专利名称：基于mems微镜阵列的微型光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明属于分析仪器技术领域，特别涉及基于MEMS微镜和凹面光栅的微型宽 光谱高分辨率的光谱分析仪器。
背景技术：
利用物质的发射光谱、吸收光谱或散射光谱特征对物质进行定性、定量分析的技 术称为光谱分析技术。光谱分析技术广泛应用于工业，农业，化工，医药等领域。现 有的光谱分光技术分为光栅扫描式、干涉调制分光式、滤光片式、声光调谐式等，各 自有各自的特点。
光栅扫描分光系统是利用光栅作为分光元件，并且通过扫描光栅，将入射的复色 光分解为光谱宽度很窄的单色光，这种分光技术发展成熟，应用广泛，主要优点是波 段范围广，在全波段色散均匀，单色光的波长可以做到均匀控制。在紫外-可见光波 段，大多采用CCD线阵进行光谱信号的探测。但是对于红外波段，由于该波段波长 较长，分光成像时像差较大且不容易控制，CCD线阵技术发展缓慢，常见宽光谱的 接收系统一般采用热探测器系统，所以必须采用斩波器对所探测的红外辐射进行有效 的调制，以便于准确测量，这样就增加了光谱仪器的体积，仪器的便携性受到限制， 使得此波段的光谱仪器技术发展受到很大限制。
干涉调制分光式光谱仪的主要代表是傅里叶变换光谱仪，它是利用光谱像元干涉 图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干涉图和对千涉图进行傅里叶变换来获 得物体的光谱信息。傅里叶变换光谱仪光通量大，光谱分辨率高，在弱辐射探测方面 优势明显。但由于该设计中动镜的存在，该动镜依靠步进电机和其他精密机械系统驱 动，所以仪器的可靠性和便携性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要 求。并且它的价格昂贵，体积庞大，主要用于实验室。比如日本岛津的FTIR-8400S 傅里叶变换红外光谱仪，其光谱仪外形尺寸达640X580X250mm3，无法实现便携的 实时在线检测。
滤波片型分光系统一般是用干涉滤光片作为分光元件，价格低廉，设计简单；但 是滤光片的光学性能如带宽、峰值波长和透过率受温度、湿度影响很大，仅能用作对 单个或几个波长的响应，所以只适合于专用仪器。
微型化、宽光谱、高精度是光谱仪发展的重要方向。利用MEMS和MOEMS的微加工技术制作微型光谱仪是光谱仪发展的热点方向。德国的F.Zimmer等人提出了 一种使用MOEMS技术制作的光谱范围在900-2000nm的红外光谱仪，该光谱仪基于 扫描微镜技术，采用单个微镜进行光谱扫描，由于镜面面积(面积达毫米数量级)和 镜面转角大，采用静电驱动技术，所以基于这种微镜的光谱仪的问题在于微镜的驱动 电压过高(达数百伏)，无法完全克服转动过程中镜面平动所导致分辨率下降的问题， 并且外部角度检测装置导致光谱仪体积相对较大，使该仪器的实用化受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有微型化光谱仪局限性而提出的一种扩展性好，可应用于 紫外-可见-近红外-中红外光谱波段的高精度宽光谱的基于MEMS微镜阵列的微型光 谱仪，它采用不同于传统扫描型光谱仪的全新光路系统，完全省去斩波器装置，减小 系统的体积，提高系统的便携性。
本发明通过以下技术方案来加以实现
基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪，它包括分光成像、MEMS扫描微镜阵列、 光谱信号获取与处理三部分；其中，
所述分光成像部分包括狭缝和平场凹面光栅，狭缝位于平场凹面光栅的正前方， 经过狭缝的光束入射到平场凹面光栅上，所述狭缝的宽度根据光谱的波长范围及分辨 率进行调整确定；所述平场凹面光栅进行光谱的分光成像，通过选择具有不同工作波 段的平场凹面光栅达到扩展光谱范围的要求。
所述MEMS扫描微镜阵列部分包括微镜阵列器件和微镜控制电路模块，所述 MEMS微镜阵列由微加工工艺制作完成，MEMS微镜阵列器件布置在平场凹面光栅 的像面位置，并由微镜控制电路模块控制依次改变每个微镜单元的状态，对各个不同 波长的光谱像元进行依次反射扫描。
所述光谱信号获取与处理部分由一个单管探测器和光谱信号采集与处理电路组 成，所述单管探测器布置在MEMS微镜阵列器件的公共光扫描空间。光谱信号采集 与处理电路在得到反射扫描微镜的位置信号、扫描次数信号(这两个信号由微镜控制 电路模块发出)以及同一时间段内单管探测器本身响应的光强信号之后，进行连续光 谱信号的识别，经过处理后得到准确的连续光谱信息。
本发明采用小面积微镜阵列(单元镜面面积为微米数量级)扫描光谱，微镜驱动 电压低，无需角度检测装置，简化了系统结构，减小系统体积，提升了精度，性能更 稳定，可用于便携式仪器的在线检测。本发明可以针对不同的光谱范围选择不同特定波段的平场凹面光栅，其中每一个平场凹面光栅的工作波段是相对有限的，这样对于 微镜阵列有效长度一定时，可以提高分辨率，而且根据不同的系统要求，可以分别达 到很高的分辨率要求。此外，本发明采用了可以用MEMS工艺批量生产的MEMS微 镜阵列，该阵列对成像后的光谱像斑反射、扫描(对于中红外波段，此发明可以省去 非光子型探测器所采用斩波器的方案)。通过硬件电路/软件来控制单元镜面的逐次扫 描，实现对特定波段光谱的扫描，光谱数据的采集。另外，本发明采用平场凹面光栅、 MEMS微镜和单管探测器结构，其光路固定。本发明特别适用于对于采用热探测器系 统进行光谱探测的光谱仪。
图1为本发明的光谱仪光学结构原理图。
图l中l表示狭缝，2为凹面光栅，3为MEMS微镜阵列，4为单管探测器。
图2为本发明的光谱仪原理框图。
图3是单元微镜的结构简图。
图3中5为支柱，6为微镜镜面，7为支撑梁，8为电极，9为硅衬底。
具体实施例方式
参见图1，本光谱仪是由狭缝l、平场凹面光栅2、 MEMS微镜阵列3、探测器4 组成。狭缝1位于平场凹面光栅2的正前方，MEMS微镜阵列器3件布置在平场凹面 光栅2的像面位置，单管探测器4布置在MEMS微镜阵列器件3的公共光扫描空间， 由狭缝1发出的光线经过平场凹面光栅2分光成像于MEMS微镜阵列3上，通过 MEMS微镜阵列3的扫描反射到位于微镜公共光扫描空间的单管探测器4处。
参见图2，图2中光路原理框图中所述具体光学实施方式与图1相同，所以在此 主要介绍微镜控制电路模块与光电信息处理电路部分。微镜控制电路模块对MEMS 微镜阵列进行控制，某一时间段内对单个光谱像元进行反射扫描，同时与光谱信号采 集与处理电路进行双向通信。光谱信号采集与处理电路在得到反射扫描微镜的位置信 号、扫描次数信号(这两个信号由微镜控制电路模块发出)以及同一时间段内单管探 测器本身响应的光强信号之后，进行连续光谱信号的识别，经过处理后得到准确的连 续光谱信息。
工作方式狭缝l中发出光线，由于光线发散角很小，狭缝l可以近似看作是点 光源；当光束入射到平场凹面光栅2后，由于凹面光栅的分光成像作用，光谱成像后 的平直谱面位于MEMS微镜阵列3处，光谱像斑经过单个或者多微镜反射后到达单管探测器4的光敏面(图1中以第2个微镜单元反射扫描为例，此时要求其他微镜单 元处于不产生干扰光的偏置状态)，依次改变扫描微镜的状态，从而采集到不同波长 的光学能量信号，这些信号输入计算机后就可以进行光谱识别处理。
参见图3， MEMS微镜阵列的微镜单元的基本结构和原理如下该微镜单元使用 衬底材料为硅衬底9，微镜镜面6和支撑梁7位于支柱5之上，微镜镜面6在和电极 8产生的电场的作用下，产生偏转，对像斑反射，扫描，由于镜面6面积很小(微米 量级)，支柱5高度低，所以在镜面6和电极8之间不需要太高的驱动电压就可以达 到偏转，扫描的功能。
权利要求
1、基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪，其特征在于，它包括分光成像、MEMS扫描微镜阵列、光谱信号获取与处理三部分；其中，所述分光成像部分包括狭缝和平场凹面光栅，狭缝位于平场凹面光栅的正前方，经过狭缝的光束入射到平场凹面光栅上，所述狭缝的宽度根据光谱的波长范围及分辨率进行调整确定；所述平场凹面光栅进行光谱的分光成像，通过选择具有不同工作波段的平场凹面光栅达到扩展光谱范围的要求；所述MEMS扫描微镜阵列部分包括微镜阵列器件和微镜控制电路模块，所述MEMS微镜阵列器件布置在平场凹面光栅的像面位置，并由微镜控制电路模块控制依次改变每个微镜单元的状态，对各个不同波长的光谱像元进行依次反射扫描；所述光谱信号获取与处理部分由一个单管探测器和光谱信号采集与处理电路组成，所述单管探测器布置在MEMS微镜阵列器件的公共光扫描空间；光谱信号采集与处理电路在得到由微镜控制电路模块发出反射扫描微镜的位置信号、扫描次数信号以及同一时间段内单管探测器本身响应的光强信号之后，进行连续光谱信号的识别，经过处理后得到准确的连续光谱信息。
全文摘要
本发明提出一种基于MEMS微镜阵列的微型光谱仪，包括分光成像、MEMS扫描微镜阵列、光谱信号获取与处理三部分；分光成像部分包括狭缝和平场凹面光栅，MEMS扫描微镜阵列部分包括微镜阵列器件和微镜控制电路模块，光谱信号获取与处理部分由一个单管探测器和光谱信号采集与处理电路组成。由狭缝发出的光线经过平场凹面光栅分光成像于MEMS微镜阵列上，通过MEMS微镜阵列的扫描反射到位于微镜公共光扫描空间的单管探测处。本发明采用小面积微镜阵列扫描光谱，微镜驱动电压低，无需角度检测装置，简化了系统结构，减小系统体积，提升了精度，使性能更稳定，可用于便携式仪器的在线检测。
文档编号G01J3/28GK101539457SQ200910103679
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者温中泉, 温志渝, 彪 罗 申请人:重庆大学