空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

目前，环境、安全、气象、空间探测、无人机载气体分布探测、军事分析、刑事技术以及反恐防化等诸多领域对微型红外傅里叶变换光谱仪（μFTIR）提出了十分迫切的需求。为解决现有大型仪器体积大、且因采用时间调制方式需要参考光源、对驱动机构精度要求高、因使用环境要求高而不利于恶劣环境或在线检测等问题，本项目提出一种基于MOEMS的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。该系统引入MOEMS多级微反射镜实现了程差可控，采用静态结构以提高微系统的稳定性。拟通过理论研究、系统设计、光学器件制作及红外微系统的装调方法的研究，解决光均匀化、复消色差、象差校正及降噪等问题，研制波长覆盖范围3～5μm和8～12μm的空间调制μFTIR，提供原理样机并对典型应用对象- - 环境中存在的有毒害气体或固体进行示范应用或演示验证。本研究在国际上未见报导，具有自主知识产权（已申报专利）。

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求，本项目提出并研究了一种基于MOEMS多级微反射镜的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。. 在理论研究方面，建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型，探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理；分析了多级微反射镜的衍射效应，提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法；进行了多级微反射镜采样误差的分析，并提出了基于最小二乘拟合的修算法；通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析，确定了光学系统的总体设计指标；通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析，确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面，提出了两个多级微反射镜的三种制作方法，分析了各种制作方法的误差来源及对干涉图像与复原光谱的影响，分别给出了两个多级微反射镜的制作误差容限。通过工艺设计及实验条件摸索，分别采用硅的各向异性腐蚀法、定向生长多层膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面，进行了红外准直与缩束系统的光学设计，对红外光源及面阵探测器进行了定制，并完成了图像采集系统的软硬件设计；对整体光机系统进行了误差分析分配与建模仿真，并由此提出了杂散光噪声的抑制手段。在图谱处理方面，利用过零采样方式，通过图像分割算法，获取了干涉图采样序列；通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法，完成了光谱相位误差的校正；通过离散傅里叶变换解调，实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术，并对原理样机进行了参数测试。测试结果表明，该空间调制傅里叶变换红外光谱仪满足系统设计指标要求。本项目已完成了项目计划书的研究内容，授权国家发明专利5项，受理2项；发表学术论文20篇，其中SCI检索13篇；培养博士、硕士研究生11名。 . 本项目研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于：①取消了动镜驱动机构与采样控制机构，具有微小型与轻量化的特点；②干涉图的采样由多级微反射镜完成，其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性，实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性；③多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作，增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权，并具有广阔的应用前景。