[发明专利]基于离轴抛物反射镜的高分辨率MEMS微镜红外光谱仪

说明书

本发明提出一种基于离轴抛物反射镜的MEMS微镜红外光谱仪，其由光纤连接器、入射狭缝、抛物面反射镜、扫描镜、闪耀光栅、反射聚焦镜、出射狭缝、探测器等部分组成。扫描镜是采用MEMS（微电子机械系统）技术制作而成的扫描微镜，其与闪耀光栅共同实现扫描与分光功能；外部待测光信号通过光纤传输后由光纤连接器、入射狭缝耦合进光谱仪，被抛物面反射镜离轴准直为平行光束；平行光束被扫描镜扫描反射至紧靠扫描镜放置的闪耀光栅上，经光栅分光、聚焦镜反射聚焦后，不同波长的光依次通过出射狭缝照到探测器上，实现光谱的连续扫描探测。本发明提出的光谱仪是具有体积小、光谱范围宽、信噪比高、成本低廉等优点的高分辨率MEMS红外光谱仪。

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及一种基于离轴抛物面反射镜、MEMS微镜的红外光谱仪。

背景技术

红外光谱仪是一种通过测定物质的发射光谱、透射或漫反射吸收光谱对物质的分子结构和化学组份进行定性、定量分析的精密光学仪器。红外光谱仪在使用过程中具有使用简单、快速、无损、清洁无污染等优点，被广泛用于工业、农业、军事、医药、科技、石油化工、航空航天、环境保护等众多领域，是最为重要的光学分析仪器之一。

近些年，随着经济的发展、科技的进步、工业化水平的提高，红外光谱仪的市场需求量不断增长，与此同时，人们也对红外光谱仪的使用提出了微型、便携、能够进行现场实时在线检测等新的要求。于是，在广阔市场的牵引下，研制方便耐用、结构紧凑的便携式微型红外光谱仪成为国内外科研工作者的研究热点。

基于MEMS技术的红外光谱仪，是以微机械加工技术制作的MEMS微光学元件作为核心关键器件研制的微型红外光谱仪。由于MEMS光学器件的使用，基于MEMS技术的光谱仪具有体积小、重量轻、性能稳定、成本低廉、能够满足实时、在线快速检测要求等优点。利用MEMS技术研制基于各种结构原理的微型光谱仪已成为当前光谱仪的主流发展方向。

基于MEMS微镜的微型光谱仪，是利用闪耀光栅和基于MEMS技术研制的扫描微镜，代替传统光栅光谱仪通过机械部件带动光栅扫描，实现复合光束扫描与分光的一种光谱检测仪器，其具有体积小、重量轻、稳定性好、测量快速等优点。但利用MEMS微镜研制宽光谱范围、高分辨率、高信噪比的微型红外光谱仪一直是难以解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现代工业对微型化、集成化高性能红外光谱仪的应用需求，提出基于离轴抛物面反射镜及MEMS微镜，研制一种微型化高分辨率红外光谱仪。

本发明提供的红外光谱仪，采用的技术方案如下：基于离轴抛物反射镜的MEMS微镜红外光谱仪，包括光纤连接器（1）、入射狭缝（2）、抛物面反射镜（3）、扫描镜（4）、闪耀光栅（5）、聚焦反射镜（6）、出射狭缝（7）、探测器（8）等部分组成。光纤连接器（1）位于入射狭缝（2）的前端，入射狭缝（2）位于抛物面反射镜（3）的焦点位置或其附近，待测光信号由光纤连接器（1）输出后通过入射狭缝（2）照射到抛物面反射镜（3）上、被准直成为平行光束；扫描镜（4）的镜面处于抛物面反射镜（3）的反射光路上，闪耀光栅（5）放置在扫描镜（4）镜面的一侧、与扫描镜呈小于90度夹角，待测光信号被抛物面反射镜（3）准直为平行光束后照射到扫描镜（4）的镜面上，被扫描镜（4）扫描反射至闪耀光栅上进行色散分光；聚焦反射镜（6）与闪耀光栅（5）对向放置，由于扫描镜（4）对平行光束的周期性扫描运动，平行光束在闪耀光栅（5）上的入射角、入射位置也在不断做周期性变化；与此同时，在仪器的波长探测范围内、不同波长的光依次以相同衍射角被闪耀光栅（5）衍射至聚焦反射镜（6）上，被聚焦反射镜（6）聚焦成像于同一位置点附近，出射狭缝（7）放置于该位置点或其附近；探测器（8）放置在出射狭缝（7）后；这样，仪器工作过程中，由于扫描镜（4）的周期性扫描运动，在光谱探测波长范围内，不同波长的光将依次通过出射狭缝（7）照射到探测器（8）上，实现不同波长光的连续扫描探测。