CN103308460A

CN103308460A - 一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪

Info

Publication number: CN103308460A
Application number: CN2013102432344A
Authority: CN
Inventors: 兰树明; 谢会开; 陈巧; 王元光; 王卫喜; 周正伟
Original assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuxi Weiwen Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: CN103308460B

Abstract

本发明公开了一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪，包括光路***和电路***；光路***包括光源、两个准直透镜、样品池、二向色镜、分光镜、全反射镜、微机电干涉平台、二向色镜、滤光片及其两个探测器；所述电路***包括数据处理模块，数据处理模块包括光电检测、核心算法及光谱数据的处理；光源发出的光使样品池中的样品受到激发后发出样品光，透过样品池的光源经过分光后一束作为参考光一束作为反馈光。三种光经过一系列的作用后被送入电路***，电路***将采集的样品光的光谱信息发送到光谱数据库***中，与光谱数据库中已知的数据进行对比，以此来判断未知物质的化学组成。本发明可以方便的判断出未知物质的化学组成，并且低成本，精度高。

Description

一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪

技术领域

本发明涉及微机电***的光学及电子电路设计领域，更具体的，涉及一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪。

背景技术

微机电***（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS器件由于借鉴了集成电路的工艺因此应用于很多不同的领域。本世纪越来越多的传感器和执行器都倾向于采用MEMS技术，其中微机电***微镜就是其中一个绝佳的例证。微机电***驱动结构产生的力很小，但足以驱动镜面使其发生偏转。在众多MEMS微镜中电热式微镜是一款依靠热形变使镜子偏转的微机电***。电热式微镜***主要包括镜面、支撑臂和驱动臂三个部分，其中驱动臂就是依靠电热效应产生形变驱动镜子偏转。

微机电干涉平台以MEMS微镜为基础，采用微加工工艺设计制作的一种微型光学干涉装置，配合立方棱镜的使用，可以作为一种精度很高的微型干涉平台。微机电干涉平台具有两个一维的MEMS微镜和立方棱镜固定槽，使用时只需将立方棱镜放入固定槽内后封装即可。

现有的可用于化学物质分析的光谱仪一般成本高，体积大，不方便携带，因此，使用起来不方便。

虽然在光谱仪领域已经有一些较为成熟的控制方案，但是以微机电干涉平台为核心的领域尚未有过设计方案，尤其是低成本，精度高，微型化的设计方案。

基于上述描述，亟需要一种以微机电干涉平台为核心的光谱仪，以解决现有光谱仪存在的体积大，成本高、不方便携带的问题，并还可以应用于食品安全检测，野外探矿，安全防爆、环境监测等领域。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪，该光谱仪可以精确的判断出未知物质的化学组成，并且体积较小，成本较低、方便携带。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪，包括光路***和电路***；

所述光路***包括光源、两个准直透镜、样品池、二向色镜、分光镜、全反射镜、微机电干涉平台、二向色镜、滤光片及其两个探测器；

光源发出的参考光经过准直透镜的准直后进入样品池，使样品池受激发发出样品光，样品光经过准直透镜的收集后和参考光一同进入二向色镜，被分为两路光，一路经过全反射镜入射到分光镜上，分光镜将其反射到微机电干涉平台第一动镜上，反射回的光经过分光镜入射到四象限探测器上；一路经过微机电干涉平台的干涉作用后变为干涉光，二向色镜将干涉光分成样品光和参考光两束单独的干涉光；两个探测器分别用于采集干涉样品光与干涉参考光；

所述电路***包括数据处理模块，用于光的检测、核心算法及光谱数据的处理；

作为优选，所述微机电干涉平台包括第一微镜、第二微镜和立方棱镜的固定槽，所述第一微镜和第二微镜既可以作为固定镜，也可作为动镜用于位相调制。

作为优选，所述第一微镜和第二微镜为电热式垂直大位移MEMS微镜。

作为优选，所述电路***还包括四象限探测器，用于纠正微机电干涉平台的动镜偏转。

作为优选，所述电路***还包括干涉光光电转换模块，用于光电探测器采集到的干涉参考光和干涉样品光的光电转换和前期预处理。

作为优选，所述电路***还包括模数转换模块和数模转换模块，模数转换模块用于将干涉光转换的电信号和四象限探测器输出的纠正微镜偏转的信号，采集到数据处理模块中进行处理；

数模转换模块，用于将控制微机电干涉平台的数字信号模拟化。

信号整形模块，用于数模转换后的信号滤波及放大处理。

作为优选，所述电路***还包括光谱显示器，用于显示未知样品的光谱图。

作为优选，所述电路***还包括安全保护模块，用于保护上电瞬间高电压对微机电干涉平台的冲击。

作为优选，所述电路***还包括电源模块，用于为整个***进行网络式供电。

作为优选，所述基于微机电干涉平台的微型光谱仪还包括机械底座，机械底座包括前端器件固定模块、后端器件固定模块和整机外壳；前端器件固定模块用于固定光路中的准直透镜、样品池及光源；后端器件固定模块用于微干涉平台及光电转换器件固定，同时用于反馈模块和干涉模块的遮光处理；外壳用于保护内部结构，防震和防止外部杂光进入***内部产生干扰。

本发明的有益效果为，由于本发明光路***出来的光包括光波已知的参考光和未知的样品光，再加上电路***引入光谱数据库与光谱数据处理模块，可以方便的将测得的数据与光谱数据库中已知数据进行数据传输和对比，可共享公共光谱数据库资源，所以经过电路***的分析，可以根据参考光的波长，精确的计算出未知物质的化学组成。又由于光路采用空间光路，元件较少，所以容易重复实现。本发明由于利用微机电干涉平台作为核心器件整个***体积小，重量轻，携带方便。由于***采用双动镜结构设计，实际调试方便，精度高，动镜位移大，***分辨率高。由于加入闭环控制***，所以可使微镜工作中能够自动校正。由于参考光、激发光和反馈使用的光共用同一光源，所以可减少***的复杂程度，降低对光学器件的要求。由于微机电干涉平台上的两个微镜可同时轴向运动，以此可纠正动镜驱动臂非线性因素造成的运动速度不均匀，同时增大微镜移动的位移，提高光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明提供的光路***的***框图；

图2为本发明提供的电路***的***框图；

图3为本发明提供的机械底座示意图。

图中：

1、光源；2、准直透镜；3、样品池；4、准直透镜；5、二向色镜；6、立方棱镜；7、全反射镜；8、分光镜；9、四象限探测器；10、第一微镜；11、第二微镜；12、光谱显示器；13、信号处理模块；14、探测器；15、探测器；16、滤光片；17、二向色镜；18、干涉光光电转换模块；19、四象限探测器光电转换模块；20、模数转换模块；21、数据处理模块；22、电源模块；23、安全保护模块；24、数模转换模块；25、信号整形模块；26、微机电干涉平台接口；27、光谱数据库；28、光谱数据处理模块；29、光谱显示器；30、前端器件固定模块；31、后端器件固定模块；32、外壳；33、微机电干涉平台。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

该种基于微机电干涉平台的微型光谱仪包括光路***、电路***和机械底座。

图1为本发明提供的光路***的***框图。如图1所示，光路***包括光源1、准直透镜2、样品池3、准直透镜4、二向色镜5、分光镜8、全反射镜7、微机电干涉平台33、二向色镜17、滤光片16及其探测器14和探测器15。

具体的，如图1所示，准直透镜2位于光源1和样品池3之间，用来准直光源1的光。准直透镜4位于样品池3之后，用来收集样品池3激发出的样品光。二向色镜5设置在准直透镜4之后，用来把光分成两路。微机电干涉平台33采用MEMS加工工艺制作而成，平台上有两个完全相同的可做轴向运动的电热式微镜10和微镜11。其中一个微镜作为参考镜，另一个微镜作为动镜。微机电干涉平台上还安装有立方棱镜6。

图3为本发明提供的机械底座示意图。如图3所示，机械底座包括前端器件固定模块30、后端器件固定模块31和整机外壳32。前端器件固定模块30用于固定光路中的准直透镜、样品池3及光源1器件。后端器件固定模块31用于微干涉平台及光电转换器件固定，同时用于反馈模块和干涉模块的遮光处理。外壳32用于保护内部结构，防震和防止外部杂光进入***内部产生干扰。

机械底座主要用来将精准的固定***所需的分立元件，由于***对光路有一定的精度要求，因此机械底座采用固定位置卡装的方法，将光学元件安放在经过精密加工的夹具内部，通过卡槽与卡簧以及固定胶体的配合方式来实现机械组装。部分元件可根据实际需求做出细微的调整，同时整个结构设计中预留出部分卡槽，方便添加其他可使用的光学元件。在微干涉平台的固定模块内引入遮光***，防止漏光导致***产生误差。

整个微机电干涉平台33固定到机械底座上，使用排线将微机电干涉平台33的电接口引出。按照图1所示光路将光学元件固定到相应机械夹具上，将机械夹具固定到机械外壳32的底座上。

图2为本发明提供的电路***的***框图。如图2所示，电路***包括数据处理模块21、光谱数据处理模块28、四象限探测器9、干涉光光电转换模块18、模数转换模块20和数模转换模块24、信号整形模块25、光谱显示器29、安全保护模块23、电源模块22和微机电干涉平台接口26。

数据处理模块21，用于核心算法及光谱数据的处理。

光谱数据模块28，用于将采集到的样品光的光谱信息传递到光谱显示器上。

四象限探测器9用于检测微镜运动偏转的角度，以此纠正微机电干涉平台的动镜偏转。

干涉光光电转换模块18用于探测器采集到的干涉参考光和干涉样品光的光电转换和前期预处理。

模数转换模块20用于将干涉光转换的电信号和四象限探测器9检测微镜偏角的信号，采集到数据处理模块21中进行处理。数模转换模块24用于将控制微机电干涉平台的数字信号模拟化。

信号整形模块25用于数模转换后的信号滤波及放大处理。

光谱显示器29用于显示未知样品的光谱图和光谱数据库27提供的参数对比数据。

安全保护模块23用于保护上电瞬间高电压对微机电干涉平台的冲击。

电源模块22用于为整个***进行网络式供电。

微机电干涉平台接口26用于传输驱动微干涉平台上微镜的信号。

整个***工作流程如下：

样品池3放入待测样品后，打开光源和电路***开关，光源1发出的参考光经过准直透镜2的准直后进入样品池3，使样品池中3的样品受到激发后发出样品光，透过样品池的光源经过分光后一束作为参考光一束作为反馈光。反馈光进入反馈光路，用于实时控制微镜保持同一角度不变。样品光经过准直透镜4的收集作用后和参考光一同进入二向色镜5，被分为两束光。一束光经过全反射镜7入射到分光镜8上，分光镜8反射的光入射到微镜10上，微镜10反射的光透过分光镜8入射到四象限探测器9上；另外一束光经过微机电干涉平台的干涉作用后变为干涉光。二向色镜17将干涉光分成干涉样品光和干涉参考光两束单独的光。两个独立光电探测器，即探测器14和探测器15分别用于采集干涉样品光与干涉参考光并将采集的光送入电路***，电路***通过数据处理模块21对采集的光进行数据运算和矫正之后，将采集的样品光的光谱信息发送到光谱数据库***中，与光谱数据库中已知的信号进行对比，以此来判断未知物质的化学组成。光谱数据处理模块28将光谱信息通过光谱数据处理的方式发送到光谱显示器29中。本发明可以方便的判断出未知物质的化学组成，并且低成本，精度高。

基于微机电干涉平台的微型傅里叶光谱仪采用时间调制的设计方式，通过微机电干涉平台将样品光的频率调制下来进行数据采集和处理，以此分析样品的化学成分。当给动镜加载一个幅值为V，频率为f的三角波线性电压时，微镜开始做轴向运动。整个轴向运动的单程距离为微镜轴向最大位移L，根据L与V的特征曲线可以得知微镜在整个L位移以内的线性区和非线性区。实际工作中由于动镜位移的变化，使干涉***的光程差发生变化，以单色光光谱测量为例，干涉光光强I(δ)＝0.5I(v)[1+cos(2πδ/λ)](其中I(v)为单色光的光强）。

当光程差δ＝nλ(λ为样品光的波长）时，I(δ)＝I(v)即干涉光的光强与单色光的光强相等。由干涉光光强表达式可以看出I(δ)中既包含有0.5I(v)的直流分量，还包含有0.5I(v)cos(2πδ/λ)的余弦分量。实际光谱测量中只有余弦调制项才是最主要的部分。单色光的光谱只需对余弦波进行傅里叶变换及其他处理即可测量出该单色光的波长。

整个***工作情况下，由于微镜运动存在非线性区，整个动镜轴向运动过程非匀速，因此产生的干涉波形存在非均匀性。因此***引入参考光进入干涉***，参考光为已知波长的光源，与样品光一同进入干涉***后，通过后端二向色镜17的分光和滤光片16的滤除，将样品光与参考光完全分成单独的两束光。经干涉光光电转换模块18的光电转换后得到参考光和样品光两路干涉信号。由于参考光的波长已知，因此通过数据处理可以标定出***本身的特征值η。因此样品光和参考光的关系可以表示为λ_sam＝η×λ_ref，λ_sam为参考光的波长，λ_ref为样品光的波长。η在***中不是一个定量，***受到外界环境的干扰等因素η成为一个未知变量，因此每次测量的η值均不为定值，因此参考光需每次测量时都要对该值进行标定才能时刻的准确测量出样品光的波长。

另外，该***还引入闭环控制模块用于控制微镜在轴向位移的过程中，由于外界干扰导致的微镜镜面产生偏移，使微镜镜面在整个运动过程中始终保持在一个固定的角度不变。***反馈利用四象限探测器9作为纠正的检测装置，微镜反射的光斑入射在四象限探测器9上时，四象限探测器光电转换模块19将光信号转换为电信号，***电路通过四路电压的计算，得出光斑此时的坐标为(X0，Y0），当微镜镜面发生偏移后光斑在四象限探测器上发生位移，此时光斑的坐标为(X1,Y1)，由此可判断光斑偏移的变化量。***根据坐标偏移的变化量调整微镜的驱动电压，使微镜恢复到初始位置，以此实现微镜镜面的实时控制。

该种以微机电干涉平台为核心的光谱仪，不但可以精确的判断出未知物质的化学组成体积小，而且成本较低、方便携带，并还可以应用于食品安全检测，野外探矿，安全防爆、环境监测等领域。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：包括光路***和电路***；

所述光路***包括光源（1）、两个准直透镜（2，4）、样品池（3）、二向色镜（5）、分光镜（8）、全反射镜（7）、微机电干涉平台（33）、二向色镜（17）、滤光片（16）及其两个探测器（14，15）；

光源（1）发出的参考光经过准直透镜（2）的准直后进入样品池（3），使样品池（3）受激发发出样品光，样品光经过准直透镜（4）的收集后和参考光一同进入二向色镜（5），被分为两路光，一路经过全反射镜（7）入射到分光镜（8）上，分光镜（8）将其反射到微机电干涉平台（33）第一动镜（10）上，反射回的光经过分光镜（8）入射到四象限探测器（9）上；一路经过微机电干涉平台（33）的干涉作用后变为干涉光，二向色镜（17）将干涉光分成样品光和参考光两束单独的干涉光；两个探测器（14，15）分别用于采集干涉样品光与干涉参考光；

所述电路***包括数据处理模块（21），用于光的检测、核心算法及光谱数据的处理。

2.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述微机电干涉平台（33）包括第一微镜（10）、第二微镜（11）和立方棱镜（6）的固定槽，所述第一微镜（10）和第二微镜（11）既可以作为固定镜，也可作为动镜用于位相调制。

3.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述第一微镜（10）和第二微镜（11）为电热式垂直大位移MEMS微镜。

4.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述电路***还包括四象限探测器（9），用于纠正微机电干涉平台的动镜偏转。

5.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述电路***还包括干涉光光电转换模块（18），用于光电探测器采集到的干涉参考光和干涉样品光的光电转换和前期预处理。

6.根据权利要求5所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：

所述电路***还包括模数转换模块（20）和数模转换模块（24），模数转换模块（20）用于将干涉光转换的电信号和四象限探测器（9）输出的纠正微镜偏转的信号，采集到数据处理模块（21）中进行处理；

数模转换模块（24），用于将控制微机电干涉平台的数字信号模拟化。

信号整形模块（25），用于数模转换后的信号滤波及放大处理。

7.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述电路***还包括光谱显示器（29），用于显示未知样品的光谱图。

8.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述电路***还包括安全保护模块（23），用于保护上电瞬间高电压对微机电干涉平台的冲击。

9.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：所述电路***还包括电源模块（22），用于为整个***进行网络式供电。

10.根据权利要求1所述的基于微机电干涉平台的微型光谱仪，其特征在于：还包括机械底座，机械底座包括前端器件固定模块（30）、后端器件固定模块（31）和整机外壳（32）；前端器件固定模块（30）用于固定光路中的准直透镜、样品池（3）及光源（1）；后端器件固定模块（31）用于微干涉平台及光电转换器件固定，同时用于反馈模块和干涉模块的遮光处理；外壳（32）用于保护内部结构，防震和防止外部杂光进入***内部产生干扰。