本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于mems微振鏡的微型光譜儀、氣體傳感器及光譜檢測方法。

背景技術(shù)：

光譜儀已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，它通過光譜信號并分析其物質(zhì)成分和含量。傳統(tǒng)的分光方式主要有旋轉(zhuǎn)光柵、棱鏡和濾光片轉(zhuǎn)輪的時間分解方法，但這涉及到機械傳動裝置，速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；還有用光柵棱鏡和分束濾光片的空間分解方法，相應(yīng)的儀器也要占據(jù)較大的空間。

目前，大多數(shù)光譜儀還都是大型儀器，只能在實驗室和工廠等相對固定的場所使用，但由于近年來人們對食品質(zhì)量要求越來越高，人們對小型化、便攜式的光譜儀需求越來越大，因此，為了解決小型化的問題，人們一直在尋找有效的解決途徑，濾光片列陣是二十世紀八十年代開始研究發(fā)展起來的一種微型空間濾光器，將它與探測器相結(jié)合，可以大大簡化分光系統(tǒng)?，F(xiàn)階段主要有兩種微型空間濾光器：一種集成窄帶濾光片陣，另一種是漸變式濾光片。后續(xù)，人們開始把這兩種集成濾光片技術(shù)用在小型光譜儀的制備或集成在手機中，但是，由于窄帶集成濾光片透過率低，體積小，密度高，導(dǎo)致透光量很少，所得到的光譜信息精度差，靈敏度不高，從而導(dǎo)致分辨率低，只能用在光譜信息差別很大的物體檢測上，失去了光譜儀能夠精密檢測物質(zhì)信息這一優(yōu)勢，使得如今的光譜儀不能得到普及。

然而，掃描振鏡作為一種傳統(tǒng)的光學(xué)元件，常用于光學(xué)成像、大型光譜儀和投影等領(lǐng)域中，然而，由于傳統(tǒng)掃描振鏡自身結(jié)構(gòu)大以及采用步進電機驅(qū)動，很難應(yīng)用在空間有限的微小光學(xué)掃描系統(tǒng)。近年來，隨著微機電系統(tǒng)(mems)技術(shù)的發(fā)展，德國hiperscan、美國microvision及日本東京大學(xué)等單位研制的mems掃描鏡成功地解決了這個問題。由于具有體積小、重量輕、成本低及功耗小等諸多顯著優(yōu)點，mems掃描鏡在光通信、投影顯示、物體識別、數(shù)據(jù)存儲及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，目前，國內(nèi)研究mems掃描鏡的單位有北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)及天津大學(xué)等，尚處于起步階段。

因此，提供一種既保持傳統(tǒng)濾光片集成度高、小型化、處理速度快優(yōu)勢，又能實現(xiàn)良好的測量精度、靈敏度以及信噪比的光譜儀實屬必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于mems微振鏡的微型光譜儀、氣體傳感器及光譜檢測方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中集成窄帶濾光片只能用在光譜信息差別很大的物體檢測上以及現(xiàn)有光譜儀的測量精度低、靈敏度和信噪比差等問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于mems微振鏡的微型光譜儀，包括：

光會聚模塊，用于會聚待測物所反射的光；

微振鏡模塊，設(shè)置于所述光會聚模塊的出射光路上，用于接收所述光會聚模塊射出的光并將其進行不同角度的反射；

濾光模塊，設(shè)置于所述微振鏡模塊的出射光路上，用于接收所述微振鏡模塊反射的光并對其進行過濾，以得到若干個不同波長單色光的光信號；以及

探測模塊，與所述濾光模塊相連接，且設(shè)置于所述光會聚模塊所會聚的光的焦點位置，所述探測模塊讀出所述濾光模塊所得到的所述光信號以獲得所述光信號的光譜圖。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述濾光模塊包括集成窄帶濾光片，所述集成窄帶濾光片包括m×n個諧振腔，其中，m和n均為大于等于1的整數(shù)，且所述諧振腔具有不同的厚度，不同厚度的所述諧振腔過濾得到不同波長單色光的所述光信號。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述集成窄帶濾光片包括依次疊置的下層膜系、間隔層以及上層膜系，所述間隔層包括m×n個所述諧振腔，所述上層膜系與所述下層膜系呈鏡面對稱設(shè)置。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述上層膜系與所述下層膜系的厚度相同，且均包括依次疊置的低折射率膜層和高折射率膜層。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述濾光模塊包括漸變?yōu)V光片，所述漸變?yōu)V光片包括基板及位于所述基板上表面的涂層，所述涂層與所述基板上表面之間的距離呈線性或階梯形漸變，以過濾得到不同波長單色光的所述光信號。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微振鏡模塊包括襯底、設(shè)置于所述襯底上的扭轉(zhuǎn)組件及設(shè)置于所述扭轉(zhuǎn)組件上的微鏡組件，所述扭轉(zhuǎn)組件帶動所述微鏡組件偏轉(zhuǎn)，所述微鏡組件接收并反射所述光會聚模塊射出的光。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微振鏡模塊還包括設(shè)置于所述襯底上的線圈組件和磁性組件，其中，所述磁性組件的磁場力作用于所述線圈組件，所述線圈組件受力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并通過所述扭轉(zhuǎn)組件帶動所述微鏡組件偏轉(zhuǎn)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微鏡組件為反射鏡，所述反射鏡的面積大于等于其所接收的光的面積，且其偏轉(zhuǎn)角度為0～23°。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微振鏡模塊還包括設(shè)置于所述襯底上的位置傳感器，用于檢測所述微鏡組件的偏轉(zhuǎn)角度并將其檢測值傳送至角度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對所述微鏡組件的偏轉(zhuǎn)角度的補償。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述探測模塊包括若干個探測像元，若干個所述探測像元讀出所述光信號并得到其光譜圖，其中，預(yù)設(shè)數(shù)量個所述探測像元對應(yīng)所述濾波模塊所產(chǎn)生的一個波長單色光的所述光信號。

本發(fā)明還提供一種集成氣體傳感器，包括如上述任意一項方案所述的基于mems微振鏡的微型光譜儀。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述過濾模塊包括若干個具有不同預(yù)設(shè)厚度的諧振腔，所述預(yù)設(shè)厚度依據(jù)待測氣體的特征峰值設(shè)置。

本發(fā)明還提供一種基于mems微振鏡的微型光譜儀的光譜檢測方法，包括如下步驟：

1)提供一如上述任意一項方案所述的基于mems微振鏡的微型光譜儀；

2)采用電磁驅(qū)動的方式驅(qū)動所述微振鏡模塊偏轉(zhuǎn)，以將所述微振鏡模塊接收的所述光會聚模塊射出的光進行不同角度的反射；

3)控制所述微振鏡模塊反射的光通過所述濾光模塊并聚焦至所述探測模塊上，以獲得不同波長單色光的光信號的光譜圖，實現(xiàn)光譜檢測。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述電磁驅(qū)動的方式具體為：向所述微振鏡模塊的線圈組件中通入驅(qū)動電流，以使所述線圈組件在所述微振鏡模塊的磁性組件的磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所述線圈組件通過所述微振鏡模塊的扭轉(zhuǎn)組件帶動所述微振鏡模塊的微鏡組件偏轉(zhuǎn)，其中，所述驅(qū)動電流的大小和頻率依據(jù)所述探測模塊的像素間隔和采樣周期設(shè)定。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述驅(qū)動電流由驅(qū)動電路產(chǎn)生，其中，所述探測模塊開始采樣時，產(chǎn)生第一脈沖信號以控制所述驅(qū)動電路產(chǎn)生所述驅(qū)動電流，所述探測模塊停止采樣時，產(chǎn)生第二脈沖信號以控制所述驅(qū)動電路停止產(chǎn)生所述驅(qū)動電流。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微振鏡模塊還包括位置傳感器，所述位置傳感器檢測所述微鏡組件的偏轉(zhuǎn)角度并將其檢測值傳送至所述驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路根據(jù)其接收的偏轉(zhuǎn)角度的位置信息以及預(yù)設(shè)參數(shù)值，實現(xiàn)所述偏轉(zhuǎn)角度的補償。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述探測模塊的采樣模式為循環(huán)采樣，其中，所述探測模塊開始采樣時，產(chǎn)生的所述第一脈沖信號為預(yù)定頻率的鋸齒形脈沖，以使所述微振鏡模塊進行循環(huán)掃描，實現(xiàn)所述探測模塊的循環(huán)采樣。

如上所述，本發(fā)明的基于mems微振鏡的微型光譜儀、氣體傳感器及光譜檢測方法，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明的基于mems微振鏡的微型光譜儀采用集成濾光片以及基于mems技術(shù)的微振鏡，簡化了傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)以及光柵棱鏡等的大型器件，使光譜儀具有集成化高，體積小，重量輕，方便攜帶的特點；

2)本發(fā)明加入了振鏡掃描的結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的只有濾光片和cmos結(jié)合的光譜儀，提高了單位像元光強度和光利用效率，從而提高了信噪比，同時，基于mems振鏡具有高速掃描的特點，大大提高了測量精度和靈敏度；

3)本發(fā)明的mems微振鏡采用電磁驅(qū)動的方式，所需電壓電流較小，并且配合低功耗的cmos，大大降低了光譜儀整體功耗，方便集成在手機等電子設(shè)備上。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明提供的基于mems微振鏡的微型光譜儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示為本發(fā)明提供的微振鏡模塊的具體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明提供的光譜儀的1×16濾光片陣列與1×128cmos像元對應(yīng)圖。

圖4顯示為本發(fā)明提供的氣體傳感器中大氣吸收與大氣窗口示意圖。

元件標號說明

11光會聚模塊

21微振鏡模塊

211襯底

212線圈組件

213扭轉(zhuǎn)組件

214微鏡組件

31濾光模塊

311諧振腔

41探測模塊

411探測像元

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的形態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局形態(tài)也可能更為復(fù)雜。

實施例一

如圖1～3所示，本發(fā)明提供一種基于mems微振鏡的微型光譜儀，包括：

光會聚模塊11，用于會聚待測物所反射的光；

微振鏡模塊21，設(shè)置于所述光會聚模塊21的出射光路上，用于接收所述光會聚模塊11射出的光并將其進行不同角度的反射；

濾光模塊31，設(shè)置于所述微振鏡模塊21的出射光路上，用于接收所述微振鏡模塊21反射的光并對其進行過濾，以得到若干個不同波長單色光的光信號；以及

探測模塊41，與所述濾光模塊31相連接，且設(shè)置于所述光會聚模塊11所會聚的光的焦點位置，所述探測模塊41讀出所述濾光模塊31所得到的所述光信號，以獲得所述光信號的光譜圖。

具體的，所述光會聚模塊11為會聚透鏡，當然，也可以為其他具有會聚作用的模塊，在此不做具體限制，所述會聚透鏡的焦距為100～200mm，優(yōu)選為150mm，其中，所述探測模塊設(shè)置于所述光會聚模塊所會聚的光的焦點位置，即為設(shè)置在所述會聚透鏡的焦距處。待測物體反射的光直接進入所述會聚透鏡，其中，待測物反射的光是平行光和非平行都有，如果所述會聚透鏡正對著待測物放置，則大部分的光都是平行光，都能經(jīng)過所述會聚透鏡會聚到像面上。

還需要說明的是，本發(fā)明所提供的基于mems微振鏡的微型光譜儀的工作原理是：待測物體的光線經(jīng)過所述光會聚模塊和所述微振鏡模塊的反射，通過所述濾光模塊進行分光，再聚焦到所述探測模塊上，其中，所述探測模塊可以獲得不同波長的光強度，并按順序?qū)⑵渥x出，便可以獲得反應(yīng)待測物體特性的光譜圖。

作為示例，所述濾光模塊31包括集成窄帶濾光片，所述集成窄帶濾光片包括m×n個諧振腔311，其中，m和n均為大于等于1的整數(shù)，且所述諧振腔311具有不同的厚度，不同厚度的所述諧振腔311過濾得到不同波長單色光的所述光信號。

作為示例，所述集成窄帶濾光片包括依次疊置的下層膜系、間隔層以及上層膜系，所述間隔層包括m×n個所述諧振腔，所述上層膜系與所述下層膜系呈鏡面對稱設(shè)置。

作為示例，所述上層膜系與所述下層膜系的厚度相同，且均包括依次疊置的低折射率膜層和高折射率膜層。

具體的，所述濾光模塊31可以為集成窄帶濾光片，所述集成窄帶濾光片基于f-p干涉原理，在本實施例中，其由下層膜系、間隔層以及上層膜系組成，其中，所述間隔層包括所述諧振腔311，優(yōu)選地，所述上層膜系的厚度與所述下層膜系的厚度相同，優(yōu)選地，其光學(xué)厚度(nd)為λ0/4，λ0為中心波長，本實施例中，所述上層膜層以及所述下層膜層均為(lh)5結(jié)構(gòu)，其中，l為低折射率膜層，h為高折射率膜層，所述低折射率膜層包括但不限于二氧化硅膜層，所述高折射率膜層包括但不限于五氧化二鉭膜層，通過鍍膜工藝形成，在本實施例中，選擇為由5層高、低折射率膜層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，且所述低折射率膜層和高折射率膜層的具體上下位置不限，在其他實施例中，可以為任意層數(shù)的結(jié)構(gòu)，依實際需求而定。

另外，所述間隔層由若干個所述諧振腔311構(gòu)成，不同厚度的所述諧振腔通過半導(dǎo)體鍍膜工藝等而獲得，形成m×n陣列的諧振腔311，其中，m和n均為大于等于1的整數(shù)，不同厚度即指所述諧振腔相對于所述下層膜系表面的高度，當所述集成式濾光片為1×n陣列時，對應(yīng)到所述探測模塊41的線陣cmos像元上，此時采用一維的mems微振鏡；所述集成式濾光片也可選用m×n陣列，對應(yīng)到所述探測模塊41的面陣cmos像元上，此時采用二維的mems微振鏡。

進一步，不同高度的所述諧振腔對應(yīng)過濾得到不同波長的單色光，所述諧振腔的高度可以依實際需求而定，可以任意設(shè)置，優(yōu)選地，不同的所述微振鏡模塊的反射角度對應(yīng)不同厚度的所述諧振腔，以得到不同波長單色光的光信號。窄帶濾光片的陣列多少可以任意選擇，這列數(shù)越多光譜圖波長范圍就越寬，每一陣元間隔層厚度不同，使相應(yīng)帶通峰位不同。陣元間厚度相差越小，所獲得的光譜圖分辨率越高，其峰值透過率在60％～76％之間。

作為示例，所述濾光模塊31包括漸變?yōu)V光片，所述漸變?yōu)V光片包括基板以及位于所述基板上表面的涂層，所述涂層與所述基板上表面之間的距離呈線性或階梯形漸變，以過濾得到不同波長單色光的所述光信號。

具體的，所述濾光模塊31還可以為漸變?yōu)V光片，進一步可以為楔形漸變?yōu)V光片，所述漸變?yōu)V光片是基于f-p干涉原理的薄膜帶通濾光片，其帶通峰位與濾光片的薄膜厚度呈線性關(guān)系，即其厚度隨著長度方向呈線性的變化，形成楔形結(jié)構(gòu)，則濾光片的中心波長隨著長度方向呈線性變化，從而實現(xiàn)分光作用。所述漸變?yōu)V光片的不同厚度對應(yīng)過濾得到不同波長的單色光，其厚度變化也同時對應(yīng)著光譜的范圍，所述探測模塊41可以線性cmos結(jié)合，其探測像元對應(yīng)著漸變?yōu)V光片的不同厚度，從而接收不同波長的光。

另外，所述漸變?yōu)V光片包括基板以及設(shè)置于所述基板表面的涂層，所述涂層還可以為錐面形狀，以實現(xiàn)漸變?yōu)V光片在不同的區(qū)域的散光角度沿其徑向線性變化，其中，所述涂層為散射粒子層，包括但不限于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的膠水層。

作為示例，所述微振鏡模塊21包括襯底211、設(shè)置于所述襯底211上的扭轉(zhuǎn)組件213及設(shè)置于所述扭轉(zhuǎn)組件213上的微鏡組件214，所述扭轉(zhuǎn)組件213帶動所述微鏡組件214偏轉(zhuǎn)，所述微鏡組件214接收并反射所述光會聚模塊21射出的光。

作為示例，所述微鏡組件214為反射鏡，所述反射鏡的面積大于等于其所接收的光的面積，且其偏轉(zhuǎn)角度為0～23°。

具體的，所述微振鏡模塊21的作用主要是反射所述光會聚模塊11所會聚的待測物的光，其中，所述扭轉(zhuǎn)組件213可以為但不限于扭轉(zhuǎn)桿，所述微鏡組件214可以為但不限于微鏡，尤其為基于mems技術(shù)的微振鏡，本實施例中為反射鏡，其反射晶面的尺寸為0.5～2.5mm，優(yōu)選為1mm，另外，所述反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度為0～23°，現(xiàn)有的微振鏡均能符合此要求。

作為示例，所述微振鏡模塊21還包括設(shè)置于所述襯底211上的線圈組件212和磁性組件(圖中未示出)，其中，所述磁性組件的磁場力作用于所述線圈組件212，所述線圈組件212受力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并通過所述扭轉(zhuǎn)組件213帶動所述微鏡組件偏轉(zhuǎn)214。

具體的，所述微振鏡模塊21還包括線圈組件212以及電磁組件，其中，所述線圈組件212為線圈，所述磁性組件為永磁體，從而可以是所述振鏡組件214的轉(zhuǎn)動方式實現(xiàn)電磁驅(qū)動，即所述磁性組件的磁場垂直所述線圈入射，所述線圈受力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過所述扭轉(zhuǎn)桿帶動所述微鏡轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動的角度和頻率隨著所述線圈中通入驅(qū)動電流的大小和頻率變化，并根據(jù)所述探測模塊(如cmos探測器)的像素間隔和采樣周期來確定。

作為示例，所述微振鏡模塊21還包括設(shè)置于所述襯底上的位置傳感器(圖中未示出)，用于檢測所述微鏡組件214的偏轉(zhuǎn)角度并將其檢測值傳送至角度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對所述微鏡組件214的偏轉(zhuǎn)角度的補償。

具體的，在本實施例中，還包括位置傳感器，其用于檢測所述微鏡的轉(zhuǎn)動角度，并此轉(zhuǎn)動角度信息，傳送給為線圈提供驅(qū)動電流的驅(qū)動電路，即所述角度控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路根據(jù)位置信息，對驅(qū)動電流源的幅值進行調(diào)制，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動角度的補償。

作為示例，所述探測模塊包括若干個探測像元，若干個所述探測像元讀出所述光信號對應(yīng)的光譜圖，其中，預(yù)設(shè)數(shù)量個所述探測像元對應(yīng)所述濾波模塊所產(chǎn)生的一個波長單色光的所述光信號。

具體的，所述探測模塊41可以為但不限于cmos探測器，其包括若干個所述探測像元，其中，本實施例中，mems微振鏡到所述探測像元的距離1.2mm，且本實施例中為cmos像元，其中，可以為一個、兩個或多個所述探測像元對應(yīng)一個高度的所述過濾單元的濾光片中的所述諧振腔，從而使這些像元上的到同一波長的單色光。例如，在本實施例中，所述窄帶濾光片的所述諧振腔為1×16陣列，所述cmos像元為1×128陣列，則每8個像元就要對應(yīng)一個濾波片諧振腔，且像元尺寸8μm，如圖3所示(以cmos前32個像元為例)，則每8個像元探測到信號之和就是這一窄帶波段透光量的大小，最后得到的光譜圖就是16個窄帶波段的透光量按順序排列而成。

本文發(fā)明的光譜儀因其在小型化、便攜的基礎(chǔ)上又具有高精度與高靈敏度的特點，相比于傳統(tǒng)微型光譜儀，可以獲得分辨率更高的光譜曲線，能檢測到物質(zhì)更細微差別。廣泛用在食品、氣體、植物生長狀況、水質(zhì)等檢測上。

如圖1～4所示，本發(fā)明還一種基于mems微振鏡的微型光譜儀的光譜檢測方法，其中，所述光譜檢測方法為采用上述任意一項方案所述的基于mems微振鏡的微型光譜儀進行檢測的方法，包括如下步驟：

1)提供一如上述任意一項方案所述的基于mems微振鏡的微型光譜儀；

2)采用電磁驅(qū)動的方式驅(qū)動所述微振鏡模塊21偏轉(zhuǎn)，以將所述微振鏡模塊21接收的所述光會聚模塊11射出的光進行不同角度的反射；

3)控制所述微振鏡模塊21反射的光通過所述濾光模塊31并聚焦至所述探測模塊41上，以獲得不同波長單色光的光信號的光譜圖，實現(xiàn)光譜檢測。

作為示例，步驟2)中，所述電磁驅(qū)動的方式具體為：向所述微振鏡模塊的線圈組件212中通入驅(qū)動電流，以使所述線圈組件212在所述微振鏡模塊的磁性組件的磁場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所述線圈組件212通過所述微振鏡模塊的扭轉(zhuǎn)組件213帶動所述微振鏡模塊的微鏡組件214偏轉(zhuǎn)，其中，所述驅(qū)動電流的大小和頻率依據(jù)所述探測模塊41的像素間隔和采樣周期設(shè)定。

作為示例，步驟2)中，所述驅(qū)動電流由驅(qū)動電路產(chǎn)生，其中，所述探測模塊開始采樣時，產(chǎn)生第一脈沖信號以控制所述驅(qū)動電路產(chǎn)生所述驅(qū)動電流，所述探測模塊停止采樣時，產(chǎn)生第二脈沖信號以控制所述驅(qū)動電路停止產(chǎn)生所述驅(qū)動電流。

具體的，所述微振鏡模塊21還包括線圈組件212以及電磁組件，其中，所述線圈組件212為線圈，所述磁性組件為永磁體，通過上述組件從而可以是所述振鏡組件214的轉(zhuǎn)動方式實現(xiàn)電磁驅(qū)動，即所述磁性組件的磁場垂直所述線圈入射，所述線圈受力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過所述扭轉(zhuǎn)桿帶動所述微鏡轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動的角度和頻率隨著所述線圈中通入驅(qū)動電流的大小和頻率變化，并根據(jù)所述探測模塊(如cmos探測器)的像素間隔和采樣周期來確定，其中，采用是指所述探測模塊接收所述濾波模塊得到的光信號。mems微振鏡采用電磁驅(qū)動方式，所需電壓電流很小，在配合低功耗的cmos，大大降低了光譜儀整體功耗，方便集成在手機等電子設(shè)備上。

具體的，所述扭轉(zhuǎn)組件213可以為但不限于扭轉(zhuǎn)桿，所述微鏡組件214可以為但不限于微鏡，所述線圈組件212為線圈，所述磁性組件為永磁體，在實際操作過程中，當所述cmos探測器開始采樣時，會給所述微振鏡模塊21中的mems微振鏡的驅(qū)動電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號，驅(qū)動電路控制所述mems微振鏡偏轉(zhuǎn)，在采樣周期內(nèi)從0°轉(zhuǎn)動到23°；采樣結(jié)束后，cmos產(chǎn)生一個脈沖信號觸發(fā)振鏡停止轉(zhuǎn)動。

作為示例，所述微振鏡模塊還包括位置傳感器，所述位置傳感器檢測所述微鏡組件214的偏轉(zhuǎn)角度并將其檢測值傳送至所述驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路根據(jù)其接收的偏轉(zhuǎn)角度的位置信息以及預(yù)設(shè)參數(shù)值，實現(xiàn)所述偏轉(zhuǎn)角度的補償。

具體的，所述微振鏡模塊還包括位置傳感器，其用于檢測所述微鏡的轉(zhuǎn)動角度，并此轉(zhuǎn)動角度信息，傳送給為線圈提供驅(qū)動電流的驅(qū)動電路，即所述角度控制系統(tǒng)，驅(qū)動電路根據(jù)位置信息，對驅(qū)動電流源的幅值進行調(diào)制，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動角度的補償。

作為示例，所述探測模塊41的采樣模式為循環(huán)采樣，其中，所述探測模41塊開始采樣時，產(chǎn)生的所述第一脈沖信號為預(yù)定頻率的鋸齒形脈沖，以使所述微振鏡模塊21進行循環(huán)掃描，實現(xiàn)所述探測模塊41的循環(huán)采樣。

具體的，本發(fā)明提供的光譜檢測方法還包括循環(huán)采樣的步驟，使cmos探測器進行循環(huán)采樣，來提高光譜測量的準確度，mems微振鏡需要產(chǎn)生一定頻率的鋸齒形脈沖，使振鏡循環(huán)掃描，cmos探測器進行多次采樣求和，獲得精度更高的光譜圖。

實施例二

本發(fā)明還提供一種集成氣體傳感器，包括如上述實施例一種任意一項方案所述的基于mems微振鏡的微型光譜儀。

作為示例，所述過濾模塊包括若干個具有不同預(yù)設(shè)厚度的諧振腔，所述預(yù)設(shè)厚度依據(jù)待測氣體的特征峰值設(shè)置。

具體的，本實施例所提供的集成氣體傳感器，采用如實施例一種任意一項方案所述的光譜儀，以具有集成窄帶濾光片的光譜儀為例，在設(shè)計集成濾光片陣列時，會根據(jù)所要探測不同氣體的特征峰設(shè)計不同的諧振腔的厚度。

需要說明的是，由于普通的傳感器常使用化學(xué)方法，不能滿足高精度氣體探測的要求，需要用光學(xué)的方法進行檢測，但通常氣體有特定的吸收峰，不需要對整個光譜范圍進行檢測。如果選用光譜儀檢測，大大提高成本。氣體檢測通常都是檢測多種氣體，如果選用專門氣體傳感器檢測，需要很多傳感器組合才能滿足需要，不僅增加成本，集成率低，不能滿足小型便攜的要求，本發(fā)明的微型光譜儀可以組合針對不同氣體特征峰濾光片陣元，滿足同時測量多種氣體的要求，精度高，小型便攜，成本低。例如，可以將微型光譜儀用在農(nóng)業(yè)檢測上，在一些大棚種植或者溫室培育中，對二氧化碳、溫濕度、氮氣、氧氣等因素要求非常高；還可以用在家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖場中，或一些實驗室的動物、細菌養(yǎng)殖，對甲烷、二氧化碳、氧氣、水蒸氣的檢測要求高，不同氣體有它們特定的吸收峰，本發(fā)明的微型光譜儀可以針對不同氣體設(shè)計相對應(yīng)不同波長的濾波片陣元，并把它們與cmos像元或熱釋電探測器結(jié)合，是每個像元可以檢測到不同氣體的特征峰，從而判斷不同氣體的濃度變化。

可以進一步說明的，圖4顯示為大氣吸收與大氣窗口圖，可以看出，不同的氣體對應(yīng)著不同的吸收峰，從而可以根據(jù)吸收的波長不同設(shè)計不同的陣元(如所述諧振腔)。例如，設(shè)計二氧化碳、氧氣、水蒸氣、甲烷、一氧化碳、二氧化氮等氣體檢測時，選擇它們所對應(yīng)的吸收波長：二氧化碳在4.2μm，氧氣在0.1μm和0.7μm，水蒸氣在1.4μm、1.8μm和1.9μm處，甲烷在3.4μm左右，一氧化碳在4.64μm，二氧化氮在4.47μm，在本實施例中，還可以選擇對任何氣體都不吸收的1μm左右波長作為環(huán)境參考值。每個濾光片陣元根據(jù)不同波長設(shè)計對應(yīng)的厚度，對應(yīng)不同cmos像元，最后cmos測得的光通量減去環(huán)境參考值可獲得相應(yīng)氣體濃度。同時，為了使測量更準確，每種氣體可對應(yīng)多個濾光片陣元和多個像元，多次測量去平均，還可加入溫度測量，測量溫度一般選擇0.18～1.0μm譜段內(nèi)。

另外，不同的氣體傳感器的組合可以用在不同領(lǐng)域中，如測量二氧化碳、氧氣、水蒸氣和溫度的集成式傳感器可以用在農(nóng)業(yè)檢測、大棚種植、溫室培育等領(lǐng)域中；如測量二氧化碳、氧氣、甲烷、溫度的集成式傳感器可以用在家禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)中；如測量一氧化碳、二氧化氮、氧氣、二氧化碳等集成式傳感器組合可以用在火焰檢測中等等。

綜上所述，本發(fā)明提供一種基于mems微振鏡的微型光譜儀、氣體傳感器以及光譜檢測方法，所述光譜儀包括：光會聚模塊，用于會聚待測物所反射的光；微振鏡模塊，設(shè)置于所述光會聚模塊的出射光路上，用于接收所述光會聚模塊射出的光并將其進行不同角度的反射；濾光模塊，設(shè)置于所述微振鏡模塊的出射光路上，用于接收所述微振鏡模塊反射的光并對其進行過濾，以得到若干個不同波長單色光的光信號；以及探測模塊，與所述濾光模塊相連接，且設(shè)置于所述光會聚模塊所會聚的光的焦點位置，所述探測模塊讀出所述濾光模塊所得到的所述光信號以獲得所述光信號的光譜圖。通過上述方案，本發(fā)明的基于mems微振鏡的微型光譜儀采用集成濾光片以及基于mems技術(shù)的微振鏡，簡化了傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)以及光柵棱鏡等的大型器件，使光譜儀具有集成化高，體積小，重量輕，方便攜帶的特點；本發(fā)明加入了振鏡掃描的結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的只有濾光片和cmos結(jié)合的光譜儀，提高了單位像元光強度和光利用效率，從而提高了信噪比，同時，基于mems振鏡具有高速掃描的特點，大大提高了測量精度和靈敏度；本發(fā)明的mems微振鏡采用電磁驅(qū)動的方式，所需電壓電流較小，并且配合低功耗的cmos，大大降低了光譜儀整體功耗，方便集成在手機等電子設(shè)備上。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。