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(jī)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(jì)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(diǎn)。通過對(duì)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(dá)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(shí)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(jì)和分光光度計(jì)中，單色化是采用狹窄的入射狹縫來達(dá)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(duì)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(shí)現(xiàn)的。這就帶來了光通量和效率的嚴(yán)重下降，對(duì)一些微弱信號(hào)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(shí)間來增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)的讀取，但同時(shí)又引入更為嚴(yán)重的問題，例如采集積分時(shí)間的加大同時(shí)會(huì)加大背景噪聲和探測器的固有噪聲，同時(shí)對(duì)探測時(shí)間有嚴(yán)格要求的情況也不利（熒光分析、生化動(dòng)力學(xué)法等）。這些都強(qiáng)烈要求光譜儀具有微小型化的同時(shí)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(gè)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(gè)性能指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)光譜儀的這兩個(gè)zui重要的性能指標(biāo)，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(shí)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(dòng)加放大機(jī)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，每次平移一個(gè)狹縫距離。但這種實(shí)現(xiàn)狹縫陣列的方法對(duì)兩層狹縫陣列的對(duì)準(zhǔn)工藝要求非常苛刻，并且驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度有限，同時(shí)由于移動(dòng)距離有限，限制了狹縫的個(gè)數(shù)，種種不利都限制了阿達(dá)瑪光譜儀的發(fā)展[3]。
3、結(jié)合MEMS技術(shù)的阿達(dá)瑪光譜儀
MEMS技術(shù)的發(fā)展使光譜儀各項(xiàng)性能不斷完善，正廣泛應(yīng)用到各個(gè)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(dá)到1 μm，并將其用在微小型阿達(dá)瑪光譜儀中。因?yàn)槿虘B(tài)的阿達(dá)瑪光譜儀僅僅用一次采集就可以實(shí)現(xiàn)陣列的變換。克服了大多數(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(hào)的測量。阿達(dá)瑪變換光譜儀具有只有一個(gè)接受器能同時(shí)接受M個(gè)光譜元的多通道優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，特別適合微弱信號(hào)的測量。阿達(dá)瑪變換光譜儀的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：利用二維入射阿達(dá)瑪模板進(jìn)行雙調(diào)制，可獲得分析對(duì)象上每一點(diǎn)的光譜組成信息。采用探測器陣列方式光譜儀沒有機(jī)械傳動(dòng)，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(dá)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(shí)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(dá)瑪光譜儀在分析領(lǐng)域的得到關(guān)注。另外，這種設(shè)計(jì)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(dá)瑪光譜儀器的現(xiàn)實(shí)意義
研究阿達(dá)瑪微小型光譜儀的意義和必要性可以歸納為以下幾點(diǎn)：
（1）阿達(dá)瑪微小型光譜儀易于實(shí)現(xiàn)模塊化。如果便攜式的光譜分析儀可以達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用儀器的性能，則其應(yīng)用潛力巨大。
（2）阿達(dá)瑪微小型光譜儀由于采用新穎光電接收器件，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)及多通道分析，因而具有現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值。
（3）阿達(dá)瑪微小型的光譜分析儀還具有如下一些特點(diǎn)：耐用、緊湊、易于校準(zhǔn)、抗振動(dòng)，操作對(duì)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(dāng)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(qiáng)大，使得光譜儀更加靈活多樣，應(yīng)用更加廣泛。
（5）使用阿達(dá)瑪微小型光譜儀將大幅度降低成本，對(duì)于航天領(lǐng)域，因?yàn)槌叽绾椭亓渴翘诊w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(gè)50磅重的衛(wèi)星，如Pluto Express可以使用Delta火箭發(fā)射，費(fèi)用只有十分之一，大約為600萬美元。
4、阿達(dá)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(dá)瑪變換光譜儀（Hadamard Transform Spectrometer）是在20世紀(jì)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(shí)際上，當(dāng)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(shí)，Golay幾乎在同一時(shí)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(jìn)制序列應(yīng)用到光譜多通道檢測的基本概念，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在1968年，這種技術(shù)被人們重新認(rèn)識(shí)，而后迅速得到了認(rèn)可，并冠名為阿達(dá)瑪變換。阿達(dá)瑪變換的核心思想不是探測單一的通道信號(hào)，而是探測多通道信號(hào)線性組合以后的疊加信號(hào)。這一點(diǎn)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(huì)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(shí)際上是一個(gè)不可分割的整體，而阿達(dá)瑪變換光譜儀的由兩個(gè)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(dá)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(diǎn)對(duì)紅外光譜波段的探測具有更重要的意義。