本發(fā)明涉及一種微型近紅外光譜儀，屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光譜分析儀器是現(xiàn)代光學(xué)儀器的重要組成部分，通過運(yùn)用分光原理，可以實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行定性和定量上的分析。近紅外光譜是指波長在800nm—2500nm范圍內(nèi)的電磁波。在近紅外光譜范圍內(nèi),主要研究的是含氫基團(tuán)振動的合頻及倍頻吸收。分子結(jié)構(gòu)不同其振動頻率也不同，故對應(yīng)的紅外吸收光譜也有區(qū)別。近紅外光譜儀通過識別不同分子結(jié)構(gòu)的吸收光譜實(shí)現(xiàn)成分鑒定功能?，F(xiàn)有的近紅外光譜儀主要分為色散式、濾光片式、傅里葉式、聲光調(diào)諧式等，特點(diǎn)各異。

色散型近紅外光譜儀的分光元件可以是棱鏡或光柵。為獲得較高分辨率，現(xiàn)代色散型儀器中多采用全息光柵作為分光元件，通過光柵轉(zhuǎn)動，使不同波長的單色光依次進(jìn)入檢測器檢測。該類型儀器的優(yōu)點(diǎn)：使用掃描型近紅外光譜儀可對樣品進(jìn)行全譜掃描，掃描的重復(fù)性和分辨率較濾光片型儀器有很大程度的提高。采用全譜分析，可以從近紅外譜圖中提取大量的有用信息；通過合理的計(jì)量學(xué)方法將光譜數(shù)據(jù)與訓(xùn)練集樣品的性質(zhì)(組成、特性數(shù)據(jù))相關(guān)聯(lián)可得到相應(yīng)的校正模型；進(jìn)而預(yù)測未知樣品的性質(zhì)。

濾光片型近紅外光譜儀以濾光片作為分光系統(tǒng)，即采用濾光片作為單色光器件?？煞譃楣潭ㄊ綖V光片和可調(diào)式濾光片兩種形式，其中固定濾光片型的儀器是近紅外光譜儀最早的設(shè)計(jì)形式。儀器工作時(shí)，由光源發(fā)出的光通過濾光片后得到一定帶寬的單色光，與樣品作用后到達(dá)檢測器。該類型儀器優(yōu)點(diǎn)是：儀器的體積小，可以作為專用的便攜儀器；制造成本低，適于大面積推廣。該類型儀器缺點(diǎn)是：單色光的譜帶較寬，波長分辨率差;對溫濕度較為敏感；得不到連續(xù)光譜；不能對譜圖進(jìn)行預(yù)處理，得到的信息量少。因此只能作為較低檔的專用儀器。

傅里葉變換近紅外光譜儀利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量干涉圖并對其進(jìn)行傅里葉積分變換的方法來測定和研究近紅外光譜。其核心部分是干涉儀，作用是使光源發(fā)出的光分為兩束后，造成一定的光程差，用以產(chǎn)生空間(時(shí)間)域中表達(dá)的分析光即干涉光，然后通過采樣系統(tǒng)將檢測到的干涉光數(shù)字化，并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。再將樣品干涉光函數(shù)和光源干涉光函數(shù)分別經(jīng)傅里葉變換為強(qiáng)度俺頻率分布圖，二者的比值即樣品的近紅外圖譜，并顯示出來。

聲光可調(diào)諧式近紅外光譜儀是基于各向異性晶體在聲光相互作用下的反常布拉格衍射效應(yīng)制成的電可調(diào)諧濾光器，通過施加不同的射頻信號頻率，入射復(fù)色光進(jìn)行衍射從而得到特定波長的單色光。由于其采用AOTF作為分光器件，能夠在較寬的波長范圍內(nèi)提供快速的電可調(diào)諧光源，因而在光譜分析類儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是對偏振態(tài)較敏感，分辨率較低等。

近年來，基于環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測、生物醫(yī)學(xué)甚至軍事現(xiàn)代化等領(lǐng)域飛速發(fā)展，從而對分析儀器提出了小型化、高精度等新的迫切要求。光譜分析儀器走微型化、低成本、寬光譜、高精度的發(fā)展道路，已是大勢所趨。利用MEMS技術(shù)和MOEMS技術(shù)研制集成化微小型光譜儀已是當(dāng)今的熱點(diǎn)方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有微型近紅外光譜儀無法實(shí)現(xiàn)近紅外波段全覆蓋的局限性，提出一種全譜段800nm-2500nm的雙探測器微型近紅外光譜儀，真正實(shí)現(xiàn)了近紅外全譜段連續(xù)掃描分光與探測，大大減小儀器體積，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高儀器精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種基于雙探測器的微型近紅外光譜儀，其光路系統(tǒng)包括近紅外光源、入射狹縫、凹面準(zhǔn)直鏡、MOEMS掃描光柵微鏡、凹面成像鏡、出射狹縫和兩個(gè)響應(yīng)波長范圍不同的單管近紅外探測器。

所述近紅外光源置于凹面準(zhǔn)直鏡焦點(diǎn)附近，入射狹縫置于凹面準(zhǔn)直鏡焦點(diǎn)處，近紅外光源產(chǎn)生的復(fù)合光經(jīng)入射狹縫限制發(fā)散角后進(jìn)入凹面成像鏡，在凹面成像鏡后面的平行光路中放置MOEMS掃描光柵微鏡，MOEMS掃描光柵微鏡將入射復(fù)合光衍射分光并進(jìn)行周期性掃描，凹面成像鏡將MOEMS掃描光柵微鏡衍射產(chǎn)生的不同波長的單色光通過出射狹縫匯聚到后端的單管近紅外雙探測器上，通過MOEMS掃描光柵微鏡的周期性掃描，實(shí)現(xiàn)單色光在不同波長響應(yīng)范圍的單管近紅外雙探測器上的連續(xù)探測。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的光路系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)非對稱式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)非對稱式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)凹面準(zhǔn)直鏡和凹面成像鏡曲率半徑不同或與MOEMS掃描光柵微鏡的垂直距離不同，該結(jié)構(gòu)在長波段范圍存在光路遮擋問題，無法實(shí)現(xiàn)近紅外全譜段800nm-2500nm的高分辨率、小像差的成像質(zhì)量要求。本發(fā)明設(shè)計(jì)的全新非對稱式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，專門針對全譜段800nm-2500nm的微型近紅外光譜儀高分辨率、小像差的成像質(zhì)量要求。該結(jié)構(gòu)以MOEMS掃描光柵微鏡為光軸沿左右兩側(cè)非對稱設(shè)置口徑分別為12.7mm和50.7mm的凹面準(zhǔn)直鏡和凹面成像鏡，兩者的焦距均為50mm、曲率半徑均為100mm，兩者的質(zhì)心到光軸的垂軸距離分別為16.5mm和19.5mm,離軸角度分別為-10^o和5^o， MOEMS掃描光柵微鏡轉(zhuǎn)動角度為±6.5^o,光路系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)出射狹縫，在出射狹縫分別安裝一個(gè)波長響應(yīng)范圍不同的單管近紅外探測器，在確保全譜段800nm-2500nm光譜分辨率在15nm內(nèi)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)近紅外全譜段的連續(xù)掃描分光與探測。

同時(shí)，本發(fā)明的MOEMS掃描光柵微鏡是指采用MEMS技術(shù)、MOEMS技術(shù)將衍射光柵、掃描微鏡、電磁式驅(qū)動器和磁電式角度傳感器的一體化集成結(jié)構(gòu)。其中，硅基片正面集成衍射光柵、扭轉(zhuǎn)梁、固定邊框，硅基片背面集成電磁式驅(qū)動線圈和磁電式角度傳感器。衍射光柵將入射復(fù)合光進(jìn)行衍射分光；扭轉(zhuǎn)梁在電磁式驅(qū)動器的驅(qū)動下帶動整個(gè)MOEMS掃描光柵微鏡進(jìn)行周期性掃描；固定邊框?qū)崿F(xiàn)支撐和固定；磁電式角度傳感器在MOEMS掃描光柵微鏡運(yùn)動過程中產(chǎn)生感應(yīng)信號，該信號通過后端閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對掃描角度的精確閉環(huán)控制和光譜信息的重構(gòu)。

進(jìn)一步，所述單管近紅外探測器是指具有不同寬光譜響應(yīng)范圍的InGaAs PIN光電二極管，光譜響應(yīng)范圍為500nm-1700nm和900nm-2600nm。并結(jié)合MOEMS掃描光柵微鏡的掃描分光功能，確保能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)探測各自響應(yīng)波段內(nèi)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)近紅外波段的全譜連續(xù)探測。

與現(xiàn)有基于雙探測器的微型近紅外光譜儀相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明采用新型非對稱式Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計(jì)所有光學(xué)元件的擺放位置、傾斜角度、曲率半徑及有效焦距等諸多光學(xué)參數(shù)確保整個(gè)光路在近紅外長波段處不被遮擋，波長范圍可拓展至800nm-2500nm近紅外全譜段。同時(shí)該光路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、緊湊，有效抑制了像差，確保了系統(tǒng)成像質(zhì)量。

2、本發(fā)明采用MOEMS掃描光柵微鏡進(jìn)行掃描分光，通過8.7^o閃耀角和1210nm閃耀波長的衍射光柵參數(shù)設(shè)計(jì)，確保在800nm-2500nm近紅外全譜段范圍內(nèi)整體衍射效率達(dá)40%以上。結(jié)合上述新型非對稱式Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在較小驅(qū)動電壓下驅(qū)動MOEMS掃描光柵微鏡轉(zhuǎn)動并完成800nm-2500nm近紅外全譜段掃描分光，大大降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和精度。該MOEMS掃描光柵微鏡可流程化制造更換，實(shí)現(xiàn)了近紅外光譜儀核心元器件的模塊化設(shè)計(jì)。

3、本發(fā)明采用功率可調(diào)的覆蓋近紅外全波段的鹵鎢燈光源，取代了傳統(tǒng)的大型近紅外光源，且可針對不同的檢測環(huán)境和檢測要求設(shè)置不同功率，大大提高了儀器的環(huán)境適用性。

3、本發(fā)明采用500nm-1700nm和900nm-2600nm不同寬光譜響應(yīng)范圍的InGaAs PIN光電二極管，避免了一些重要物質(zhì)成分鑒定的缺失，實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的全譜段覆蓋。

可見，本發(fā)明的一體化的微型近紅外光譜儀設(shè)計(jì)思路，真正實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的全譜段連續(xù)分光掃描探測和近紅外光譜儀的模塊化設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明的MOEMS掃描光柵微鏡正面結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的MOEMS掃描光柵微鏡背面結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1、近紅外光源，2、入射狹縫，3、凹面準(zhǔn)直鏡，4、MOEMS掃描光柵微鏡，5、凹面成像鏡， 6、出射狹縫，7、500nm-1700nm單管近紅外探測器，8、900nm-2600nm單管近紅外探測器，9、衍射光柵，10、扭轉(zhuǎn)梁，11、固定邊框，12、電磁式驅(qū)動線圈，13、磁電式角度傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參見圖1，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，微型近紅外光譜儀的光路系統(tǒng)是由近紅外光源1、入射狹縫2、凹面準(zhǔn)直鏡3、MOEMS掃描光柵微鏡4、凹面成像鏡5、出射狹縫6、500nm-1700nm單管近紅外探測器7和900nm-2600nm單管近紅外探測器8組成。

本實(shí)施例中，采用改進(jìn)型Czerny-Turner結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)，以MOEMS掃描光柵微鏡4為光軸沿左右兩側(cè)非對稱設(shè)置口徑分別為12.7mm和50.7mm、焦距均為50mm、曲率半徑均為100mm的兩組凹面準(zhǔn)直鏡3，兩者的質(zhì)心到光軸的垂軸距離分別為16.5mm和19.5mm,離軸角度分別為-10^o和5^o， MOEMS掃描光柵微鏡4轉(zhuǎn)動角度為±6.5^o,并在兩個(gè)出射狹縫6后分別安裝一個(gè)波長響應(yīng)范圍不同的單管近紅外探測器7。

本實(shí)施例中，近紅外光源1置于凹面準(zhǔn)直鏡3焦點(diǎn)附近，50μm縫寬入射狹縫2置于凹面準(zhǔn)直鏡3焦點(diǎn)處，近紅外光源產(chǎn)生的復(fù)合光經(jīng)入射狹縫限制發(fā)散角后進(jìn)入凹面成像鏡。光路系統(tǒng)采用非對稱式的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，以MOEMS掃描光柵微鏡4為光軸沿左右兩側(cè)非對稱分別設(shè)置凹面準(zhǔn)直鏡3和凹面成像鏡5，由MOEMS掃描光柵微鏡將入射復(fù)合光衍射分光并進(jìn)行周期性掃描，凹面成像鏡將MOEMS掃描光柵微鏡衍射產(chǎn)生的不同波長的單色光通過出射狹縫匯聚到后端的近紅外探測器上。光路系統(tǒng)設(shè)置有兩個(gè)80μm縫寬出射狹縫6，在一個(gè)出射狹縫后安裝500nm-1700nm單管近紅外探測器7，另一個(gè)出射狹縫后安裝900nm-2600nm單管近紅外探測器8，通過MOEMS掃描光柵微鏡的周期性掃描，實(shí)現(xiàn)單色光在不同波長響應(yīng)范圍的雙單管近紅外探測器上的連續(xù)探測。

具體地，近紅外光源1發(fā)出一束復(fù)合光，入射狹縫2處于凹面準(zhǔn)直鏡3焦點(diǎn)處且用來限制入射復(fù)合光發(fā)散角，復(fù)合光經(jīng)凹面準(zhǔn)直鏡3反射后以平行光進(jìn)入MOEMS掃描光柵微鏡4，由于MOEMS掃描光柵微鏡4的衍射分光作用，將該連續(xù)復(fù)合光分為不同波長的平行單色光依次排開進(jìn)入凹面成像鏡5，出射狹縫6置于兩個(gè)單管近紅外探測器之上，用來改善成像質(zhì)量，兩個(gè)單管近紅外探測器7、8平行置于凹面成像鏡5焦點(diǎn)處，當(dāng)MOEMS掃描光柵微鏡在電磁驅(qū)動力的驅(qū)動下進(jìn)行周期性掃描分光時(shí)，不同波長的單色光可依次周期性通過后端的500nm-1700nm單管近紅外探測器7和900nm-2600nm單管近紅外探測器8，由于兩個(gè)單管近紅外探測器的響應(yīng)范圍不同，可選擇性探測不同波長的光能量信號，并通過后端計(jì)算機(jī)進(jìn)行光譜識別處理。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，單管近紅外探測器采用感光面積φ均為1mm的非致冷型InGaAs PIN光電二極管。近紅外光源1是完全覆蓋近紅外波段800nm-2500nm且功率可調(diào)的寬光譜連續(xù)光源。

參見圖2和圖3，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用了特殊結(jié)構(gòu)的MOEMS掃描光柵微鏡，其是由衍射光柵9、扭轉(zhuǎn)梁10、固定邊框11、電磁式驅(qū)動線圈12、磁電式角度傳感線圈13通過MEMS加工工藝共同集成在同一單晶硅基片的正反面。且集成衍射光柵參數(shù)采用8.7^o閃耀角和1210nm閃耀波長，實(shí)現(xiàn)800 nm -2500nm波段內(nèi)整體衍射效率最高。

其中，衍射光柵9、扭轉(zhuǎn)梁10、固定邊框11集成在硅基片正面，衍射光柵9和固定邊框10通過矩形扭轉(zhuǎn)梁10連接，固定邊框11用來進(jìn)行固定和支撐，扭轉(zhuǎn)梁10在電磁驅(qū)動線圈12的驅(qū)動下帶動整個(gè)MOEMS掃描光柵微鏡繞其轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對入射復(fù)合光的掃描分光功能。

電磁式驅(qū)動線圈12和磁電式角度傳感器13集成在硅基片背面。當(dāng)外加勻強(qiáng)磁場時(shí)，電磁式驅(qū)動線圈12會因切割磁感線而帶動整個(gè)MOEMS掃描光柵微鏡做周期性運(yùn)動，磁電式角度傳感器13在MOEMS掃描光柵微鏡運(yùn)動過程中會產(chǎn)生實(shí)時(shí)、動態(tài)的角度輸出信號，通過后端閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)可將該角度輸出信號與驅(qū)動信號一一對應(yīng)，用來對掃描角度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并進(jìn)行合理調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對掃描角度的實(shí)時(shí)、精確監(jiān)控。