个实施例中，单管近红外探测器采用感光面积φ均为1mm的非致冷型InGaAs PIN光电二极管。近红外光源1是完全覆盖近红外波段800nm-2500nm且功率可调的宽光谱连续光源。
参见图2和图3，本发明的一个实施例中，采用了特殊结构的MOEMS扫描光栅微镜，其是由衍射光栅9、扭转梁10、固定边框11、电磁式驱动线圈12、磁电式角度传感线圈13通过MEMS加工工艺共同集成在同一单晶硅基片的正反面。且集成衍射光栅参数采用8.7o闪耀角和1210nm闪耀波长，实现800 nm -2500nm波段内整体衍射效率最高。
其中，衍射光栅9、扭转梁10、固定边框11集成在硅基片正面，衍射光栅9和固定边框10通过矩形扭转梁10连接，固定边框11用来进行固定和支撑，扭转梁10在电磁驱动线圈12的驱动下带动整个MOEMS扫描光栅微镜绕其转动，实现对入射复合光的扫描分光功能。
电磁式驱动线圈12和磁电式角度传感器13集成在硅基片背面。当外加匀强磁场时，电磁式驱动线圈12会因切割磁感线而带动整个MOEMS扫描光栅微镜做周期性运动，磁电式角度传感器13在MOEMS扫描光栅微镜运动过程中会产生实时、动态的角度输出信号，通过后端闭环控制电路设计可将该角度输出信号与驱动信号一一对应，用来对扫描角度进行实时检测并进行合理调整，实现对扫描角度的实时、精确监控。
Claims (5)
1.一种全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，其特征在于：所述光谱仪的光路系统包括近红外光源（1）、入射狭缝（2）、凹面准直镜（3）、MOEMS扫描光栅微镜（4）、凹面成像镜（5）、出射狭缝（6）、两个响应波长范围不同的单管近红外探测器；
采用改进型Czerny-Turner结构的光路系统，以MOEMS扫描光栅微镜（4）为光轴沿左右两侧非对称设置口径分别为12.7mm和50.7mm的凹面准直镜（3）和凹面成像镜（5），两者的焦距均为50mm、曲率半径均为100mm，两者的质心到光轴的垂轴距离分别为16.5mm和19.5mm,离轴角度分别为-10o和5o，MOEMS扫描光栅微镜转动角度为±6.5o,光路系统设置两个出射狭缝（6），在出射狭缝（6）分别安装一个波长响应范围不同的单管近红外探测器，在确保全谱段800nm-2500nm光谱分辨率在15nm内的基础上，实现近红外全谱段的连续扫描分光与探测；
所述近红外光源（1）经50μm缝宽的入射狭缝（2）进入凹面准直镜（3），经凹面准直镜（3）反射成平行光后进入MOEMS扫描光栅微镜（4），经MOEMS扫描光栅微镜（4）分光后进入凹面成像镜（5），并经凹面成像镜（5）聚焦成像后进入80μm缝宽的出射狭缝（6），由两个波长响应范围不同的单管近红外探测器探测，通过MOEMS扫描光栅微镜（4）扫描分光实现不同波长的单色光在两个单管近红外探测器上的连续探测。
2.根据权利要求1所述的全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，其特征在于：所述近红外光源（1）是卤钨灯光源，完全覆盖近红外波段800nm-2500nm且功率可调的宽光谱连续光源。
3.根据权利要求1所述的全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，其特征在于：所述单管近红外探测器的波长响应范围分别为500nm-1700nm和900nm-2600nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，其特征在于：所述单管近红外探测器采用感光面积φ均为1mm的非致冷型InGaAs PIN光电二极管。
5.根据权利要求1、2或3所述的全谱段800nm-2500nm的双探测器微型近红外光谱仪，其特征在于：所述MOEMS扫描光栅微镜（4）是采用MEMS技术、MOEMS技术将衍射光栅、扫描微镜、电磁式驱动器和磁电式角度传感器进行一体化集成的结构，且集成衍射光栅参数采用8.7o闪耀角和1210nm闪耀波长，实现800 nm -2500nm波段内整体衍射效率最高。
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