基于mems掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光譜測量儀器領域，為提供一種基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構。本發(fā)明?基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，由光環(huán)形器，光纖信號輸入端口，入射光纖端口，準直與聚焦鏡，MEMES微鏡，光柵，平面反射鏡和出射光纖端口組成；光纖信號輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口,光信號經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口從入射光纖端口進去自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡準直以后照射到MEMS微鏡上，MEMS微鏡將光信號反射到光柵上進行第一次衍射分光，緊接著平面反射鏡將光信號按原路反射回光柵進行第二次衍射，最后進入入射光纖端口。本發(fā)明主要應用于光譜測量儀器設計制造。
【專利說明】
基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于光譜測量儀器領域，涉及微電子機械、光學元件、系統(tǒng)，具體涉及一種 基于MEMS微鏡掃描的雙通過光柵單色儀光路結構。
【背景技術】
[0002] 光譜測量儀器被廣泛應用于多種領域，如顏色測量、化學成份的濃度檢測或電磁 輻射分析等。光譜儀器一般都包括入射狹縫、準直鏡、色散元件(光柵或棱鏡）、聚焦光學系 統(tǒng)和探測器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個光譜中一個很窄的部分照射到單 象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定，通過旋轉(zhuǎn)光柵來對整個光譜進 行掃描。它是應用光學技術及光譜檢測技術原理，對物質(zhì)的結構和組成進行觀測、分析和處 理的基本設備，具有分析精度高、測量范圍大、測量速度快和樣品用量少等優(yōu)點，廣泛用于 冶金、地質(zhì)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護等部門，也是航空航天、宇宙探索、資源和水文勘 測所必不可少的儀器，具有極為重要的應用價值與廣闊的市場前景。不同領域的應用對光 譜儀器的分辨率有特定的要求，在某些要求比較高的領域為了高的分辨率不得不采用增大 透鏡和光柵尺寸或者級聯(lián)單色器的方法，這增加了儀器的體積和重量，又不利于特殊環(huán)境 下的便攜要求。本發(fā)明采用基于MEMS掃描微鏡，可以大大降低光路體積，同時采用雙通過的 光路結構，提高了儀器的分辨率。
[0003] 隨著制造工藝水平的進步，MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術得到了快速的發(fā)展?；?MEMS技術的各種器件由于具有體積小、功耗低、靈敏度高、重復性好、加工工藝穩(wěn)定、成本低 廉等優(yōu)點，已被大量用于高精技術領域。采用MEMS技術研制新型的光譜儀器已成為當今光 譜儀的主要發(fā)展趨勢。
[0004] 德國佛羅恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所(ENAS)與克姆尼茨工業(yè)大學(TU Chemnitz) 攜手，共同研究如何將大型且笨重的實驗室設備縮小到微米或奈米級規(guī)模。他們所設計的 光譜儀利用MEMS掃描微鏡與固定放置的光柵聯(lián)合實現(xiàn)分光功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)掃描光柵光譜儀 中掃描光柵所起的作用。在工作過程中，MEMS掃描微鏡鏡面持續(xù)不斷地做周期性擺動，使微 鏡鏡面反射的平行光束以不同角度入射到光柵上，通過光柵衍射分光、球面反射鏡聚焦成 像，不同波長的光依次進入探測器中。采用此光學結構的光譜儀，在工作過程中，由于掃描 微鏡鏡面的擺動，經(jīng)微鏡面反射的平行光束在光柵上的照射位置將會產(chǎn)生移動。這樣，不同 波長的光經(jīng)光柵分光，并依次以相同衍射角入射到凹面反射鏡上時，在凹面反射鏡上的入 射位置也將產(chǎn)生相應移動，使不同波長的光經(jīng)凹面反射鏡聚焦成像后的聚焦像平面產(chǎn)生較 大幅度的移動，嚴重影響了儀器的光譜分辨率。為了彌補這種缺陷，當前這種類型的光譜儀 采用兩個探測器進行光譜探測，以減小微鏡所需的擺動幅度，并達到提高儀器分辨率的目 的。為了簡化設備結構，重慶大學設計了采用兩個凹面反射鏡進行聚焦，減小了聚焦像的移 動，同時采用一個單元探測器進行光譜探測。
[0005] EXF0公司的光通信信道檢測光譜儀的光路（美國專利：US 6636306 B2)，主要包 括:入射狹縫，準直元件，光柵，直角棱鏡，聚焦元件，出射狹縫和機械旋轉(zhuǎn)機構。這種光路結 構的功能實際上是可選波長的單色器，即將待測的復色光信號分解為各單色光信號。工作 過程是:準直元件將從入射狹縫出射的發(fā)散復色光準直為平行光照射到光柵上半部分上， 光柵將復色光分解為單色光，各單色光被直角棱鏡再次反射到光柵下半部分，形成第二次 分光后，只有一路單色光被聚焦元件聚焦于出射狹縫上輸出至探測電路，通過機械旋轉(zhuǎn)機 構帶動直角棱鏡旋轉(zhuǎn)完成選光功能。由于采用了機械旋轉(zhuǎn)機構進行光譜掃描其穩(wěn)定性和儀 器尺寸收到很大限制。同時，兩次衍射需要照射到光柵上下兩部分，因此需要光柵的面積很 大。
[0006] 針對上述缺陷，研制體積小，又滿足高分辨率要求的光譜儀器是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單 色儀光路結構。本發(fā)明采用的技術方案是，基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結 構，由光環(huán)形器，光纖信號輸入端口，入射光纖端口，準直與聚焦鏡，MEMES微鏡，光柵，平面 反射鏡和出射光纖端口組成;光纖信號輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口，光信號經(jīng)過光 環(huán)行器的第二端口從入射光纖端口進去自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡準直以后照射到MEMS微 鏡上，MEMS微鏡將光信號反射到光柵上進行第一次衍射分光，緊接著平面反射鏡將光信號 按原路反射回光柵進行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微鏡， 然后經(jīng)過MEMS微鏡反射，雙膠合透鏡聚焦后進入入射光纖端口，從光環(huán)行器的第二端口進 入后，從第三端口即光纖出射端口出射;通過MEMES微鏡的小角度掃描，不同波長的單色光 分別從光纖出射端口出射。
[0008] 光纖出射端口后面放置高靈敏度單元探測器，在MEMES微鏡扭擺過程中，不同波長 的單色光依次以特定衍射角經(jīng)光柵兩次衍射分光，從而實現(xiàn)不同波長的單色光在探測器上 的連續(xù)掃描探測。
[0009] 準直和聚焦鏡為同一消色差雙膠合透鏡。
[0010] 光柵為平面刻劃光柵或者平面全息光柵。
[0011] MEMES微鏡為具有可繞一固定軸暨懸臂梁扭擺的平行反射鏡面的微光機電裝置， 鏡面的擺動幅度能夠達到15°以上。
[0012] 在光纖芯徑較大的情況下，在入射光纖端口后附加狹縫對入射光束進行調(diào)整，以 提高儀器的光譜分辨率。
[0013] 本發(fā)明的特點及有益效果是：
[0014] 1、采用一平面反射鏡對待測光信號進行反射，經(jīng)光柵兩次分光，提高了此類光譜 儀器的光學分辨率，使其在較寬的光譜范圍內(nèi)具有較高的光譜分辨率，能夠被廣泛應用于 各個光譜波段，具有明顯的技術優(yōu)勢。
[0015] 2、采用基于MEMS技術的微型平面反射鏡掃描的方式替代傳統(tǒng)的伺服機構帶動光 柵掃描的方式，實現(xiàn)了儀器體積的小型化的同時，使儀器具有高精度、高穩(wěn)定性、便攜等優(yōu) 點。
[0016] 3、本結構可以用于光譜分析儀器的各個波段，根據(jù)具體需要可以采用靈活的參數(shù) 設計。
【附圖說明】：
[0017] 圖1為本發(fā)明整體結構示意圖。圖中：1為光纖信號輸入端口、2為入射光纖端口、3 為準直與聚焦鏡、4為MEMES微鏡、5為平面衍射光柵、6為平面反射鏡、7為出射光纖端口、8為 光環(huán)形器。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明提供的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構是由光環(huán)形器，光 纖信號輸入端口，入射光纖端口，準直與聚焦鏡，微電子機械系統(tǒng)MEMES微鏡，光柵，平面反 射鏡和出射光纖端口組成。光纖信號輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口，光信號經(jīng)過光環(huán) 行器的第二端口從入射光纖端口進去自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡準直以后照射到MEMS微鏡 上，MEMS微鏡將光信號反射到光柵上進行第一次衍射分光，緊接著平面反射鏡將光信號按 原路反射回光柵進行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微鏡，然 后經(jīng)過MEMS微鏡反射，雙膠合透鏡聚焦后進入入射光纖端口，從光環(huán)行器的第二端口進入 后，從第三端口即光纖出射端口出射。通過MEMES微鏡的小角度掃描，不同波長的單色光分 別從光纖出射端口出射。
[0019] 光纖出射端口后面放置高靈敏度單元探測器，在MEMES微鏡扭擺過程中，不同波長 的單色光依次以特定衍射角經(jīng)光柵兩次衍射分光，從而實現(xiàn)不同波長的單色光在探測器上 的連續(xù)掃描探測。
[0020] 準直和聚焦鏡為同一消色差雙膠合透鏡。
[0021] 本發(fā)明采用了新結構的光學分光系統(tǒng)，利用平面反射鏡對衍射光進行第二次衍 射，相對于普通單次衍射光譜儀，具有分辨率高的優(yōu)勢，同時相對于級聯(lián)光譜儀具有結構簡 單體積小的優(yōu)勢。
[0022] 另外，本發(fā)明的光學結構也不同于傳統(tǒng)的光柵掃描分光光譜儀，傳統(tǒng)的光柵掃描 分光光譜儀是把光柵安裝在伺服機構上，在伺服機構的帶動下通過擺動光柵實現(xiàn)不同波長 單色光的連續(xù)探測。本發(fā)明中的光學結構由MEMS掃描微鏡與平面衍射光柵聯(lián)合實現(xiàn)光學分 光，MEMS掃描微鏡把經(jīng)過準直后的平行光束反射到平面衍射光柵上進行分光，在掃描微鏡 鏡面的擺動過程中實現(xiàn)不同波長單色光的連續(xù)探測。此外，由于本發(fā)明在光學系統(tǒng)中采用 了 MEMS掃描微鏡器件，利用此種光學結構所研制的光譜儀具有體積小、重量輕、結構緊湊等 優(yōu)點。
[0023]本發(fā)明中所述的掃描微鏡是一種基于MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術開發(fā)的微光學 元件，其實質(zhì)是具有可繞一固定軸(懸臂梁)扭擺的平行反射鏡面的微光機電裝置，鏡面的 擺動幅度可達15°以上。
[0024] 本發(fā)明中，外部待測光信號，可以為自由空間光信號，自由空間光信號需先耦合進 光纖，然后經(jīng)光纖引入信號輸入端口。
[0025] 本發(fā)明中，光纖連接裝置既可是標準的FC端口光纖連接器，又可是標準的SMA端口 光纖連接器。
[0026] 本發(fā)明中，在光纖芯徑較大的情況下，可在入射光纖端口后附加狹縫對入射光束 進行調(diào)整，以提高儀器的光譜分辨率。
[0027] 下面結合附圖和【具體實施方式】進一步詳細說明本發(fā)明。
[0028] 如圖1所示，本裝置由光環(huán)形器(8)，光纖信號輸入端口（1)，入射光纖端口（2)，準 直與聚焦鏡（3)，MEMES微鏡（4)，光柵（5)，平面反射鏡（6)和出射光纖端口（7)組成?；?MEMS技術的掃描微鏡(4)是具有可繞固定中心軸周期性擺動鏡面的微型光學元件。待測光 信號光纖信號輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口 1，光信號經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口 2從入 射光纖端口進去自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡3準直以后照射到MEMS微鏡4上，MEMS微鏡將光 信號反射到光柵5上進行第一次衍射分光，緊接著平面反射鏡6將光信號按原路反射回光柵 5進行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微鏡4，然后經(jīng)過MEMS微 鏡4反射，雙膠合透鏡3聚焦后進入入射光纖端口 2，從光環(huán)行器的第二端口 2進入后，從第三 端口 7即光纖出射端口出射。通過MEMES微鏡的小角度掃描，不同波長的單色光分別從光纖 出射端口 7出射。光環(huán)行器的端口芯徑為9μπι，雙膠合透鏡參數(shù)如下：
[0030] MEMS振鏡擺角±4°，光柵刻線密度為10501p/mm。
[0031] 光譜掃描器件為MEMS掃描微鏡，置于準直和聚焦鏡的平行光路上;所述光路結構 可以實現(xiàn)光柵的二次衍射，提高了光譜分辨率;光路的準直和聚焦采用同一透鏡，簡化了光 路；
[0032]光環(huán)形器(8)，為三端口的光路徑可控光纖元件，作用是將待測信號導入入射光纖 端口（2)，同時將從入射光纖端口返回的單色光導入出射光纖端口（7)，實現(xiàn)收發(fā)信號的光 路徑分離。
[0033] 準直與聚焦鏡(3)為雙膠合消色差透鏡，作用是既作為準直鏡，將從入射光纖端口 (2)發(fā)出的待測信號準直為平行光，又作為聚焦鏡，將返回的單色平行光聚焦到入射光纖端 口⑵上。
[0034] 光柵(5)為平面刻劃光柵或者平面全息光柵。
[0035] 平面反射鏡(6)將垂直入射的衍射光按原光路反射回光柵，形成第二次衍射，同時 使光路按原路折返回去。
[0036] MEMS微鏡(4)，可在其驅(qū)動器的控制下進行精密的小角度擺動，形成不同的入射角 度，篩選出滿足不同入射角的波長的光，完成光譜掃描功能。
【主權項】
1. 一種基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是，由光環(huán)形器，光纖 信號輸入端口，入射光纖端口，準直與聚焦鏡，MEMES微鏡，光柵，平面反射鏡和出射光纖端 口組成;光纖信號輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口，光信號經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口從 入射光纖端口進去自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡準直以后照射到MEMS微鏡上，MEMS微鏡將光 信號反射到光柵上進行第一次衍射分光，緊接著平面反射鏡將光信號按原路反射回光柵進 行第二次衍射，第二次衍射光按第一次衍射的入射角返回MEMES微鏡，然后經(jīng)過MEMS微鏡反 射，雙膠合透鏡聚焦后進入入射光纖端口，從光環(huán)行器的第二端口進入后，從第三端口即光 纖出射端口出射;通過MEMES微鏡的小角度掃描，不同波長的單色光分別從光纖出射端口出 射。2. 如權利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是，光 纖出射端口后面放置高靈敏度單元探測器，在MEMES微鏡扭擺過程中，不同波長的單色光依 次以特定衍射角經(jīng)光柵兩次衍射分光，從而實現(xiàn)不同波長的單色光在探測器上的連續(xù)掃描 探測。3. 如權利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是，準 直和聚焦鏡為同一消色差雙膠合透鏡。4. 如權利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是，光 柵為平面刻劃光柵或者平面全息光柵。5. 如權利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是， MEMES微鏡為具有可繞一固定軸暨懸臂梁扭擺的平行反射鏡面的微光機電裝置，鏡面的擺 動幅度能夠達到15°以上。6. 如權利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的雙通過光柵單色儀光路結構，其特征是，在 光纖芯徑較大的情況下，在入射光纖端口后附加狹縫對入射光束進行調(diào)整，以提高儀器的 光譜分辨率。
【文檔編號】G02B26/08GK106017673SQ201610308908
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】張尹馨, 龐亞軍, 黃戰(zhàn)華, 趙健, 蓋葉
【申請人】天津大學