一种同时采用mems平动与扭转微镜的微型傅里叶红外光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明为一种融合了MEMS平动微镜与扭转微镜技术的傅里叶红外光谱仪系统，包括主干涉仪和辅助干涉仪系统两个子系统，主、辅两个干涉仪共用一个平动微镜。其中的扭转微镜采用扭力梁结构，静电或磁感应方式驱动，可以实现高速旋转摆动，频率从几十赫兹至几千赫兹，转动角度达最高到五十度。而其中的平动微镜采用弹簧振动结构，可以实现微镜面的平动，平动频率达到百赫兹以上，平动范围可以达到百微米以上。这些微镜均具有无摩擦，高重复，高稳定性等特点，由于微镜尺寸小，质量小，惯性和转动惯量小，所以具有极好的抗震性，可以实现微型干涉仪。
【专利说明】
一种同时采用MEMS平动与扭转微镜的微型傅里叶红外光谱仪
技术领域
[0001]本发明为一种采用MEMS(微机电系统)微镜的微型傅立叶红外光谱测量系统，可以应用于光谱测量、光谱仪器等领域。
技术背景
[0002]红外光谱由于其特征性强，可以提供物质结构的丰富信息，对一些试样可以进行无损检测，并可对微量样品进行测试，因此它不仅是物质结构分析的强有力工具，也是分析鉴定的有效方法。红外光谱技术在食品科学和食品安全、环境污染检测、生命科学、农业科学、石油地质勘探、材料科学等许多领域有着广泛应用。傅立叶红外光谱仪与传统的分光式红外光谱仪相比有测量速度快，灵敏度高等优点，非常适合快速分析测量。
[0003]由于各种矿物在可见、近红外、中红外均具有不同的光谱特征，因此利用光谱分析方法可以对矿物和岩石进行识别和含量分析。I μπι?5 μπι波段对于矿物检测非常重要，尤其是在空间遥感领域。由于各种岩石矿物在化学组份和物理性质上存在差异，它们在可见光、近红外和中红外波长范围(0.38?5.0 μm)的反射光谱分布各不相同，0.4?1.3 μπι波长范围内岩石矿物的光谱特征主要是由它们的表面色泽、粗糙度和所含的过渡金属离子元素所决定的。1.3?2.5 μπι近红外波段的反射光谱，是由OH ,H2OXO32等阴离子团的分子振动引起的，如碳酸盐矿物的反射光谱在2.30?2.35 μπι处存在特征光谱吸收带。在
2.5?5 μπι的中红外波段反射光谱反映了某些架状和岛状的硅酸盐结构，如果充分利用硅酸盐的中红外光谱特征，将可以探测可见和近红外光谱无法完成的探测目标:钙长石、橄榄石、石英和碱性长石等。尤其硅酸盐是研究行星起源演化的重要基础数据，而碳酸盐、硫酸盐是研究水体的存在及演化的重要数据。对于土壤测量，两个大气窗口波段(I?3μπι和3?5μπι)同样重要。综上所述，对于岩石矿物跨越I?5μπι波段的光谱测量，将弥补目前仪器由于探测器、结构等方面原因在2.5?5 μπι波段存在的薄弱环节。
[0004]矿物勘探往往需要在现场完成，如:野外勘探、找矿，太空和小行星探测(如探月，火星探测)等，仪器工作环境恶劣，要求仪器小型化、轻重量以及符合便携的同时，具备很好的抗振性，抗大角度倾斜，抗环境干扰。不仅在矿物遥感、检测领域，目前食品安全、环境保护、军事、安全等许多领域都需要对试样进行现场检测。因此用于现场的便携傅立叶红外光谱仪的研制，同样可以为这些领域提供快速有效的分析测量工具，此类仪器具有很广的应用基础。
[0005]由于红外光谱仪器对工作环境有着比较苛刻的要求，目前绝大多数红外光谱分析都在实验室内进行。早期红外光谱仪基于棱镜或衍射光栅，结构简单，性能稳定，但是探测灵敏度低的弱点阻碍了它的发展，对高灵敏度探测器的依赖和对光学系统的苛刻要求成为此类技术的瓶颈。在红外光谱发展中，出现了时间调制型仪器和空间调制型仪器两种干涉光谱仪。基于麦克尔逊干涉仪的红外傅立叶光谱仪是时间调制型仪器的典型，由于没有狭缝限制，其能量利用率比分光型仪器大两个数量级，但是却对微镜运动过程中的倾斜或横移等指标提出了很高要求，使系统稳定性大大降低。空间调制型光谱仪回避了精密微镜系统稳定性难题，它由干涉仪组件、傅氏镜、柱面镜、阵列探测器等几个部分组成。干涉仪、傅氏镜与柱面镜构成干涉仪系统，在阵列探测器上得到空间干涉条纹，不需要任何移动部件即可获得光谱信号，由于其测量光谱速度快，因此被广泛应用于成像光谱仪器中。
[0006]虽然具有干涉类光谱仪器的高灵敏特性，但是光谱分辨率很难达到时间调制型仪器的水平。目前，出现了多种改进型空间调制干涉光谱仪以及时间调制方式的干涉光谱仪。
[0007]随着MEMS技术的发展，光谱测量系统中采用MEMS微镜代替运动微镜的机械机构，具有较高的系统稳定性、探测灵敏度和探测速度，此类仪器将会是便携傅立叶红外仪器的一个重要发展方向。
【发明内容】
[0008]针对【背景技术】存在的问题本发明采用MEMS (微机电系统)平动微镜4与MEMS扭转微镜3技术融合的微型傅里叶红外光谱测量系统。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种融合了 MEMS平动微镜与扭转微镜技术的傅里叶红外光谱仪系统，包括主干涉仪和辅助干涉仪系统两个子系统，主、辅两个干涉仪共用一个平动微镜4。
[0011]前述主干涉仪包括红外分束器1、第一固定镜2、扭转微镜3、与辅助干涉仪共用的平动微镜4，以及1.5-3 μπι碲镉汞红外第一探测器5、3-5 μπι波段的碲镉汞第二探测器6。
[0012]入射光入射到主干涉仪后，通过红外分束器I后分别射向第一固定镜2和平动微镜4，最后红外光由第一固定镜2和平动微镜4反射后发生干涉，干涉信号射向扭转微镜3，扭转微镜3通过摆动运动将干涉光束射向第一探测器5或第二探测器6中的一个。第一探测器5和第二探测器6分别采用波段为1.5-3 μ m，以及3_5 μ m波段的碲镉汞红外探测器，完成两个波段的独立的干涉图样采集。
[0013]辅助干涉仪包括半导体激光光源7、激光分束镜8、第二固定镜9、平动微镜4 (与辅助干涉仪共用)、相位延时器10、反射镜11、第三探测器12、第四探测器13。
[0014]辅助干涉仪用半导体激光器作为光源，激光被扩束后通过半透半反镜，其中射向平动微镜4的一路光束有一半光通过相位延迟器，延迟相位1/2 ，另外一半光束直接射向平动微镜4，两个“半束”光同第二固定镜9返回的光产生干涉，“半束”干涉光被第四探测器13接收，另外“半束”(存在1/2JI相位延迟)干涉光被第三探测器12接收，第四探测器13与第三探测器12的干涉条纹相位相差1/2 ，由此两个干涉条纹信号，测量出微镜的运动方向，并得到微镜的运动路程，具此对主干涉仪获得的干涉图样定标，最终利用傅里叶变换方法获得宽谱段的光谱数据(图1中仅仅画出主干涉仪和辅助干涉仪简化原理，实际光路中，还有多个相位补偿片等其它光学元件)。
[0015]其中的扭转微镜3采用扭力梁结构，静电或磁感应方式驱动，可以实现高速旋转摆动，频率从几十赫兹至几千赫兹，转动角度达最高到五十度。而其中的平动微镜4采用弹簧振动结构，可以实现微镜面的平动，平动频率达到百赫兹以上，平动范围可以达到百微米以上。这些微镜均具有无摩擦，高重复，高稳定性等特点，由于微镜尺寸小，质量小，惯性和转动惯量小，所以具有极好的抗震性，可以实现微型干涉仪。
【附图说明】
[0016]图1为仪器的主-辅干涉仪示意图；
[0017]图中:1、红外分束器；2、第一固定镜；3、扭转微镜；4、平动微镜；5、第一探测器；6、第二探测器；7、半导体激光光源；8、激光分束镜；9、第二固定镜；10、相位延时器；11、反射镜；12、第三探测器；13、第四探测器。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图来进一步说明本发明的技术方案。
[0019]如图1所示本发明利用MEMS平动微微镜4构成微型双麦克尔逊干涉仪结构，采用MEMS扭转微镜来实现探测器转换，并集成其它光学元件构成超小型光谱仪。
[0020]如图1所示，图的左侧是主干涉仪部分，负责信号光干涉测量。右侧是辅助干涉仪部分，采用半导体激光作为参考的标准干涉计量。平动微镜4的正反两面均镀有红外反射膜，主、辅两个干涉仪共用一个微镜。由于采用了 MEMS平动微镜4，使得仪器具有极高的扫描速度，远远超过常规机械微镜的傅立叶光谱仪。
[0021]如图1所示，在主干涉仪中，利用一个MEMS扭转微镜3对探测器进行切换。MEMS扭转微镜3采用磁感应驱动方式，具有微型小尺寸、高速度(摆动频率可以达到数百赫兹)、无摩擦、高重复性和稳定性、长寿命的优点。
[0022]为了满足近红外-中红外部分波段(1.5-5 μπι波段)的测量，采用2个独立波段的碲镉汞红外探测器，1.5-3 μ m波段的第一探测器5，以及3-5 μ m波段的第二探测器6组合完成。红外信号光从左侧入射，通过红外分束器I后分别射向第一固定镜2和平动微镜4，最后干涉信号射向扭转微镜3，扭转微镜3通过摆动运动将干涉光束射向第一探测器5或第二探测器6中的一个。第一探测器5和第二探测器6分别采用波段为1.5-3 μ m，以及3-5 μ m波段的碲镉汞红外探测器，完成两个波段的独立的干涉图采集。
[0023]辅助干涉仪用半导体激光器作为光源，激光被扩束后的一个“粗”光束通过半透半反镜，其中射向微镜的一路光束有一半光通过相位延迟器，延迟相位1/2π，另外一半光束直接射向微镜，这两个“半束”光同固定镜返回的光产生干涉，“半束”干涉光被第四探测器13接收，另外“半束”(存在1/2JI相位延迟)干涉光被第三探测器12接收，第四探测器13与第三探测器12的干涉条纹相位相差1/2 Ji，由此两个干涉条纹信号，根据相位超前的判断，可以测量出微镜的运动方向，同时利用计数器对两个干涉条纹计数，可以得到微镜的运动路程，即对平动微镜4相对于起始位置的位移进行“绝对”定标；“绝对”定标的同时利用鉴相和细分技术获得适合的采样触发信号，对主干涉仪中的第一探测器5或第二探测器6进行采样控制，获得足够多的采样点数，得到干涉图。(图1中仅画出主干涉仪和辅助干涉仪简化原理，实际光路中，还有多个相位补偿片等其它光学元件。)
[0024]由于有辅助干涉仪的绝对定标，可以在平动微镜4由正向最大位移到负向最大位移的过程中使用第一探测器5测量干涉图，当平动微镜4达到负向最大位移后，扭转微镜3运动，将干涉光束切换到第二探测器6，而在随后的平动微镜4由负向最大位移到正向最大位移的过程中使用第二探测器6测量干涉图，这样在平动微镜4的一个完整运动周期内，采集了 2个独立波段的干涉图，通过傅立叶变换得到2个独立波段的光谱图。
[0025]采用标准黑体光源对光谱仪器进行光谱强度定标，并计算相应的归一化参数。有了归一化参数，在实际测量工作中就可以实现2个独立波段光谱的平滑接谱。
[0026]由于振镜的固有频率范围约为数十至数百赫兹，为了获得稳定的振动状态，采用正弦或方波电压以微镜的固有频率驱动平动微镜4，平动微镜4将以其固有频率做简谐振动。微镜在一个周期的运动过程中，运动速度按正弦规律变化，其最大运动速率高于平均运动速率。为了获得不失真的干涉信号需要在微镜运动周期内完成数千次干涉光信号的采样。
[0027]为使干涉光信号的采样过程与红外探测器响应时间(即探测器响应带宽，采用的碲镉汞红外探测器响应时间约为2 μ s)相配合，建立微镜运动的控制方程，然后通过辅助干涉仪的定标输出信号作为实时反馈信号，通过高速DSP确定下一时刻对平动微镜4所施加的驱动电压，从而实现对平动微镜4的近似匀速驱动控制，且速度被控制在适合范围内。
[0028]由于干涉仪尺寸很小，热膨胀导致的底板形变对干涉仪影响严重，所以采用低热膨胀系数的金属设计一个温度分布均匀的光学平板作为干涉仪底座，所有光学元件被固定在其上，固定方式采用导热的钎焊或导热胶粘接，同时在光学平板底部焊接热电致冷器，通过恒温控制电路，对底板进行恒温控制，最大限度地减少由于温度变化对谱仪精度的影响。热电致冷器焊接于导热金属底板上，导热金属底板除了负责真空密封外，还负责将热量导出，并将光电元件的电极导出真空室。
【主权项】
1.一种融合了 MEMS平动微镜与扭转微镜技术的傅里叶红外光谱仪系统，它由红外分束器(I)、第一固定镜(2)、扭转微镜(3)、平动微镜(4)、第一探测器(5)、第二探测器(6)、半导体激光光源(7)、激光分束镜(8)、第二固定镜(9)、相位延时器(10)、反射镜(11)、第三探测器(12)第四探测器(13)组成；所述光谱仪包括主干涉仪和辅助干涉仪系统两个子系统，且主、辅两个干涉仪共用一个平动微镜(4); 其特征在于:在傅里叶红外光谱测量系统中同时采用MEMS平动微镜和扭转微镜。2.根据权利要求1所述的傅里叶红外光谱仪中的主干涉仪子系统，由红外分束器(I)、第一固定镜(2)、扭转微镜(3)、与辅助干涉仪共用的平动微镜(4)，以及1.5-3 μm碲镉汞红外第一探测器(5)、3-5μπι波段的碲镉汞第二探测器(6)组成；入射光入射到主干涉仪后，通过红外分束器(I)后分别射向第一固定镜(2)和平动微镜(4)，最后红外光由第一固定镜(2)和平动微镜(4)反射后发生干涉，干涉信号射向扭转微镜(3)，扭转微镜(3)通过摆动运动将干涉光束射向第一探测器(5)或第二探测器￠)中的一个；第一探测器5和第二探测器6分别采用波段为1.5-3 μ m，以及3-5 μ m波段的碲镉汞红外探测器，完成两个波段的独立的干涉图样采集； 其特征在于:主干涉仪系统中设置有双探测器，第一探测器(5)以及第二探测器(6)，干涉光信号是通过MEMS扭转微镜来实现探测转换。3.根据权利要求1和权利要求2所述的傅里叶红外光谱仪中的辅助干涉仪系统，由半导体激光光源(7)、激光分束镜(8)、第二固定镜(9)、平动微镜(4)、相位延时器(10)、反射镜(11)、第三探测器(12)、第四探测器(13)组成；辅助干涉仪用半导体激光器作为光源，激光被扩束后通过半透半反镜，其中射向平动微镜(4)的一路光束有一半光通过相位延迟器，延迟相位1/2 ，另外一半光束直接射向平动微镜(4)，两个“半束”光同第二固定镜9返回的光产生干涉，“半束”干涉光被第四探测器(13)接收，另外“半束”存在1/2JI相位延迟的干涉光被第三探测器(12)接收，第四探测器(13)与第三探测器(12)的干涉条纹相位相差1/2 ，由此两个干涉条纹信号，测量出微镜的运动方向，并得到微镜的运动路程，具此对主干涉仪获得的干涉图样定标，最终利用傅里叶变换方法获得宽谱段的光谱数据； 其特征在于，通过辅助干涉仪将光束对半分开后分别实现干涉并探测，对主干涉仪中的平动微镜的位置实现绝对定标。
【文档编号】G01J3/28GK105890758SQ201410850183
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月31日
【发明人】徐晓轩, 李昊宇, 王斌, 叶坤涛, 郭振龙
【申请人】南开大学, 江西理工大学