CN104729995A - 基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱探测设备，更具体的说，本发明涉及一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪：光源1出射的光经过准直透镜2和样品池3入射到微镜阵列4，微镜阵列显示嵌入式系统5编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑6到达单点探测器7完成光谱的探测。由于嵌入式系统可以按照编好的程序，动态调节微镜阵列上生成的菲涅尔波带片参数，使得不同波长的光分时聚焦通过光阑进入单点探测器。本发明具有结构简单紧凑、集成容易、体积小、易调节、成本低等特点，可广泛应用于农业、食品、医疗、制药、石化、环境、宇航等领域。

Description

基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱探测设备，更具体的说，本发明涉及一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪。

技术背景

除了昂贵复杂的傅立叶光谱仪、拉曼光谱仪等少数例外，大多数传统光谱仪采用衍射分光元件为棱镜或光栅，都是基于夫琅和费的远场衍射原理。而在微型光谱仪的发展过程中，随着MOEMS技术的进步，传统光栅衍射型光谱仪受限于夫琅和费的远场衍射条件限制，体积缩小有限，并且其光栅通常只有色散功能，需要加狭缝和汇聚透镜配合实现才能实现光谱仪功能，元件较多，光路较复杂，精确组装和对位要求高，集成难度大，成本高。

近年来，随着衍射光学的发展，衍射光学在光学设计中不仅可以增加设计的自由度，而且能够突破传统光学系统诸多方面的局限，在减小体积和降低成本等方面表现出传统光学系统无可比拟的优势，并受到越来越多的光学设计者的重视。菲涅尔波带片作为一种典型的衍射光学元件，具有相对大的数值孔径/焦距比，使得其可以在近场衍射聚焦，为很多体积受限的光学系统所采用。在对紫外区、红外区、太赫兹区和高强度激光等传统光学透镜由于损耗过大无法胜任的场合，菲涅尔波带片成为透镜的一个良好替代品。

MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光机电系统)技术是MOEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术和光学技术的融合，具有天生的优势，它可以实现微型光学元件和控制电路的集成，具有可大批量制造，单位成本低，体积微小，响应速度快，性能可靠等优势。目前，基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用，从与光波长相当的微尺度上提供了人们操控光场的强有力工具。

本发明的初衷是利用MEMS微镜阵列对光的振幅调制能力，动态生成参数可调的菲涅尔波带片，将入射信号光色散和汇聚在单点探测器上，形成一种体积小、结构简单、集成容易、成本低廉的微型光谱仪。

发明内容

本发明在于提供一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，通过对微镜阵列编程控制微镜单元的开关，动态生成参数可调的菲涅尔波带片，将入射信号光色散和汇聚在单点探测器上，形成一种体积小、结构简单、集成容易、成本低廉的微型光谱仪。解决传统光栅衍射型光谱仪微型化时元件较多、光路较复杂、精确组装和对位要求高、集成难度大、成本高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于包括：

a.光源；

b.准直透镜；

c.样品池；

d.微镜阵列和驱动电路；

e.嵌入式系统；

f.光阑；

g.单点探测器。

光源出射的光经过准直透镜和样品池入射到微镜阵列，微镜阵列显示嵌入式系统编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑到达单点探测器完成光谱的探测。

进一步，根据微镜阵列可以进行选择性翻转,进而实现对空间光的振幅调制的原理，以编程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴上，不同焦点处各子波带相干增强的光波长不同，编程改变菲涅尔波带片的半径和环带数，分时让各个波长的光谱信号通过光阑进入单点探测器。

本发明具有如下优点：

1.利用菲涅耳波带片的近场衍射和聚焦特性，采用MOEMS微镜阵列动态生成参数可变的菲涅耳波带片，实现光谱扫描，体积小、结构简单、集成容易、调节方便。

2.由于可编程菲涅耳波带片的调谐能力，微型光谱仪可以采用廉价而高性能的单点探测器，这个特点使得光谱仪价格更加低廉且信噪比高，尤其可以解决红外波段和太赫兹波段探测器阵列昂贵的问题。

因此整个系统具有结构简单紧凑、集成容易、体积小、易调节、成本低等特点，可广泛应用于农业、食品、医疗、制药、石化、环境、宇航等领域。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为为菲涅尔波带片调节焦距的原理图。

图3为菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟波带片示意图。

图4为微镜单元工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的实施例如图1所示，光源1出射的光经过准直透镜2和样品池3入射到微镜阵列4，微镜阵列显示嵌入式系统5编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑6到达单点探测器7完成光谱的探测。由于嵌入式系统可以按照编好的程序，动态调节微镜阵列上生成的菲涅尔波带片参数，使得不同波长的光分时聚焦通过光阑进入单点探测器。大多数传统光谱仪采用衍射分光元件为棱镜或光栅，都是基于夫琅和费的远场衍射原理,需要满足的前提条件如下

Z＞＞a²/λ

其中Z为光路长度，a为光学孔径，λ为波长。而本发明提出的新型基于可调谐菲涅尔波带片的光谱仪核心如图1所示，只需满足近场菲涅尔衍射条件

a²/λ＞＞Z＞＞a

可见，基于菲涅尔波带片的光谱仪比传统光谱仪光路更短，本发明利用菲涅耳波带片的近场衍射和聚焦特性，采用MOEMS微镜阵列动态生成参数可变的菲涅耳波带片，实现光谱扫描，具有体积小、结构简单、集成容易、调节方便的优点。

图2为菲涅尔波带片调节焦距的原理图。菲涅耳波带片实质上可看成是一种变间距光栅,最常见的圆形菲涅耳波带片由一组同心环带构成。一般可将波带片分为振幅型波带片和位相型波带片。图2为一振幅型波带片示意图。根据菲涅耳衍射原理，通过屏蔽菲涅耳半波带中的奇数带或偶数带，使透光的半波带相对于波带片光轴上焦点处光程相差为波长λ的整数倍时，该点的光强被大大增强，达到聚焦的作用，每级半波带的半径需要满足公式

同时，焦距f与波长λ成反比，公式如下

$f=\frac{r_n^2}{\mathrm{n\λ}}=\frac{{r_1}^2}{\mathrm{\λ}}$

所以，通过调节每一级半波带的半径r_n，就可以调节焦距f。例如，当r_n扩大2倍时，焦距扩大4倍。需要说明的是，波带片总环数的多少对焦距f没有影响，只对分辨率和焦深有影响。

图3为菲涅尔波带片图形和微镜阵列模拟波带片示意图。当使用反射而不是透射的方式时，同样能够实现菲涅尔波带片调焦的功能。由于菲涅尔波带片的波带结构很精细，而随着微机电系统MEMS技术的工艺发展，采用MEMS微镜阵列使得动态生成不同参数的菲涅尔波带片成为可能。图3左边是常规的菲涅尔波带片图形，通过数字离散化，可以将图形加载到MEMS微镜阵列上，虽然会使一些指标下降，如分辨率和光能利用率，但不影响调焦功能，当微镜尺寸足够小的时候，指标下降可以接受。图3右边是图形加载到MEMS微镜阵列上后的示意图，菲涅尔波带片白色半波带部分的微镜单元将光反射到成像面，而黑色半波带部分的微镜单元将光反射到成像面以外，被屏蔽和吸收掉，实现反射式菲涅尔波带片的功能。当调节半波带的半径时，加载图形变化，使得焦距f可以被调节。这种利用微镜阵列编程实现菲涅尔波带片的方式，将色散和聚焦集成到一个光学元件上，使得光谱仪结构简单，光路紧凑。由于可编程菲涅耳波带片的调谐能力，微型光谱仪可以采用廉价而高性能的单点探测器，这个特点使得光谱仪价格更加低廉且信噪比高，尤其可以解决红外波段和太赫兹波段探测器阵列昂贵的问题。

图4为满足工作要求的一种微镜单元实例工作示意图。MEMS微镜可以通过压电、磁力、静电驱动微镜单元镜面发生偏转，使得出射光角度发生偏离，达到光波长选通的效果。微镜表面可镀有高性能金属反射膜，相对于传统透射式光学透镜和相位调制型波带片，有更宽的工作频带。这个优点在红外、太赫兹、紫外、X-ray波段尤其突出。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范畴。

Claims (3)

1.一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于包括：

a.光源；

b.准直透镜；

c.样品池；

d.微镜阵列和驱动电路；

e.嵌入式系统；

f.光阑；

g.单点探测器。

2.根据权利要求1所述的一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于：光源出射的光经过准直透镜和样品池入射到微镜阵列，微镜阵列显示嵌入式系统编程生成的菲涅尔波带片的图像，光被微镜阵列上生成的波带片色散并聚焦，通过光阑到达单点探测器完成光谱的探测。

3.根据权利要求2所述的一种基于可编程微镜阵列菲涅尔波带片的微型光谱仪，其特征在于：根据微镜阵列可以进行选择性翻转,进而实现对空间光的振幅调制的原理，以编程控制微镜阵列来调制入射光波，使其形成菲涅尔波带条纹，在波带片光轴上，不同焦点处各子波带相干增强的光波长不同，编程改变菲涅尔波带片的半径和环带数，分时让各个波长的光谱信号通过光阑进入单点探测器。