[发明专利]基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅里叶变换红外光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器领域，具体涉及一种基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪，该仪器可以广泛应用于食品安全、环境监测、化学分析等领域。

背景技术

傅立叶变换红外光谱仪的基本原理是：通过干涉仪中动镜的匀速运动实现不同光程差的干涉图，干涉图是干涉强度随光程差变化的函数，也是干涉强度随时间变化的函数。干涉图数据经过傅立叶变换，可变换成光谱图，从而实现光谱探测。由于干涉光是很高波长分辨率的全光谱信息，因此傅立叶变化红外光谱仪具有高信噪比，高分辨率，高通量的优点。然后，传统的傅立叶变换光谱仪采用机械装置移动动镜，机械结构复杂且精度要求极高，使得控制系统非常复杂。

近年来，研究人员致力于采用新结构代替移动动镜实现光程差的变化。两种典型结构如下：

国外报道的微型傅立叶变换红外光谱仪，采用MEMS精细加工技术制备可动反射镜，仍然基于迈克尔逊干涉仪原理形成微型光谱仪。该结构的光程差变化靠可动反射镜移动距离实现，可动反射镜在微驱动下的移动距离受限，使得光谱探测灵敏度受限。

国内长春光机所报道采用两个阶梯反射镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜和动反射镜，两个阶梯反射镜有相同的m个台阶数，周期分别为d和md，且沿x和y方向正交放置。两束由两个阶梯反射镜反射的出射光在空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹，所以光束被分成了m²个小空间，采用探测器阵列记录每一个干涉级次的条纹并通过傅立叶变换即可恢复待测光谱曲线。近红外探测器阵列价格昂贵，使得此结构的光谱仪成本增加。

因此，如何构建微型化、分辨率高、成本低廉的傅立叶变换红外光谱仪是目前傅立叶变换红外光谱仪发展中的一个难题。

发明内容

本发明的目的正是为了解决目前傅立叶变换红外光谱仪体积大、价格昂贵的难题，提出一种基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：

本发明包括光源，在光路上依次设置的准直透镜、可编程MEMS微镜、分束镜、平面反射镜、阶梯/斜面反射镜、样品池、汇聚透镜和单点光电探测器；其中平面反射镜设置在分束镜反射光方向上，阶梯/斜面反射镜设置分束镜透射光方向上，它们的位置均固定。该方法采用宽带光作为光源，光源发出的光经过准直透镜准直成平行光照射到可编程MEMS微镜，可编程MEMS微镜通过偏转不同角度使其各列依次反射光进入分束镜，经过分束镜的一路光到达平面反射镜，经过分束镜的另外一路光到达阶梯/斜面反射镜，从平面反射镜和阶梯/斜面反射镜反射回来的光依次经过分束镜、样品池，由汇聚透镜汇聚到单个光电探测器上，实现对干涉光强度的探测。单点探测器可依次获得不同光程差的干涉光强，利用傅立叶变换方法还原出光谱信息，从而实现光谱探测。在汇聚透镜和单点探测器之间放置被测物质样品池，可实现对被测物质检测。

为了实现上述方法，在可编程MEMS微镜的一个扫描周期内，单点探测器依次接收到平面反射镜和阶梯/斜面反射镜的干涉光强序列，对依次得到的干涉光强序列进行傅里叶变换，还原出光谱信息，从而实现光谱探测。

所述红外光谱仪由分束镜、平面反射镜和阶梯/斜面反射镜实现双光束干涉。分束镜将可编程MEMS微镜的反射光分成反射光束和投射光束两束光，反射光束到达平面反射镜，投射光束到达阶梯/斜面反射镜，两束光再反射回分束镜进行干涉。可编程MEMS微镜不同列反射光经过分束镜到达阶梯/斜面反射镜的不同位置，从而实现不同光程差。

所述单点光电探测器探测到不同光程差的干涉信号，经过傅立叶变化解调可得到光谱信息。如放置了待测物质样品池，可得到携带待测物质信息的光谱信号，从而实现对待测物质的检测。

所述基于可编程MEMS微镜和单点探测器的傅立叶变换红外光谱仪应用于近红外波段探测时，光源可以采样普通卤钨灯，其波长范围在400-2700nm；当应用于中红外波段时，光源可以采用硅碳棒光源、能斯特灯等光源，其波长覆盖了整个中红外波段。所述阶梯/斜面反射镜可以采用高精度机械加工方法、微纳加工技术如纳米压印、紫外光刻、化学腐蚀等方法实现。所述单点探测器可依据探测光谱宽度选择PbSe探测器，InGaAs探测器等。可利用其他谱段的光源和对应的探测器实现对应谱段的光谱探测。

本发明采用单点探测器和傅立叶变换解调方法实现了光谱探测，避免了传统傅立叶变换光谱仪需要价格昂贵探测器阵列的缺点；采用驱动电路控制可编程MEMS微镜和阶梯/斜面反射镜实现多个光程差，避免了传统的机械装置移动可动反射镜，具有体积小，易于控制的优点。