数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确...     

环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜北大核心CSCD

微光机电系统(MOEMS)微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。现有的MOEMS微镜驱动器一般为静电吸引型,难以克服其吸合效应造成的各种问题,同时,方形的驱动器难以与圆形的镜面形成良好匹配,填充比较低。提出了一种环形静电排斥驱动器的MOEMS微镜,该静电排斥驱动器以环形排列,并围绕在镜面的周围,达到了与圆形镜面的良好匹配。所设计的微镜口径为204μm,并利用PolyMUMPS表面工艺进行加工。模拟仿真及实验测试结果显示,该微镜具有0.62°的最大旋转角,494μs的响应时间和1.191kHz的工作带宽,适用于一般光束扫描等的应用需求。     

微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪

提出一种运用微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS)闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪.它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点.分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了 63阶阿达玛模版.实验得...     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵（DMD）实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理|然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数|最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70 mm×130 mm,测量波段为（900～1 500 nm）,分辨率可达19 nm|在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200 μm|减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.     

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈，是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构，分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理，基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差，基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计，确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果，完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调，搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明，设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪，采用重庆大...     

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。     

面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计（英）

近年来,随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展,光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜,其作为近红外光谱仪的核心部件,可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器,以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜,以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅,背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明:扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz,最大扭转角度为4.55,在800~1800 nm工作波长范围内,整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。     

基于MOEMS扫描微镜的近红外光谱仪分光系统结构

针对近红外光谱仪由于红外CCD导致的红外光谱仪高成本问题,提出用MOEMS微镜阵列进行光路结构改进,并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用MOEMS微镜阵列进行光谱扫描的问题,设计了一种新的分光成像结构.该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑,采用光学设计软件ZEMAX和针对特定像差评判标准的优化算法,...     

低阶梯多级微反射镜高度误差分析及制作研究

本文提出了一种基于多级微反射镜和栅格分束器的静态轻型傅立叶红外变换光谱仪,通过两个多级微反射镜实现光程差的空间离散和干涉图的静态二维采样,通过引入栅格分束器有效降低了系统的体积和重量。作为该光谱仪的核心光学器件,多级微反射镜的阶梯高度一致性、面型平整度和结构精度是决定采样间隔、分辨率和噪声等仪器指标的主要因素。本文提出了基于MOEMS技术的厚度依次减半多层膜法,制作了台阶高度为0. 625μm,阶梯数为32的低阶梯多级微反射镜。测得实际阶梯高度平均值为626. 9 nm,表面粗糙度均方根值为1. 72 nm。分析了阶梯高度误差对光谱复原的影响,提出了两种阶梯高度误差校正方法,分别为通过修正因子来减小膜厚监控误差,和利用最小二乘余弦多项式算法对复原光谱进行校正。校正后的复原光谱误差(SCE)降低为2. 34%,满足系统对光谱复原的要求。最后,将该低阶梯多级微反射镜置入光谱仪中,得到乙腈样品的干涉图和复原光谱图。     

静态双增益阿达玛光谱仪光谱的重叠错位分析与校正

为平衡光栅色散型光谱仪光通量、系统信噪比和光谱分辨率之间的矛盾,介绍了一种基于微狭缝阵列的静态双增益阿达玛光谱仪.在分析其实现静态双增益工作原理的基础上,阐述了由于阿达玛编码模板多狭缝阵列引起的光谱重叠的原因.为实现静态双增益阿达玛光谱仪光谱重叠校正,理论推导了光谱偏移量与阿达玛编码模板狭缝空间位置之间的关系,以及分光后某波长空间错位量与码元(狭缝)空间位置、波长之间的关系.仿真实验验证了此方法简单有效,无需复杂计算,修正速度快,易于编程实现.     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪。该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统。理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性。结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1 nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms。适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测。     

新型傅里叶变换光谱仪反射镜倾斜容限分析及实验

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统,提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理,分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围,并搭建了实验系统,进行了实验验证.理论推导表明:在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,光谱分辨率达到8 nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值0.183°,光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明:在倾角容限范围之内,光谱能准确还原;反之,光谱严重失真.最终,采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.     

基于微光机电系统的微光学自适应微镜的研究

提出了一种利用热应力改变镜面曲率的可调焦微光学自适应微镜。与传统自适应微镜相比,采用该原理制作的微镜具有驱动电压低和驱动力较大的优点,而且制作简单。以硅为基底进行了表面热氧化、光刻显影、HF酸刻蚀、KOH湿法刻蚀,溅射铝膜等微加工工艺的研究,获得硅铝双金属可调焦微反射镜4×4阵列,单元尺寸3 mm×3 mm,单晶硅基底厚60μm,硅表面溅射的铝膜厚150 nm。该微镜的镜面填充率为100%,可变形镜面占总镜面面积的79%。利用激光波面干涉仪对可调焦微反射镜的动态性能进行了测试。实验表明,该微镜可产生单向连续变形,最大变形量15.8μm,非线性滞后27%,工作电压0~2.5V,可调焦范围∞~0.036 m。     

大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究

 基于数字微反射镜的动态掩膜面投影微立体光刻技术是一种基于快速原型制造思想的新型微细结构加工手段,其系统中常用树脂槽和涂覆装置使得其无法适用于粘度大的固化材料。为实现粘度大的复合纳米材料的固化制造,构建了新型的基于数字微反射镜技术的动态掩膜微立体光刻系统,该系统的加工横向分辨率由系统的光学分辨率与树脂特性共同决定。当单层树脂固化厚度超过临界值时,系统的横向分辨率将降低。根据实验中测量光学系统的分辨率以及树脂的工作曲线,得到本系统的最高横向分辨率可以达到14 μm。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。     

CMYK防伪印刷微镜阵列

以印刷微镜的反射亮度、反射稳定性和CMYK颜色模式为基础,建立了一种新型的CMYK印刷微镜结构模型。利用微镜表面函数的雅可比行列式和梯度函数,对模型的表面反射亮度和稳定性进行了分析评价。结果表明:该结构模型表面函数的雅可比行列式近似为0,梯度函数随坐标变化而变化。因此,此结构模型表面的反射光具有足够大的亮度和稳定性,适用于创建基于位置和角度变化来改变光变图案反射密度的光学防伪效果。设计了一幅由不同CMYK印刷微镜组成的防伪光变图案,模拟了该防伪图案的印刷微镜阵列结构。     

数字微镜器件反射效率测试方法及装置北大核心CSCD

为了获得数字微镜器件的真实光学特性,提出了其反射特性测试方法,并搭建实验装置对数字微镜器件的相对反射效率进行了测试,搭建了测试光路;利用该光路分别测得数字微镜器件和铝反射镜作为反射元件时相机接收到的光斑能量分布曲线,并对曲线进行积分;将2种测试条件下获得的积分值做除法,得到数字微镜器件的相对反射效率。测试结果表明,在使用632.8 nm波长激光器作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为45.33%,在使用白光LED作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为71.75%,经过多次测试发现2种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述测试结果可对今后使用数字微镜器件开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。     

基于DMD的光谱分辨率自适应Hadamard变换成像光谱仪

数字微镜器件(DMD)可以灵活高效地实现各阶Hadamard编码模板,设计了一种基于DMD的光谱分辨率自适应的Hadamard变换成像光谱仪,分析了仪器的结构和工作原理及实现光谱分辨率自适应的方法。它可以根据目标景物和观测要求的不同而自适应地调整光谱成像的光谱分辨率,从而在光谱准确度和数据计算量之间做出合理的折衷,既满足了对目标分类识别的要求,又提高了数据传输和处理的速度。