一种基于MEMS微镜的干涉仪一体镜及系统

本发明属于mems微镜的紧凑型ftir光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种基于mems微镜的干涉仪一体镜及系统。

背景技术：

傅里叶变换红外光谱仪(fouriertransforminfraredspectrometer，ftir)主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪的主要功能是使光源发出的光分为两束后形成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强度按频率的分布。它克服了色散型光谱仪分辨能力低、光能量输出小、光谱范围窄、测量时间长等缺点。它不仅可以测量各种气体、固体、液体样品的吸收、反射光谱等，而且可用于短时间化学反应测量。目前，红外光谱仪在电子、化工、医学等领域均有着广泛的应用。

传统的基于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)微镜的ftir光谱仪的干涉仪部分由分离的定镜、动镜和分束器组成，不仅体积比较大，而且装配难度很高，各光学件均需要精密微调。另外干涉仪对温度比较敏感，温度变化导致的光学或机械部分的热变形也会影响系统性能。由于采用分离的光学件，对抗振性和稳定性的要求也比一体镜的要求高。

基于mems微镜的ftir光谱仪的光谱分辨率是由mems微镜的最大行程决定的，传统的定镜、动镜与分束器的组合，双光束干涉的最大光程差是mems微镜最大行程的2倍关系，为了提高光谱分辨率，只能尽可能提高mems微镜的最大行程，但又由于工艺或其它原因，mems微镜的最大行程受到诸多限制。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于mems微镜的干涉仪一体镜及系统，其目的在于解决传统干涉仪装配难度高、抗振性差、光谱分辨率不高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于mems微镜的干涉仪一体镜，所述一体镜包括：分光三棱镜、增透三棱镜、第一导光三棱镜、第二导光三棱镜和mems微镜；

分光三棱镜的垂直面与增透三棱镜的垂直面接触，入射光垂直于分光三棱镜的斜面入射至接触面，其与接触面的接触点即为分光点，入射光在分光点分成两光束，其中，第一光束经分光三棱镜反射至第一导光三棱镜，第一导光三棱镜引导第一光束垂直入射至mems微镜的第一镜面；第二光束经增透三棱镜透射至第二导光三棱镜，第二导光三棱镜引导第二光束垂直入射至mems微镜的第二镜面；mems微镜为双面反射镜，用于调整两光束的光程差，调整光程差后的两光束原路返回至分光点，在分光点发生干涉后从增透三棱镜的斜面垂直射出。

优选地，第一导光三棱镜的垂直面和第二导光三棱镜的垂直面平行相对设置，mems微镜在两垂直面之间平行往复移动，调整两光束的光程差。

优选地，分光三棱镜与增透三棱镜对称，第一导光三棱镜与第二导光三棱镜对称。

优选地，分光三棱镜的另一垂直面与第一导光三棱镜的垂直面接触，增透三棱镜的另一垂直面与第二导光三棱镜的垂直面接触；

第一光束从分光三棱镜的另一垂直面出射后，从接触面入射至第一导光三棱镜的斜面并经斜面反射垂直入射至mems微镜的第一镜面；第二光束从增透三棱镜的另一垂直面出射后，从接触面入射至第二导光三棱镜的斜面并经斜面反射垂直入射至mems微镜的第二镜面。

优选地，分光三棱镜的垂直面镀半透半反膜，另一垂直面和斜面镀增透膜；增透三棱镜的三个面均镀增透膜；第一导光三棱镜、第二导光三棱镜的斜面镀高反膜，两垂直面镀增透膜；mems微镜的两镜面镀高反膜。

优选地，入射光为准直光，包括物体漫反射光和参考激光；出射光包括出射参考激光和出射物体漫反射光；所述出射参考激光用于所述mems微镜的运动位置反馈，所述出射物体漫反射光用于计算物体吸收谱。

优选地，所述一体镜还包括第一二向色分束镜，用于将入射物体漫反射光和入射参考激光合束，形成共轴参考激光与物体漫反射光。

优选地，所述一体镜还包括第二二向色分束镜，用于将所述一体镜的出射光分为出射参考激光和出射物体漫反射光。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于mems微镜的干涉仪系统，包括如第一方面所述的基于mems微镜的干涉仪一体镜，还包括第一光探测器和第二光探测器，分别用于接收出射物体漫反射光和出射参考激光。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的基于mems微镜的干涉仪一体镜，相较于传统的将分束镜、定镜和动镜等元件分离设计的方式，能够降低系统的装调难度、减小系统的装调误差、提高系统的抗振性和稳定性、缩小系统的体积，为设计基于mems微镜的紧凑型ftir光谱仪提供便利。

2、本发明提出的基于mems微镜的干涉仪一体镜，采用的mems微镜为双面反射镜，能够放大光束之间的光程差，从而提高光谱分辨率；与传统的干涉仪相比，在相同mems微镜行程的条件下，提高了光谱分辨率，从而降低了对mems微镜的最大振幅要求。

3、本发明提出的基于mems微镜的干涉仪一体镜为对称结构，可有效消除温度变化导致的光学元件热变形对光干涉的影响。并且，能够使得不同光束的相同波长的光在棱镜内通过的光程相等，补偿色散对系统产生的影响。

4、本发明提出的基于mems微镜的干涉仪一体镜，对入射光方向不敏感，有效降低了ftir系统中其它光学元件相对于该一体镜的装配误差所带来的不良影响。

附图说明

图1为本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜结构图之一；

图2为本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜结构图之二；

图3为本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜的入射光垂直于分光三棱镜的斜面入射时的仿真结果图；

图4为本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜的入射光顺时针偏转1°从分光三棱镜的斜面入射时的仿真结果图；

图5为本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜的入射光逆时针偏转1°从分光三棱镜的斜面入射时的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种基于mems微镜的干涉仪一体镜，如图1所示，所述一体镜包括：

分光三棱镜1、增透三棱镜2、第一导光三棱镜3、第二导光三棱镜4和mems微镜5；

分光三棱镜1的垂直面1-2与增透三棱镜2的垂直面2-2接触，入射光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射至接触面，其与接触面的接触点即为分光点，入射光在分光点分成两光束，其中，第一光束经分光三棱镜1反射至第一导光三棱镜3，第一导光三棱镜3引导第一光束垂直入射至mems微镜5的第一镜面5-1；第二光束经增透三棱镜2透射至第二导光三棱镜4，第二导光三棱镜4引导第二光束垂直入射至mems微镜5的第二镜面5-2；mems微镜5为双面反射镜，用于调整两光束的光程差，调整光程差后的两光束原路返回至分光点，在分光点发生干涉后从增透三棱镜2的斜面垂直射出。

具体地，第一光束从分光三棱镜1的另一垂直面1-3出射，第一导光三棱镜3引导第一光束垂直入射至mems微镜5的第一镜面5-1；第二光束从增透三棱镜2的另一垂直面4-1出射，第二导光三棱镜4引导第二光束垂直入射至mems微镜5的第二镜面5-2。

入射光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射至垂直面，经垂直面1-2反射和透射，分成第一光束b1和第二光束b2，分光点即为入射光与垂直面1-2的接触点。

优选地，为减小光损失，分光三棱镜1的垂直面1-2与增透三棱镜2的垂直面2-2胶合。

第一光束b1从分光三棱镜1的另一垂直面1-3出射后，入射至第一导光三棱镜3的斜面3-2，经斜面3-2反射后垂直入射至mems微镜5的第一镜面5-1；第二光束b2从增透三棱镜2的另一垂直面2-3出射后，入射至第二导光三棱镜的斜面2-1，经斜面2-1反射后垂直入射至mems微镜5的第二镜面5-2；第一光束b1和第二光束b2分别经过mems微镜5的第一镜面5-1和第二镜面5-2反射，原路返回至分光点发生干涉；mems微镜通过移动调整两光束的光程差，调整光程差后的两光束原路返回至分光点，在分光点发生干涉后从增透三棱镜2的斜面垂直射出。

可以理解的是，所述第一光束b1和所述第二光束b2的初始光程差为0，可实现非相干宽带光源干涉。

所述mems微镜5的第一镜面5-1和第二镜面5-2平行。

所述mems微镜5的动态倾斜和动态形变均可控。

具体地，所述mems微镜5的倾斜角度和形变均在可控范围内，可保持较为稳定的工作状态，从而进一步提高所述干涉仪一体镜的抗振性和稳定性。

本发明实施例提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜，相较于传统的将分束镜、定镜和动镜等元件分离设计的方式，能够降低系统的装调难度、减小系统的装调误差、提高系统的抗振性和稳定性、缩小系统的体积，为设计基于mems微镜的紧凑型ftir光谱仪提供便利。此外，本发明提出的基于mems微镜的干涉仪一体镜采用的mems微镜为双面反射镜，能够放大光束之间的光程差，从而提高光谱分辨率；与传统的干涉仪相比，在相同mems微镜行程的条件下，提高了光谱分辨率，降低了对mems微镜的最大振幅要求。

优选地，第一导光三棱镜3的垂直面和第二导光三棱镜4的垂直面平行相对设置，mems微镜5在两垂直面之间平行往复移动，调整两光束的光程差。

具体地，所述mems微镜5位于第一导光三棱镜3和第二导光三棱镜4的中间位置，所述mems微镜5的第一镜面5-1、第二镜面5-2、所述第一导光三棱镜3的斜面3-3和第二导光三棱镜4的垂直面4-3平行，所述mems微镜5可在所述第一导光三棱镜3和第二导光三棱镜4之间平行往复移动。

所述mems微镜5在所述第一导光三棱镜3和第二导光三棱镜4之间平行往复移动，使得系统光程差产生变化，而干涉光强度是光程差的函数，通过测量微镜的不同位置，即不同光程差下的干涉光强度得到相应函数，对该函数进行傅里叶变换就可以得到入射光的频谱。

可选地，所述mems微镜5可在所述第一导光三棱镜3和第二导光三棱镜4之间平行移动或平行往复移动。

所述mems微镜5在所述第一导光三棱镜3和第二导光三棱镜4之间的平行移动或平行往复移动，均可通过驱动结构实现。

可以理解的是，由于mems微镜5为双面反射镜，第一光束b1和第二光束b2的最大光程差是所述mems微镜5的最大行程的4倍关系；然而传统的定镜、动镜与分束器的组合，双光束干涉的最大光程差是mems微镜最大行程的2倍关系，由此可见，本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜增大了光束之间的光程差，根据ftir光谱测量原理可知光谱分辨率与最大光程差成反比，因此光程差的增大，能够提高光谱分辨率，从而降低了对mems微镜的最大振幅要求。

优选地，所述分光三棱镜1与增透三棱镜2对称，第一导光三棱镜3与第二导光三棱镜4对称。

由于本发明提供的一体镜呈对称结构，可有效消除光学元件的热变形对光干涉的影响。并且，所述第一光束b1和第二光束b2在入射微镜5之前，所述第一光束b1和第二光束b2的相同波长的光在棱镜内通过的光程相等，能够补偿色散对系统产生的影响。

优选地，分光三棱镜1的另一垂直面与第一导光三棱镜3的垂直面接触，增透三棱镜2的另一垂直面与第二导光三棱镜4的垂直面接触。

为减小光损失，分光三棱镜1的另一垂直面1-3与第一导光三棱镜3的垂直面3-1胶合，增透三棱镜2的另一垂直面2-3与第二导光三棱镜4的垂直面4-1胶合。

第一光束从分光三棱镜1的另一垂直面出射后，从接触面入射至第一导光三棱镜3的斜面并经斜面反射垂直入射至mems微镜5的第一镜面；第二光束从增透三棱镜2的另一垂直面出射后，从接触面入射至第二导光三棱镜4的斜面并经斜面反射垂直入射至mems微镜5的第二镜面。

优选地，分光三棱镜1的垂直面镀半透半反膜，另一垂直面和斜面镀增透膜；增透三棱镜2的三个面均镀增透膜；第一导光三棱镜、第二导光三棱镜的斜面镀高反膜，两垂直面镀增透膜；mems微镜5的两镜面镀高反膜。

具体地，所述分光三棱镜1的垂直面1-2镀半透半反膜，斜面1-1和另一垂直面1-3镀增透膜；所述增透三棱镜2的三个镜面2-1、2-2和2-3均镀增透膜；所述第一导光三棱镜3的两垂直面3-1和3-3镀增透膜，斜面3-2镀高反膜；所述第二导光三棱镜4的两垂直面4-1和4-3镀增透膜，斜面4-2镀高反膜；所述mems微镜5为双面反射镜，所述mems微镜5的第一镜面5-1和第二镜面5-2镀高反膜。

优选地，入射光为准直光，包括物体漫反射光和参考激光；出射光包括出射参考激光和出射物体漫反射光；所述出射参考激光用于所述mems微镜5的运动位置反馈，所述出射物体漫反射光用于计算物体吸收谱。

具体地，所述一体镜的入射光为准直光，所述准直光包括物体漫反射光和参考激光。

可通过调整入射光的角度，使所述准直光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射；也可通过调整所述分光三棱镜1的斜面1-1，使所述准直光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射。

优选地，所述一体镜还包括第一二向色分束镜6，用于将入射物体漫反射光和入射参考激光合束，形成共轴参考激光与物体漫反射光。

所述一体镜还包括第一二向色分束镜6，用于将入射物体漫反射光和入射参考激光合束，形成共轴参考激光与物体漫反射光；所述共轴参考激光与物体漫反射光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射。

具体地，如图2所示，通过增加第一二向色分束镜6，将入射物体漫反射光和入射参考激光合束，输出共轴参考激光与物体漫反射光；所述共轴参考激光与物体漫反射光垂直于分光三棱镜1的斜面1-1入射到分光三棱镜1的垂直面1-2上，分成第一光束b1和第二光束b2。

优选地，所述一体镜还包括第二二向色分束镜7，用于将所述一体镜的出射光分为出射参考激光和出射物体漫反射光。

具体地，如图2所示，第一光束b1与第二光束b2分别经mems微镜5的第一镜面5-1和第二镜面5-2反射后，在分光棱镜的垂直面1-2上实施干涉，合成的干涉光垂直于增透三棱镜2的斜面2-1入射到第二二向色分束镜，第二二向色分束镜7将从增透三棱镜的第一镜面2-1射出的出射光进行分束，分为出射参考激光和出射物体漫反射光。

采用zemax仿真软件对本发明提供的基于mems微镜的干涉仪一体镜分别在入射光垂直于分光三棱镜的斜面1-1入射时、入射光顺时针偏转1°从分光三棱镜的斜面1-1入射时和入射光逆时针偏转1°从分光三棱镜的斜面1-1入射时进行仿真，仿真结果如图3-5所示。由图3-5可知，在入射光相对一体镜有一定倾角的情况下，出射光仍然可以很好的重合及干涉，证明该一体镜对入射光方向不敏感，有效降低了ftir系统其它光学元件相对于该一体镜的装配误差所带来的不良影响。

本发明实施例还提供一种基于mems微镜的干涉仪系统，包括如上述任一实施例所述的基于mems微镜的干涉仪一体镜，还包括第一光探测器和第二光探测器，分别用于接收出射物体漫反射光和出射参考激光。

具体地，所述出射物体漫反射光可由第一光探测器pd#1接收，所述出射参考激光可由第二光探测器pd#2接收。

具体地，经过干涉后的物体漫反射光和参考激光分别被pd#1和pd#2接收。所述mems微镜5的平行往复移动会对入射光产生相位调制，pd#2接收的调制参考激光用于mems微镜5的位置反馈，pd#1接收的调制物体漫反射光用于计算物体的吸收谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。