中长波红外微型静态傅里叶变换光谱仪理论及技术研究

Presently，the portable Fourier Transform Infrared Spectrometer with small volume and a little mass is required urgently in the fields of environment and security inspection, medical analysis and examination, space detection. The existing Fourier Transform Infrared Spectrometer has some problems such as huge mass, large volume, needing a reference light source and a driving system with high precision for time modulated mode, and serious requirements of environment for detection on line and in awful surroundings. To solve these problems, a Static Micro Fourier Transform Infrared Spectroscopy for MWIR and LWIR based on MOEMS technology is proposed in this project. The heart of the system is the lightweight beam splitter and micro step mirror array made by MOEMS technology, the static structure improves the stability of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and has the advantage of small volume, a little mass, and widely application. The problems of aberration, distribution of light, noises will be solved by theory analysis, optical system design and Simulation, optical elements manufacture and infrared system alignment and integration. A Fourier Transform Infrared Spectrometer covering the spectral range of 3-5μm and 8-12μm will be manufactured and a prototype will be provided. We have independent intellectual property because there has been no correlative foreign report.

目前，便携式、轻量化、固态化的红外光谱测量仪器已经成为环境、安全监测、医疗分析检测、空间探测等领域的迫切需求，而现有用于红外光谱测量的傅里叶变换光谱仪存在着体积大、质量重，且因采用时间调制方式需要参考光源、对驱动机构精度要求高、对使用环境要求高等问题，不利于在线检测或在恶劣环境下使用。为解决这些难题，本项目提出一种基于MOEMS技术的中长波红外静态微型傅里叶变换光谱仪。该系统以轻量化分束器和集成化台阶微反射镜阵列为核心，采用静态结构实现中长波红外的宽光谱测量，不仅能提高系统的稳定性和可靠性，而且体积小、重量轻，应用广泛。拟通过理论、光学设计与模拟仿真、光学元件研制、系统集成装调以及检测等方面的研究，解决光均匀化、复消色差、象差校正及降噪等问题，研制波长覆盖范围3～5μm和8～12μm的静态微型傅里叶变换红外光谱仪，提供原理样机。本研究的结构和制作方法具有自主知识产权（已申报专利）。

目前，便携式、轻量化、固态化的红外光谱测量仪器已经成为环境、安全监测、医疗分析检测、空间探测等领域的迫切需求，由此本项目开展了基于MOEMS技术的中长波红外静态微型傅里叶变换光谱仪的研究。在理论研究方面，对台阶微反射镜在制备过程中的表面粗糙度误差、台阶高度误差、台阶宽度误差以及台阶微反射镜在装调过程中的倾斜误差进行了建模与仿真，从而确定了台阶微反射镜的参数要求；同时，对台阶微反射镜的边缘衍射效应进行了建模与仿真，分析了不同台阶宽度与不同衍射距离对复原光谱的影响，并提出了一种抑制边缘衍射噪声的方法；在光学设计方面，对扩展光源的尺寸效应进行了计算与分析，确定了满足光场均匀化与系统光谱分辨率的光源尺寸，对准直系统进行了设计和优化，解决光均匀化、复消色差、象差校正等问题。同时，对开普勒、物方远心与微透镜复眼缩束系统进行了理论分析与光学设计，三种缩束系统均能满足仪器的使用需求。在光学元件研制及检测方面，分别采用湿法腐蚀、控制生长多层膜和可调节倾角挤压基片三种方法对低阶梯台阶微反射镜和高阶梯台阶微反射镜进行了制作和测试，并分别对轻薄分束器和框架支撑薄膜分束器进行了分析、设计和制作；同时对准直系统和缩束系统进行了加工和检测。在系统集成装调方面，采用可见光与红外相结合的方法，搭建了仪器的实验平台，并通过微组装方法、光学元件精确定位及系统计算机辅助装调方法，完成了原理样机的集成。该静态微型傅里叶变换红外光谱仪可进行3～5μm和8～12μm范围的光谱探测。本项目已完成了项目计划书的研究内容，授权国家发明专利13项，受理14项；发表学术论文16篇，其中SCI检索9篇；培养博士、硕士研究生9名。 本项目研制的中长波红外静态微型傅里叶变换红外光谱仪采用静态结构实现中长波红外的宽光谱测量，不仅能提高系统的稳定性和可靠性，而且体积小、重量轻，应用广泛。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权，并具有广阔的应用前景。