基于離軸拋物反射鏡的高分辨率mems微鏡紅外光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光譜分析儀器技術領域，涉及一種基于離軸拋物面反射鏡、MEMS微鏡的紅外光譜儀。
【背景技術】
[0002]紅外光譜儀是一種通過測定物質的發射光譜、透射或漫反射吸收光譜對物質的分子結構和化學組份進行定性、定量分析的精密光學儀器。紅外光譜儀在使用過程中具有使用簡單、快速、無損、清潔無污染等優點，被廣泛用于工業、農業、軍事、醫藥、科技、石油化工、航空航天、環境保護等眾多領域，是最為重要的光學分析儀器之一。
[0003]近些年，隨著經濟的發展、科技的進步、工業化水平的提高，紅外光譜儀的市場需求量不斷增長，與此同時，人們也對紅外光譜儀的使用提出了微型、便攜、能夠進行現場實時在線檢測等新的要求。于是，在廣闊市場的牽引下，研制方便耐用、結構緊湊的便攜式微型紅外光譜儀成為國內外科研工作者的研宄熱點。
[0004]基于MEMS技術的紅外光譜儀，是以微機械加工技術制作的MEMS微光學元件作為核心關鍵器件研制的微型紅外光譜儀。由于MEMS光學器件的使用，基于MEMS技術的光譜儀具有體積小、重量輕、性能穩定、成本低廉、能夠滿足實時、在線快速檢測要求等優點。利用MEMS技術研制基于各種結構原理的微型光譜儀已成為當前光譜儀的主流發展方向。
[0005]基于MEMS微鏡的微型光譜儀，是利用閃耀光柵和基于MEMS技術研制的掃描微鏡，代替傳統光柵光譜儀通過機械部件帶動光柵掃描，實現復合光束掃描與分光的一種光譜檢測儀器，其具有體積小、重量輕、穩定性好、測量快速等優點。但利用MEMS微鏡研制寬光譜范圍、高分辨率、高信噪比的微型紅外光譜儀一直是難以解決的技術問題。
【發明內容】
[0006]本發明針對現代工業對微型化、集成化高性能紅外光譜儀的應用需求，提出基于離軸拋物面反射鏡及MEMS微鏡，研制一種微型化高分辨率紅外光譜儀。
[0007]本發明提供的紅外光譜儀，采用的技術方案如下:基于離軸拋物反射鏡的MEMS微鏡紅外光譜儀，包括光纖連接器(I)、入射狹縫(2 )、拋物面反射鏡(3 )、掃描鏡(4 )、閃耀光柵(5)、聚焦反射鏡(6)、出射狹縫(7)、探測器(8)等部分組成。光纖連接器(I)位于入射狹縫(2)的前端，入射狹縫(2)位于拋物面反射鏡(3)的焦點位置或其附近，待測光信號由光纖連接器(I)輸出后通過入射狹縫(2)照射到拋物面反射鏡(3)上、被準直成為平行光束；掃描鏡(4)的鏡面處于拋物面反射鏡(3)的反射光路上，閃耀光柵(5)放置在掃描鏡(4)鏡面的一側、與掃描鏡呈小于90度夾角，待測光信號被拋物面反射鏡(3)準直為平行光束后照射到掃描鏡(4)的鏡面上，被掃描鏡(4)掃描反射至閃耀光柵上進行色散分光；聚焦反射鏡(6)與閃耀光柵(5)對向放置，由于掃描鏡(4)對平行光束的周期性掃描運動，平行光束在閃耀光柵(5)上的入射角、入射位置也在不斷做周期性變化；與此同時，在儀器的波長探測范圍內、不同波長的光依次以相同衍射角被閃耀光柵(5)衍射至聚焦反射鏡(6)上，被聚焦反射鏡(6)聚焦成像于同一位置點附近，出射狹縫(7)放置于該位置點或其附近；探測器(8)放置在出射狹縫(7)后；這樣，儀器工作過程中，由于掃描鏡(4)的周期性掃描運動，在光譜探測波長范圍內，不同波長的光將依次通過出射狹縫(7)照射到探測器(8)上，實現不同波長光的連續掃描探測。
[0008]本發明中所用拋物面反射鏡(3)為離軸拋物面反射鏡，其主要作用是把耦合進光譜儀的待測光信號離軸準直為平行光束。在研制的光譜儀器系統中，采用離軸拋物面反射鏡作為準直鏡，既有利于光學器件的擺放，又可通過使用短焦拋物面反射鏡增加準直平行光束的光強，提高儀器光譜信號的強度及信噪比。
[0009]本發明中所述掃描鏡(4)是一種基于MEMS(微電子機械系統)技術制作的一種微光學元件，其實質是具有一可繞固定軸(懸臂梁)作周期性扭擺運動鏡面的光學器件。目前，利用MEMS技術研制掃描鏡在技術上已趨于成熟，基于靜電驅動、電磁驅動等多種類型的MEMS掃描鏡均已達到實用化要求。由于MEMS微鏡的使用，可使研制的光譜儀器滿足小體積、低功耗、低成本的性能要求。
[0010]本發明中，外部待測光信號，即可耦合進光纖、經光纖傳輸至光纖連接器(I)后，通過入射狹縫(2)耦合進光譜儀中，又可根據實際需要略去光纖連接器(1)，把外部待測光信號直接通過入射狹縫(2)耦合進光譜儀；此外，根據系統實際需要，或可在光譜儀系統中略去入射狹縫(2)，外部待測光信號經光纖傳輸至光纖連接器(I)后，直接把待測光信號耦合進光譜儀中。
[0011]本發明中，可根據實際需要利用光纖代替出射狹縫(7)，通過光纖把待測光信號傳輸至探測器(8)進行光譜探測(如附圖2所示)。
[0012]本發明中，閃耀光柵(5)緊靠掃描鏡(4)的鏡面放置，可減小平行光束在閃耀光柵
(5)上的移動幅度，有利于降低光譜像的離焦量，提高光譜儀器的分辨率。
[0013]本發明中，聚焦反射鏡(6)既可是球面聚焦反射鏡，又可是拋物面聚焦反射鏡。
[0014]本發明中，光纖連接器(I)既可是利用FC端口制作的連接裝置，又可是基于SMA端口制作的連接裝置。
[0015]本發明的優點:
1.提出的光譜儀器系統，采用離軸拋物面反射鏡作為光譜儀器的準直鏡，既有利于儀器系統中各光學部件的擺放，又可通過使用短焦拋物面反射鏡增加準直平行光束的光強，提高探測器接收到的光信號強度，使研制的儀器具有高信噪比；
2.提出的光譜儀器系統結構，把閃耀光柵緊靠掃描鏡鏡面放置，可減小平行光束在光柵上的移動幅度，降低光譜像平面的離焦量，提高光譜儀器的分辨率，能夠被廣泛應用于各個光譜波段，具有較強的技術優勢；
3.提出的光譜儀器系統結構，結合MEMS掃描鏡、離軸拋物面反射鏡，在實現光譜儀器的模塊化與集成化、降低儀器成本的同時，可使儀器在較寬的波長探測范圍內具有較高的光譜分辨率，解決了利用MEMS掃描鏡研制具有寬光譜范圍、高分辨率、高信噪比紅外光譜儀的技術障礙；
4.提出的光譜儀器系統結構，不但可用于近紅外光譜區域，而且可用于中遠紅外光譜區域及紫外光譜區域，光譜波長探測范圍的拓展性非常強。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明所述基于離軸拋物反射鏡的高分辨率MEMS微鏡紅外光譜儀系統結構圖；圖2為本發明所述紅外光譜儀系統結構中利用光纖連代替出射狹縫時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]如附圖1所示，本發明所提出的光譜儀由光纖連接器1，入射狹縫2，拋物面反射鏡3，掃描鏡4，閃耀光柵5，聚焦反射鏡6，出射狹縫7和探測器8組成。掃描鏡4是基于MEMS技術研制、具有可繞固定旋轉軸做周期性扭擺運動鏡面的微型光學元器件。待測光信號由光纖連接器1、入射狹縫2耦合進光譜儀系統內部后，被拋物面反射鏡3準直為平行光束；掃描鏡4的鏡面位于拋物面反射鏡3的準直光路上，閃耀光柵5緊靠掃描鏡4的鏡面放置、與掃描鏡夾角小于90度，聚焦反射鏡6與閃耀光柵對向放置；掃描鏡4鏡面的周期性掃描運動，使平行光束在閃耀光柵5上的入射角發生周期性改變、在光譜探測范圍內不同波長的光依次以相同的衍射角入射到聚焦反射鏡6上，被聚焦反射鏡聚焦成像至同一位置點附近，出射狹縫7處于該位置點或其附近；出射狹縫7后放置探測器8 ;儀器工作時，由于掃描鏡的周期性掃描運動，不同波長的光被光柵衍射分光、聚焦反射鏡聚焦成像后依次通過出射狹縫照射到紅外探測器上，實現待測光信號的全譜線連續掃描探測。
【主權項】
1.基于離軸拋物反射鏡的高分辨率MEMS微鏡紅外光譜儀，它是由光纖連接器(I)、入射狹縫(2)、拋物面反射鏡(3)、掃描鏡(4)、閃耀光柵(5)、聚焦反射鏡(6)、出射狹縫(7)、探測器(8)等部分組成；其特征在于:所述光纖連接器(I)放置在入射狹縫(2)前，入射狹縫(2)設置于拋物面反射鏡(3)的焦點或焦點附近，待測光信號通過光纖連接器(1)、入射狹縫(2)耦合進光譜儀，被拋物面反射鏡(3)準直為平行光束；掃描鏡(4)放置在拋物面反射鏡(3)的準直光路上，閃耀光柵(5)緊靠掃描鏡(4)、與掃描鏡(4)呈小于90°夾角放置，聚焦反射鏡(6)與閃耀光柵對向放置；準直的平行光束被掃描鏡(4)反射到閃耀光柵(5)上，通過閃耀光柵(5)進行色散分光；色散光被聚焦反射鏡(6)聚焦成像；出射狹縫(7)位于聚焦反射鏡(6)的焦平面上或焦平面附近，探測器(8)放置在出射狹縫(7)后方；由于掃描鏡(4)的周期性掃描運動，不同波長的待測光信號被閃耀光柵(5)分光、聚焦反射鏡(6)聚焦成像后依次通過出射狹縫(7)照射在探測器(8)上，從而實現光譜的連續掃描探測。
2.根據權利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:所述拋物面反射鏡(3)為離軸拋物面反射鏡。
3.根據權利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:所述掃描鏡(4)是利用微電子機械系統技術制作而成、具有可繞固定轉軸做周期性扭擺運動鏡面的微光學元件。
4.根據權利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:色散光被聚焦反射鏡(6)聚焦反射后，反射光路與經拋物面反射鏡(3)準直的平行光束相交叉。
5.根據權利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:所用探測器(8)既可以是光導型近、中紅外單元探測器，也可以是光伏型近、中紅外單元探測器。
6.根據權利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:光纖連接器(I)既可以是FC端口光纖連接器，又可以是SMA端口光纖連接器。
7.根據權利要求1及權利要求6所述紅外光譜儀，其特征在于:根據實際需要，光譜儀可略去入射狹縫(2 )或光纖連接器(I)。
8.根據權利要求1、權利要求6或/和7所述紅外光譜儀，其特征在于:根據實際需要，出射狹縫(7)可被光纖代替，使待測光信號依次耦合進光纖后、通過光纖傳輸輸出到探測器(8)上進行光譜探測。
【專利摘要】本發明提出一種基于離軸拋物反射鏡的MEMS微鏡紅外光譜儀，其由光纖連接器、入射狹縫、拋物面反射鏡、掃描鏡、閃耀光柵、反射聚焦鏡、出射狹縫、探測器等部分組成。掃描鏡是采用MEMS（微電子機械系統）技術制作而成的掃描微鏡，其與閃耀光柵共同實現掃描與分光功能；外部待測光信號通過光纖傳輸后由光纖連接器、入射狹縫耦合進光譜儀，被拋物面反射鏡離軸準直為平行光束；平行光束被掃描鏡掃描反射至緊靠掃描鏡放置的閃耀光柵上，經光柵分光、聚焦鏡反射聚焦后，不同波長的光依次通過出射狹縫照到探測器上，實現光譜的連續掃描探測。本發明提出的光譜儀是具有體積小、光譜范圍寬、信噪比高、成本低廉等優點的高分辨率MEMS紅外光譜儀。
【IPC分類】G01J3-06, G01N21-35, G01J3-02
【公開號】CN104880433
【申請號】CN201510308193
【發明人】張中衛, 王新良, 王科平, 靳翔, 黃靜靜
【申請人】河南理工大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月9日