基于MEMS微鏡的小型化傅里葉變換紅外光譜探測系統(tǒng)研究.pdf

1、食品安全問題頻發(fā)給人們的身心健康造成了嚴(yán)重危害,從民眾到政府都亟待一套高效的食品安全管理體系。以先進(jìn)的檢測技術(shù)對食品質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測并結(jié)合完善的法律規(guī)范懲治違法行為是防治食品安全問題的理想途徑。因此,能夠?qū)崿F(xiàn)食品問題快速檢測的便攜式分析儀器成為杜絕食品安全問題的重要保障。
　　紅外光譜技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于物質(zhì)檢測和分析的技術(shù),在食品安全檢測中具有無可比擬的優(yōu)勢。作為紅外光譜分析的主流儀器,傅里葉變換紅外光譜儀因其具有高分辨率、高信

2、噪比和高穩(wěn)定性而受到人們的青睞。然而,食品安全問題的復(fù)雜性要求分析儀器能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的現(xiàn)場快速檢測,目前商用的傅里葉變換紅外光譜儀普遍存在體積大、抗震性差和便攜性差的問題,難以在要求現(xiàn)場快速檢測的食品安全問題的解決中發(fā)揮作用。為適應(yīng)食品安全分析的市場需求,本文致力于研制一種能夠應(yīng)用于現(xiàn)場快速檢測的便攜式傅里葉變換紅外光譜探測系統(tǒng)。
　　MEMS技術(shù)的成熟為分析儀器的小型化提供了契機(jī),商用的MEMS微鏡成本低、性能穩(wěn)定。本文利用MEM

3、S微鏡的光學(xué)開關(guān)特性提出了基于MEMS微鏡的小型化傅里葉變換紅外光譜探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將MEMS微鏡同改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀相結(jié)合,摒棄了傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀中的動鏡系統(tǒng)。論文建立了基于MEMS微鏡的傅里葉變換紅外光譜探測系統(tǒng)的理論模型,驗證了其理論可行性并分析了該系統(tǒng)的主要特征參數(shù),建立了阿達(dá)瑪變換同該系統(tǒng)相結(jié)合的理論模型。在理論分析的基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及實驗,搭建了系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)并進(jìn)行了基本性能測試。最后進(jìn)行了光譜探測系統(tǒng)

4、性能測試實驗和物質(zhì)光譜探測實驗,驗證了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性和在物質(zhì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文的主要研究內(nèi)容包括:
　　1)基于MEMS微鏡技術(shù)提出了新型的小型化傅里葉變換紅外光譜探測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。分析了該系統(tǒng)下傅里葉變換光譜探測的基本原理并得到了光譜復(fù)原的理論公式;對干涉儀傾斜臂的傾角容限進(jìn)行了理論分析,通過在系統(tǒng)分辨率和調(diào)制度誤差間取平衡,得到了干涉儀傾斜臂的傾角容限范圍。
　　2)利用標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論分別在近紅外和中

5、紅外波段對MEMS微鏡衍射效應(yīng)進(jìn)行了分析,探討了衍射效應(yīng)對干涉光強(qiáng)探測的影響。分析結(jié)果表明:在近紅外和中紅外波段,衍射光強(qiáng)絕大部分集中于零級衍射,因此在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計時僅需考慮采集零級衍射光強(qiáng)就能夠得到滿足光譜復(fù)原條件的攜帶光譜信息的干涉信號。
　　3)利用MEMS微鏡由數(shù)字電路編碼驅(qū)動的特性引入了阿達(dá)瑪變換調(diào)制干涉光強(qiáng)來改善信噪比。把阿達(dá)瑪和傅里葉變換光譜探測系統(tǒng)相結(jié)合,分析了該系統(tǒng)下實現(xiàn)阿達(dá)瑪變換調(diào)制的可行性,并建立了阿達(dá)瑪編碼

6、和解碼實現(xiàn)的理論模型。彌補(bǔ)了微鏡引入帶來的信噪比下降。
　　4)分析了該光譜探測系統(tǒng)的性能特征參數(shù)并利用Zemax軟件及Matlab軟件對各光學(xué)單元進(jìn)行了設(shè)計和仿真。從硬件系統(tǒng)出發(fā),提出了該信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案,并逐一分析了系統(tǒng)中單片機(jī)、FPGA和ARM系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)及其相互之間的承接關(guān)系,并對該系統(tǒng)的電源電路進(jìn)行了設(shè)計,同時完成了系統(tǒng)用戶軟件和底層驅(qū)動軟件的設(shè)計。
　　5)完成了各光學(xué)單元的加工并進(jìn)行了測試,驗證了光學(xué)設(shè)

7、計的合理性。對準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),通過光斑一致性和九點法光斑均勻性測試驗證了準(zhǔn)直系統(tǒng)的性能,結(jié)果表明準(zhǔn)直系統(tǒng)的光斑一致性偏差和光強(qiáng)均勻性偏差分別小于1.2％和4.8%。干涉系統(tǒng)的測試表明,制作完成的干涉具能得到明暗分明的等厚干涉條紋,實現(xiàn)了對光源的干涉調(diào)制。
　　6)完成了電路系統(tǒng)的性能測試。分別調(diào)試驗證了MEMS微鏡驅(qū)動電路的性能和信號前處理電路的性能。結(jié)果表明:MEMS微鏡驅(qū)動電路系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制MEMS微鏡實時偏轉(zhuǎn);信號前處理電