一種同時采用mems平動與扭轉(zhuǎn)微鏡的微型傅里葉紅外光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種融合了MEMS平動微鏡與扭轉(zhuǎn)微鏡技術(shù)的傅里葉紅外光譜儀系統(tǒng)，包括主干涉儀和輔助干涉儀系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，主、輔兩個干涉儀共用一個平動微鏡。其中的扭轉(zhuǎn)微鏡采用扭力梁結(jié)構(gòu)，靜電或磁感應(yīng)方式驅(qū)動，可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)擺動，頻率從幾十赫茲至幾千赫茲，轉(zhuǎn)動角度達最高到五十度。而其中的平動微鏡采用彈簧振動結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)微鏡面的平動，平動頻率達到百赫茲以上，平動范圍可以達到百微米以上。這些微鏡均具有無摩擦，高重復(fù)，高穩(wěn)定性等特點，由于微鏡尺寸小，質(zhì)量小，慣性和轉(zhuǎn)動慣量小，所以具有極好的抗震性，可以實現(xiàn)微型干涉儀。
【專利說明】
一種同時采用MEMS平動與扭轉(zhuǎn)微鏡的微型傅里葉紅外光譜儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明為一種采用MEMS(微機電系統(tǒng))微鏡的微型傅立葉紅外光譜測量系統(tǒng)，可以應(yīng)用于光譜測量、光譜儀器等領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]紅外光譜由于其特征性強，可以提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富信息，對一些試樣可以進行無損檢測，并可對微量樣品進行測試，因此它不僅是物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的強有力工具，也是分析鑒定的有效方法。紅外光譜技術(shù)在食品科學(xué)和食品安全、環(huán)境污染檢測、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、石油地質(zhì)勘探、材料科學(xué)等許多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。傅立葉紅外光譜儀與傳統(tǒng)的分光式紅外光譜儀相比有測量速度快，靈敏度高等優(yōu)點，非常適合快速分析測量。
[0003]由于各種礦物在可見、近紅外、中紅外均具有不同的光譜特征，因此利用光譜分析方法可以對礦物和巖石進行識別和含量分析。I μπι?5 μπι波段對于礦物檢測非常重要，尤其是在空間遙感領(lǐng)域。由于各種巖石礦物在化學(xué)組份和物理性質(zhì)上存在差異，它們在可見光、近紅外和中紅外波長范圍(0.38?5.0 μm)的反射光譜分布各不相同，0.4?1.3 μπι波長范圍內(nèi)巖石礦物的光譜特征主要是由它們的表面色澤、粗糙度和所含的過渡金屬離子元素所決定的。1.3?2.5 μπι近紅外波段的反射光譜，是由OH ,H2OXO32等陰離子團的分子振動引起的，如碳酸鹽礦物的反射光譜在2.30?2.35 μπι處存在特征光譜吸收帶。在
2.5?5 μπι的中紅外波段反射光譜反映了某些架狀和島狀的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，如果充分利用硅酸鹽的中紅外光譜特征，將可以探測可見和近紅外光譜無法完成的探測目標:鈣長石、橄欖石、石英和堿性長石等。尤其硅酸鹽是研究行星起源演化的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而碳酸鹽、硫酸鹽是研究水體的存在及演化的重要數(shù)據(jù)。對于土壤測量，兩個大氣窗口波段(I?3μπι和3?5μπι)同樣重要。綜上所述，對于巖石礦物跨越I?5μπι波段的光譜測量，將彌補目前儀器由于探測器、結(jié)構(gòu)等方面原因在2.5?5 μπι波段存在的薄弱環(huán)節(jié)。
[0004]礦物勘探往往需要在現(xiàn)場完成，如:野外勘探、找礦，太空和小行星探測(如探月，火星探測)等，儀器工作環(huán)境惡劣，要求儀器小型化、輕重量以及符合便攜的同時，具備很好的抗振性，抗大角度傾斜，抗環(huán)境干擾。不僅在礦物遙感、檢測領(lǐng)域，目前食品安全、環(huán)境保護、軍事、安全等許多領(lǐng)域都需要對試樣進行現(xiàn)場檢測。因此用于現(xiàn)場的便攜傅立葉紅外光譜儀的研制，同樣可以為這些領(lǐng)域提供快速有效的分析測量工具，此類儀器具有很廣的應(yīng)用基礎(chǔ)。
[0005]由于紅外光譜儀器對工作環(huán)境有著比較苛刻的要求，目前絕大多數(shù)紅外光譜分析都在實驗室內(nèi)進行。早期紅外光譜儀基于棱鏡或衍射光柵，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，但是探測靈敏度低的弱點阻礙了它的發(fā)展，對高靈敏度探測器的依賴和對光學(xué)系統(tǒng)的苛刻要求成為此類技術(shù)的瓶頸。在紅外光譜發(fā)展中，出現(xiàn)了時間調(diào)制型儀器和空間調(diào)制型儀器兩種干涉光譜儀?；邴溈藸栠d干涉儀的紅外傅立葉光譜儀是時間調(diào)制型儀器的典型，由于沒有狹縫限制，其能量利用率比分光型儀器大兩個數(shù)量級，但是卻對微鏡運動過程中的傾斜或橫移等指標提出了很高要求，使系統(tǒng)穩(wěn)定性大大降低?？臻g調(diào)制型光譜儀回避了精密微鏡系統(tǒng)穩(wěn)定性難題，它由干涉儀組件、傅氏鏡、柱面鏡、陣列探測器等幾個部分組成。干涉儀、傅氏鏡與柱面鏡構(gòu)成干涉儀系統(tǒng)，在陣列探測器上得到空間干涉條紋，不需要任何移動部件即可獲得光譜信號，由于其測量光譜速度快，因此被廣泛應(yīng)用于成像光譜儀器中。
[0006]雖然具有干涉類光譜儀器的高靈敏特性，但是光譜分辨率很難達到時間調(diào)制型儀器的水平。目前，出現(xiàn)了多種改進型空間調(diào)制干涉光譜儀以及時間調(diào)制方式的干涉光譜儀。
[0007]隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，光譜測量系統(tǒng)中采用MEMS微鏡代替運動微鏡的機械機構(gòu)，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、探測靈敏度和探測速度，此類儀器將會是便攜傅立葉紅外儀器的一個重要發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對【背景技術(shù)】存在的問題本發(fā)明采用MEMS (微機電系統(tǒng))平動微鏡4與MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡3技術(shù)融合的微型傅里葉紅外光譜測量系統(tǒng)。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種融合了 MEMS平動微鏡與扭轉(zhuǎn)微鏡技術(shù)的傅里葉紅外光譜儀系統(tǒng)，包括主干涉儀和輔助干涉儀系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，主、輔兩個干涉儀共用一個平動微鏡4。
[0011]前述主干涉儀包括紅外分束器1、第一固定鏡2、扭轉(zhuǎn)微鏡3、與輔助干涉儀共用的平動微鏡4，以及1.5-3 μπι碲鎘汞紅外第一探測器5、3-5 μπι波段的碲鎘汞第二探測器6。
[0012]入射光入射到主干涉儀后，通過紅外分束器I后分別射向第一固定鏡2和平動微鏡4，最后紅外光由第一固定鏡2和平動微鏡4反射后發(fā)生干涉，干涉信號射向扭轉(zhuǎn)微鏡3，扭轉(zhuǎn)微鏡3通過擺動運動將干涉光束射向第一探測器5或第二探測器6中的一個。第一探測器5和第二探測器6分別采用波段為1.5-3 μ m，以及3_5 μ m波段的碲鎘汞紅外探測器，完成兩個波段的獨立的干涉圖樣采集。
[0013]輔助干涉儀包括半導(dǎo)體激光光源7、激光分束鏡8、第二固定鏡9、平動微鏡4 (與輔助干涉儀共用)、相位延時器10、反射鏡11、第三探測器12、第四探測器13。
[0014]輔助干涉儀用半導(dǎo)體激光器作為光源，激光被擴束后通過半透半反鏡，其中射向平動微鏡4的一路光束有一半光通過相位延遲器，延遲相位1/2 ，另外一半光束直接射向平動微鏡4，兩個“半束”光同第二固定鏡9返回的光產(chǎn)生干涉，“半束”干涉光被第四探測器13接收，另外“半束”(存在1/2JI相位延遲)干涉光被第三探測器12接收，第四探測器13與第三探測器12的干涉條紋相位相差1/2 ，由此兩個干涉條紋信號，測量出微鏡的運動方向，并得到微鏡的運動路程，具此對主干涉儀獲得的干涉圖樣定標，最終利用傅里葉變換方法獲得寬譜段的光譜數(shù)據(jù)(圖1中僅僅畫出主干涉儀和輔助干涉儀簡化原理，實際光路中，還有多個相位補償片等其它光學(xué)元件)。
[0015]其中的扭轉(zhuǎn)微鏡3采用扭力梁結(jié)構(gòu)，靜電或磁感應(yīng)方式驅(qū)動，可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)擺動，頻率從幾十赫茲至幾千赫茲，轉(zhuǎn)動角度達最高到五十度。而其中的平動微鏡4采用彈簧振動結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)微鏡面的平動，平動頻率達到百赫茲以上，平動范圍可以達到百微米以上。這些微鏡均具有無摩擦，高重復(fù)，高穩(wěn)定性等特點，由于微鏡尺寸小，質(zhì)量小，慣性和轉(zhuǎn)動慣量小，所以具有極好的抗震性，可以實現(xiàn)微型干涉儀。
【附圖說明】
[0016]圖1為儀器的主-輔干涉儀示意圖；
[0017]圖中:1、紅外分束器；2、第一固定鏡；3、扭轉(zhuǎn)微鏡；4、平動微鏡；5、第一探測器；6、第二探測器；7、半導(dǎo)體激光光源；8、激光分束鏡；9、第二固定鏡；10、相位延時器；11、反射鏡；12、第三探測器；13、第四探測器。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0019]如圖1所示本發(fā)明利用MEMS平動微微鏡4構(gòu)成微型雙麥克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，采用MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡來實現(xiàn)探測器轉(zhuǎn)換，并集成其它光學(xué)元件構(gòu)成超小型光譜儀。
[0020]如圖1所示，圖的左側(cè)是主干涉儀部分，負責(zé)信號光干涉測量。右側(cè)是輔助干涉儀部分，采用半導(dǎo)體激光作為參考的標準干涉計量。平動微鏡4的正反兩面均鍍有紅外反射膜，主、輔兩個干涉儀共用一個微鏡。由于采用了 MEMS平動微鏡4，使得儀器具有極高的掃描速度，遠遠超過常規(guī)機械微鏡的傅立葉光譜儀。
[0021]如圖1所示，在主干涉儀中，利用一個MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡3對探測器進行切換。MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡3采用磁感應(yīng)驅(qū)動方式，具有微型小尺寸、高速度(擺動頻率可以達到數(shù)百赫茲)、無摩擦、高重復(fù)性和穩(wěn)定性、長壽命的優(yōu)點。
[0022]為了滿足近紅外-中紅外部分波段(1.5-5 μπι波段)的測量，采用2個獨立波段的碲鎘汞紅外探測器，1.5-3 μ m波段的第一探測器5，以及3-5 μ m波段的第二探測器6組合完成。紅外信號光從左側(cè)入射，通過紅外分束器I后分別射向第一固定鏡2和平動微鏡4，最后干涉信號射向扭轉(zhuǎn)微鏡3，扭轉(zhuǎn)微鏡3通過擺動運動將干涉光束射向第一探測器5或第二探測器6中的一個。第一探測器5和第二探測器6分別采用波段為1.5-3 μ m，以及3-5 μ m波段的碲鎘汞紅外探測器，完成兩個波段的獨立的干涉圖采集。
[0023]輔助干涉儀用半導(dǎo)體激光器作為光源，激光被擴束后的一個“粗”光束通過半透半反鏡，其中射向微鏡的一路光束有一半光通過相位延遲器，延遲相位1/2π，另外一半光束直接射向微鏡，這兩個“半束”光同固定鏡返回的光產(chǎn)生干涉，“半束”干涉光被第四探測器13接收，另外“半束”(存在1/2JI相位延遲)干涉光被第三探測器12接收，第四探測器13與第三探測器12的干涉條紋相位相差1/2 Ji，由此兩個干涉條紋信號，根據(jù)相位超前的判斷，可以測量出微鏡的運動方向，同時利用計數(shù)器對兩個干涉條紋計數(shù)，可以得到微鏡的運動路程，即對平動微鏡4相對于起始位置的位移進行“絕對”定標；“絕對”定標的同時利用鑒相和細分技術(shù)獲得適合的采樣觸發(fā)信號，對主干涉儀中的第一探測器5或第二探測器6進行采樣控制，獲得足夠多的采樣點數(shù)，得到干涉圖。(圖1中僅畫出主干涉儀和輔助干涉儀簡化原理，實際光路中，還有多個相位補償片等其它光學(xué)元件。)
[0024]由于有輔助干涉儀的絕對定標，可以在平動微鏡4由正向最大位移到負向最大位移的過程中使用第一探測器5測量干涉圖，當平動微鏡4達到負向最大位移后，扭轉(zhuǎn)微鏡3運動，將干涉光束切換到第二探測器6，而在隨后的平動微鏡4由負向最大位移到正向最大位移的過程中使用第二探測器6測量干涉圖，這樣在平動微鏡4的一個完整運動周期內(nèi)，采集了 2個獨立波段的干涉圖，通過傅立葉變換得到2個獨立波段的光譜圖。
[0025]采用標準黑體光源對光譜儀器進行光譜強度定標，并計算相應(yīng)的歸一化參數(shù)。有了歸一化參數(shù)，在實際測量工作中就可以實現(xiàn)2個獨立波段光譜的平滑接譜。
[0026]由于振鏡的固有頻率范圍約為數(shù)十至數(shù)百赫茲，為了獲得穩(wěn)定的振動狀態(tài)，采用正弦或方波電壓以微鏡的固有頻率驅(qū)動平動微鏡4，平動微鏡4將以其固有頻率做簡諧振動。微鏡在一個周期的運動過程中，運動速度按正弦規(guī)律變化，其最大運動速率高于平均運動速率。為了獲得不失真的干涉信號需要在微鏡運動周期內(nèi)完成數(shù)千次干涉光信號的采樣。
[0027]為使干涉光信號的采樣過程與紅外探測器響應(yīng)時間(即探測器響應(yīng)帶寬，采用的碲鎘汞紅外探測器響應(yīng)時間約為2 μ s)相配合，建立微鏡運動的控制方程，然后通過輔助干涉儀的定標輸出信號作為實時反饋信號，通過高速DSP確定下一時刻對平動微鏡4所施加的驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)對平動微鏡4的近似勻速驅(qū)動控制，且速度被控制在適合范圍內(nèi)。
[0028]由于干涉儀尺寸很小，熱膨脹導(dǎo)致的底板形變對干涉儀影響嚴重，所以采用低熱膨脹系數(shù)的金屬設(shè)計一個溫度分布均勻的光學(xué)平板作為干涉儀底座，所有光學(xué)元件被固定在其上，固定方式采用導(dǎo)熱的釬焊或?qū)崮z粘接，同時在光學(xué)平板底部焊接熱電致冷器，通過恒溫控制電路，對底板進行恒溫控制，最大限度地減少由于溫度變化對譜儀精度的影響。熱電致冷器焊接于導(dǎo)熱金屬底板上，導(dǎo)熱金屬底板除了負責(zé)真空密封外，還負責(zé)將熱量導(dǎo)出，并將光電元件的電極導(dǎo)出真空室。
【主權(quán)項】
1.一種融合了 MEMS平動微鏡與扭轉(zhuǎn)微鏡技術(shù)的傅里葉紅外光譜儀系統(tǒng)，它由紅外分束器(I)、第一固定鏡(2)、扭轉(zhuǎn)微鏡(3)、平動微鏡(4)、第一探測器(5)、第二探測器(6)、半導(dǎo)體激光光源(7)、激光分束鏡(8)、第二固定鏡(9)、相位延時器(10)、反射鏡(11)、第三探測器(12)第四探測器(13)組成；所述光譜儀包括主干涉儀和輔助干涉儀系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，且主、輔兩個干涉儀共用一個平動微鏡(4); 其特征在于:在傅里葉紅外光譜測量系統(tǒng)中同時采用MEMS平動微鏡和扭轉(zhuǎn)微鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傅里葉紅外光譜儀中的主干涉儀子系統(tǒng)，由紅外分束器(I)、第一固定鏡(2)、扭轉(zhuǎn)微鏡(3)、與輔助干涉儀共用的平動微鏡(4)，以及1.5-3 μm碲鎘汞紅外第一探測器(5)、3-5μπι波段的碲鎘汞第二探測器(6)組成；入射光入射到主干涉儀后，通過紅外分束器(I)后分別射向第一固定鏡(2)和平動微鏡(4)，最后紅外光由第一固定鏡(2)和平動微鏡(4)反射后發(fā)生干涉，干涉信號射向扭轉(zhuǎn)微鏡(3)，扭轉(zhuǎn)微鏡(3)通過擺動運動將干涉光束射向第一探測器(5)或第二探測器￠)中的一個；第一探測器5和第二探測器6分別采用波段為1.5-3 μ m，以及3-5 μ m波段的碲鎘汞紅外探測器，完成兩個波段的獨立的干涉圖樣采集； 其特征在于:主干涉儀系統(tǒng)中設(shè)置有雙探測器，第一探測器(5)以及第二探測器(6)，干涉光信號是通過MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡來實現(xiàn)探測轉(zhuǎn)換。3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的傅里葉紅外光譜儀中的輔助干涉儀系統(tǒng)，由半導(dǎo)體激光光源(7)、激光分束鏡(8)、第二固定鏡(9)、平動微鏡(4)、相位延時器(10)、反射鏡(11)、第三探測器(12)、第四探測器(13)組成；輔助干涉儀用半導(dǎo)體激光器作為光源，激光被擴束后通過半透半反鏡，其中射向平動微鏡(4)的一路光束有一半光通過相位延遲器，延遲相位1/2 ，另外一半光束直接射向平動微鏡(4)，兩個“半束”光同第二固定鏡9返回的光產(chǎn)生干涉，“半束”干涉光被第四探測器(13)接收，另外“半束”存在1/2JI相位延遲的干涉光被第三探測器(12)接收，第四探測器(13)與第三探測器(12)的干涉條紋相位相差1/2 ，由此兩個干涉條紋信號，測量出微鏡的運動方向，并得到微鏡的運動路程，具此對主干涉儀獲得的干涉圖樣定標，最終利用傅里葉變換方法獲得寬譜段的光譜數(shù)據(jù)； 其特征在于，通過輔助干涉儀將光束對半分開后分別實現(xiàn)干涉并探測，對主干涉儀中的平動微鏡的位置實現(xiàn)絕對定標。
【文檔編號】G01J3/28GK105890758SQ201410850183
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月31日
【發(fā)明人】徐曉軒, 李昊宇, 王斌, 葉坤濤, 郭振龍
【申請人】南開大學(xué), 江西理工大學(xué)