基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱探测设备，更具体的说，本发明涉及一种基于可编程微镜阵 列菲涅尔波带片的微型光谱仪。 技术背景
[0002] 除了昂贵复杂的傅立叶光谱仪、拉曼光谱仪等少数例外，大多数传统光谱仪采用 衍射分光元件为棱镜或光栅，都是基于夫琅和费的远场衍射原理。而在微型光谱仪的发展 过程中，随着MOEMS技术的进步，传统光栅衍射型光谱仪受限于夫琅和费的远场衍射条件 限制，体积缩小有限，并且其光栅通常只有色散功能，需要加狭缝和汇聚透镜配合实现才能 实现光谱仪功能，元件较多，光路较复杂，精确组装和对位要求高，集成难度大，成本高。
[0003] 近年来，随着衍射光学的发展，衍射光学在光学设计中不仅可以增加设计的自由 度，而且能够突破传统光学系统诸多方面的局限，在减小体积和降低成本等方面表现出传 统光学系统无可比拟的优势，并受到越来越多的光学设计者的重视。菲涅尔波带片作为一 种典型的衍射光学元件，具有相对大的数值孔径/焦距比，使得其可以在近场衍射聚焦，为 很多体积受限的光学系统所采用。在对紫外区、红外区、太赫兹区和高强度激光等传统光学 透镜由于损耗过大无法胜任的场合，菲涅尔波带片成为透镜的一个良好替代品。
[0004] MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光机电系统）技术是 MOEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）技术和光学技术的融合，具有天 生的优势，它可以实现微型光学元件和控制电路的集成，具有可大批量制造，单位成本低， 体积微小，响应速度快，性能可靠等优势。目前，基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良 的性能获得高速的发展和广泛的应用，从与光波长相当的微尺度上提供了人们操控光场的 强有力工具。
[0005] 本发明的初衷是利用MEMS微镜阵列对光的振幅调制能力，动态生成参数可调的 菲涅尔波带片，将入射信号光色散和汇聚在单点探测器上，形成一种体积小、结构简单、集 成容易、成本低廉的微型光谱仪。
【发明内容】
[0006] 本发明在于提供一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，通过对微 镜阵列编程控制微镜单元的开关，动态生成参数可调的菲涅尔波带片，将入射信号光色散 和汇聚在单点探测器上，形成一种体积小、结构简单、集成容易、成本低廉的微型光谱仪。解 决传统光栅衍射型光谱仪微型化时元件较多、光路较复杂、精确组装和对位要求高、集成难 度大、成本高的问题。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于包括：
[0009] a.光源；
[0010] b.准直透镜；
[0011] c.样品池；
[0012] d.微镜阵列和驱动电路；
[0013] e.嵌入式系统；
[0014] f.光阑；
[0015] g.单点探测器。
[0016] 光源出射的光经过准直透镜和样品池入射到微镜阵列，微镜阵列显示嵌入式系统 编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑到 达单点探测器完成光谱的探测。
[0017] 进一步，根据微镜阵列可以进行选择性翻转，进而实现对空间光的振幅调制的原 理，以编程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴上，不 同焦点处各子波带相干增强的光波长不同，编程改变菲涅尔波带片的半径和环带数，分时 让各个波长的光谱信号通过光阑进入单点探测器。
[0018] 本发明具有如下优点：
[0019] 1.利用菲涅耳波带片的近场衍射和聚焦特性，采用MOEMS微镜阵列动态生成参数 可变的菲涅耳波带片，实现光谱扫描，体积小、结构简单、集成容易、调节方便。
[0020] 2.由于可编程菲涅耳波带片的调谐能力，微型光谱仪可以采用廉价而高性能的单 点探测器，这个特点使得光谱仪价格更加低廉且信噪比高，尤其可以解决红外波段和太赫 兹波段探测器阵列昂贵的问题。
[0021] 因此整个系统具有结构简单紧凑、集成容易、体积小、易调节、成本低等特点，可广 泛应用于农业、食品、医疗、制药、石化、环境、宇航等领域。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的结构原理图。
[0023] 图2为为菲涅尔波带片调节焦距的原理图。
[0024] 图3为菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟波带片示意图。
[0025] 图4为微镜单元工作示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0027] 本发明的实施例如图1所示，光源1出射的光经过准直透镜2和样品池 3入射到 微镜阵列4,微镜阵列显示嵌入式系统5编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上 生成的波带片色散并聚焦，通过光阑6到达单点探测器7完成光谱的探测。由于嵌入式系统 可以按照编好的程序，动态调节微镜阵列上生成的菲涅尔波带片参数，使得不同波长的光 分时聚焦通过光阑进入单点探测器。大多数传统光谱仪采用衍射分光元件为棱镜或光栅， 都是基于夫琅和费的远场衍射原理，需要满足的前提条件如下
[0028] Z > > a2/ λ
[0029] 其中Z为光路长度，a为光学孔径，λ为波长。而本发明提出的新型基于可调谐菲 涅尔波带片的光谱仪核心如图1所示，只需满足近场菲涅尔衍射条件
[0030] a2/ λ > > Z > > a
[0031] 可见，基于菲涅尔波带片的光谱仪比传统光谱仪光路更短，本发明利用菲涅耳波 带片的近场衍射和聚焦特性，采用MOEMS微镜阵列动态生成参数可变的菲涅耳波带片，实 现光谱扫描，具有体积小、结构简单、集成容易、调节方便的优点。
[0032] 图2为菲涅尔波带片调节焦距的原理图。菲涅耳波带片实质上可看成是一种变间 距光栅，最常见的圆形菲涅耳波带片由一组同心环带构成。一般可将波带片分为振幅型波 带片和位相型波带片。图2为一振幅型波带片示意图。根据菲涅耳衍射原理，通过屏蔽菲 涅耳半波带中的奇数带或偶数带，使透光的半波带相对于波带片光轴上焦点处光程相差为 波长λ的整数倍时，该点的光强被大大增强，达到聚焦的作用，每级半波带的半径需要满 足公式
[0033]
【主权项】
1. 一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于包括： a. 光源； b. 准直透镜； c. 样品池； d. 微镜阵列和驱动电路； e. 嵌入式系统； f. 光阑； g. 单点探测器。
2. 根据权利要求1所述的一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特 征在于：光源出射的光经过准直透镜和样品池入射到微镜阵列，微镜阵列显示嵌入式系统 编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑到 达单点探测器完成光谱的探测。
3. 根据权利要求2所述的一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特 征在于：根据微镜阵列可以进行选择性翻转，进而实现对空间光的振幅调制的原理，以编 程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴上，不同焦点处 各子波带相干增强的光波长不同，编程改变菲涅尔波带片的半径和环带数，分时让各个波 长的光谱信号通过光阑进入单点探测器。
【专利摘要】本发明涉及一种光谱探测设备，更具体的说，本发明涉及一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪：光源1出射的光经过准直透镜2和样品池3入射到微镜阵列4，微镜阵列显示嵌入式系统5编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑6到达单点探测器7完成光谱的探测。由于嵌入式系统可以按照编好的程序，动态调节微镜阵列上生成的菲涅尔波带片参数，使得不同波长的光分时聚焦通过光阑进入单点探测器。本发明具有结构简单紧凑、集成容易、体积小、易调节、成本低等特点，可广泛应用于农业、食品、医疗、制药、石化、环境、宇航等领域。
【IPC分类】G01N21-01
【公开号】CN104729995
【申请号】CN201510175317
【发明人】张智海, 张聪, 路远, 张文凯
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月15日