光谱仪发展历程介绍

1、基于MEMS的光谱仪微小型化技术
MEMS(Micro Electro-Mechanical System微机电系统)技术是在微电子的平面硅工艺基础上发展起来的，主要包括体硅加工技术、表面硅加工技术、键合封装技术等。利用这种技术可以制作出各种不同的立体微系统。利用MEMS技术可以设计制作微型光谱分析仪，体积小、重量轻、可集成化、成本低廉、使用方便、可批量制造以及探测速度快等，它将具有许多大型光谱仪所不具备的优点。通过对物质和光波相互作用的分析，能够精确地测出物质的含量和成份，并且测量范围可以覆盖了从紫外到远红外波段。像普通光谱仪一样微型光谱仪引起了人们广泛的兴趣，有着巨大的应用市场，可以应用在实验室化学分析、工业监测、航空航天遥感、临床医学检验等领域。
       本课题组目前已经掌握了制备高精度微硅片狭缝的关键技术，解决了机械狭缝的加工装调复杂、体积大、精度有限等问题，使得狭缝的体积、质量大幅度减小且狭缝的平直度犹于0.1 μm。研制出了基于单硅片狭缝的微小型光纤光谱仪，如图1.1所示。它采用MEMS技术制作硅微狭缝，固定光栅，采用线阵CCD阵列为接收器件，测试效果良好。

2、研究阿达玛光谱仪的意义
微小型光谱仪中存在的问题许多现有的光谱光电记录仪器暂时还不能满足光谱系统***优化的要求。尤其是在成批生产的分光计和分光光度计中，单色化是采用狭窄的入射狭缝来达到的，因而在狭窄的光谱区间内不能得到很大的光通量。为了满足化学分析、医学分析等对光谱仪分辨率的高要求的情况下，而又不得不采用减小入射狭缝孔径和
加光阑等手段来实现的。这就带来了光通量和效率的严重下降，对一些微弱信号的分析极其不利。虽然可以通过采用加大探测器的采集积分时间来增强对微弱信号的读取，但同时又引入更为严重的问题，例如采集积分时间的加大同时会加大背景噪声和探测器的固有噪声，同时对探测时间有严格要求的情况也不利(荧光分析、生化动力学法等)。这些都强烈要求光谱仪具有微小型化的同时又必须具有高光通量、高分辨率的性能。
        入射狭缝作为光谱仪中的一个重要元件，它的结构直接影响光谱仪的光通量与分辨率这两个性能指标。为了实现光谱仪的这两个***重要的性能指标，目前的入射狭缝经常采用多狭缝阵列结构，利用双层薄膜硅片叠加是实现多狭缝阵列结构的普遍方法，比如采用压电驱动加放大机构的方式来实现驱动，每次平移一个狭缝距离。但这种实现狭缝阵列的方法对两层狭缝阵列的对准工艺要求非常苛刻，并且驱动结构复杂、精度有限，同时由于移动距离有限，限制了狭缝的个数，种种不利都限制了阿达玛光谱仪的发展[3]。
3、结合MEMS技术的阿达玛光谱仪
MEMS技术的发展使光谱仪各项性能不断完善，正广泛应用到各个领域，结合MEMS为光谱仪制造出了微硅片狭逢，***小狭缝单元可达到1 μm，并将其用在微小型阿达玛光谱仪中。因为全固态的阿达玛光谱仪仅仅用一次采集就可以实现阵列的变换。克服了大多数光栅光谱仪的缺陷，满足了在不降低光通量的前提下提高分辨率的要求，适合微弱信号的测量。阿达玛变换光谱仪具有只有一个接受器能同时接受M个光谱元的多通道优点，而且可以有选择地接收有用的光谱信息。由于多通道接收，所以具有光强大的优点，特别适合微弱信号的测量。阿达玛变换光谱仪的另一个优点是：利用二维入射阿达玛模板进行双调制，可获得分析对象上每一点的光谱组成信息。采用探测器阵列方式光谱仪没有机械传动，为4全固态安装，延长了使用寿命；提高了定位精度，减小传统倍增管探测方式仪器的体积。
       在一定条件下，传统的光谱仪如果想提高光通量，只能从狭缝长度来考虑，却给加工提出了更高的要求。阿达光谱仪器使用更复杂的空间调制与狭缝阵列以取代传统的单狭缝，可以解决光谱仪同时具有高分辨率和高光通量这一难题。这些优势都使所阿达玛光谱仪在分析领域的得到关注。另外，这种设计使体积、重量大幅减小，解决了光谱仪器遇到的新问题。
1.3.3研究阿达玛光谱仪器的现实意义
研究阿达玛微小型光谱仪的意义和必要性可以归纳为以下几点：
(1)阿达玛微小型光谱仪易于实现模块化。如果便携式的光谱分析仪可以达到在实验室内使用仪器的性能，则其应用潜力巨大。
(2)阿达玛微小型光谱仪由于采用新颖光电接收器件，可以进行实时及多通道分析，因而具有现场应用价值。
(3)阿达玛微小型的光谱分析仪还具有如下一些特点：耐用、紧凑、易于校准、抗振动，操作对于非专业人员来说易于掌握。
(4)二次开发性能，产品生产商可以利用它来制造其他分析仪。传统的大型设备，有相当部分的性能是可以用软件来替代的。这样减小了体积、压缩了开支，功能反而更加强大，使得光谱仪更加灵活多样，应用更加广泛。
(5)使用阿达玛微小型光谱仪将大幅度降低成本，对于航天领域，因为尺寸和重量是太空飞行非常重要的因素，尤其影响发射成本。比如5000磅重的Cassini卫星需要用TitanN发射火箭，发射成本是6000万美元，而一个50磅重的卫星，如Pluto Express可以使用Delta火箭发射，费用只有十分之一，大约为600万美元。
4、阿达玛光谱仪的发展现状
光谱仪器中的调制技术
从光谱仪器的工作原理上可以分为两大类：色散光谱仪器和调制光谱仪器，色散光谱仪器是建立在空间色散分光原理上的仪器，而调制光谱仪是建立在调制原理上的仪器。阿达玛变换光谱仪(Hadamard Transform Spectrometer)是在20世纪60年代末发展起来的，它是一种与傅立叶变换光谱仪平行的多路传输的调制光谱仪。实际上，当人们第一次提出傅立叶变换(Fourier Transform)光谱仪的多通道检测优势时，Golay几乎在同一时间发表了两篇论述多狭缝色散仪器中的多通道探测技术的文章。他阐述了把二进制序列应用到光谱多通道检测的基本概念，并进行了实验验证。在1968年，这种技术被人们重新认识，而后迅速得到了认可，并冠名为阿达玛变换。阿达玛变换的核心思想不是探测单一的通道信号，而是探测多通道信号线性组合以后的叠加信号。这一点在原理上，非常类似于FT的多通道探测，但是不同类型的多通道探测技术会导致完全不同的系统结构。比如，傅立叶变换光谱仪的光谱色散和多通道探测实际上是一个不可分割的整体，而阿达玛变换光谱仪的由两个元件光谱色散和多通道探测组成，它们分别是空间光调制器
和色散元件(比如光栅)。另外，在被探测的空间像元数和光谱通道数一定的条件下，阿达玛变换光谱仪利用探测器阵列元数，比傅立叶变换光谱仪少得多，这一点对红外光谱波段的探测具有更重要的意义。