專利名稱：一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀，更具體的說(shuō)，本發(fā)明是利用平動(dòng)式光柵光閥器件對(duì)光的干涉調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的分析。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(MOMES)得到了較大的發(fā)展，微機(jī)械部件，微型探測(cè)元件等縮小了光譜儀器結(jié)構(gòu)。光譜儀向微型化、高度集成化、便攜式方向發(fā)展。微型近紅外光譜儀主要利用MOMES器件構(gòu)成的高集成微型光路，結(jié)合化學(xué)計(jì)量法、微弱信號(hào)檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)測(cè)量檢測(cè)。因其具有體積小、成本低、無(wú)可動(dòng)部件、快速高效、無(wú)損檢測(cè)、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代生產(chǎn)科研中受到了廣泛重視。主流微型光譜儀為傅里葉數(shù)字變換光譜儀和光柵分光式光譜儀，傅里葉數(shù)字變換光譜儀傳統(tǒng)光路為邁克爾遜干涉儀式光路，光路中需要采用離子分束器進(jìn)行分光，通過(guò)移動(dòng)動(dòng)鏡，產(chǎn)生動(dòng)鏡和定鏡之間的相位差實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制，這種光譜儀結(jié)構(gòu)需要器件多，動(dòng)鏡的移動(dòng)一般依賴于精密的機(jī)械聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，體積較大，移動(dòng)精度的控制是整個(gè)光譜儀實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)。光柵分光式光譜儀技術(shù)難點(diǎn)在于其分辨率受光柵和入射狹縫限制，精度提高的同時(shí)會(huì)引起光能量的銳減，并且平行柵條式光柵會(huì)引起光譜譜面內(nèi)彎曲，這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求比傅里葉光譜儀的高，也無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)全譜段的測(cè)量。本發(fā)明采用前期研究的平動(dòng)式光柵光閥GMLM (Grating Moving Light Modulator)作為光譜調(diào)制的核心器件，具有加工簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度更快，成本更低，可批量化成產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且該器件可以較好的避免這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)平動(dòng)光柵光閥在光譜儀中的實(shí)用性，本發(fā)明提出了一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀，其包含有光源、樣品池、準(zhǔn)直成像系統(tǒng)、平動(dòng)光柵光閥陣列和單探測(cè)器；所述樣品池位于光源的出射光路上，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)位于樣品池之后的光路上，所述平動(dòng)光柵光閥陣列位于準(zhǔn)直成像系統(tǒng)出射光之后，所述單探測(cè)器位于平動(dòng)光柵光閥陣列的反射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)后的二次出射光路之后。所述光源發(fā)出的光為復(fù)色光源，樣品池內(nèi)裝入待測(cè)樣品，準(zhǔn)直成像系統(tǒng)、光柵光調(diào)制器構(gòu)成主要的光路系統(tǒng)。復(fù)色光通過(guò)樣品池后，經(jīng)由準(zhǔn)直成像系統(tǒng)準(zhǔn)直，進(jìn)入平動(dòng)式光柵光閥陣列，利用平動(dòng)光柵光閥作為光譜儀的核心光調(diào)制器件，實(shí)現(xiàn)復(fù)色光波面調(diào)制，調(diào)制光二次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直成像系統(tǒng)，成像在單探測(cè)器上，進(jìn)而測(cè)出能量譜，即可完成對(duì)光能量譜的探測(cè)。本發(fā)明的光路原理為光由準(zhǔn)直成像系統(tǒng)(如凹面反射鏡(透鏡))準(zhǔn)直后入射到平動(dòng)式光柵光閥，受到光柵光閥的調(diào)制，再一次由準(zhǔn)直成像系統(tǒng)準(zhǔn)直到探測(cè)器面上，進(jìn)行光信號(hào)探測(cè)；光路中二次利用準(zhǔn)直成像系統(tǒng)準(zhǔn)直成像，可簡(jiǎn)化光路，降低裝調(diào)難度，減少成本，縮短整體光路尺寸。上述光譜儀的核心器件平動(dòng)光柵光閥，為本申請(qǐng)人前期研發(fā)的MOEMS光柵平動(dòng)式光調(diào)制器 GMLM (Grating Moving Light Modulator，專利號(hào) ZL200510020186. 8)，其結(jié)構(gòu)可通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)下拉光柵光閥上表面，從而連續(xù)改變上下表面的高度差。復(fù)色光進(jìn)入平動(dòng)光柵光閥后，在任一高度差下，光波都可以被光柵上下表面分割為相干的兩束光，并且兩束光之間形成穩(wěn)定的干涉條紋。由于光柵光閥的調(diào)制特性，改變高度差，不同高度差下的干涉光譜信號(hào)可以在成像位置由單探測(cè)器輸出響應(yīng)電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣， 采樣點(diǎn)位于每個(gè)改變高度差之后形成穩(wěn)定干涉條紋的時(shí)刻，并與驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序相匹配，以區(qū)分不同下拉電壓對(duì)應(yīng)的高度差；最后對(duì)信號(hào)采用傅里葉光譜變換算法進(jìn)行處理之后，通過(guò)傅里葉逆變換還原光譜信息，獲得入射光的光譜。采用本申請(qǐng)人前期研發(fā)的MOEMS光柵平動(dòng)式光調(diào)制器GMLM (Grating Moving Light Modulator，專利號(hào)ZL200510020186. 8)作為光譜儀的核心器件平動(dòng)光柵光閥，可以簡(jiǎn)化常見(jiàn)色散光譜儀中分光選通系統(tǒng)，也無(wú)需使用傅里葉光路中的邁克爾遜干涉光路中的離子分束器，大大簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，縮短光路尺寸，并且可以在較高的光能量下進(jìn)行全譜段掃描，在微型光譜儀的設(shè)計(jì)中有著較大的優(yōu)勢(shì)。傅里葉變換光譜儀主要利用的是傅里葉數(shù)字變換處理算法。探測(cè)器通過(guò)測(cè)得干涉零級(jí)光譜能量，經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換得到原始光譜能量分布。原始能量譜和入射功率譜之間有如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀，其特征在于所述光譜儀包含有光源(1)、樣品池(2)、準(zhǔn)直成像系統(tǒng)(3)、平動(dòng)光柵光閥陣列(4)和單探測(cè)器(5);所述樣品池位于光源 (1)的出射光路上，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)位于樣品池(2)之后的光路上，所述平動(dòng)光柵光閥陣列(4)位于準(zhǔn)直成像系統(tǒng)(3)出射光之后，所述單探測(cè)器(5)位于平動(dòng)光柵光閥陣列(4)的反射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)后的二次出射光路之后；所述光源(1)發(fā)出的光為復(fù)色光，復(fù)色光通過(guò)樣品池(2)后，經(jīng)由準(zhǔn)直成像系統(tǒng)(3) 準(zhǔn)直，進(jìn)入平動(dòng)式光柵光閥陣列(4)，實(shí)現(xiàn)復(fù)色光波面調(diào)制，調(diào)制光二次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直成像系統(tǒng) (3)，成像在單探測(cè)器(5)上，進(jìn)而測(cè)出能量譜；所述平動(dòng)光柵光閥陣列(4)是通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)下拉光柵光閥上表面，連續(xù)整體改變平動(dòng)光柵光閥上下表面間高度差，所述復(fù)色光進(jìn)入平動(dòng)光柵光閥陣列(4)后，在任一高度差下， 光波都可以被光柵上下表面分割為相干的兩束光，并且兩束光之間形成穩(wěn)定的干涉條紋， 利用光柵光閥的調(diào)制特性，改變高度差，不同高度差下的干涉光譜信號(hào)可以在成像位置由單探測(cè)器輸出響應(yīng)電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)位于每個(gè)改變高度差之后形成穩(wěn)定干涉條紋的時(shí)刻，并與驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序相匹配，以區(qū)分不同下拉電壓對(duì)應(yīng)的高度差；對(duì)該電信號(hào)采用傅里葉光譜變換算法進(jìn)行處理之后，通過(guò)傅里葉逆變換還原光譜信息，獲得入射光的光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀，其特征在于所述平動(dòng)光柵光閥陣列(4)的驅(qū)動(dòng)電壓和下拉距離為非線性關(guān)系，采用相位誤差修正法，對(duì)下拉和回復(fù)過(guò)程的光程差進(jìn)行算法補(bǔ)償，S1為修正后的光程差^V7J為動(dòng)鏡移動(dòng)距離，通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合后，得到移動(dòng)距離和光程變化量間關(guān)系δ (d)然后對(duì)光程差進(jìn)行校正，得到能譜與入射功率譜修正后關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明提出一種平動(dòng)光柵光閥傅里葉微型光譜儀，采用MEMS技術(shù)，光譜分析技術(shù)，傅里葉數(shù)字變換技術(shù)；系統(tǒng)中包括光源，準(zhǔn)直系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，可編程空間光調(diào)制器陣列，和單個(gè)探測(cè)器件；激光波面到調(diào)制器處，會(huì)發(fā)生波面分割，一部分光從上表面反射，另一部分從下表面反射，兩束為相干光發(fā)生干涉；通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)改變可編程空間光調(diào)制器上下表面之間的高度差，從而改變相干光光程差，實(shí)現(xiàn)干涉條紋調(diào)制；由單探測(cè)器測(cè)得光能量變化，利用傅里葉數(shù)字變換技術(shù)和光程差校正技術(shù)，測(cè)得樣品信息；無(wú)需使用傳統(tǒng)分光光柵或離子分束器，實(shí)現(xiàn)單一器件既分光又選通雙重功能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，縮短光路，使得器件結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度高，可廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)研究中。
文檔編號(hào)G02B26/08GK102175327SQ20111003382
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者張智海, 溫志渝, 王偉, 莫祥霞, 郭媛君 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)