CN107238570A - 基于mems微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法，包括：光会聚模块；微振镜模块，设置于光会聚模块的出射光路上，接收光会聚模块射出的光并进行不同角度的反射；滤光模块，设置于微振镜模块的出射光路上，接收振镜模块反射的光并进行过滤，得到若干个不同波长单色光的光信号；探测模块，与滤光模块相连接，设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，读出滤光模块所得到的光信号以获得光谱图。通过上述方案，本发明的光谱仪采用集成滤光片及基于MEMS技术的微振镜，简化了传统机械结构以及光栅棱镜等大型器件，使光谱仪集成化高、体积小，提高了单位像元光强度和光利用效率、信噪比及测量精度和灵敏度，降低了光谱仪整体功耗。

Description

基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别是涉及一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法。

背景技术

光谱仪已广泛应用于各个领域，它通过光谱信号并分析其物质成分和含量。传统的分光方式主要有旋转光栅、棱镜和滤光片转轮的时间分解方法，但这涉及到机械传动装置，速度慢，结构复杂；还有用光栅棱镜和分束滤光片的空间分解方法，相应的仪器也要占据较大的空间。

目前，大多数光谱仪还都是大型仪器，只能在实验室和工厂等相对固定的场所使用，但由于近年来人们对食品质量要求越来越高，人们对小型化、便携式的光谱仪需求越来越大，因此，为了解决小型化的问题，人们一直在寻找有效的解决途径，滤光片列阵是二十世纪八十年代开始研究发展起来的一种微型空间滤光器，将它与探测器相结合，可以大大简化分光系统。现阶段主要有两种微型空间滤光器：一种集成窄带滤光片阵，另一种是渐变式滤光片。后续，人们开始把这两种集成滤光片技术用在小型光谱仪的制备或集成在手机中，但是，由于窄带集成滤光片透过率低，体积小，密度高，导致透光量很少，所得到的光谱信息精度差，灵敏度不高，从而导致分辨率低，只能用在光谱信息差别很大的物体检测上，失去了光谱仪能够精密检测物质信息这一优势，使得如今的光谱仪不能得到普及。

然而，扫描振镜作为一种传统的光学元件，常用于光学成像、大型光谱仪和投影等领域中，然而，由于传统扫描振镜自身结构大以及采用步进电机驱动，很难应用在空间有限的微小光学扫描系统。近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的发展，德国Hiperscan、美国Microvision及日本东京大学等单位研制的MEMS扫描镜成功地解决了这个问题。由于具有体积小、重量轻、成本低及功耗小等诸多显著优点，MEMS扫描镜在光通信、投影显示、物体识别、数据存储及生物医学等领域有着广泛的应用前景，目前，国内研究MEMS扫描镜的单位有北京大学、西北工业大学及天津大学等，尚处于起步阶段。

因此，提供一种既保持传统滤光片集成度高、小型化、处理速度快优势，又能实现良好的测量精度、灵敏度以及信噪比的光谱仪实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法，用于解决现有技术中集成窄带滤光片只能用在光谱信息差别很大的物体检测上以及现有光谱仪的测量精度低、灵敏度和信噪比差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，包括：

光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；

微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；

滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及

探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。

作为本发明的一种优选方案，所述滤光模块包括集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片包括m×n个谐振腔，其中，m和n均为大于等于1的整数，且所述谐振腔具有不同的厚度，不同厚度的所述谐振腔过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

作为本发明的一种优选方案，所述集成窄带滤光片包括依次叠置的下层膜系、间隔层以及上层膜系，所述间隔层包括m×n个所述谐振腔，所述上层膜系与所述下层膜系呈镜面对称设置。

作为本发明的一种优选方案，所述上层膜系与所述下层膜系的厚度相同，且均包括依次叠置的低折射率膜层和高折射率膜层。

作为本发明的一种优选方案，所述滤光模块包括渐变滤光片，所述渐变滤光片包括基板及位于所述基板上表面的涂层，所述涂层与所述基板上表面之间的距离呈线性或阶梯形渐变，以过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

作为本发明的一种优选方案，所述微振镜模块包括衬底、设置于所述衬底上的扭转组件及设置于所述扭转组件上的微镜组件，所述扭转组件带动所述微镜组件偏转，所述微镜组件接收并反射所述光会聚模块射出的光。

作为本发明的一种优选方案，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的线圈组件和磁性组件，其中，所述磁性组件的磁场力作用于所述线圈组件，所述线圈组件受力发生偏转，并通过所述扭转组件带动所述微镜组件偏转。

作为本发明的一种优选方案，所述微镜组件为反射镜，所述反射镜的面积大于等于其所接收的光的面积，且其偏转角度为0～23°。

作为本发明的一种优选方案，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的位置传感器，用于检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至角度控制系统，以实现对所述微镜组件的偏转角度的补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述探测模块包括若干个探测像元，若干个所述探测像元读出所述光信号并得到其光谱图，其中，预设数量个所述探测像元对应所述滤波模块所产生的一个波长单色光的所述光信号。

本发明还提供一种集成气体传感器，包括如上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪。

作为本发明的一种优选方案，所述过滤模块包括若干个具有不同预设厚度的谐振腔，所述预设厚度依据待测气体的特征峰值设置。

本发明还提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，包括如下步骤：

1)提供一如上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪；

2)采用电磁驱动的方式驱动所述微振镜模块偏转，以将所述微振镜模块接收的所述光会聚模块射出的光进行不同角度的反射；

3)控制所述微振镜模块反射的光通过所述滤光模块并聚焦至所述探测模块上，以获得不同波长单色光的光信号的光谱图，实现光谱检测。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述电磁驱动的方式具体为：向所述微振镜模块的线圈组件中通入驱动电流，以使所述线圈组件在所述微振镜模块的磁性组件的磁场力的作用下发生偏转，所述线圈组件通过所述微振镜模块的扭转组件带动所述微振镜模块的微镜组件偏转，其中，所述驱动电流的大小和频率依据所述探测模块的像素间隔和采样周期设定。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述驱动电流由驱动电路产生，其中，所述探测模块开始采样时，产生第一脉冲信号以控制所述驱动电路产生所述驱动电流，所述探测模块停止采样时，产生第二脉冲信号以控制所述驱动电路停止产生所述驱动电流。

作为本发明的一种优选方案，所述微振镜模块还包括位置传感器，所述位置传感器检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至所述驱动电路，所述驱动电路根据其接收的偏转角度的位置信息以及预设参数值，实现所述偏转角度的补偿。

作为本发明的一种优选方案，所述探测模块的采样模式为循环采样，其中，所述探测模块开始采样时，产生的所述第一脉冲信号为预定频率的锯齿形脉冲，以使所述微振镜模块进行循环扫描，实现所述探测模块的循环采样。

如上所述，本发明的基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器及光谱检测方法，具有以下有益效果：

1)本发明的基于MEMS微振镜的微型光谱仪采用集成滤光片以及基于MEMS技术的微振镜，简化了传统的机械结构以及光栅棱镜等的大型器件，使光谱仪具有集成化高，体积小，重量轻，方便携带的特点；

2)本发明加入了振镜扫描的结构，相比传统的只有滤光片和CMOS结合的光谱仪，提高了单位像元光强度和光利用效率，从而提高了信噪比，同时，基于MEMS振镜具有高速扫描的特点，大大提高了测量精度和灵敏度；

3)本发明的MEMS微振镜采用电磁驱动的方式，所需电压电流较小，并且配合低功耗的CMOS，大大降低了光谱仪整体功耗，方便集成在手机等电子设备上。

附图说明

图1显示为本发明提供的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的整体结构示意图。

图2显示为本发明提供的微振镜模块的具体结构示意图。

图3显示为本发明提供的光谱仪的1×16滤光片阵列与1×128CMOS像元对应图。

图4显示为本发明提供的气体传感器中大气吸收与大气窗口示意图。

元件标号说明

11 光会聚模块

21 微振镜模块

211 衬底

212 线圈组件

213 扭转组件

214 微镜组件

31 滤光模块

311 谐振腔

41 探测模块

411 探测像元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图1～3所示，本发明提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，包括：

光会聚模块11，用于会聚待测物所反射的光；

微振镜模块21，设置于所述光会聚模块21的出射光路上，用于接收所述光会聚模块11射出的光并将其进行不同角度的反射；

滤光模块31，设置于所述微振镜模块21的出射光路上，用于接收所述微振镜模块21反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及

探测模块41，与所述滤光模块31相连接，且设置于所述光会聚模块11所会聚的光的焦点位置，所述探测模块41读出所述滤光模块31所得到的所述光信号，以获得所述光信号的光谱图。

具体的，所述光会聚模块11为会聚透镜，当然，也可以为其他具有会聚作用的模块，在此不做具体限制，所述会聚透镜的焦距为100～200mm，优选为150mm，其中，所述探测模块设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，即为设置在所述会聚透镜的焦距处。待测物体反射的光直接进入所述会聚透镜，其中，待测物反射的光是平行光和非平行都有，如果所述会聚透镜正对着待测物放置，则大部分的光都是平行光，都能经过所述会聚透镜会聚到像面上。

还需要说明的是，本发明所提供的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的工作原理是：待测物体的光线经过所述光会聚模块和所述微振镜模块的反射，通过所述滤光模块进行分光，再聚焦到所述探测模块上，其中，所述探测模块可以获得不同波长的光强度，并按顺序将其读出，便可以获得反应待测物体特性的光谱图。

作为示例，所述滤光模块31包括集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片包括m×n个谐振腔311，其中，m和n均为大于等于1的整数，且所述谐振腔311具有不同的厚度，不同厚度的所述谐振腔311过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

作为示例，所述集成窄带滤光片包括依次叠置的下层膜系、间隔层以及上层膜系，所述间隔层包括m×n个所述谐振腔，所述上层膜系与所述下层膜系呈镜面对称设置。

作为示例，所述上层膜系与所述下层膜系的厚度相同，且均包括依次叠置的低折射率膜层和高折射率膜层。

具体的，所述滤光模块31可以为集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片基于F-P干涉原理，在本实施例中，其由下层膜系、间隔层以及上层膜系组成，其中，所述间隔层包括所述谐振腔311，优选地，所述上层膜系的厚度与所述下层膜系的厚度相同，优选地，其光学厚度(nd)为λ₀/4，λ₀为中心波长，本实施例中，所述上层膜层以及所述下层膜层均为(LH)₅结构，其中，L为低折射率膜层，H为高折射率膜层，所述低折射率膜层包括但不限于二氧化硅膜层，所述高折射率膜层包括但不限于五氧化二钽膜层，通过镀膜工艺形成，在本实施例中，选择为由5层高、低折射率膜层构成的结构，且所述低折射率膜层和高折射率膜层的具体上下位置不限，在其他实施例中，可以为任意层数的结构，依实际需求而定。

另外，所述间隔层由若干个所述谐振腔311构成，不同厚度的所述谐振腔通过半导体镀膜工艺等而获得，形成m×n阵列的谐振腔311，其中，m和n均为大于等于1的整数，不同厚度即指所述谐振腔相对于所述下层膜系表面的高度，当所述集成式滤光片为1×n阵列时，对应到所述探测模块41的线阵CMOS像元上，此时采用一维的MEMS微振镜；所述集成式滤光片也可选用m×n阵列，对应到所述探测模块41的面阵CMOS像元上，此时采用二维的MEMS微振镜。

进一步，不同高度的所述谐振腔对应过滤得到不同波长的单色光，所述谐振腔的高度可以依实际需求而定，可以任意设置，优选地，不同的所述微振镜模块的反射角度对应不同厚度的所述谐振腔，以得到不同波长单色光的光信号。窄带滤光片的阵列多少可以任意选择，这列数越多光谱图波长范围就越宽，每一阵元间隔层厚度不同，使相应带通峰位不同。阵元间厚度相差越小，所获得的光谱图分辨率越高，其峰值透过率在60％～76％之间。

作为示例，所述滤光模块31包括渐变滤光片，所述渐变滤光片包括基板以及位于所述基板上表面的涂层，所述涂层与所述基板上表面之间的距离呈线性或阶梯形渐变，以过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

具体的，所述滤光模块31还可以为渐变滤光片，进一步可以为楔形渐变滤光片，所述渐变滤光片是基于F-P干涉原理的薄膜带通滤光片，其带通峰位与滤光片的薄膜厚度呈线性关系，即其厚度随着长度方向呈线性的变化，形成楔形结构，则滤光片的中心波长随着长度方向呈线性变化，从而实现分光作用。所述渐变滤光片的不同厚度对应过滤得到不同波长的单色光，其厚度变化也同时对应着光谱的范围，所述探测模块41可以线性CMOS结合，其探测像元对应着渐变滤光片的不同厚度，从而接收不同波长的光。

另外，所述渐变滤光片包括基板以及设置于所述基板表面的涂层，所述涂层还可以为锥面形状，以实现渐变滤光片在不同的区域的散光角度沿其径向线性变化，其中，所述涂层为散射粒子层，包括但不限于本领域普通技术人员熟知的胶水层。

作为示例，所述微振镜模块21包括衬底211、设置于所述衬底211上的扭转组件213及设置于所述扭转组件213上的微镜组件214，所述扭转组件213带动所述微镜组件214偏转，所述微镜组件214接收并反射所述光会聚模块21射出的光。

作为示例，所述微镜组件214为反射镜，所述反射镜的面积大于等于其所接收的光的面积，且其偏转角度为0～23°。

具体的，所述微振镜模块21的作用主要是反射所述光会聚模块11所会聚的待测物的光，其中，所述扭转组件213可以为但不限于扭转杆，所述微镜组件214可以为但不限于微镜，尤其为基于MEMS技术的微振镜，本实施例中为反射镜，其反射晶面的尺寸为0.5～2.5mm，优选为1mm，另外，所述反射镜的旋转角度为0～23°，现有的微振镜均能符合此要求。

作为示例，所述微振镜模块21还包括设置于所述衬底211上的线圈组件212和磁性组件(图中未示出)，其中，所述磁性组件的磁场力作用于所述线圈组件212，所述线圈组件212受力发生偏转，并通过所述扭转组件213带动所述微镜组件偏转214。

具体的，所述微振镜模块21还包括线圈组件212以及电磁组件，其中，所述线圈组件212为线圈，所述磁性组件为永磁体，从而可以是所述振镜组件214的转动方式实现电磁驱动，即所述磁性组件的磁场垂直所述线圈入射，所述线圈受力作用发生偏转，通过所述扭转杆带动所述微镜转动，其转动的角度和频率随着所述线圈中通入驱动电流的大小和频率变化，并根据所述探测模块(如CMOS探测器)的像素间隔和采样周期来确定。

作为示例，所述微振镜模块21还包括设置于所述衬底上的位置传感器(图中未示出)，用于检测所述微镜组件214的偏转角度并将其检测值传送至角度控制系统，以实现对所述微镜组件214的偏转角度的补偿。

具体的，在本实施例中，还包括位置传感器，其用于检测所述微镜的转动角度，并此转动角度信息，传送给为线圈提供驱动电流的驱动电路，即所述角度控制系统，驱动电路根据位置信息，对驱动电流源的幅值进行调制，从而实现转动角度的补偿。

作为示例，所述探测模块包括若干个探测像元，若干个所述探测像元读出所述光信号对应的光谱图，其中，预设数量个所述探测像元对应所述滤波模块所产生的一个波长单色光的所述光信号。

具体的，所述探测模块41可以为但不限于CMOS探测器，其包括若干个所述探测像元，其中，本实施例中，MEMS微振镜到所述探测像元的距离1.2mm，且本实施例中为CMOS像元，其中，可以为一个、两个或多个所述探测像元对应一个高度的所述过滤单元的滤光片中的所述谐振腔，从而使这些像元上的到同一波长的单色光。例如，在本实施例中，所述窄带滤光片的所述谐振腔为1×16阵列，所述CMOS像元为1×128阵列，则每8个像元就要对应一个滤波片谐振腔，且像元尺寸8μm，如图3所示(以CMOS前32个像元为例)，则每8个像元探测到信号之和就是这一窄带波段透光量的大小，最后得到的光谱图就是16个窄带波段的透光量按顺序排列而成。

本文发明的光谱仪因其在小型化、便携的基础上又具有高精度与高灵敏度的特点，相比于传统微型光谱仪，可以获得分辨率更高的光谱曲线，能检测到物质更细微差别。广泛用在食品、气体、植物生长状况、水质等检测上。

如图1～4所示，本发明还一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其中，所述光谱检测方法为采用上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪进行检测的方法，包括如下步骤：

1)提供一如上述任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪；

2)采用电磁驱动的方式驱动所述微振镜模块21偏转，以将所述微振镜模块21接收的所述光会聚模块11射出的光进行不同角度的反射；

3)控制所述微振镜模块21反射的光通过所述滤光模块31并聚焦至所述探测模块41上，以获得不同波长单色光的光信号的光谱图，实现光谱检测。

作为示例，步骤2)中，所述电磁驱动的方式具体为：向所述微振镜模块的线圈组件212中通入驱动电流，以使所述线圈组件212在所述微振镜模块的磁性组件的磁场力的作用下发生偏转，所述线圈组件212通过所述微振镜模块的扭转组件213带动所述微振镜模块的微镜组件214偏转，其中，所述驱动电流的大小和频率依据所述探测模块41的像素间隔和采样周期设定。

作为示例，步骤2)中，所述驱动电流由驱动电路产生，其中，所述探测模块开始采样时，产生第一脉冲信号以控制所述驱动电路产生所述驱动电流，所述探测模块停止采样时，产生第二脉冲信号以控制所述驱动电路停止产生所述驱动电流。

具体的，所述微振镜模块21还包括线圈组件212以及电磁组件，其中，所述线圈组件212为线圈，所述磁性组件为永磁体，通过上述组件从而可以是所述振镜组件214的转动方式实现电磁驱动，即所述磁性组件的磁场垂直所述线圈入射，所述线圈受力作用发生偏转，通过所述扭转杆带动所述微镜转动，其转动的角度和频率随着所述线圈中通入驱动电流的大小和频率变化，并根据所述探测模块(如CMOS探测器)的像素间隔和采样周期来确定，其中，采用是指所述探测模块接收所述滤波模块得到的光信号。MEMS微振镜采用电磁驱动方式，所需电压电流很小，在配合低功耗的CMOS，大大降低了光谱仪整体功耗，方便集成在手机等电子设备上。

具体的，所述扭转组件213可以为但不限于扭转杆，所述微镜组件214可以为但不限于微镜，所述线圈组件212为线圈，所述磁性组件为永磁体，在实际操作过程中，当所述CMOS探测器开始采样时，会给所述微振镜模块21中的MEMS微振镜的驱动电路产生触发脉冲信号，驱动电路控制所述MEMS微振镜偏转，在采样周期内从0°转动到23°；采样结束后，CMOS产生一个脉冲信号触发振镜停止转动。

作为示例，所述微振镜模块还包括位置传感器，所述位置传感器检测所述微镜组件214的偏转角度并将其检测值传送至所述驱动电路，所述驱动电路根据其接收的偏转角度的位置信息以及预设参数值，实现所述偏转角度的补偿。

具体的，所述微振镜模块还包括位置传感器，其用于检测所述微镜的转动角度，并此转动角度信息，传送给为线圈提供驱动电流的驱动电路，即所述角度控制系统，驱动电路根据位置信息，对驱动电流源的幅值进行调制，从而实现转动角度的补偿。

作为示例，所述探测模块41的采样模式为循环采样，其中，所述探测模41块开始采样时，产生的所述第一脉冲信号为预定频率的锯齿形脉冲，以使所述微振镜模块21进行循环扫描，实现所述探测模块41的循环采样。

具体的，本发明提供的光谱检测方法还包括循环采样的步骤，使CMOS探测器进行循环采样，来提高光谱测量的准确度，MEMS微振镜需要产生一定频率的锯齿形脉冲，使振镜循环扫描，CMOS探测器进行多次采样求和，获得精度更高的光谱图。

实施例二

本发明还提供一种集成气体传感器，包括如上述实施例一种任意一项方案所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪。

作为示例，所述过滤模块包括若干个具有不同预设厚度的谐振腔，所述预设厚度依据待测气体的特征峰值设置。

具体的，本实施例所提供的集成气体传感器，采用如实施例一种任意一项方案所述的光谱仪，以具有集成窄带滤光片的光谱仪为例，在设计集成滤光片阵列时，会根据所要探测不同气体的特征峰设计不同的谐振腔的厚度。

需要说明的是，由于普通的传感器常使用化学方法，不能满足高精度气体探测的要求，需要用光学的方法进行检测，但通常气体有特定的吸收峰，不需要对整个光谱范围进行检测。如果选用光谱仪检测，大大提高成本。气体检测通常都是检测多种气体，如果选用专门气体传感器检测，需要很多传感器组合才能满足需要，不仅增加成本，集成率低，不能满足小型便携的要求，本发明的微型光谱仪可以组合针对不同气体特征峰滤光片阵元，满足同时测量多种气体的要求，精度高，小型便携，成本低。例如，可以将微型光谱仪用在农业检测上，在一些大棚种植或者温室培育中，对二氧化碳、温湿度、氮气、氧气等因素要求非常高；还可以用在家禽和水产养殖场中，或一些实验室的动物、细菌养殖，对甲烷、二氧化碳、氧气、水蒸气的检测要求高，不同气体有它们特定的吸收峰，本发明的微型光谱仪可以针对不同气体设计相对应不同波长的滤波片阵元，并把它们与CMOS像元或热释电探测器结合，是每个像元可以检测到不同气体的特征峰，从而判断不同气体的浓度变化。

可以进一步说明的，图4显示为大气吸收与大气窗口图，可以看出，不同的气体对应着不同的吸收峰，从而可以根据吸收的波长不同设计不同的阵元(如所述谐振腔)。例如，设计二氧化碳、氧气、水蒸气、甲烷、一氧化碳、二氧化氮等气体检测时，选择它们所对应的吸收波长：二氧化碳在4.2μm，氧气在0.1μm和0.7μm，水蒸气在1.4μm、1.8μm和1.9μm处，甲烷在3.4μm左右，一氧化碳在4.64μm，二氧化氮在4.47μm，在本实施例中，还可以选择对任何气体都不吸收的1μm左右波长作为环境参考值。每个滤光片阵元根据不同波长设计对应的厚度，对应不同CMOS像元，最后CMOS测得的光通量减去环境参考值可获得相应气体浓度。同时，为了使测量更准确，每种气体可对应多个滤光片阵元和多个像元，多次测量去平均，还可加入温度测量，测量温度一般选择0.18～1.0μm谱段内。

另外，不同的气体传感器的组合可以用在不同领域中，如测量二氧化碳、氧气、水蒸气和温度的集成式传感器可以用在农业检测、大棚种植、温室培育等领域中；如测量二氧化碳、氧气、甲烷、温度的集成式传感器可以用在家禽养殖和水产中；如测量一氧化碳、二氧化氮、氧气、二氧化碳等集成式传感器组合可以用在火焰检测中等等。

综上所述，本发明提供一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪、气体传感器以及光谱检测方法，所述光谱仪包括：光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。通过上述方案，本发明的基于MEMS微振镜的微型光谱仪采用集成滤光片以及基于MEMS技术的微振镜，简化了传统的机械结构以及光栅棱镜等的大型器件，使光谱仪具有集成化高，体积小，重量轻，方便携带的特点；本发明加入了振镜扫描的结构，相比传统的只有滤光片和CMOS结合的光谱仪，提高了单位像元光强度和光利用效率，从而提高了信噪比，同时，基于MEMS振镜具有高速扫描的特点，大大提高了测量精度和灵敏度；本发明的MEMS微振镜采用电磁驱动的方式，所需电压电流较小，并且配合低功耗的CMOS，大大降低了光谱仪整体功耗，方便集成在手机等电子设备上。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，包括：

光会聚模块，用于会聚待测物所反射的光；

微振镜模块，设置于所述光会聚模块的出射光路上，用于接收所述光会聚模块射出的光并将其进行不同角度的反射；

滤光模块，设置于所述微振镜模块的出射光路上，用于接收所述微振镜模块反射的光并对其进行过滤，以得到若干个不同波长单色光的光信号；以及

探测模块，与所述滤光模块相连接，且设置于所述光会聚模块所会聚的光的焦点位置，所述探测模块读出所述滤光模块所得到的所述光信号以获得所述光信号的光谱图。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光模块包括集成窄带滤光片，所述集成窄带滤光片包括m×n个谐振腔，其中，m和n均为大于等于1的整数，且所述谐振腔具有不同的厚度，不同厚度的所述谐振腔过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述集成窄带滤光片包括依次叠置的下层膜系、间隔层以及上层膜系，所述间隔层包括m×n个所述谐振腔，所述上层膜系与所述下层膜系呈镜面对称设置。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述上层膜系与所述下层膜系的厚度相同，且均包括依次叠置的低折射率膜层和高折射率膜层。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述滤光模块包括渐变滤光片，所述渐变滤光片包括基板及位于所述基板上表面的涂层，所述涂层与所述基板上表面之间的距离呈线性或阶梯形渐变，以过滤得到不同波长单色光的所述光信号。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述微振镜模块包括衬底、设置于所述衬底上的扭转组件及设置于所述扭转组件上的微镜组件，所述扭转组件带动所述微镜组件偏转，所述微镜组件接收并反射所述光会聚模块射出的光。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的线圈组件和磁性组件，其中，所述磁性组件的磁场力作用于所述线圈组件，所述线圈组件受力发生偏转，并通过所述扭转组件带动所述微镜组件偏转。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述微镜组件为反射镜，所述反射镜的面积大于等于其所接收的光的面积，且其偏转角度为0～23°。

9.根据权利要求6所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述微振镜模块还包括设置于所述衬底上的位置传感器，用于检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至角度控制系统，以实现对所述微镜组件的偏转角度的补偿。

10.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪，其特征在于，所述探测模块包括若干个探测像元，若干个所述探测像元读出所述光信号并得到其光谱图，其中，预设数量个所述探测像元对应所述滤波模块所产生的一个波长单色光的所述光信号。

11.一种集成气体传感器，其特征在于，包括如权利要求1～10中任意一项所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪。

12.根据权利要求11所述的集成气体传感器，其特征在于，所述过滤模块包括若干个具有不同预设厚度的谐振腔，所述预设厚度依据待测气体的特征峰值设置。

13.一种基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供一如权利要求1～10中任意一项所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪；

2)采用电磁驱动的方式驱动所述微振镜模块偏转，以将所述微振镜模块接收的所述光会聚模块射出的光进行不同角度的反射；

3)控制所述微振镜模块反射的光通过所述滤光模块并聚焦至所述探测模块上，以获得不同波长单色光的光信号的光谱图，实现光谱检测。

14.根据权利要求13所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，步骤2)中，所述电磁驱动的方式具体为：向所述微振镜模块的线圈组件中通入驱动电流，以使所述线圈组件在所述微振镜模块的磁性组件的磁场力的作用下发生偏转，所述线圈组件通过所述微振镜模块的扭转组件带动所述微振镜模块的微镜组件偏转，其中，所述驱动电流的大小和频率依据所述探测模块的像素间隔和采样周期设定。

15.根据权利要求14所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，步骤2)中，所述驱动电流由驱动电路产生，其中，所述探测模块开始采样时，产生第一脉冲信号以控制所述驱动电路产生所述驱动电流，所述探测模块停止采样时，产生第二脉冲信号以控制所述驱动电路停止产生所述驱动电流。

16.根据权利要求15所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述微振镜模块还包括位置传感器，所述位置传感器检测所述微镜组件的偏转角度并将其检测值传送至所述驱动电路，所述驱动电路根据其接收的偏转角度的位置信息以及预设参数值，实现所述偏转角度的补偿。

17.根据权利要求15或16所述的基于MEMS微振镜的微型光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述探测模块的采样模式为循环采样，其中，所述探测模块开始采样时，产生的所述第一脉冲信号为预定频率的锯齿形脉冲，以使所述微振镜模块进行循环扫描，实现所述探测模块的循环采样。