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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜分析儀器技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]紅外光譜儀是一種通過(guò)測(cè)定物質(zhì)的發(fā)射光譜、透射或漫反射吸收光譜對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組份進(jìn)行定性、定量分析的精密光學(xué)儀器。紅外光譜儀在使用過(guò)程中具有使用簡(jiǎn)單、快速、無(wú)損、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)藥、科技、石油化工、航空航天、環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域，是最為重要的光學(xué)分析儀器之一。
[0003]近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步、工業(yè)化水平的提高，紅外光譜儀的市場(chǎng)需求量不斷增長(zhǎng)，與此同時(shí)，人們也對(duì)紅外光譜儀的使用提出了微型、便攜、能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等新的要求。于是，在廣闊市場(chǎng)的牽引下，研制方便耐用、結(jié)構(gòu)緊湊的便攜式微型紅外光譜儀成為國(guó)內(nèi)外科研工作者的研宄熱點(diǎn)。
[0004]基于MEMS技術(shù)的紅外光譜儀，是以微機(jī)械加工技術(shù)制作的MEMS微光學(xué)元件作為核心關(guān)鍵器件研制的微型紅外光譜儀。由于MEMS光學(xué)器件的使用，基于MEMS技術(shù)的光譜儀具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、成本低廉、能夠滿足實(shí)時(shí)、在線快速檢測(cè)要求等優(yōu)點(diǎn)。利用MEMS技術(shù)研制基于各種結(jié)構(gòu)原理的微型光譜儀已成為當(dāng)前光譜儀的主流發(fā)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(shù)研制的掃描微鏡，代替?zhèn)鹘y(tǒng)光柵光譜儀通過(guò)機(jī)械部件帶動(dòng)光柵掃描，實(shí)現(xiàn)復(fù)合光束掃描與分光的一種光譜檢測(cè)儀器，其具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)微型化、集成化高性能紅外光譜儀的應(yīng)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(fā)明提供的紅外光譜儀，采用的技術(shù)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(cè)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(diǎn)位置或其附近，待測(cè)光信號(hào)由光纖連接器(I)輸出后通過(guò)入射狹縫(2)照射到拋物面反射鏡(3)上、被準(zhǔn)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(cè)、與掃描鏡呈小于90度夾角，待測(cè)光信號(hào)被拋物面反射鏡(3)準(zhǔn)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(jìn)行色散分光；聚焦反射鏡(6)與閃耀光柵(5)對(duì)向放置，由于掃描鏡(4)對(duì)平行光束的周期性掃描運(yùn)動(dòng)，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(shí)，在儀器的波長(zhǎng)探測(cè)范圍內(nèi)、不同波長(zhǎng)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(diǎn)附近，出射狹縫(7)放置于該位置點(diǎn)或其附近；探測(cè)器(8)放置在出射狹縫(7)后；這樣，儀器工作過(guò)程中，由于掃描鏡(4)的周期性掃描運(yùn)動(dòng)，在光譜探測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光將依次通過(guò)出射狹縫(7)照射到探測(cè)器(8)上，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光的連續(xù)掃描探測(cè)。
[0008]本發(fā)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(jìn)光譜儀的待測(cè)光信號(hào)離軸準(zhǔn)直為平行光束。在研制的光譜儀器系統(tǒng)中，采用離軸拋物面反射鏡作為準(zhǔn)直鏡，既有利于光學(xué)器件的擺放，又可通過(guò)使用短焦拋物面反射鏡增加準(zhǔn)直平行光束的光強(qiáng)，提高儀器光譜信號(hào)的強(qiáng)度及信噪比。
[0009]本發(fā)明中所述掃描鏡(4)是一種基于MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)制作的一種微光學(xué)元件，其實(shí)質(zhì)是具有一可繞固定軸(懸臂梁)作周期性扭擺運(yùn)動(dòng)鏡面的光學(xué)器件。目前，利用MEMS技術(shù)研制掃描鏡在技術(shù)上已趨于成熟，基于靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)等多種類(lèi)型的MEMS掃描鏡均已達(dá)到實(shí)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(fā)明中，外部待測(cè)光信號(hào)，即可耦合進(jìn)光纖、經(jīng)光纖傳輸至光纖連接器(I)后，通過(guò)入射狹縫(2)耦合進(jìn)光譜儀中，又可根據(jù)實(shí)際需要略去光纖連接器(1)，把外部待測(cè)光信號(hào)直接通過(guò)入射狹縫(2)耦合進(jìn)光譜儀；此外，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，或可在光譜儀系統(tǒng)中略去入射狹縫(2)，外部待測(cè)光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至光纖連接器(I)后，直接把待測(cè)光信號(hào)耦合進(jìn)光譜儀中。
[0011]本發(fā)明中，可根據(jù)實(shí)際需要利用光纖代替出射狹縫(7)，通過(guò)光纖把待測(cè)光信號(hào)傳輸至探測(cè)器(8)進(jìn)行光譜探測(cè)(如附圖2所示)。
[0012]本發(fā)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(dòng)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(fā)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(fā)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(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
1.提出的光譜儀器系統(tǒng)，采用離軸拋物面反射鏡作為光譜儀器的準(zhǔn)直鏡，既有利于儀器系統(tǒng)中各光學(xué)部件的擺放，又可通過(guò)使用短焦拋物面反射鏡增加準(zhǔn)直平行光束的光強(qiáng)，提高探測(cè)器接收到的光信號(hào)強(qiáng)度，使研制的儀器具有高信噪比；
2.提出的光譜儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(dòng)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(yīng)用于各個(gè)光譜波段，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；
3.提出的光譜儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合MEMS掃描鏡、離軸拋物面反射鏡，在實(shí)現(xiàn)光譜儀器的模塊化與集成化、降低儀器成本的同時(shí)，可使儀器在較寬的波長(zhǎng)探測(cè)范圍內(nèi)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(shù)障礙；
4.提出的光譜儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不但可用于近紅外光譜區(qū)域，而且可用于中遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域及紫外光譜區(qū)域，光譜波長(zhǎng)探測(cè)范圍的拓展性非常強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明所述紅外光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中利用光纖連代替出射狹縫時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如附圖1所示，本發(fā)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(cè)器8組成。掃描鏡4是基于MEMS技術(shù)研制、具有可繞固定旋轉(zhuǎn)軸做周期性扭擺運(yùn)動(dòng)鏡面的微型光學(xué)元器件。待測(cè)光信號(hào)由光纖連接器1、入射狹縫2耦合進(jìn)光譜儀系統(tǒng)內(nèi)部后，被拋物面反射鏡3準(zhǔn)直為平行光束；掃描鏡4的鏡面位于拋物面反射鏡3的準(zhǔn)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(duì)向放置；掃描鏡4鏡面的周期性掃描運(yùn)動(dòng)，使平行光束在閃耀光柵5上的入射角發(fā)生周期性改變、在光譜探測(cè)范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)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(diǎn)附近，出射狹縫7處于該位置點(diǎn)或其附近；出射狹縫7后放置探測(cè)器8 ;儀器工作時(shí)，由于掃描鏡的周期性掃描運(yùn)動(dòng)，不同波長(zhǎng)的光被光柵衍射分光、聚焦反射鏡聚焦成像后依次通過(guò)出射狹縫照射到紅外探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)待測(cè)光信號(hào)的全譜線連續(xù)掃描探測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(cè)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(shè)置于拋物面反射鏡(3)的焦點(diǎn)或焦點(diǎn)附近，待測(cè)光信號(hào)通過(guò)光纖連接器(1)、入射狹縫(2)耦合進(jìn)光譜儀，被拋物面反射鏡(3)準(zhǔn)直為平行光束；掃描鏡(4)放置在拋物面反射鏡(3)的準(zhǔn)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(duì)向放置；準(zhǔn)直的平行光束被掃描鏡(4)反射到閃耀光柵(5)上，通過(guò)閃耀光柵(5)進(jìn)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(cè)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(yùn)動(dòng)，不同波長(zhǎng)的待測(cè)光信號(hào)被閃耀光柵(5)分光、聚焦反射鏡(6)聚焦成像后依次通過(guò)出射狹縫(7)照射在探測(cè)器(8)上，從而實(shí)現(xiàn)光譜的連續(xù)掃描探測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制作而成、具有可繞固定轉(zhuǎn)軸做周期性扭擺運(yùn)動(dòng)鏡面的微光學(xué)元件。
4.根據(jù)權(quán)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(jīng)拋物面反射鏡(3)準(zhǔn)直的平行光束相交叉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述紅外光譜儀，其特征在于:所用探測(cè)器(8)既可以是光導(dǎo)型近、中紅外單元探測(cè)器，也可以是光伏型近、中紅外單元探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求6所述紅外光譜儀，其特征在于:根據(jù)實(shí)際需要，光譜儀可略去入射狹縫(2 )或光纖連接器(I)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求6或/和7所述紅外光譜儀，其特征在于:根據(jù)實(shí)際需要，出射狹縫(7)可被光纖代替，使待測(cè)光信號(hào)依次耦合進(jìn)光纖后、通過(guò)光纖傳輸輸出到探測(cè)器(8)上進(jìn)行光譜探測(cè)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)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(cè)器等部分組成。掃描鏡是采用MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)制作而成的掃描微鏡，其與閃耀光柵共同實(shí)現(xiàn)掃描與分光功能；外部待測(cè)光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸后由光纖連接器、入射狹縫耦合進(jìn)光譜儀，被拋物面反射鏡離軸準(zhǔn)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(jīng)光柵分光、聚焦鏡反射聚焦后，不同波長(zhǎng)的光依次通過(guò)出射狹縫照到探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)光譜的連續(xù)掃描探測(cè)。本發(fā)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(yōu)點(diǎn)的高分辨率MEMS紅外光譜儀。
【IPC分類(lèi)】G01J3-06, G01N21-35, G01J3-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104880433
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510308193
【發(fā)明人】張中衛(wèi), 王新良, 王科平, 靳翔, 黃靜靜
【申請(qǐng)人】河南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年6月9日