微型傅立叶变换分光光度计制造技术

微型傅立叶变换分光光度计提供了通过傅立叶变换光谱学技术在微型化设备中确定气体或液体的采集样品的光吸收／传输光谱的能力。该设备采用来自光纤的光输入，通过微型光学元件操纵光，并将其发射到具有获取光输入干涉图的扫描镜的迈克尔逊干涉仪中。干涉图可进行处理以取回输入光的光谱。新颖的多阶梯式微反射镜在微型化干涉仪中用作光程长度调制器。特有的整体分光器／反射镜组合提供准确的元件对齐，并极大地简化产品集成。该设备被设计成覆盖感兴趣的各种光学光谱。在工作期间，设备中微制造元件的精确度和准确度允许甚至在极低波长下工作和分析。另外，设备的微型化特性允许其被用于新型及空间极度受限的应用中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及傅立叶变换光谱学的领域，尤其涉及微光电机械(“MOEMS”)傅立叶变换分光光度计。
技术介绍
将微型传感器嵌入产品、系统、储运集装箱、以及其它物品中允许对这些物品进行监视，以便确定完好状况、维修需要、寿命和其它物品属性。来自微型化学传感器的信息可告知用户物品是否已经暴露于可导致损害的有毒或腐蚀性化学能级，或者已泄漏出系统内的化学制品。另外，来自传统军事活动和涉及普通公众群体的居民区两者中的化学/生物试剂和有毒工业化学品的威胁日益严重。这已导致对可广泛用于迅速检测化学/生物试剂增长量的仪器的需要。军事需要包括诸如有机磷和爆炸性化学品的传统制剂、氯双光气的窒息性毒气和芥子气糜烂性毒剂、诸如胂、氰或氯化氢的全身中毒性毒剂、诸如索曼、塔崩或沙林的神经性毒剂、诸如黄曲霉毒素、肉毒杆菌、蓖麻毒素、蛤蚌毒素。和平时期和民用化学/生物试剂检测所关心的包括街头毒品、环境污染物、疾病爆发以及与诸如移动或固定存储罐的各种各样的反应堆安全壳相关联的泄漏化学品。适用于化学/生物检测的检测设备具有应用到民用以及政府赞助的研究和开发活动、勘探及商业中的巨大潜力。潜在化学/生物试剂和有毒工业化学场所的增长量、以及递增的采样实施的速率已产生了对实时检测，即100ms或更短数量级的采样时间的需要。另外，化学和生物试剂的实时检测在检测仪器的可达性、或在小平台上运载检测仪器的能力受到功率、体积和重量约束的限制的许多应用中变得越来越关键。此外，在当前所设想的未来军事操作方案中的无人平台、手持式检测器和便携式系统中，对检测系统的功率和大小要求变得更难以实现。这些挑战已产生了对包括微型光学频谱仪的新型的微型化学/生物分析系统的需要。光源、微光学集成、微电磁(“MEMS”)、MOMES和光学检测器中的新技术已使得这些新型的微型光学传感器、以及更复杂的光学技术能结合到更小的封装中。具体地，MOEMS结构上微型光学元件的精确设置、排列和控制使得主要用于红外线(“IR”)光谱仪器设计中的傅立叶变换光谱技术能扩展到可见/UV光谱中，且具有对来自小型无人运载和侦察平台的化学和生物试剂的实时检测能力。一些光学技术已经展示了特有的识别化学/生物试剂的能力，包括荧光、发射和吸收光谱学。在历史上，因为发射和荧光光谱学都需要使用特定波长下的强光源将化学分子中的电子激励至以特征频率进行衰变的较高能态，所以吸收光谱技术在从紫外线(“UV”)到IR的范围的光谱仪器中占优势。这通常需要使用较大的低效频率加倍或可调的染料激光器来达到UV波长，并且经常会受到诸如瑞利(Raleigh)散射的高强度现象干扰。然而，吸收光谱学可用来测量在UV(200nm到400nm)和可见光波长(400nm到800nm)中发生电子能态跃迁的化学分子，并且通常使用诸如棱镜、或更普通地使用衍射光栅的光学色散元件来实现。然而，衍射光谱仪需要对越过检测器的光束执行慢速机械扫描，或者需要使用线性电子扫描大检测器阵列。基于衍射光栅的设计代表了光谱仪大小缩减的技术发展水平，它表征为由各个设备商所出售的手掌大小或个人计算机内插卡大小的光谱仪。在较长的近-IR(“NIR”)到IR波长(1,000nm到超出30,000nm或30um)下的吸收光谱技术通常被用来检测与较低能级的分子振动激发能级相关联的光学吸收。由于优于基于衍射的光学设计的一些优点，多年来傅立叶变换光谱学在光谱学的此领域中占优势。傅立叶变换光谱学具有较大的光学效率、由于用干涉测量技术同时测量整个光谱而提高速度、通过允许多重扫描而提高灵敏度、以及因为不需要外部校准并且仅使用线性运动部件而在机械上较为简单从而减少维修。然而，在历史上，即使傅立叶变换技术通常是优选的，但是由于对光学元件设置、元件运动和通过较短波长下操作所要求的系统控制的精度的严格要求，难以将这种技术应用于UV和可见(光)微型光谱仪设计。尽管大学研究人员已经提出了大范围的设计(指UVFT)，但是目前还是无法购买或者无法得知是否已经实际制造和测试。然而，出现使用通常用于半导体芯片制造的光刻或蚀刻技术的MOEMS技术使得具有容差仅为几百纳米(10-7米)的物理特性的微光学元件能得以装配。另外，可在能控制和测量相同精度的动作的MOEMS结构中制造电磁致动器。这些新技术可推动UVFT光谱学及其在无人系统、手持式检测器和便携式分析仪器的化学/生物检测中的应用的发展。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目的是提供使用精确的显微机械加工光学和MEMS元件在低波长工作的微型傅立叶变换分光光度计。本专利技术通过提供可在以前难以达到的包括紫外线和可见光谱的波长范围内工作的微型傅立叶变换分光光度计来实现这个目的。该设备将覆盖感兴趣光谱的宽带光源施加到取样室内由微型干涉仪进行分析的样本上。该干涉仪包括输入源、准直透镜、分光器、固定反射镜、检测器和光程长度调制器。干涉仪是已被微型化到整体器件中的迈克尔逊(Michelson)-型干涉仪。在这种MOEMS设备中所能实现的对齐容差的精度使得该设备可在比先前所能达到的更低波长，即从200到800nm下工作。为了概括本专利技术的目的起见，本文已描述了本专利技术的特定方面、优点和新颖特性。应当理解根据本专利技术的任一特定实施例，并非必须实现所有这些优点。因而，本专利技术可在并非必需实现本文可示教或建议的其它优点的情况下，以实现或最优化本文所示教的一个或一组优点的方式来具体化或实现。对本领域技术人员而言，从以下参考附图对各实施例的详细描述中，本专利技术的这些及其它实施例也可容易变得显而易见，而且本专利技术并不限于所公开的任意特定实施例。附图说明图1是微型分光光度计及其元件的框图。图2是现有技术标准迈克尔逊干涉仪的示图。图3是本专利技术中干涉仪的示图。图4是分光光度计的一个实施例的三维示图。图5示出干涉仪元件在微光学工作台上的安装位置。图6示出了微光学工作台上的固定件的一个实施例的尺寸。图7示出了用于输入光纤和准直器的固定件的一个实施例。图8示出了多反射镜的一个实施例的尺寸。图9示出了多反射镜中的阶梯的配置。图10示出了多反射镜的一个实施例中的阶梯的制造过程。图11示出了在分光光度计的设计中使用的参数的定义。在整个本说明书和附图中重复使用标号旨在表示本专利技术的相同或相似的部件或元件。具体实施例方式通过参考附图将最好地理解本专利技术及其优点。附图的各元件不必按比例绘制，而是着重于清晰地说明本专利技术的原理。图1是本专利技术的框图，它由光源1、样品室2、微光学工作台3、信号处理电子设备4和图形用户接口5构成。微光学工作台3装有傅立叶变换分光光度计的基本元件可在UV、可见光和NIR波长下工作的微型干涉仪6。干涉仪6包括立方体分光器9、固定反射镜10、检测器11和光程长度调制器(多反射镜)12。当样品被置于样品室2中时，光源1打开并通过光纤13将光传输到样品室2中。然后，光离开样品室2并通过输入源7(在一些实施例中为光纤)和准直透镜8进入微型干涉仪6。标准现有技术迈克尔逊干涉仪(在图2中示出)包含由进入路径20、静态路径21、差分路径22和检测器路径23表示的四(4)个光束路径。如图3中所示，本专利技术包含所有标准路径(进入路径30、静态路径31、差分路径32和检测器路径33)，但是在微型干涉仪中，干涉仪元件与立方体分光器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型傅立叶变换分光光度计，包括：衬底；迈克尔逊干涉仪，包括：立方体分光器，它与光程长度调制器以及固定反射镜结合成整体；以及检测器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MS克兰茨，LC希顿，CW朗，
申请(专利权)人：摩根研究股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]