[发明专利]基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪

权利要求书

1.一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，基于微机电系统，包括：一个激光光源，一个拉曼探头和一个光谱仪的光谱检测系统（4），由激光器（1）发出的激光束通过拉曼探头(2)照射在样品(3)上，激发出样品(3)的拉曼散射光，拉曼探头(2)收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统(4)，其特征在于：

所述的激光光源包括一个半导体激光器(1)，产生不小于200毫瓦的功率和线宽不大于0.2纳米的窄线宽的激光；

所述的拉曼探头(2)包含输出激光光路和收集拉曼散射光光路这两条光路，其中收集拉曼散射光的光路不包含过滤瑞利散射光的滤光片；

所述的光谱仪包括：依序由聚焦透镜一(5)、数字微镜元件（DMD）模块一(6)、准直透镜(7)、色散光栅(8)、聚焦透镜二(9)、数字微镜元件（DMD）模块二(10)、消色散光栅(11)、聚焦透镜三(12)、单点探测器(13)和信号处理器(14)构成的光谱检测系统(4)，其中：所述的数字微镜元件（DMD）模块包括数字微镜阵列器件和微镜控制电路，所述的数字微镜阵列器件由微机电系统（MEMS）工艺制作而成，并由微镜控制电路控制各个微镜单元的开关状态，采用阿达玛（Hadamard）变换算法对照射到数字微镜阵列上的光进行编码；所述的单点探测器为光电倍增管的高灵敏度的单点探测器；所述的信号处理器(14)与微镜控制电路相连，对单点探测器接收到的信号进行阿达玛（Hadamard）变换算法的解码，得到样品(3)的拉曼光谱信息。

2.根据权利要求1所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，其特征在于：所述的数字微镜阵列器件中的微镜单元由平面反射镜(16)与悬臂梁(17)连接，微镜控制电路通过改变控制电极(18)的电压或电流，调节悬臂梁(17)转动，悬臂梁(17)带动平面反射镜产生一定角度的偏转，所述微镜单元的摆角幅度为                                                ，当使用Hadamard变换算法对光进行编码时，偏转+10^o对应“1”，光通道为“开”，经过该通道的光可以进入后续光路；偏转-10^o对应“0”，光通道为“关”，经过该通道的光不能进入后续光路。

3.根据权利要求1所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，其特征在于：所述的微镜控制电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜元件（DMD）阵列，其特征在于：入射光自数字微镜元件（DMD）阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经前置放大电路、模数转换器（ADC）转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列（FPGA）控制模块读取，经现场可编程门阵列（FPGA）控制模块FPGA内置的解调算法实时计算之后，由现场可编程门阵列（FPGA）控制模块调制和解调后经外触发，由通用串行总线（USB）传输模块，传送至上位机，其中，所述的现场可编程门阵列（FPGA）控制模块中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。

4.根据权利要求1至3之一所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪的使用方法，包括以下步骤：

第一，由激光器(1)产生高功率、窄线宽的激光束，通过拉曼探头(2)照射在样品(3)上，激发出样品(3)的拉曼散射光；拉曼探头(2)收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统(4)中；

第二，拉曼散射光通过聚焦透镜一(5)汇聚在数字微镜元件（DMD）模块一(6)上，由微镜控制电路控制各微镜单元的开关状态，采用N阶阿达玛（Hadamard）变换算法对照射到数字微镜元件（DMD）模块一(6)上的光进行编码，通过数字微镜元件（DMD）模块一(6)编码后的光经准直透镜(7)准直后照射到色散光栅(8)上，色散光栅(8)将复色光分解为不同波长的单色光，再经过聚焦透镜二(9)汇聚到DMD数字微镜元件（DMD）模块二(10)的不同位置的微镜单元上，数字微镜元件（DMD）模块二的控制电路进一步采用阿达玛（Hadamard）变换算法对光进行二次编码，编码时闭合瑞利散射光聚焦位置的微镜单元，以去除信号中的瑞利线；编码后的光经过消色散光栅(11)和聚焦透镜三(12)后，形成复色光会聚至单点探测器(13)上，单点探测器(13)将接收到的光信号转为电信号并传输至信号处理器(14)，信号处理器(14)对其进行阿达玛（Hadamard）变换算法的解码，得到不同波长光的光谱信息，从而得到样品原始的拉曼光谱。