CN115452765A - 一种基于mems微镜的近红外光谱仪 - Google Patents

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陈庆华
左昌余
刘琼
陈玉华
胡衍雷
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Abstract

本发明提供一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，包括光源系统、光路模块和探测系统，光源系统产生的光线射入到光路模块，光路模块对光线进行处理后，反射和透射到探测系统，由探测系统对光谱信息进行提取和收集，并进行分析，本发明通过将闪耀光栅、MEMS微镜系统和近红外单点探测器相结合，并通过对光路进行优化，使其具备更好的光学性能，聚光能力强、杂散光小、信噪比高、能满足消彗差，并且摒弃了近红外阵列探测器，让整体的结构较为紧凑、空间利用率高，而且成本低。

Description

一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱分析仪技术领域，具体为一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪。
背景技术
近红外(800-2500nm)光谱分析是环境监测、化学成分分析、食品检测、医学检验、材料分析等科研及工业领域中最有效和最广泛使用的表征方法之一。传统近红外光谱仪的仪器结构复杂、使用环境受限、携带与运输困难、高成本等不足使其难以用于实时监控和现场检测，在某些场合下减小光谱仪物理尺寸、降低成本和功耗相较于高性能来说更加重要。因此，随着科学技术的发展，小型化、便携化、低成本以及可实现快速、实时、准确检测的微型近红外光谱仪的研发意义重大。现有的微型近红外光谱仪可大致分为传统色散型、滤光片型、调制型及基于微光机电系统(Micro-Opto-Electro-mechanical system，MOEMS)与微机电系统(Micro-Electro-mechanical system，MEMS)技术开发的微型近红外光谱仪等。
目前主流的微型近红外光谱仪产品大多采用基于迈克尔逊干涉原理的傅里叶变换型和光栅扫描型，如公开号为CN102620829B提供的一种基于可编程微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪，傅里叶变换型微型近红外光谱仪是对不同波长的光进行波分复用，探测器探测后需通过逆变换完成光谱重构才能得到光谱信号，其抗震性差、加工工艺难度大、重复性差且成本较高。光栅扫描型微型近红外光谱仪主要采用固定光栅和阵列探测器的结构，通过对不同波长的光进行空间或时间的分离，然后进行光谱读出，但近红外阵列探测器(如InGaAs近红外阵列探测器)非常昂贵，同时为了保证性能通常需要冷却系统，一定程度上增加了系统体积和功耗，使光谱仪整体成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，包括：
光源系统，光源系统包括光源和入射狭缝，光源产生的光线透过入射狭缝射入至光路模块；
光路模块，光源系统射入的光线依次通过光路模块内的准直镜、高通滤光片、闪耀光栅、MEMS微镜系统和聚焦镜，所述准直镜位于光源系统出射光方向上，用于将光源发出的光准直为平行光，高通滤光片位于准直镜出射光方向上，用于滤除杂散光，闪耀光栅位于高通滤光片透射光方向上，所述准直镜、高通滤光片、闪耀光栅和聚焦镜均固定，所述MEMS微镜系统位于闪耀光栅反射光方向上，用于偏转不同的角度将闪耀光栅的反射光通过聚焦镜聚焦后射入探测系统；
探测系统，所述探测系统包括出射狭缝和单点近红外探测系统，所述单点近红外探测系统透过出射狭缝接收并处理光路模块出射的光线。
在其中一个实施例中，所述光源系统还包括有位于光源和入射狭缝之间的样品池，用于放置样品。
在其中一个实施例中，所述光源为采用钨灯发光的近红外光谱仪光源。
在其中一个实施例中，所述准直镜采用反射式准直镜，聚焦镜采用反射式聚焦镜。
在其中一个实施例中，所述闪耀光栅每毫米刻线600条，采用反射铝膜。
在其中一个实施例中，所述MEMS微镜系统包括反射镜和边框，所述反射镜两端固定有转轴，转轴另一端转动安装在边框内，一端转轴上固定有定子，边框内侧固定有驱动线圈，所述驱动线圈包裹在定子外侧。
在其中一个实施例中，所述单点近红外探测系统包括单点近红外式的探测器和控制器，所述探测器通过模数转换模块和控制器电性连接，探测器将检测的光信号通过模数转换模块转换成数字信号发送至控制器，所述控制器通过驱动器和驱动线圈电性连接，向驱动线圈内通入电流带动转轴转动。
在其中一个实施例中，所述探测器采用1mm单点InGaAs式的近红外式探测器。
在其中一个实施例中，所述驱动器采用PWM脉冲驱动电路。
在其中一个实施例中，所述单点近红外探测系统还包括有和控制器电性连接的通讯模块，用于在控制器和上位机之间建立通讯。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将闪耀光栅、MEMS微镜系统和近红外单点探测器相结合，并通过对光路进行优化，使其具备更好的光学性能，聚光能力强、杂散光小、信噪比高、能满足消彗差，并且摒弃了近红外阵列探测器，让整体的结构较为紧凑、空间利用率高，而且成本低。
附图说明
图1为本发明整体系统结构示意图；
图2为本发明中光源系统的系统结构示意图；
图3为本发明中MEMS微镜系统的结构示意图；
图4为本发明中单点近红外探测系统的系统结构示意图。
图中：100光源系统、110光源、120入射狭缝、130样品池、200光路模块、210准直镜、220高通滤光片、230闪耀光栅、240MEMS微镜系统、241边框、242反射镜，243转轴、244定子、245驱动线圈、250聚焦镜、300探测系统、310出射狭缝、320单点近红外探测系统、321探测器、322控制器、323模数转换模块、324驱动器、325通讯模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：
一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，包括光源系统100、光路模块200和探测系统300，光源系统100产生的光线射入到光路模块200，光路模块200对光线进行处理后，反射和透射到探测系统300，由探测系统300对光谱信息进行提取和收集，并进行分析，其中：
所述光源系统包括光源110、入射狭缝120和样品池130，光源110必须发射出与被分析材料吸收的波长范围相匹配的光，本实施例采用具有大宽带和高发射功率的钨灯发光的近红外光谱仪光源，样品池130用于放置样品，光源110产生的光线经过样品池130内的样品后就携带了被测样品的信息，光线透过入射狭缝120射入至光路模块200。
可选的，所述光源110也可采用包括但不限于发光二极管和激光二极管的近红外光谱仪光源，只要配合光路合理设计和搭配特定规格的高通滤光片220实现所需的近红外波长范围即可，设计灵活、高效。
所述光路模块200包括准直镜210、高通滤光片220、闪耀光栅230、MEMS微镜系统240和聚焦镜250，所述准直镜210、高通滤光片200、闪耀光栅230和聚焦镜250均固定，光源系统100射入的光线依次通过准直镜210、高通滤光片220、闪耀光栅230、MEMS微镜系统240和聚焦镜250，所述准直镜210位于光源系统100出射光方向上，光源系统100发出的光首先通过准直镜210，准直为平行光，高通滤光片220位于准直镜210出射光方向上，准直后的光线射入到高通滤光片220上，高通滤光片220滤除特定波长范围以下的杂散光，降低杂散光和环境可见光噪声的不利影响。
闪耀光栅230位于高通滤光片220透射光方向上，为色散元件，经过高通滤光片220滤除杂散光后的光线投射到闪耀光栅230上，闪耀光栅230的闪耀波长应在测量的光谱范围内，光栅刻线数应适中，太大的刻线数可能无法分辨，而太小的刻线数的精度较低，不能满足本实施例的要求，同时要保证闪耀光栅的高光栅效率。
进一步的，所述闪耀光栅230每毫米刻线600条，采用反射铝膜，上述的闪耀光栅230经过实测，光栅效率在峰值波长下应可达到80％。
所述MEMS微镜系统240位于闪耀光栅230反射光方向上，MEMS微镜系统240能够偏转不同的角度，从而偏转不同的角度将闪耀光栅230的反射出的不同波长的单色光通过聚焦镜250聚焦后依次射入探测系统300，从而实现了不同波长单色光的连续探测。
进一步的，所述准直镜210采用反射式准直镜，聚焦镜250采用反射式聚焦镜，能够更好地减少光在传播过程中的损耗。
所述MEMS微镜系统240包括反射镜242和边框241，所述反射镜242两端固定有转轴243，转轴243另一端转动安装在边框241内，反射镜242能够围绕转轴243进行转动，一端转轴243上固定有定子244，转子为永磁体，边框241内侧固定有驱动线圈245，所述驱动线圈245包裹在定子244外侧，只要往驱动线圈245内通入电流即可产生磁场，能够带动转轴243转动，进而带动反射镜242偏转不同的角度。
可选的，MEMS微镜系统240也可采用静电驱动、电磁驱动、热电驱动和压电驱动等方式带动反射镜242转动，可根据实际需求采用相应的电控方式。
所述探测系统300包括出射狭缝310和单点近红外探测系统320，所述单点近红外探测系统320透过出射狭缝310接收并处理光路模块200出射的光线。
所述单点近红外探测系统320包括单点近红外式的探测器321和控制器322，所述探测器321通过模数转换模块323和控制器322电性连接，光路模块200出射的光线射到探测器321上，探测器321将检测的光信号转化为模拟的电信号，然后通过模数转换模块323转换成数字信号发送至控制器322，控制器322即可提取出光谱的信息。
所述控制器322通过驱动器324和驱动线圈245电性连接，控制器322向驱动器324发出控制信号，驱动器324向驱动线圈245内通入电流带动转轴243转动。
进一步的，所述控制器322采用32位ARM处理器AT91SAM7S64为核心，所述探测器采用1mm单点InGaAs式的近红外式探测器，所述驱动器324采用PWM脉冲驱动电路，实现对MEMS微镜系统240的精准控制。
进一步的，所述单点近红外探测系统320还包括有和控制器322电性连接的通讯模块325，用于在控制器322和上位机之间建立通讯，让上位机便于对光谱的数据进行保存和预处理，所述通讯模块325包括但不限于USB通讯模块、485通讯模块。
本实施例利用MEMS微镜系统240和单点近红外探测系统320代替传统的固定光栅和阵列探测器组合，系统结构紧凑、空间利用率较高，摒弃了传统的阵列探测，大大降低了成本降低了成本，同时可对光路结构进行优化，实现消像散，保证光谱仪的空间分辨率，加入了高通滤波片220进一步降低杂散光和环境可见光噪声的不利影响，因此整个结构的聚光能力强、杂散光小、信噪比高、能满足消彗差条件。
本发明的使用原理：待分析的样品放入样品池130，光源110产生的光线经过样品池130内的样品后就携带了被测样品的信息，光线透过入射狭缝120射入至准直镜210，准直为平行光，准直后的光线射入到高通滤光片220上，高通滤光片220滤除特定波长范围以下的杂散光，降低杂散光和环境可见光噪声的不利影响；
经过高通滤光片220滤除杂散光后的光线投射到闪耀光栅230上进行色散后射到MEMS微镜系统240上，MEMS微镜系统240受控制器322控制偏转，不断改变角度，将各单色光通过聚焦镜250聚焦后依次投射到探测器321上，探测器321将检测的光信号转化为模拟的电信号，然后通过模数转换模块323转换成数字信号发送至控制器322，控制器322即可提取出光谱的信息，最终实现对所需光谱信息的提取和收集。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于，包括：
光源系统，光源系统包括光源和入射狭缝，光源产生的光线透过入射狭缝射入至光路模块；
光路模块，光源系统射入的光线依次通过光路模块内的准直镜、高通滤光片、闪耀光栅、MEMS微镜系统和聚焦镜，所述准直镜位于光源系统出射光方向上，用于将光源发出的光准直为平行光，高通滤光片位于准直镜出射光方向上，用于滤除杂散光，闪耀光栅位于高通滤光片透射光方向上，所述准直镜、高通滤光片、闪耀光栅和聚焦镜均固定，所述MEMS微镜系统位于闪耀光栅反射光方向上，用于偏转不同的角度将闪耀光栅的反射光通过聚焦镜聚焦后射入探测系统；
探测系统，所述探测系统包括出射狭缝和单点近红外探测系统，所述单点近红外探测系统透过出射狭缝接收并处理光路模块出射的光线。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述光源系统还包括有位于光源和入射狭缝之间的样品池，用于放置样品。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述光源为采用钨灯发光的近红外光谱仪光源。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述准直镜采用反射式准直镜，聚焦镜采用反射式聚焦镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述闪耀光栅每毫米刻线600条，采用反射铝膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述MEMS微镜系统包括反射镜和边框，所述反射镜两端固定有转轴，转轴另一端转动安装在边框内，一端转轴上固定有定子，边框内侧固定有驱动线圈，所述驱动线圈包裹在定子外侧。
7.根据权利要求6所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述单点近红外探测系统包括单点近红外式的探测器和控制器，所述探测器通过模数转换模块和控制器电性连接，探测器将检测的光信号通过模数转换模块转换成数字信号发送至控制器，所述控制器通过驱动器和驱动线圈电性连接，向驱动线圈内通入电流带动转轴转动。
8.根据权利要求7所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述探测器采用1mm单点InGaAs式的近红外式探测器。
9.根据权利要求7所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述驱动器采用PWM脉冲驱动电路。
10.根据权利要求7所述的一种基于MEMS微镜的近红外光谱仪，其特征在于：所述单点近红外探测系统还包括有和控制器电性连接的通讯模块，用于在控制器和上位机之间建立通讯。
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