光譜儀發(fā)展歷程介

1、基于MEMS的光譜儀微小型化技術(shù)

MEMS（Micro Electro-Mechanical System微機電系統(tǒng)）技術(shù)是在微電子的平面硅工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括體硅加工技術(shù)、表面硅加工技術(shù)、鍵合封裝技術(shù)等。利用這種技術(shù)可以制作出各種不同的立體微系統(tǒng)。利用MEMS技術(shù)可以設(shè)計制作微型光譜分析儀，體積小、重量輕、可集成化、成本低廉、使用方便、可批量制造以及探測速度快等，它將具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點。通過對物質(zhì)和光波相互作用的分析，能夠地測出物質(zhì)的含量和成份，并且測量范圍可以覆蓋了從紫外到遠紅外波段。像普通光譜儀一樣微型光譜儀引起了人們廣泛的興趣，有著巨大的應(yīng)用市場，可以應(yīng)用在實驗室化學(xué)分析、工業(yè)監(jiān)測、航空航天遙感、臨床醫(yī)學(xué)檢驗等領(lǐng)域。

本課題組目前已經(jīng)掌握了制備高精度微硅片狹縫的關(guān)鍵技術(shù)，解決了機械狹縫的加工裝調(diào)復(fù)雜、體積大、精度有限等問題，使得狹縫的體積、質(zhì)量大幅度減小且狹縫的平直度猶于0.1 μm。研制出了基于單硅片狹縫的微小型光纖光譜儀，如圖1.1所示。它采用MEMS技術(shù)制作硅微狹縫，固定光柵，采用線陣CCD陣列為接收器件，測試效果良好。

2、研究阿達瑪光譜儀的意義

微小型光譜儀中存在的問題許多現(xiàn)有的光譜光電記錄儀器暫時還不能滿足光譜系統(tǒng)*化的要求。尤其是在成批生產(chǎn)的分光計和分光光度計中，單色化是采用狹窄的入射狹縫來達到的，因而在狹窄的光譜區(qū)間內(nèi)不能得到很大的光通量。為了滿足化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)分析等對光譜儀分辨率的高要求的情況下，而又不得不采用減小入射狹縫孔徑和

加光闌等手段來實現(xiàn)的。這就帶來了光通量和效率的嚴重下降，對一些微弱信號的分析極其不利。雖然可以通過采用加大探測器的采集積分時間來增強對微弱信號的讀取，但同時又引入更為嚴重的問題，例如采集積分時間的加大同時會加大背景噪聲和探測器的固有噪聲，同時對探測時間有嚴格要求的情況也不利（熒光分析、生化動力學(xué)法等）。這些都強烈要求光譜儀具有微小型化的同時又必須具有高光通量、高分辨率的性能。

入射狹縫作為光譜儀中的一個重要元件，它的結(jié)構(gòu)直接影響光譜儀的光通量與分辨率這兩個性能指標。為了實現(xiàn)光譜儀的這兩個zui重要的性能指標，目前的入射狹縫經(jīng)常采用多狹縫陣列結(jié)構(gòu)，利用雙層薄膜硅片疊加是實現(xiàn)多狹縫陣列結(jié)構(gòu)的普遍方法，比如采用壓電驅(qū)動加放大機構(gòu)的方式來實現(xiàn)驅(qū)動，每次平移一個狹縫距離。但這種實現(xiàn)狹縫陣列的方法對兩層狹縫陣列的對準工藝要求非常苛刻，并且驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度有限，同時由于移動距離有限，限制了狹縫的個數(shù)，種種不利都限制了阿達瑪光譜儀的發(fā)展[3]。
3、結(jié)合MEMS技術(shù)的阿達瑪光譜儀
MEMS技術(shù)的發(fā)展使光譜儀各項性能不斷完善，正廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，結(jié)合MEMS為光譜儀制造出了微硅片狹逢，zui小狹縫單元可達到1 μm，并將其用在微小型阿達瑪光譜儀中。因為全固態(tài)的阿達瑪光譜儀僅僅用一次采集就可以實現(xiàn)陣列的變換?？朔舜蠖鄶?shù)光柵光譜儀的缺陷，滿足了在不降低光通量的前提下提高分辨率的要求，適合微弱信號的測量。阿達瑪變換光譜儀具有只有一個接受器能同時接受M個光譜元的多通道優(yōu)點，而且可以有選擇地接收有用的光譜信息。由于多通道接收，所以具有光強大的優(yōu)點，特別適合微弱信號的測量。阿達瑪變換光譜儀的另一個優(yōu)點是：利用二維入射阿達瑪模板進行雙調(diào)制，可獲得分析對象上每一點的光譜組成信息。采用探測器陣列方式光譜儀沒有機械傳動，為4全固態(tài)安裝，延長了使用壽命；提高了定位精度，減小傳統(tǒng)倍增管探測方式儀器的體積。
       在一定條件下，傳統(tǒng)的光譜儀如果想提高光通量，只能從狹縫長度來考慮，卻給加工提出了更高的要求。阿達光譜儀器使用更復(fù)雜的空間調(diào)制與狹縫陣列以取代傳統(tǒng)的單狹縫，可以解決光譜儀同時具有高分辨率和高光通量這一難題。這些優(yōu)勢都使所阿達瑪光譜儀在分析領(lǐng)域的得到關(guān)注。另外，這種設(shè)計使體積、重量大幅減小，解決了光譜儀器遇到的新問題。
1.3.3研究阿達瑪光譜儀器的現(xiàn)實意義
研究阿達瑪微小型光譜儀的意義和必要性可以歸納為以下幾點：
（1）阿達瑪微小型光譜儀易于實現(xiàn)模塊化。如果便攜式的光譜分析儀可以達到在實驗室內(nèi)使用儀器的性能，則其應(yīng)用潛力巨大。
（2）阿達瑪微小型光譜儀由于采用新穎光電接收器件，可以進行實時及多通道分析，因而具有現(xiàn)場應(yīng)用價值。
（3）阿達瑪微小型的光譜分析儀還具有如下一些特點：耐用、緊湊、易于校準、抗振動，操作對于非專業(yè)人員來說易于掌握。
（4）二次開發(fā)性能，產(chǎn)品生產(chǎn)商可以利用它來制造其他分析儀。傳統(tǒng)的大型設(shè)備，有相當部分的性能是可以用軟件來替代的。這樣減小了體積、壓縮了開支，功能反而更加強大，使得光譜儀更加靈活多樣，應(yīng)用更加廣泛。
（5）使用阿達瑪微小型光譜儀將大幅度降低成本，對于航天領(lǐng)域，因為尺寸和重量是太空飛行非常重要的因素，尤其影響發(fā)射成本。比如5000磅重的Cassini衛(wèi)星需要用TitanN發(fā)射火箭，發(fā)射成本是6000萬美元，而一個50磅重的衛(wèi)星，如Pluto Express可以使用Delta火箭發(fā)射，費用只有十分之一，大約為600萬美元。
4、阿達瑪光譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀
光譜儀器中的調(diào)制技術(shù)
從光譜儀器的工作原理上可以分為兩大類：色散光譜儀器和調(diào)制光譜儀器，色散光譜儀器是建立在空間色散分光原理上的儀器，而調(diào)制光譜儀是建立在調(diào)制原理上的儀器。阿達瑪變換光譜儀（Hadamard Transform Spectrometer）是在20世紀60年代末發(fā)展起來的，它是一種與傅立葉變換光譜儀平行的多路傳輸?shù)恼{(diào)制光譜儀。實際上，當人們*次提出傅立葉變換（Fourier Transform）光譜儀的多通道檢測優(yōu)勢時，Golay幾乎在同一時間發(fā)表了兩篇論述多狹縫色散儀器中的多通道探測技術(shù)的文章。他闡述了把二進制序列應(yīng)用到光譜多通道檢測的基本概念，并進行了實驗驗證。在1968年，這種技術(shù)被人們重新認識，而后迅速得到了認可，并冠名為阿達瑪變換。阿達瑪變換的核心思想不是探測單一的通道信號，而是探測多通道信號線性組合以后的疊加信號。這一點在原理上，非常類似于FT的多通道探測，但是不同類型的多通道探測技術(shù)會導(dǎo)致*不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。比如，傅立葉變換光譜儀的光譜色散和多通道探測實際上是一個不可分割的整體，而阿達瑪變換光譜儀的由兩個元件光譜色散和多通道探測組成，它們分別是空間光調(diào)制器
和色散元件（比如光柵）。另外，在被探測的空間像元數(shù)和光譜通道數(shù)一定的條件下，阿達瑪變換光譜儀利用探測器陣列元數(shù)，比傅立葉變換光譜儀少得多，這一點對紅外光譜波段的探測具有更重要的意義。