技术领域
[0001] 本
发明涉及微型近红外光谱仪，属于光谱分析和微光
机电系统领域。
背景技术
[0002] 近红外光谱是指特定
波长在800 2500nm范围内的
电磁波。近红外光谱为分子振动~光谱的倍频和组合
频谱带，主要是指含氢基团的吸收，涵盖了绝大多数类型有机物组成和分子结构的信息，由于不同的基团或同一基团在不同的化学环境中的吸收波长有明显的差异，因此可以作为获取有机物组成或性质信息的有机载体。近红外光谱仪通过检测不同的分子或
原子在近红外区域的吸收光谱，实现对未知物质的分子结构和化学成分进行定性、定量检测与分析。
[0003] 近红外光谱的吸光系数小、穿透性高、可用于透射式直接分析固体样品，检测快速、环保无污染并且仪器结构简单，易于维护。随着MOEMS（Micro-Opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统）技术的不断发展，近红外光谱仪在石油化工、
食品安全、环境监测、
生物医药、航空航天等领域的需求越来越迫切。传统近红外光谱仪体积大、不便携带、使用条件苛刻、功耗大、成本高、不便于二次开发等问题，严重制约了近红外光谱分析技术的应用拓展。目前，研制出低成本、高性能、宽波段的便携式近红外光谱仪已成为国内外学者的研究热点。
[0004] 现微型近红外光谱仪主要有：滤光片型、调制变换型、阵列检测型和光栅扫描型。滤光片型又分为传统滤色片型、声光可调谐滤波型（AOTF）、法布里-珀罗干涉型（FPI）。其中传统滤色片型光谱仪结构简单、体积小、
分辨率高，但是对滤光片的要求高、种类有限、滤光片易受环境影响污染；AOTF型光谱仪体积小、
信噪比高、光通量大、成本低，但是对不同波长精准调制困难、分辨率受限于MOEMS数字微镜的反射率。FPI光谱仪型无移动件、扫描速度快、光通量大、携带方便，但是分辨率低、价格昂贵、晶体制作的一致性差。
[0005] 调制变换型光谱仪又分为基于傅里叶变换型（FT）和哈达玛变换型（HT），前者光谱仪扫描速度快、波长
精度高、分辨率高，但是受限于微动镜的形变量和倾
角、形变大必导致倾角大，必须采用相应的控制
算法去减小倾角。后者光谱仪能接受多通道波长、光通量大、信噪比高，但是器件
稳定性和重复性低，分辨率和波长范围取决于数字微镜阵列尺寸。
[0006] 阵列检测型光谱仪已是现市场上比较成熟且占有主导地位的产品，其抗干扰性强、无移动件、测量精度高、扫描速度快，但是无出射狭缝、受杂散光影响严重、光谱范围受限、探测器价格昂贵。
[0007] 光栅扫描型光谱仪以扫描光栅微镜为核心器件，通过闭环控制算法控制扫描光栅微镜做周期性扫描，将
准直后的平行光束衍射分光、扫描结合聚焦成像镜使用单管探测器替代阵列探测器，实现了光谱的连续采集。该类光谱仪结构简单、成本低廉、易实现器件微型化。随着现代工业领域对仪器微型化、宽光谱、高性能的迫切需求，基于光栅扫描型光谱仪已是当今的热点方向。
[0008] 目前，基于光栅扫描型的近红外光谱仪主要采用单管探测器进行光谱
信号的探测，基于单光路系统结构的光谱仪不能全部
覆盖近红外全波谱，产品应用受限于波长范围；基于双光路系统结构的光谱仪虽然能探测器近红外全波谱，但是存在体积大、成本高、装调难度大、分辨率和信噪比受限于光学系统器件间的干涉等问题。
发明内容
[0009] 本发明主要针对现代工业应用对微型近红外光谱仪的微型化、宽光谱、高性能的迫切需求。提出一种基于扫描光栅微镜的宽光谱微型近红外光谱仪，其采用离轴抛物面反射镜结合交叉式Czerny-Turner结构进行改进设计，形成新型交叉式Czerny-Turner结构，大大消减光学系统像差，提升仪器分辨率和信噪比，并且利用单管宽光谱双色测器替代传统双单管探测器，实现800 2500nm全波谱范围探测，大大简化光学系统结构。~
[0010] 本发明通过以下技术方案加以实现：一种基于扫描光栅微镜的宽光谱微型近红外光谱仪，包括依次分布在光路上的
光源、入射狭缝、准直反射系统、扫描光栅微镜、聚焦成像镜、出射狭缝和探测器。
[0011] 所述准直反射系统由离轴抛物面反射镜和平面反射镜构成。所述离轴抛物面反射镜与光源和入射狭缝三点一线，所述平面反射镜位于离轴抛物面反射镜的离轴反射光路上，入射的复合光经过离轴抛物面反射镜90°离轴准直成平行光束进入平面反射镜，在平面反射镜反射的平行光路后放置所述扫描光栅微镜。扫描光栅微镜将入射的平行复合光衍射分光为单色光，聚焦成像镜与扫描光栅微镜对向布置，当扫描光栅微镜在电磁驱动下进行周期性扫描时，不同波长的单色光经过聚焦成像镜聚焦依次通过出射狭缝成像于所述探测器中，实现了对不同波长的单色光连续扫描探测。
[0012] 所述离轴抛物面反射镜、平面反射镜和聚焦成像镜均采用12.7mm口径的反射镜，离轴抛物面反射镜和聚焦成像镜焦距分别为25.4mm和50mm。所述入射狭缝和出射狭缝分别为入射
硅基狭缝和出射硅基狭缝。
[0013] 本发明中的光学结构是采用离轴抛物面反射镜结合交叉式Czerny-Turner结构进行改进设计，形成的新型交叉式Czerny-Turner结构，对于传统的交叉式Czerny-Turner结构虽然能在一定波段内消除系统像差，但是无法满足近红外全波谱范围的高分辨率、高信噪比、小像差的要求。本发明设计的新型交叉式Czerny-Turner结构，通过离轴抛物面反射镜解决了光学系统由于球差存在对成像
质量的影响，另一方面通过短焦距式离轴抛物面反射镜解决了整个近红外波段的信噪比和分辨率问题。
[0014] 作为优选方案，本发明中所述扫描光栅微镜是MOEMS扫描光栅微镜或者FR4电磁式扫描光栅微镜。对于这两种光栅微镜都是适用的，扫描光栅微镜的扫描角度为±6°，衍射光栅的闪耀角和闪耀波长分别为9.4°和1170nm。
[0015] 进一步，所述MOEMS扫描光栅微镜是由闪耀光栅、微镜、电磁微
驱动器、角
传感器、扭转梁、连接梁和固定
框架通过MEMS加工工艺集成在同一单晶
硅片的表面。
[0016] 进一步，所述FR4电磁式扫描光栅微镜是由电磁驱动器、角传感器、中心镜板和扭转梁通过PCB制版工艺共同集成在同一FR4板正
反面上，并将以硅片为基底材料采用MEMS技术
刻蚀而成的光栅微镜，通过环
氧树脂粘贴在FR4板材的中心镜板上。采用电磁式扫描光栅微镜，经过平面反射镜入射的复合光经过闪耀光栅衍射后分光，扭转梁在电磁驱动器的作用下驱动扫描光栅微镜进行周期性的扫描，集成在微镜反面的角传感器在
磁场往返运动过程中产生角传感信号，通过角传感信号与驱动信号实现扫描光栅微镜的闭环控制，通过角传感信号和光谱信号的线性关系实现近红外光谱的标定。
[0017] 本发明中所述探测器采用单管宽光谱双色近红外探测器。
[0018] 作为优选方案，本发明中所述的所述单管宽光谱双色近红外探测器是覆盖800~2500nm近红外全波段的双色光敏面的非制冷式InGaAs PIN光电
二极管，该探测器的感光元件是由两个光敏面重叠组成，外层光敏面的响应波段为800 1700nm，感光面积为~
2.4mmx2.4mm，内层光敏面的响应波段为1600nm 2500nm，感光面积φ为1mm。通过扫描光栅~
微镜的周期性扫描，不同波长的单色光依次进入单管探测器实现对近红外全波谱的连续探测。
[0019] 进一步，所述单管宽光谱双色近红外探测器位于扫描光栅微镜扫描角度为0°时的中心波长1650nm处所聚焦成像的焦点
位置，实现对称式扫描探测光谱信号，在单管宽光谱双色近红外探测器前安装出射狭缝，通过新型交叉式Czerny-Turner结构设计实现短波段800 1650nm的分辨率在10nm以内，长波段1650 2500nm的分辨率在15nm以内，全波段信噪比~ ~
大于200:1，完成近红外全波谱的连续扫描分光与探测。
[0020] 本发明与现有微型近红外光谱仪相比，其优点：1、本发明对传统的交叉式Czerny-Turner结构进行改进，利用短焦式距离轴抛物面反射镜确保800 2500nm近红外全波谱的成像质量，拓宽光谱范围，再结合交叉式Czerny-~
Turner结构，消减了光学系统像差，提升了系统的分辨率和信噪比，确保了近红外全波谱的成像质量。
[0021] 2、本发明的光学系统中扫描光栅微镜既可以采用MOEMS扫描光栅微镜，也可以采用FR4扫描光栅微镜，采用这两种扫描光栅微镜进行扫描与分光，基于MOEMS技术的扫描光栅微镜实现了器件的微型化，大大降低了系统的驱动功耗，提升了闭环控制系统的稳定性和控制精度。基于FR4基底材料的扫描光栅微镜抗冲击和抗振动性好，且采用PCB制造技术方便快捷，极大程度地降低了仪器成本，提升了光谱仪的实用性和使用寿命。两种扫描光栅微镜结合上述改进型的交叉式Czerny-Turner结构，精确地实现了800 2500nm近红外全波~谱的分光与扫描，利用MEMS技术实现了光谱仪核心元器件的微型化与集成化，减小了仪器体积，降低了系统成本。
[0022] 3、本发明采用800 2550nm宽光谱双色的InGaAs PIN
光电二极管，采用单光路系统~实现了近红外全波谱的探测，打破了传统双光路系统的设计理念，大大简化了光学系统结构设计，减小了上述扫描光栅微镜的光学扫描角度，进一步减小了扫描光栅微镜的驱动
电压和降低了系统功耗。采用宽光谱双色近红外探测器探测光谱信号，减小了双波段
输出信号的误差，增加了光谱信号的稳定性，降低了系统的装调难度。
[0023] 由上述可见，本发明的单光路宽光谱微型近红外光谱仪设计思路，简化了近红外全波谱的光学系统结构设计，使其装调更为便捷，该光谱仪具有小体积、宽光谱、高分辨率、高信噪比、低成本、便携式等优点，真正实现了近红外全波谱的连续分光扫描与探测，完成了扫描型光谱仪的实用化设计。
[0025] 图1为本发明所述基于扫描光栅微镜的宽光谱微型近红外光谱仪系统结构示意图。
[0026] 图1中：1、卤钨灯光源，2、入射狭缝，3、离轴抛物面反射镜，4、平面反射镜，5、扫描光栅微镜，6、聚焦成像镜，7、出射狭缝，8、单管宽光谱双色近红外探测器。
[0027]
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0029] 需要说明的是，附图仅用于解释本发明
专利，是对本发明
实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。
[0030] 如图1所示，本发明所提出的微型光谱仪由卤钨灯光源1、入射狭缝2、离轴抛物面反射镜3、平面反射镜4、扫描光栅微镜5、聚焦成像镜6、出射狭缝7和单管宽光谱双色探测器8组成。
[0031] 本实施例中，采用离轴抛物面反射镜3结合交叉式Czerny-Turner结构进行改进设计，形成了新型交叉式Czerny-Turner结构。离轴抛物面反射镜3、聚焦成像镜6和平面反射镜4均采用12.7mm的口径，以减小系统体积，前两者的焦距分别为25.4mm和50mm，扫描光栅微镜5扫描角度为±6°。入射狭缝2和出射狭缝7均为硅基狭缝，出、入射狭缝7、2缝宽分别为50um和30um，入射狭缝2布置于离轴抛物面反射镜3的焦点处，出射狭缝7置于单管宽光谱双色近红外探测器8前，所有光学器件的几何中心须保持同一
水平，确保近红外全波谱的分辨率和信噪比。
[0032] 本实施例中，所述卤钨灯光源1、入射狭缝2和离轴抛物面反射镜3三点一线，卤钨灯光源1位于离轴抛物面镜3的光学焦点上或附近，入射狭缝2置于其光学焦点上，卤钨灯光源1产生的近红外光经入射狭缝2进入离轴抛物面反射镜3。在离轴抛物面反射镜3的离轴反射光路上布置平面反射镜4，入射的复合光经过离轴抛物面反射镜3以角度 90°离轴准直成平行光束进入平面反射镜4。在平面反射镜4反射的平行光路后布置扫描光栅微镜5，经过平面反射镜4平行照射到扫描光栅微镜5上，扫描光栅微镜5将入射的平行复合光衍射分光为单色光，聚焦成像镜6与扫描光栅微镜5对向布置。宽光谱双色近红外探测器8位于扫描光栅微镜5扫描角度为0°时的中心波长1650nm处所聚焦成像的焦点位置，出射狭缝7位于宽光谱双色近红外探测器8前。当扫描光栅微镜5在电磁驱动下进行周期性扫描时，不同波长的单色光经过聚焦成像镜6聚焦依次通过出射硅基狭缝7成像于宽光谱双色近红外探测器8上，实现了对不同波长的单色光连续扫描探测，实际系统结构如图1所示。
[0033] 本发明实施例中，基于MOEMS扫描光栅微镜是由闪耀光栅、微镜、电磁微驱动器、角传感器、扭转梁、连接梁和固定框架通过MEMS加工工艺集成在同一
单晶硅片的表面，具体结构和制作方法参见本
申请人的专利“MOEMS扫描光栅微镜系统”，申请号：CN201710687362.6。
[0034] 基于FR4电磁式扫描光栅微镜是由电磁驱动器、角传感器、中心镜板和扭转梁通过PCB制版工艺共同集成在同一FR4板正反面上，并将以硅片为基底材料采用MEMS技术刻蚀而成的光栅微镜，通过
环氧树脂粘贴在FR4板材的中心镜板上。具体结构和制作方法参见本申请人的专利“集成差分式角传感器的扫描微镜”，申请号：CN201810403477.2。
[0035] 以上两种扫描光栅微镜的衍射光栅都采用9.4°的闪耀角和1170nm的闪耀波长，在800 2500nm近红外波段实现整体衍射效率最高。
~
[0036] 本发明实施例中，单管宽光谱双色近红外探测器8采用双色光敏面的非制冷式InGaAs
PIN光电二极管，外层光敏面的响应波段为800 1700nm，感光面积为2.4mmx2.4mm，~内层光敏面的响应波段为1600nm 2500nm，感光面积φ为1mm。通过后端信号采集
电路，实现~
对待测光谱信号的实时探测，完成光谱数据的分析与处理。
[0037] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
