MOEMS微镜近红外光谱仪的光谱扫描成像技术研究

MOEMS micro-mirror based NIR spectrometer is an optical instruments that can be used for rapid and non-destructive testing in agricultural, pharmaceutical and food quality. Based on the preliminary studies of the MOEMS micro-mirror spectrometer, the applicants intends to do further research on the spectroscopic imaging scanning technology. Specific studies include:. Through theoretical analysis and calculation of the quantitative relationship between spectral image plane defocus amount and sweep amplitude of parallel beam on grating surface, to solve the movement limit of parallel beam on the grating when resolution in meeting the requirements of design, study the impementation methods and means of a wide spectral range, high sepctral resolution NIR spectrometer that based on MOEMS micromirror.. Combinating the computer iconology, finite element analysis and deformation meshing algorithm, to study the coupled dynamic model of the relationship between MOEMS micromirror structural parameters, rotation speed and ineria force.. Establishing a quantitative relationship model between MOEMS micro-mirror structural parameters and the dynamic deformation of the mirror surface by the dynamic deformation characteristics simulation analysis and experimental testing of the MOEMS micro-mirror, solving the structural parameters of the MOEMS micro-mirror that meet the requirements of NIR spectrometer.. Finally, the project will realize the imaging technology that spectral range 1000-1800nm, resolution is not greater than 10nm for the MOEMS micro-mirror based NIR spectrometer..

MOEMS微镜近红外光谱仪是一种可用于农产品、医药、食品品质快速无损检测的光学仪器。本项目拟在申请人前期MOEMS微镜红外光谱仪研究基础上，对MOEMS微镜近红外光谱仪的光谱扫描成像技术做进一步深入研究。具体内容包括：通过理论分析和计算光谱像平面离焦量与平行光束在光栅上扫描幅度之间的定量关系，求解达到光谱分辨率要求时平行光束在光栅上的移动限，研究宽光谱范围、高光谱MOEMS微镜近红外光谱仪的实现方法和途径；将计算机图形学、有限元分析、变形网格算法相结合，研究MOEMS微镜结构参数-转速-惯性力间关系的耦合动力学模型；通过MOEMS微镜的动态变形特性模拟分析及实验测试工作，建立MOMES微镜结构参数和动态变形间的定量关系模型，求解达到近外光谱仪使用要求的MOEMS微镜结构参数。最终，本项目将实现光谱范围1000-1800nm，分辨率不大于10nm的MOEMS微镜近红外光谱仪光谱成像技术。

光谱仪不但可用于农产品、食品、医药、日用消费品品质的快速检测，而且也可在石化、制药等工业生产领域实现产品的实时在线监测，是最为重要的光学分析仪器之一。随着我国经济的发展与工业化水平的不断提高，光谱仪作为重要的光学分析仪器，其市场需求量不断提高，仅2014年一年，我国光谱仪的行业消费量就达17万多台，市场规模达到160多亿元。然而，由于技术的制约，我国的光谱仪产品仅以低端产品为主，高端产品仍被美、日、欧等西方国家垄断。在此背景下，“十二五”期间，在南开大学的牵头下，国内13家单位承担的国家重大仪器专项“单光子时间分辨成像光谱仪研发与应用”获得正式立项，批复预算总经费达8000多万元，利用新技术研制具有先进水平的高质量光谱仪已成为国家的重点支持方向。基于MOEMS扫描镜的微型光谱仪，是一种把MOEMS扫描镜作为核心部件、利用光的衍射，对光辐射蕴含的特征信息进行精密测量、研究的光学检测仪器。该类型光谱仪具有体积小、重量轻、成本低廉等优点，在国家香山会议446号会议上已被确定为新一代光谱仪的发展方向。. 本项目以研制出高分辨率光谱仪为最终目的，对MOEMS微镜近红外光谱仪的光谱扫描技术进行了研究。在项目的具体实施过程中，关键研究内容如下：① 通过理论分析与设计分析，对MOEMS微镜光谱仪的扫描成像技术进行了研究，研究过程中，通过降低平行光束在光栅上的移动幅度，实现了1000-1800nm波长范围内10nm波长分辨率的光学系统设计； ② 为了获得相关实验数据，对MOEMS微镜近红外光谱仪的机械系统设计方法进行了深入研究，设计出了体积110mm*80mm*50mm（小于国外MOEMS扫描光栅光谱仪）的机械系统结构； ③为获得高质量的光谱信号数据，对光谱信号的调理电路进行了设计与实验研究，在50μm入射狭缝情况下，获取了直流幅值为15mV的一级放大信号。. 对项目研究结果分析表明，在现有研究基础上，通过进一步深入研究、解决项目研究过程中遇到的相关技术问题，将很快研制出实用化高分辨率、低成本MOEMS扫描微镜近红外光谱仪样机，并可快速实现产业化。.