一种MEMS微型拉曼光谱仪的制作方法

本发明涉及一种光学检测仪器领域，特别涉及一种MEMS微型拉曼光谱仪。

背景技术：

拉曼光谱反映了分子结构中原子的振动特征，被称为分子的指纹光谱。拉曼检测技术作为一种无与伦比的、有力的分析手段，具有无损测量、检测速度快、制样简单、可实现现场检测等优点，有望应用于现实的生产和生活中。但是，由于拉曼散射的强度很弱，其强度是瑞利散射光强度的10-6～10-3倍，因此，拉曼光谱仪的结构一般比较复杂，并且价格昂贵，动辄百万人民币，这些阻碍了拉曼光谱在实际检测中的应用，拉曼光谱仪器的小型化和简单化将是未来的发展方向。

而目前用于现场应急检测的微型拉曼光谱仪，为保证系统的紧凑性，样品的激光照明系统与拉曼散射光的透镜通常共光路，从而不可避免地产生照明光在集光透镜内的多次反射，形成瑞利散射光以外的杂散光，但是拉曼光谱的探测属于弱信号检测，需要对系统中的杂散光严格抑制，另外现有的便携式拉曼光谱仪一般采用便携式电脑完成数据处理的功能，无法脱离电脑独立工作，而且现有的光谱仪由于光栅色散技术固有的分辨率与焦距之间的矛盾，无法保证在较宽的自由光谱范围的同时，又能够获得较窄的半峰全宽。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种MEMS微型拉曼光谱仪，本发明的各个模块的集成程度更高，更容易缩小设备体积，可以做成手持式光谱仪，而且本发明可以对激光照明系统与拉曼散射光的透镜共光路产生的杂散光进行严格的抑制，本发明采用嵌入式操作系统完成数据处理功能，可以实现手持式使用，完全脱离电脑而独立工作，本发明采用采用MEMS技术光栅与可动F-P腔集成的色散，可以保证在较宽的自由光谱范围的同时，又能够获得较窄的半峰全宽，获得高的光谱分辨率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种MEMS微型拉曼光谱仪，包括采样模块、控制显示模块、MEMS色散模块；

所述采样模块包括激光器、采样镜头/拉曼探头系统；

所述控制显示模块包括数据库单元、嵌入式操作系统/网络连接单元、显示模块；

所述MEMS色散模块包括色散模块、光电探测器单元；

所述激光器发出的光经过采样镜头/拉曼探头系统，照射在样品上激发拉曼光谱，上述拉曼光谱经过采样镜头/拉曼探头系统收集、滤波后输送到色散模块，再通过色散模块色散后传输到光电探测器单元，得到新拉曼光谱，通过将新拉曼光谱与数据库单元的数据进行比对，在显示模块显示被测物的身份信息；

通过所述控制显示模块实现对整机仪器的系统控制和数据交换与处理，数据库单元通过USB接口对外进行数据交换。

进一步的，所述激光器采用波长为785nm的窄带激光器作为照明光源，其带宽为0.2nm，光斑尺寸2mm×2mm，光强遵循平均分布。

进一步的，所述采样镜头/拉曼探头系统包括透镜(O₁)、二向色镜(DSS)、陷波滤光片(NF)、会聚系统(O₂)，入射激光经过二向色镜反射(DSS)再经过透镜(O₁)聚焦在样品上，照射样品产生的散射光经透镜(O₁)收集，并经二向色镜(DSS)、陷波滤光片(NF)滤除其中的瑞丽散射光，得到的拉曼散射光再经过会聚系统(O₂)，聚焦到狭缝处。

进一步的，所述狭缝宽度为0.05mm，长度为2mm。

进一步的，根据杂散光聚焦大小和位置、出射方向、到达狭缝处能量大小，所述采样镜头/拉曼探头系统中设置有黑点板。

进一步的，所述色散模块采用MEMS技术光栅与可动F-P腔集成的色散，狭缝处的拉曼散射光通过透镜准直后入射平而光栅，经光栅色散后的-1级衍射光再通过F-P腔进行滤波，F-P腔后设置聚焦透镜，使波长满足条件的光波在CCD形成光谱条纹。

本发明的有益效果：

本发明的各个模块的集成程度更高，更容易缩小设备体积，可以做成手持式光谱仪，而且本发明可以对激光照明系统与拉曼散射光的透镜共光路产生的杂散光进行严格的抑制，本发明采用嵌入式操作系统完成数据处理功能，可以实现手持式使用，完全脱离电脑而独立工作，本发明采用采用MEMS技术光栅与可动F-P腔集成的色散，可以保证在较宽的自由光谱范围的同时，又能够获得较窄的半峰全宽，获得高的光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的模块框图示意图；

图2为本发明一个实施例的探头系统示意图；

图3为激光在透镜上多次反射的示意图；

图4为透射瑞利散射光和透镜上多次反射瑞利光示意图；

图5为本发明的一个实施例的实际光线经二向色镜的追踪情形；

图6为整个探头系统后聚焦光线的分析模型；

图7为本发明一个实施例的嵌入式操作系统的结构框图；

图8为光栅和可动F-P集成的光调制器的光谱分光光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1所示，本实施例提供一种MEMS微型拉曼光谱仪，包括采样模块、控制显示模块、MEMS色散模块；

所述采样模块包括激光器、采样镜头/拉曼探头系统；

所述控制显示模块包括数据库单元、嵌入式操作系统/网络连接单元、显示模块；

所述MEMS色散模块包括色散模块、光电探测器单元；

所述激光器发出的光经过采样镜头/拉曼探头系统，照射在样品上激发拉曼光谱，上述拉曼光谱经过采样镜头/拉曼探头系统收集、滤波后输送到色散模块，再通过色散模块色散后传输到光电探测器单元，得到新拉曼光谱，通过将新拉曼光谱与数据库单元的数据进行比对，在显示模块显示被测物的身份信息；

通过所述控制显示模块实现对整机仪器的系统控制和数据交换与处理，数据库单元通过USB接口对外进行数据交换。

如图2所示，所述采样镜头/拉曼探头系统包括透镜(O₁)、二向色镜(DSS)、陷波滤光片(NF)、会聚系统(O₂)，入射激光经过二向色镜反射(DSS)再经过透镜(O₁)聚焦在样品上，照射样品产生的散射光经透镜(O₁)收集，并经二向色镜(DSS)、陷波滤光片(NF)滤除其中的瑞丽散射光，得到的拉曼散射光再经过会聚系统(O₂)，聚焦到狭缝处。

根据杂散光聚焦大小和位置、出射方向、到达狭缝处能量大小，所述采样镜头/拉曼探头系统中设置有黑点板。

进行追踪光线分析，激光器采用波长为785nm的窄带激光器作为照明光源，其带宽为0.2nm，光斑尺寸2mm×2mm，光强遵循平均分布，可以减小拉曼光谱的荧光背景，狭缝宽度为0.05mm，长度为2mm，陷波滤光片的波长选择785nm,光密度为6。

如图3所示为照明激光在透镜O₁上多次反射产生杂散光的情况，其中m为入射光，b为激光经O₁前表面反射之后的一次反射光，c为三次反射光，d为五次反射光，e为七次反射光,p为激光经透镜O₁后表面反射之后的一次反射光。

如图4所示为透射瑞利散射光及其在透镜O₁上多次反射形成的杂散光，其中k为散射光，f为透射瑞利散射光，g为二次反射瑞利光，h为四次反射瑞利光。

利用子午面内光线光路计算公式对照明激光及透射瑞丽散射光及透射瑞丽散射光在透镜O₁上多次反射形成的杂散光进行光线追踪，追迹初始物距为l，孔径角为u，经过透镜O₁后，出射光线孔径角为u₀，出射光线截距为l₀，经过透镜O₁后，杂散光初步能量计算结果，得到I_m为0.98，I_b为9.8x10^-3,I_c为9.8x10^-7,I_d为9.8x10^-11,I_e为9.8x10^-15,I_p为10^-2,I_f为9.6x10^-4-9.6x10^-6，I_g为9.6x10^-8-9.6x10^-10,I_h为9.6x10^-12-9.6x10^-14,I₁为9.6x10^-7-9.6x10^-12,其中I₁拉曼散射光强度，分析对比可知，在激光反射光中只需要分析激光在O₁后表面的一次反射光和经O₁前表面反射的一次反射光、三次反射光和五次反射光，在散射光中只需要分析透射瑞丽散射光和二次瑞反射瑞丽光。

如图5所示为实际光线经二向色镜的追踪形式，根据二向色镜出射光线的孔径角u₂和截距l₂信息，可得限光滤波片与会聚系统O₂的入射光线信息，再利用子午面内光线光路计算公式进行光线追迹，最终得到通过汇聚系统O₂后的孔径角和截距信息，即可知道整个探头系统的孔径角和截距信息。

为了获得准确的黑点板放置位置，需要分析任意入射角光线在光路中的聚焦位置，如图6所示为整个探头系统后聚焦光线的分析模型，焦点位置S为弥散斑直径最小处，即上边缘光线和下边缘光线交点在光轴上的位置，l₀₀为截距，r_S为焦点S处的弥散斑半径，S₁为上边缘光线与光轴的交点，对应的孔径角为u₁₁、截距为l₁₁，S₂为下边缘光线与光轴的交点，对应的孔径角为u₂₂、截距为l₂₂，D为狭缝处的弥散斑，z为偏移距离，其长度等于r_s,根据几何关系，可以得到焦点S处的截距l₀₀和弥散斑半径r_S的信息，如图6所示只要狭缝长度y满足D-z<y,即可认为有杂散光进入狭缝中，需要进行抑制。通过对狭缝处杂散光的能量计算可得，只需对精光经透镜O₁前表面反射的一次反射光和经O₁后表面的一次放射光做进一步杂散光抑制，通过对激光反射杂散光理论分析可知，经透镜O₁前表面的一次反射光，在距O₁后表面3.5072mm处形成一次鬼像，可在其一次鬼像处设置黑点板，此时一次鬼像在在O₁后表面上的光线直径为0.055mm，经透镜O₁后表面的一次反射光从O₁出射后是发散的，若在O₁后表面加黑点板，则黑点板的直径最小为0.138mm。

如图7所示为本发明一个实施例的嵌入式操作系统的结构框图，基于Android操作系统的嵌入式Raman光谱信号处理系统，实现快速的光谱信号采集处理、友好的人机交互接口和智能的谱线识别技术；手持式拉曼光谱仪还可以通过USB、Internet或者无线传输与电脑进行数据交换，接受来自电脑、网络的命令，将采集到的拉曼光谱数据发布到网络中，实现远程化、在线化、无人化工作，同时也可以实现拉曼光谱数据的远程共享。

嵌入式操作系统模块主要包括了电源管理、CCD驱动及信号处理、激光驱动、嵌入式处理器平台、人机界面等子模块，软件部分包括了操作系统、嵌入式应用程序等，可以完成数据处理功能，可以实现手持式使用，完全脱离电脑而独立工作。

如图8所示为光栅和可动F-P集成的光调制器的光谱分光光路示意图，所述色散模块采用MEMS技术光栅与可动F-P腔集成的色散，狭缝处的拉曼散射光通过透镜准直后入射平而光栅，经光栅色散后的-1级衍射光再通过F-P腔进行滤波，F-P腔后设置聚焦透镜，使波长满足条件的光波在CCD形成光谱条纹，可以保证在较宽的自由光谱范围的同时，又能够获得较窄的半峰全宽，获得高的光谱分辨率。