专利名称：基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪的制作方法
基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪技术领域
本发明属于光谱分析仪器技术领域，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)光谱分析的便携式拉曼光谱仪。基于光谱分析技术的便携式拉曼光谱仪。
背景技术：
拉曼光谱检测技术是使用激光得到物质分子层面的光谱信息，通过数据库对比分析待测物质的成分和浓度的技术，在无损物性分析及鉴别上具有强大的能力。由于其快速、准确的检测性能和无需样品制备、适于现场使用的特点，该技术目前已被广泛应用于食品安全、药品检验、毒品侦测、司法鉴定、珠宝鉴定和环境检测等领域。2009年2月，中国检验检疫科学研究院宣布，该院采用拉曼光谱技术，能定量检测出液态奶中高于0.5ppm三聚氰胺，准确率达100%，每个样品检测仅需半分钟。随着应用需求的提高，便携式拉曼光谱仪越来越为人们重视。便携式拉曼光谱仪将拉曼技术从实验室推向现场实地应用。它无需样品制备，能够轻松方便的在现场实时进行物料鉴定，大大节省了检测成本。国外厂家如Thermo, Ocean Optics, B&ff TEK等已推出了多款便携式拉曼光谱产品,被广泛应用于药厂的原料检测等方面。但这些产品的价格一般在30万元以上，目前在国内市场上还难以推广。
拉曼光谱仪是对样品在激光照射下产生的拉曼散射光进行检测，拉曼信号的强度一般为激发光的10_6左右，属于微弱信号探测，这就对光谱仪的性能提出很高的要求。目前的便携式拉曼光谱仪中一般使用的是制冷型面阵背照式的CCD (电荷耦合器件)来检测样品发出的拉曼散射光，以得到高信噪比的拉曼能谱。但这种制冷型面阵式的CCD探测器的成本较高，约占整台拉曼光谱仪的成本的60%，这也是目前便携式拉曼光谱仪价格居高不下的原因。另一方面，目前的拉曼光谱仪大多采用了入射狭缝。拉曼散射光在进入光谱检测系统时，大部分光被狭缝阻挡，只有小部分光能通过狭缝进入检测光路。入射狭缝的存在大大降低的有效光通量，对拉曼散射光这种本就是微弱信号的检测尤为不利，增大了拉曼信号检测难度。
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,简称MEMS)技术是多种微细加工技术和现代信息技术相结合的产物，是近年来得到迅速发展和应用的一个领域，其大批量、低成本、小尺寸，低功耗，高灵敏的特点使得MEMS技术被广泛多种便携电子设备中，也是目前光谱仪微型化的发展方向。南京英特神斯的何野等人提出一种基于MEMS技术的微型光谱仪(专利公开号CN101021437A)，光由光纤连接器、入射狭缝进入光谱仪后，经扫描微镜反射、光栅分光后，特定波长的光经聚焦反射镜聚焦后通过狭缝进入探测器中。重庆大学的温志渝等人提出基于MEMS技术的食品安全检测仪(专利公开号CN101275908A)，光源发出的光经样品池后，通过入射狭缝进入检测光路。光通过色散元件分光照射至可编程空间光调制器，被调制器调制后的光经过成像透镜进入单点探测器。这些基于MEMS技术的光谱仪的检测光路中仍使用了入射狭缝，降低光通量和灵敏度，难以用于拉曼光谱这样的微弱信号检测。
针对这些问题，我们提出一种基于MEMS光谱分析技术的便携式拉曼光谱仪，其光谱检测系统中使用了两块DMD (数字微镜)的MEMS器件:在入射光路采用了 DMD替代传统光谱仪的入射狭缝，在保持拉曼光谱检测分辨率的同时提高了检测灵敏度；在出射光路采用DMD作为波长选择器件，可以使用单点探测器取代制冷型面阵式的CCD探测器，大大降低了产品成本，具有明显的技术优势。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，通过在光谱检测系统中使用两块数字微镜元件(DMD)，提高拉曼检测灵敏度，并使用单点探测器，以降低产品成本。
为解决上述技术问题，本发明提供下述技术解决方案为:一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，基于微机电系统，包括:一个激光光源，一个拉曼探头和一个光谱仪的光谱检测系统，由激光器发出的激光束通过拉曼探头照射在样品上，激发出样品的拉曼散射光，拉曼探头收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统，其中: 所述的激光光源包括一个半导体激光器，产生不小于200毫瓦的功率和线宽不大于0.2纳米的窄线宽的激光； 所述的拉曼探头包含输出激光光路和收集拉曼散射光光路这两条光路，其中收集拉曼散射光的光路不包含过滤瑞利散射光的滤光片； 所述的光谱仪包括:依序由聚焦透镜一、数字微镜元件(DMD)模块一、准直透镜、色散光栅、聚焦透镜二、数字微镜元件(DMD)模块二、消色散光栅、聚焦透镜三、单点探测器和信号处理器构成的光谱检测系统，其中:所述的数字微镜元件(DMD)模块包括数字微镜阵列器件和微镜控制电路，所述的数字微镜阵列器件由微机电系统(MEMS)工艺制作而成，并由微镜控制电路控制各个微镜单元的开关状态，采用阿达玛(Hadamard)变换算法对照射到数字微镜阵列上的光进行编码；所述的单点探测器为光电倍增管的高灵敏度的单点探测器；所述的信号处理器与微镜控制电路相连，对单点探测器接收到的信号进行阿达玛(Hadamard)变换算法的解码,得到样品的拉曼光谱信息。
在上述方案基础上，所述的数字微镜阵列器件中的微镜单元由平面反射镜与悬臂梁连接，微镜控制电路通过改变控制电极电压或电流，调节悬臂梁转动，悬臂梁带动平面反射镜产生一定角度的偏转，所述微镜单元的摆角幅度为±10。,当使用Hadamard变换算法对光进行编码时，偏转+10°对应“ I ”，光通道为“开”，经过该通道的光可以进入后续光路；偏转-10°对应“0”，光通道为“关”，经过该通道的光不能进入后续光路。
在上述方案基础上，所述的微镜控制电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜元件(DMD)阵列，其特征在于:入射光自数字微镜元件(DMD)阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经前置放大电路、模数转换器(ADC)转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列(FPGA)控制模块读取，经现场可编程门阵列(FPGA)控制模块FPGA内置的解调算法实时计算之后，由现场可编程门阵列(FPGA)控制模块调制和解调后经外触发，由通用串行总线(USB)传输模块，传送至上位机，其中，所述的现场可编程门阵列(FPGA)控制模块中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。
本发明提供针对上述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪的使用方法，包括以下步骤: 第一，由激光器产生高功率、窄线宽的激光束，通过拉曼探头照射在样品上，激发出样品的拉曼散射光；拉曼探头收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统中； 第二，拉曼散射光通过聚焦透镜一汇聚在数字微镜元件(DMD)模块一上，由微镜控制电路控制各微镜单元的开关状态，采用N阶阿达玛(Hadamard)变换算法对照射到数字微镜元件(DMD)模块一上的光进行编码，通过数字微镜元件(DMD)模块一编码后的光经准直透镜准直后照射到色散光栅上，色散光栅将复色光分解为不同波长的单色光，再经过聚焦透镜二汇聚到DMD数字微镜元件(DMD)模块二的不同位置的微镜单元上，数字微镜元件(DMD)模块二的控制电路进一步采用阿达玛(Hadamard)变换算法对光进行二次编码，编码时闭合瑞利散射光聚焦位置的微镜单元，以去除信号中的瑞利线；编码后的光经过消色散光栅和聚焦透镜三后，形成复色光会聚至单点探测器上，单点探测器将接收到的光信号转为电信号并传输至信号处理器，信号处理器对其进行阿达玛(Hadamard)变换算法的解码，得到不同波长光的光谱信息，从而得到样品原始的拉曼光谱。
本发明可以达到以下技术效果: 1.基于MEMS光谱分析技术的便携式拉曼光谱仪采用DMD替代入射狭缝，其分辨率由微镜单元的尺寸决定。我们采用的DMD微镜单元的尺寸为54微米，其光谱检测的分辨率相当于采用54微米的入射狭缝的传统光谱仪的分辨率；而其光通量达到入射光的50%。当采用N阶Hadamard变换算法对光进行编码时，其光通量是采用54微米入射狭缝的传统光谱仪光通量的N/2倍。这样在保持光谱检测分辨率的同时，大大提高光谱检测的灵敏度，非常适用于拉曼这类微弱信号的检测； 2.由于采用了 DMD和Hadamard变换算法对光信号进行编码，我们可以采用单点探测器接收编码后的复色光，再通过信号处理器的解码得到不同波长光谱信息。这样我们可以使用单点探测器取代了传统拉曼光谱仪中的制冷型面阵式的CCD探测器，大大降低了产品成本，同时也避免了面阵式CXD由于制作工艺限制造成的CXD响应不均匀性对光谱检测带来的不利影响。使用光电倍增管型的单点探测器实现光电转换，相对CCD器件具有更高的探测灵敏度，适用于拉曼这类微弱信号的检测； 采用N阶Hadamard变换算法 对光进行编码和解码。Hadamard变换算法是统计学中的称量设计在光学中的应用，其编码的状态通过DMD镜面的不同偏转角度实现。N阶Hadamard变换算法对光编码后得到N个编码信号，单点探测器每次测量一个编码信号，经过N次测量后，通过信号处理器把N个编码信号进行解码，还原得到不同波长光谱信息。在常规单通道测量中，检测器在每一时间间隔里只检测一个分辨单元的信号强度，而Hadamard变换多通道检测技术在同一时间里可以同时检测多个分辨单元里组合信号的总强度。在相同的实验条件下，经N阶Hadamard变换后,信噪比可提高Ill倍。Hadamard变2换算法通过对光进行编码和解码，有效的压抑背景和干扰信号，特别适用于拉曼微弱信号的处理； 3.在多通道信号处理过程中，通过关闭瑞利散射光会聚位置的微镜单元，对瑞利散射光进行物理阻拦，可有效地去除信号中的瑞利散射光。传统拉曼光谱仪多采用滤光片滤除瑞利散射光，这往往会减小可探测的拉曼光谱的频率范围，同时会对拉曼信号造成一定程度的衰减。我们采用的MEMS光谱分析技术则能避开这些缺点；
4.使用DMD实现对光的Hadamard变换算法编码。DMD数字微镜阵列是具有可绕一个固定轴(悬臂梁)扭摆的平行反射镜面的MEMS装置，通过改变电压或电流控制平面镜的偏转角度。目前德国夫琅和费研究院利用压电材料研制的DMD镜面尺寸为 3mm，振动频率200Hz左右，能实现±IOs的摆角幅度；国内重庆大学微系统中心研制出电磁驱动式DMD，振动频率450Hz左右，镜面尺寸为5mm X 6mm。这些DMD已达到实用化要求。通过DMD控制电路控制DMD各微镜单元的偏转角度，实现对照射到DMD上光的Hadamard变换算法编码。DMD这类MEMS器件成本低，可批量生产，响应速度快，开关效率高，体积小，功耗低，便于集成化处理，适用于微型化光谱仪的设计开发。
图1是本发明提供的基于MEMS光谱分析技术的便携式拉曼光谱仪的结构示意 图2是本发明中使用的DMD微镜结构示意 图3是本发明中采用的一维Hadamard变换算法编码模板示意 图4是本发明中采用的二维Hadamard变换算法编码模板示意 图5本发明微镜控制电路原理框 图中附图标记说明:
I——激光器；2——拉曼探头； 3——样品；
4——光谱检测系统；5——聚焦透镜一 ；6——DMD模块一；
7——准直透镜； 8——色散光栅； 9——聚焦透镜二 ；
10——DMD模块二； 11——消色散光栅；12——聚焦透镜三；
13——单点探测器；14——信号处理器；15——DMD的控制电路；
16——平面反射镜； 17——悬臂梁； 18——DMD控制电极。
具体实施例方式如图1所示，一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，基于MEMS光谱分析技术，包括:一个激光光源，一个拉曼探头和一个光谱仪的光谱检测系统4，由激光器I发出的激光束通过拉曼探头2照射在样品3上，激发出样品3的拉曼散射光，拉曼探头2收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统4，其中:
所述的激光光源包括一个半导体激光器1，产生不小于200毫瓦的功率和线宽不大于
0.2纳米的窄线宽的激光；
所述的拉曼探头2包含输出激光光路和收集拉曼散射光光路这两条光路，其中收集拉曼散射光的光路不包含过滤瑞利散射光的滤光片；
所述的光谱检测系统4依序由聚焦透镜一 5、DMD模块一 6、准直透镜7、色散光栅8、聚焦透镜二 9、DMD模块二 10、消色散光栅11、聚焦透镜三12、单点探测器13和信号处理器14构成的光谱检测系统4，其中:所述的DMD模块包括数字微镜阵列器件和微镜控制电路，所述的数字微镜阵列器件由MEMS工艺制作而成，并由微镜控制电路控制各个微镜单元的开关状态，采用阿达玛(Hadamard)变换算法对照射到数字微镜阵列上的光进行编码；所述的单点探测器为光电倍增管的高灵敏度的单点探测器；所述的信号处理器14与微镜控制电路相连，对单点探测器接收到的信号进行阿达玛(Hadamard)变换算法的解码，得到样品3的拉曼光谱信息。本发明基于MEMS光谱分析技术的便携式拉曼光谱仪，用于测量物质的拉曼散射光谱。本发明的一个参考实施例如图1所示。由激光器I发出的高功率、窄线宽的激光束，通过拉曼探头2照射在样品3上，激发出样品3的拉曼散射光。拉曼探头2收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统4。传统拉曼探头的收集拉曼散射光的光路一般会带有一个长通截止滤光片，以过滤瑞利散射光。但此滤光片也会对拉曼散射光造成一定程度的衰减，并会减小可探测的拉曼光谱的频率范围。我们提出的便携式拉曼光谱仪的拉曼探头内没有使用这样的滤光片，而是在后续光路的DMD编码过程中对瑞利散射光进行物理阻拦，从而避免了使用滤光片的缺点。在光谱检测系统4中，拉曼散射光通过聚焦透镜5会聚在DMD — 6上，DMD —的控制电路15控制DMD各微镜单元的开关状态，采用一维或二维Hadamard变换算法(如图3、4所示)对照射到DMD —上的光进行编码。传统光谱仪由于采用入射狭缝，大部分入射光被狭缝阻挡，只有小部分光能通过狭缝进入后续光路，这大大降低对光的使用效率，降低探测灵敏度，对拉曼这类弱光检测尤为不利。我们通过DMD对入射光进行Hadamard变换算法的编码，其光通量可达到入射光的50%，对光的使用效率远大于狭缝的情况，提高了对拉曼信号探测的灵敏度。光谱分辨率由DMD微镜单元尺寸决定。我们选择54微米微镜单元的DMD器件，可达到与使用54微米狭缝的光谱仪相同的光谱分辨率。通过DMD —编码后的光经准直透镜7准直后照射到色散光栅8上。色散光栅8将复色光分解为不同波长的单色光。不同波长的单色光经过聚焦透镜9会聚到DMD 二 10的不同位置的微镜单元上。DMD 二的控制电路15进一步采用一维Hadamard变换算法对光进行二次编码。编码时注意闭合瑞利散射光聚焦位置的微镜单元，阻止瑞利散射光进入后续光路，从而有效地去除了光谱信号中的瑞利线。经过DMD 二次编码后的光经过消色散光栅11和聚焦透镜12后，不同波长的单色光重新组合成复色光，并会聚至单点探测器13上。单点探测器13将接收到的复色光信号转为电信号并传输至信号处理器14。信号处理器14从DMD控制电路15得到对光的两次编码信息，对接收到的信号进行Hadamard变换算法的解码处理，得到不同波长光的光谱信息，从而得到样品原始的拉曼光谱。DMD微镜阵列的微镜单元基本结构如图2所示。平面反射镜16与悬臂梁17连接，DMD控制电路通过改变控制电极18的电压或电流，调节悬臂梁17转动，悬臂梁17带动平面反射镜产生一定角度的偏转。我们采用的DMD微镜单元可以产生±1CT的摆角幅度。当使用Hadamard变换算法对光进行编码时，偏转+10°对应“ I ”，即此光通道为“开”，经过该通道的光可以进入后续光路；偏转-10°对应“0”，即此光通道为“关”，经过该通道的光不能进入后续光路。DMD的控制电路控制微镜阵列上各个微镜单元的开关状态，将Hadamard变换算法的模板编码于照射到DMD微镜阵列的光上。
图3图不了一维Hadamard变换算法编码模板不意图，图4图不了二维Hadamard变换算法编码模板示意图。其中黑色像素表示“O”，白色像素表示“I”。
权利要求
1.一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，基于微机电系统，包括:一个激光光源，一个拉曼探头和一个光谱仪的光谱检测系统(4)，由激光器(I)发出的激光束通过拉曼探头(2)照射在样品(3)上，激发出样品(3)的拉曼散射光，拉曼探头(2)收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统(4)，其特征在于: 所述的激光光源包括一个半导体激光器(I)，产生不小于200毫瓦的功率和线宽不大于0.2纳米的窄线宽的激光； 所述的拉曼探头(2)包含输出激光光路和收集拉曼散射光光路这两条光路，其中收集拉曼散射光的光路不包含过滤瑞利散射光的滤光片； 所述的光谱仪包括:依序由聚焦透镜一(5)、数字微镜元件(DMD)模块一 ￠)、准直透镜(7)、色散光栅(8)、聚焦透镜二(9)、数字微镜元件(DMD)模块二(10)、消色散光栅(11)、聚焦透镜三(12)、单点探测器(13)和信号处理器(14)构成的光谱检测系统(4)，其中:所述的数字微镜元件(DMD)模块包括数字微镜阵列器件和微镜控制电路，所述的数字微镜阵列器件由微机电系统(MEMS)工艺制作而成，并由微镜控制电路控制各个微镜单元的开关状态，采用阿达玛(Hadamard)变换算法对照射到数字微镜阵列上的光进行编码；所述的单点探测器为光电倍增管的高灵敏度的单点探测器；所述的信号处理器(14)与微镜控制电路相连，对单点探测器接收到的信号进行阿达玛(Hadamard)变换算法的解码，得到样品(3)的拉曼光谱信息。
2.根据权利要求1所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，其特征在于:所述的数字微镜阵列器件中的微镜单元由平面反射镜(16)与悬臂梁(17)连接，微镜控制电路通过改变控制电极(18)的电压或电流，调节悬臂梁(17)转动，悬臂梁(17)带动平面反射镜产生一定角度的偏转，所述微镜单元的摆角幅度为±10° ,当使用Hadamard变换算法对光进行编码时，偏转+10°对应“ I ”，光通道为“开”，经过该通道的光可以进入后续光路；偏转-10°对应“0”，光通道为“关”，经过该通道的光不能进入后续光路。
3.根据权利要求1所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，其特征在于:所述的微镜控制电路，基于微机电系统，包括光电探测器、数字微镜兀件(DMD)阵列,其特征在于:入射光自数字微镜元件(DMD)阵列将光谱按阿达玛编码进行调制，调制光进入光电探测器转换成电信号，经 前置放大电路、模数转换器(ADC)转换模块进行模数转换，产生数字信号；该数字信号被现场可编程门阵列(FPGA)控制模块读取，经现场可编程门阵列(FPGA)控制模块FPGA内置的解调算法实时计算之后，由现场可编程门阵列(FPGA)控制模块调制和解调后经外触发，由通用串行总线(USB)传输模块，传送至上位机，其中，所述的现场可编程门阵列(FPGA)控制模块中内置了协调各个模块同时工作的逻辑，并内置了用于调制和解调光谱的阿达玛变换算法的模块。
4.根据权利要求1至3之一所述的基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪的使用方法，包括以下步骤: 第一，由激光器(I)产生高功率、窄线宽的激光束，通过拉曼探头(2)照射在样品(3)上，激发出样品(3)的拉曼散射光；拉曼探头(2)收集部分拉曼散射光并传输到光谱检测系统⑷中； 第二，拉曼散射光通过聚焦透镜一(5)汇聚在数字微镜元件(DMD)模块一(6)上，由微镜控制电路控制各微镜单元的开关状态，采用N阶阿达玛(Hadamard)变换算法对照射到数字微镜元件(DMD)模块一(6)上的光进行编码，通过数字微镜元件(DMD)模块一(6)编码后的光经准直透镜(7)准直后照射到色散光栅(8)上，色散光栅(8)将复色光分解为不同波长的单色光，再经过聚焦透镜二(9)汇聚到DMD数字微镜元件(DMD)模块二(10)的不同位置的微镜单元上，数字微镜元件(DMD)模块二的控制电路进一步采用阿达玛(Hadamard)变换算法对光进行二次编码，编码时闭合瑞利散射光聚焦位置的微镜单元，以去除信号中的瑞利线；编码后的光经过消色散光栅(11)和聚焦透镜三(12)后，形成复色光会聚至单点探测器(13)上，单点探测器(13)将接收到的光信号转为电信号并传输至信号处理器(14)，信号处理器(14)对其进行阿达玛(Hadamard)变换算法的解码，得到不同波长光的光谱信息，从而得到样品原 始的拉曼光谱。
全文摘要
一种基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪，基于微机电系统，包括一个激光光源，一个拉曼探头和一个光谱仪的光谱检测系统，激光光源包括一个半导体激光器，产生不小于200毫瓦的功率和线宽不大于0.2纳米的窄线宽的激光；拉曼探头包含输出激光光路和收集拉曼散射光光路这两条光路，其中收集拉曼散射光的光路不包含过滤瑞利散射光的滤光片；光谱仪包括依序由聚焦透镜一、数字微镜元件(DMD)模块一、准直透镜、色散光栅、聚焦透镜二、数字微镜元件(DMD)模块二、消色散光栅、聚焦透镜三、单点探测器和信号处理器构成的光谱检测系统。本发明保持光谱检测分辨率的同时，提高光谱检测的灵敏度，适用于拉曼这类微弱信号的检测等优点。
文档编号G01J3/44GK103196889SQ20131013202
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者许春, 殷海玮, 章炜毅 申请人:许春, 殷海玮, 章炜毅