阿达玛变换近红外光谱仪制造技术

为了提高阿达玛变换近红外光谱仪微镜阵列单个微镜的光通量，进而提高检测灵敏度和信噪比，本发明专利技术提供了一种新型的阿达玛变换近红外光谱仪。阿达玛变换近红外光谱仪，包括由微镜排列成的一维微镜阵列，微镜镜面的形状为具有长轴和短轴的长条形状，所述一维微镜阵列由微镜之间沿微镜镜面短轴方向并排呈直线排列，排列方向沿光谱色散方向。经前置光学系统和光栅色散后的不同波长区间的光分别照射到所述并行排列的微镜表面，经微镜反射后由后置光学系统聚焦到检测器上。由于增加了单个微镜的面积，增大了光通量，因此采用本发明专利技术的技术方案可以使仪器检测灵敏度提高，检测结果的信噪比提高十倍以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光谱分析设备，特别是一种近红外光谱分析设备。
技术介绍
近红外(NIR)分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，它的出现可 以说带来了又一次分析技术的革命。近红外光谱的应用在两个世纪前已被人们发现，但是 由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱，谱带重叠，解析复杂，受当时的技术水平限 制，近红外光谱"沉睡"了近一个半世纪。直到20世纪50年代，随着高性能的商品化仪器 的出现及Norris等人所做的大量工作，使得近红外光谱技术曾经在农副产品分析中得到应 用。到60年代中后期，由于经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的 弱点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用，从此，近红外光谱分析技术的发展又进 入了一个相对沉默的时期。20世纪80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，带动了分析 仪器的数字化和化学计量学的发展，通过化学计量学方法在解决光谱信息提取和背景干扰 方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测样技术上所独有的特点，使人们重新认识了近 红外光谱的价值，近红外光谱在各领域中的应用(NIR)分析技术是近年来分析化学领域迅 猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析 "巨人"。由于物质在近红外的倍频和合频吸收信号弱，因此要求近红外光谱分析仪器灵敏度和 信噪比高，及具有很高的重复性，同时为了达到所建模型在不同仪器间的通用性(模型传 递)，要求仪器具有很高的稳定性和一致性。传统的色散扫描型光谱仪，光谱分辨率虽然很高，但由于狭缝和机械部件的限制，稳 定性和重复性不高，同时仪器的信噪比也不够。傅立叶变换光谱仪能满足仪器指标的要求， 但由于成本高和环境的适应性差大大限制了它的应用。线阵检测器光谱仪解决了仪器的稳 定性，但仪器的信噪比低。现有的二极管阵列光谱仪的信噪比只能达到300-1000:1。阿达玛变换光谱是过去二十几年发展起来的一种类似于傅立叶变换光谱的光谱调制技 术。在测量微弱信号时具有高信噪比及单检测器实现多通道检测的特点。阿达玛变换近红外光谱仪包括光源、光栅、微镜阵列和检测器，具体原理图如图1所 示。光源1发出的连续光透过被测试样品2后由光栅3分光，分光后不同波长的光投射到 微镜阵列4 (HT模板)不同部位，即不同波长的光投射到微镜阵列4上不同的微镜上。通 过调整微镜阵列4上微镜使其偏转一定的角度，将不同波长的光投射到检测器5上获取检 测信息。调整微镜使其偏转的动作由集成电路控制，微镜可以产生+10°到-10°的偏转。 控制微镜以不同的编码调制光谱信号反射到检测器上，检测器检测到随编码改变的光谱信 号，将检测到的信号解码，我们就可还原成原始光谱信号。编码和解码的数学变换就是阿 达玛变换。阿达玛变换光谱曾用于拉曼光谱检测上，拉曼光谱检测多采用机械模板和液晶投射模 板。最近有报道利用阿达玛变换采用二维的微镜阵列进行成像光谱检测和近红外光谱检测。 二维微镜阵列的微镜形状一般是边长为16微米的正方形，虽然阵列大小可达百万，其缺点 是微镜间的间隙使光通量减少，同时微镜在转动时微镜间不可避免存在运动差，即多个微 镜不能做到绝对同步运动，因此仪器检测结果误差大，信噪比不高。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的光谱仪的检测结果误差大和信噪比低的问题，本专利技术提供 了 一种新型的阿达玛变换近红外光谱仪。 本专利技术的技术方案如下阿达玛变换近红外光谱仪，包括由微镜排列成的一维微镜阵列，所述微镜镜面的形状为具有相互垂直的长轴和短轴的长条形状，优选微镜大小为宽度10—100微米，长度0.5 — 10毫米，所述一维微镜阵列为由一组微镜沿微镜镜面短轴方向呈直线并排排列成一列的阵 列，所述短轴方向沿光谱色散方向。经前置光学系统和光栅色散后的不同波长区间的光分 别照射到所述并排排列的微镜表面，经微镜反射后由后置光学系统聚焦到检测器上。所述微镜阵列为光开关微镜阵列。优选地，所述微镜阵列包括100—5000个微镜。所述长条形为长方形。所述微镜表面镀金。本专利技术的技术效果本专利技术采用一维微镜阵列，单个微镜为长条形状，由于光栅分光后不同波长的光沿色 散方向排列，要保证仪器高的光谱分辨率，微镜在色散方向的宽度就非常有限，而采用长 条形状的微镜，则能在维持相同数量级宽度的条件下，即保证光谱分辨率的同时，通过增 加单个微镜的长度而增加单个微镜的面积，这样可以使单个微镜的光通量增大，即检测需要的不同波长的光通量增大，从而提高了仪器的灵敏度和信噪比。微镜成一维阵列排列， 对应一个频谱光的微镜可以为一个，避免了现有二维微镜阵列必需多个微镜同步运动而产 生的误差。另外，在微镜表面镀金可以充分利用镀金表面对光的反射率高的特性，进一步提高微 镜的光通量，减少了光损失。本专利技术提供的阿达玛变换近红外光谱仪信噪比从现有一般光谱仪(如二极管阵列光谱 仪)的300-1000提高到10000，仪器的灵敏度得以提高从而仪器光源所需的功率从20瓦降 低到两瓦左右，减少了功耗和仪器的体积。本专利技术阵列微镜采用以微机电技术(MEMS)制造的光开关阵列微镜，不必采用复杂 的、精度低的机械传动部件，提高了近红外光谱仪信噪比，节省了空间。 附图说明图1为阿达玛变换红外光谱仪工作原理图； 图2为本专利技术的微镜阵列原理图。 图中标记列示如下1、光源；2、样品；3、光栅；4、微镜阵列；5、检测器；6、微镜。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图2所示，构成微镜阵列的微镜镜面6形状为长方形，众多单个微镜6沿短轴方向 并排直线排列构成一维微镜阵列，不同波长区间的光分别照射到所述微镜表面，如自左向 右光栅分光后不同波长的光照射到不同微镜表面。每个微镜的宽度与现有二维微镜的宽度 16微米在相同的数量级范围内，优选地，微镜大小为宽度10—100微米，长度0.5 — 10毫 米。微镜6也可以不是长方形而是其它具有长轴和短轴的长条形状，如长椭圆形等。由于 考虑到光栅分光后不同波长的光沿色散方向排列，为保证仪器的光谱分辨率，在色散方向 上宽度有限，因此为了增加光通量，保持短轴方向的尺寸，增加微镜长轴方向的尺寸才可 以达到目的。微镜阵列可包括100—5000个微镜，根据实际需要可以少于100个或多于5000 个。与现有的两维微镜阵列相比，两维微镜阵列只用于光谱检测时， 一般将一列上的若干 微镜当成一个来控制(一列上的所有微镜动作相同)，因此两维微镜阵列控制复杂，且一列 上的微镜作相同的动作时也可能存在时间上的微小差异，引起仪器信噪比的降低。本专利技术 的一维微镜阵列则克服了这个缺陷，使信噪比提高，同时仪器的灵敏度也得到提高。在微镜表面镀金以充分利用镀金表面对光的反射率高的特性，进一步提高微镜的光通更优选地，微镜阵列为光开关微镜阵列。应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本专利技术，但 不以任何方式限制本专利技术。因此，尽管本说明书参照附图和实施方式对本专利技术已进行了详 细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本专利技术进行修改或者等同替换； 而一切不脱离本专利技术的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本专利技术专利的 保护范围当中。权利要求1、阿达玛变换近红外光谱仪，其特征在于包括由微镜排列成的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
阿达玛变换近红外光谱仪，其特征在于包括由微镜排列成的一维微镜阵列，所述微镜镜面的形状为具有相互垂直的长轴和短轴的长条形状，所述一维微镜阵列为由一组微镜沿微镜镜面短轴方向呈直线并排排列成一列的阵列，所述微镜镜面短轴方向与光谱色散方向相同。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张新民，
申请(专利权)人：北京华夏科创仪器技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]