用于光谱分析的空间调制MOEMS红外干涉系统的理论与技术研究

目前，环境、医疗、空间探测、气象、军事分析、刑事技术以及反恐防化等诸多领域对高精度、微小型化红外光谱分析系统提出了十分迫切的需求。针对现有微小型红外光谱测量仪器存在的技术难题，本项目提出一种基于空间调制的MOEMS红外干涉系统，以本系统为核心的微小型傅里叶变换光谱仪(FTS)可有效实现中波红外光谱测量，解决了空间色散原理的微型光谱仪因信噪比低、光通量小、光谱范围有限而不能有效实现红外宽光谱精确测量的问题以及时间调制型FTS因运动部件而引起的系统加工和装调困难、重复性和可靠性难以保证以及实时性较差的问题。本项目拟在理论上进行仿真模拟和误差分析，在技术上对多级微反射镜、光束准直器、聚束单元的设计和制作以及红外微系统的装调方法研究，并探索解决光均匀化、复消色差、象差校正及降低噪声等问题，提供模型样机。理论和关键技术研究成果可为其他微小型红外光学系统所借鉴。在国际上未见报导，具有自主知识产权。

针对环境、医疗、空间探测、气象、食品药品安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求，本项目提出并研究了一种作为光谱仪核心部件的基于MOEMS多级微反射镜的空间调制红外干涉系统。. 在理论上建立了空间调制干涉系统的物理模型，探究了该系统的光束空间分割机理，进行了采样误差分析，并提出了一种基于最小二乘拟合的修正算法以有效修正非均匀采样带来的光谱失真现象；分析了多级微反射镜的衍射效应，提出了一种将衍射影响同样加载于边缘的信号的修正方法，有效抑制了衍射噪声对光谱复原的影响；通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器色散特性和透射效率等的计算分析，确定了系统的设计方法并得出了多级微反射镜与分束系统的参数要求。. 在技术方面，提出了两个多级微反射镜的三种制作方法，分析了各种制作方法的误差来源及对干涉光强分布的影响，分别给出了两个多级微反射镜的误差容限。通过工艺流程设计及实验条件摸索，分别采用硅的各向异性腐蚀法、定向生长多层膜法以及斜面法制作了两个多级微反射镜。. 设计了作为红外干涉系统与光源和探测器光学接口的红外准直与缩束成像光学系统，并对干涉系统及其相关光学组件进行了加工与检测；对空间调制红外干涉系统进行了公差分析，研究了空间干涉系统的集成组装技术，完成了干涉系统与光源和探测器的耦合。测试结果表明，该空间调制红外干涉系统可进行2.5～10μm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9项，受理2项；发表学术论文22篇，其中SCI检索14篇；培养博士、硕士研究生8名。 . 本项目研制的空间调制红外干涉系统的特点在于：①该系统取消了动镜驱动机构与采样控制机构，具有微小型与轻量化的特点；②干涉图的采样由多级微反射镜完成，其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性，实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性；③多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作，增加了系统的采样精度，并且降低了系统采样误差的随机性。该干涉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。