基于MEMS微鏡的小型化傅里葉變換紅外光譜探測(cè)系統(tǒng)研究.pdf

1、食品安全問(wèn)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(cè)技術(shù)對(duì)食品質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)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(wèn)題的理想途徑。因此,能夠?qū)崿F(xiàn)食品問(wèn)題快速檢測(cè)的便攜式分析儀器成為杜絕食品安全問(wèn)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(cè)和分析的技術(shù),在食品安全檢測(cè)中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(wèn)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(chǎng)快速檢測(cè),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(wèn)題,難以在要求現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的食品安全問(wèn)題的解決中發(fā)揮作用。為適應(yīng)食品安全分析的市場(chǎng)需求,本文致力于研制一種能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的便攜式傅里葉變換紅外光譜探測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)的理論模型,驗(yàn)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(jì)及實(shí)驗(yàn),搭建了系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)并進(jìn)行了基本性能測(cè)試。最后進(jìn)行了光譜探測(cè)系統(tǒng)

4、性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)和物質(zhì)光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的可實(shí)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?jī)?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(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。分析了該系統(tǒng)下傅里葉變換光譜探測(cè)的基本原理并得到了光譜復(fù)原的理論公式;對(duì)干涉儀傾斜臂的傾角容限進(jìn)行了理論分析,通過(guò)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(duì)MEMS微鏡衍射效應(yīng)進(jìn)行了分析,探討了衍射效應(yīng)對(duì)干涉光強(qiáng)探測(cè)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(jí)衍射,因此在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮采集零級(jí)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(hào)。
　　3)利用MEMS微鏡由數(shù)字電路編碼驅(qū)動(dòng)的特性引入了阿達(dá)瑪變換調(diào)制干涉光強(qiáng)來(lái)改善信噪比。把阿達(dá)瑪和傅里葉變換光譜探測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合,分析了該系統(tǒng)下實(shí)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(shí)現(xiàn)的理論模型。彌補(bǔ)了微鏡引入帶來(lái)的信噪比下降。
　　4)分析了該光譜探測(cè)系統(tǒng)的性能特征參數(shù)并利用Zemax軟件及Matlab軟件對(duì)各光學(xué)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。從硬件系統(tǒng)出發(fā),提出了該信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)及其相互之間的承接關(guān)系,并對(duì)該系統(tǒng)的電源電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時(shí)完成了系統(tǒng)用戶軟件和底層驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)。
　　5)完成了各光學(xué)單元的加工并進(jìn)行了測(cè)試,驗(yàn)證了光學(xué)設(shè)

7、計(jì)的合理性。對(duì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),通過(guò)光斑一致性和九點(diǎn)法光斑均勻性測(cè)試驗(yàn)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(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)光源的干涉調(diào)制。
　　6)完成了電路系統(tǒng)的性能測(cè)試。分別調(diào)試驗(yàn)證了MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)電路的性能和信號(hào)前處理電路的性能。結(jié)果表明:MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制MEMS微鏡實(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn);信號(hào)前處理電