金偉華，呂金光，梁中翥，秦余欣，王維彪，梁靜秋

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部，北京 100083；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，長春 130033）

微型傅里葉變換光譜儀的研究進展*

金偉華1，呂金光2，梁中翥2，秦余欣2，王維彪2，梁靜秋2

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部，北京 100083；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，長春 130033）

傅里葉變換光譜儀由于具有高通量、多通道、高精確度、結(jié)構(gòu)緊湊以及寬光譜范圍等優(yōu)點，可以對氣體、液體或固體樣品光譜進行十分有效的分析和測量。與體積、重量龐大的大型傅里葉變換光譜儀相比，微型化、輕量化且高精度的傅里葉變換光譜儀在應(yīng)用上更為便利,是實現(xiàn)醫(yī)療檢測、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測以及空間探測等前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域現(xiàn)代化發(fā)展的重要儀器設(shè)備。介紹了時間調(diào)制和空間調(diào)制兩種類型的微型傅里葉變換光譜儀的結(jié)構(gòu)特點和關(guān)鍵技術(shù)，分析了設(shè)計與制作微型傅里葉變換光譜儀過程中存在的一些關(guān)鍵問題與難點,并總結(jié)了該領(lǐng)域的研究進展和發(fā)展趨勢。

光譜儀；傅里葉變換；微型化；輕量化；時間調(diào)制；空間調(diào)制；光譜分辨率

1 引言

光譜儀器是對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成成分進行高精度分析的光譜測量裝置，是現(xiàn)代化科技至關(guān)重要的精密檢測和分析手段；光譜儀是以光學(xué)原理為基礎(chǔ)，將被研究的光的光譜按照波長與對應(yīng)各波長的能量分布記錄下來，得到光譜圖。光譜儀由于具有測量范圍大、分析精度高、速度快等優(yōu)點，因此在石油、化工、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境及生態(tài)等部門得到了廣泛應(yīng)用，同時也成為軍事分析、航空航天、資源和水文監(jiān)測等領(lǐng)域不可或缺的遙感設(shè)備。

根據(jù)光譜儀分解光譜的工作原理，可分為色散光譜儀和調(diào)制光譜儀兩類，前者是基于空間色散原理的儀器，包括棱鏡光譜儀和衍射光柵光譜儀等，后者是基于調(diào)制原理的儀器，主要有傅里葉變換光譜儀和哈達瑪變換光譜儀等。其中傅里葉變換光譜儀具有多通道、輻射通量大、波數(shù)精度高、雜散光低等優(yōu)點，并能以很高的分辨率研究發(fā)光很弱的輻射體，使得其在監(jiān)視全球污染與災(zāi)害、探測中層大氣微量成分以及未知物的探測與識別等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前普遍使用的傅里葉變換光譜儀體積、重量過大，運行維護費用非常昂貴，而且對工作環(huán)境要求苛刻，較難進行實時在線的測試和監(jiān)控，仍主要局限在實驗室內(nèi)進行分析。因此，微型化、輕量化和高精度的可便攜傅里葉變換光譜儀的發(fā)展與研究成為迫切需求。隨著微光機電系統(tǒng)（MOEMS）及二元光學(xué)等微細加工技術(shù)的飛速發(fā)展，為光譜儀朝著微型化、輕量化和多功能化的方向發(fā)展提供了技術(shù)支持。國內(nèi)外所研究的微型傅里葉變換光譜儀大多采用時間調(diào)制方式，系統(tǒng)需要一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)，因含有運動部件，使得系統(tǒng)加工和裝調(diào)都比較困難，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不強，實時性也較差。而空間調(diào)制的微型傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)中無可動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，因而得到研究者們的極大關(guān)注。為滿足不同實際測量的要求，科學(xué)家們已經(jīng)研究了多種結(jié)構(gòu)和原理的微型傅里葉變換光譜儀，并已取得了很大的進展。

2 微型傅里葉變換光譜儀

由于基于干涉調(diào)制原理的傅里葉變換光譜儀具有雜散光低、波數(shù)準確、輻射通量大、多通道、精度高等優(yōu)點，使得光譜儀在實現(xiàn)微小型化的同時，也能同時滿足高光通量和高分辨率等性能的要求。微型傅里葉變換光譜儀可分為兩類，一類是時間調(diào)制微型的傅里葉變換光譜儀，由驅(qū)動器控制反射鏡的空間運動以獲得不同時間上的干涉調(diào)制圖；另一類是空間調(diào)制型的傅里葉變換光譜儀，通過空間位置的改變得到光程差序列，實現(xiàn)干涉信號的空間調(diào)制。

2.1 時間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀

2002年，瑞士Neuchatel大學(xué)用硅微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)實現(xiàn)了邁克爾遜干涉光譜儀的微型化[1]，動鏡采用靜電梳驅(qū)動方式驅(qū)動，其行程是35mm，如圖1所示，動鏡尺寸為75mm×500mm，蒸鋁反射鏡的表面粗糙度RMS值為36nm；在633nm波長的光譜分辨率是2.5nm。2005年該校又研制了具有薄片光柵干涉結(jié)構(gòu)的光譜儀[2-3]，如圖2所示，利用薄片光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)分波前，由驅(qū)動系統(tǒng)來控制二維分層周期結(jié)構(gòu)間的微小位移，以得到不同位相差下的干涉信息。其探測范圍為可見—近紅外波段350-2600nm，分辨率為20cm-1，缺點是光譜易失真，微反射鏡的高度是此結(jié)構(gòu)的瓶頸。

圖1 靜電梳結(jié)構(gòu)驅(qū)動結(jié)構(gòu)

圖2 薄片光柵干涉結(jié)構(gòu)

2003年，比利時微電子研究中心、美國Stanford大學(xué)和德國光電研究所對基于薄膜型探測器的駐波采樣微型傅里葉變換光譜儀進行了理論研究[4-6]。提出了將厚度小于光波波長的半透明探測器、一個可調(diào)的微機械動鏡與待測光源三者共線排列的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。經(jīng)過探測器投射到微型動鏡上的反射光與入射光交疊形成駐波，隨著動鏡的移動，探測器上的駐波振幅也隨之發(fā)生變化，然后對時域內(nèi)的電信號進行采樣，再經(jīng)傅里葉變換便可得到光譜信息。

圖3 駐波采樣的傅里葉變換光譜儀示意圖

2010年，德國首次提出了駐波光譜儀的完整光學(xué)模型[7]，如圖4所示，其包括一個超薄的半透明光電探測器和一個可調(diào)諧反射鏡，并與實驗結(jié)果進行了比較，同時討論了光學(xué)探測器的設(shè)計對駐波光譜儀的影響。這種新型傅里葉變換光譜儀的基本原理是基于超薄半透明光電探測器和可調(diào)諧反射鏡間的駐波采樣。駐波光譜儀的分辨率是由可調(diào)諧反射鏡的掃描長度決定的，類似于經(jīng)典的基于邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀。駐波光譜儀的工作波段受部分透明光電探測器和可調(diào)諧反射鏡之間法布里-珀羅腔震蕩的影響，與法布里-珀羅干涉儀類似。整個光學(xué)探測器的厚度小于600nm，工作范圍在350nm-700nm，基本覆蓋了可見光光譜，適合應(yīng)用于光譜成像領(lǐng)域。

圖4 駐波采樣的傅里葉變換光譜儀實際結(jié)構(gòu)圖

2005年，德國微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所用LIGA技術(shù)制作了基于時間調(diào)制的微型傅里葉變換光譜儀[8]，電磁系統(tǒng)驅(qū)動的動鏡行程為150mm，光學(xué)元件及驅(qū)動系統(tǒng)是采用MEMS技術(shù)集成在光具座上的，如圖5所示，光具座、反射鏡和驅(qū)動器都由380mm厚的電鍍FeNi合金制成，干涉系統(tǒng)的尺寸為11.5mm×9.4 mm，探測波長范圍為850-1700 nm，分辨率為25nm@1540nm。

圖5 基于電磁驅(qū)動的微型傅里葉變換光譜儀

2006年，美國德克薩斯州立大學(xué)自動化研究所利用硅微機械加工和組裝工藝實現(xiàn)了單片集成Michelson掃描干涉微光學(xué)系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)通過深層反應(yīng)離子刻蝕工藝在一片硅襯底上，將線性動鏡平移臺、參考鏡、分束器、組裝槽集成在一起，如圖6所示，系統(tǒng)的尺寸是5×4.5mm2，動鏡采用熱電驅(qū)動方式，使其線性平移，當電壓為22V時，動鏡的最大位移為30μm，在波長為775nm處獲得的分辨率為10nm。

圖6 單片集成邁克爾遜掃描干涉微光學(xué)系統(tǒng)

同年，美國斯坦福大學(xué)和韓國首爾大學(xué)合作，用LIGA技術(shù)制作了靜電驅(qū)動的時間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀[10]，如圖7所示，行程為25mm，頻率為320Hz。光具座、分束器、反射鏡和驅(qū)動器都由硅制成，反射鏡上蒸金150nm；采用反應(yīng)離子刻蝕和KOH各向異性濕法腐蝕制備動鏡干涉系統(tǒng)，干涉系統(tǒng)尺寸為4mm×8mm×0.6mm；分辨率為50nm，可探測波長范圍比較窄，為近紅外1500-1590nm，可用作實時監(jiān)測和生化分析。

2008年美國的莫爾伯勒實驗室也采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)了時間調(diào)制（動鏡干涉系統(tǒng)）的紅外傅里葉變換光譜儀[11]，圖8是該光譜儀干涉系統(tǒng)及其動鏡驅(qū)動系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡圖像，他們采用表面微加工技術(shù)制作了系統(tǒng)基座，并利用兩個次鏡調(diào)節(jié)反射鏡的位移和角度，該系統(tǒng)可實現(xiàn)紅外探測范圍為2-14μm，但它存在著時間調(diào)制方式下的普遍問題，即：需要一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)，使得加工和裝調(diào)比較困難。

2009年，美國佛羅里達大學(xué)電子與計算機工程系采用靜電驅(qū)動微動鏡的方式實現(xiàn)時間調(diào)制的小型光譜儀結(jié)構(gòu)[12]，如圖9所示。微反射鏡掃描電鏡圖像如圖10所示，其掃描范圍達261μm，分辨率達到了19.2cm-1，但是，這個裝置需要在真空的環(huán)境下運行，這必然會使得系統(tǒng)的成本低以及緊湊性的優(yōu)點不再明顯。

圖7 微型傅里葉變換光譜儀的掃描電鏡圖像和組裝后的顯微鏡圖像及部件的掃描電鏡圖像

圖8 邁克爾遜干涉儀的掃描電子顯微鏡圖像及驅(qū)動和齒輪的掃描電子顯微鏡圖像

圖9 光譜儀實驗裝置圖（LS：光源，BS：分束器，PD：光電探測器，MM：MEMS反射鏡）

圖10 MEMS微反射鏡(a)微反射鏡掃描電鏡測試圖(b)MEMS反射鏡裝配圖

2.2 空間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀

在基于空間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀研究中，瑞士Neuchatel Institute of Microtechnology等單位起步較早[13-14]，他們于2002年利用分束器與反射鏡的組合加工工藝，將整個干涉儀的尺寸減小為3×3.3×25mm3，如圖11所示。能夠探測的波長范圍為366nm-1100nm，分辨率高于10nm。存在的突出問題是探測器像元與光束干涉斑之間不能很好地匹配，從而入射光能量在儀器采樣過程中損失較大，減少了光通量，這樣雜散光影響變大，降低了信噪比、光源的微弱輻射光利用率以及光譜分析儀器的精度。

2006年瑞典Mid-Sweden University在理論上研究了利用楔狀法布里-珀羅標準具陣列來實現(xiàn)多通道的微型傅里葉變換光譜儀[15]，每個法布里-珀羅標準具的共振腔長度不同以覆蓋不同的光譜波段，而且每個法布里-珀羅標準具都與一個光電二極管相對應(yīng)并作為檢測器，如圖12所示。這種光譜儀對波長的選擇能力強于它的探測靈敏度，因此它在告警器等軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊。

圖11 微型光譜儀的總體結(jié)構(gòu)圖，包括光纖、柱面鏡以及準直鏡

圖12 微型多通道傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)圖

2009年，法國的Bruno Martin等人報導(dǎo)了一種基于漏環(huán)結(jié)構(gòu)的緊湊型靜態(tài)調(diào)制傅里葉變換光譜儀[16-17]，如圖13所示。它將一個平面漏環(huán)與光波導(dǎo)結(jié)合，當光波漏出漏環(huán)后干涉形成干涉條紋，并通過光波導(dǎo)傳播到探測器上。光譜分辨率為6.1nm@1500nm。

圖13 基于漏環(huán)結(jié)構(gòu)的緊湊型靜態(tài)調(diào)制傅里葉變換光譜儀

2011年，愛爾蘭的Waterford Institute of Technology報導(dǎo)了一種光纖靜態(tài)傅里葉變換光譜儀[18]，llon提出了駐波集成傅里葉變換光譜儀[19]，如圖15所示。這類光譜由兩種工作方式：一種為單反式，即進入波導(dǎo)的光經(jīng)反射鏡反射后與入射光干涉，形成駐波；另一種為相遇式，即從波導(dǎo)的兩邊分別入射光波，干涉形成駐波。將微型探測器集成到波導(dǎo)上，每個像元就可以采集到一定的干涉信號。這類光譜可以用于可見-近紅外波段，探測器像元尺寸限制了系統(tǒng)的光譜分辨率為4cm-1。

2010 年，法國 Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales（ONERA）的 Frédéric Gillard等人提出了微型靜態(tài)傅里葉變換光譜儀，這種結(jié)構(gòu)的光譜儀是將一個紅外面陣列探測器與楔形棱如圖14所示。該光譜儀是利用光纖分割器將光分為兩束，出射的光波發(fā)散后，兩束光相干。它的光譜分辨率為0.6nm@700nm。

圖14 光纖靜態(tài)傅里葉變換光譜儀

圖15 駐波集成傅里葉變換光譜儀

圖16 微型靜態(tài)傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)圖

2012年，美國華盛頓大學(xué)的Chu-Yu Huang和Wei-Chih Wang提出了一種基于雙折射直角棱鏡的微型偏振傅里葉變換光譜儀[22]，如圖17所示。準直光束經(jīng)過偏振片之后變成與垂直方向成45°的偏振光，然后經(jīng)過雙折射直角棱鏡，雙折射直角棱鏡由單軸雙折射材料制作，從而使光束產(chǎn)生兩束互相垂直的偏振光，再經(jīng)過一個與垂直方向成45°的檢偏器，則被雙折射棱鏡分開的兩束偏振光發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉圖被記錄在一個CCD陣列上。該光譜儀的應(yīng)用波段為 0.4-0.8μm，光譜分辨率為5.5nm@800nm。由于材料方面的原因，該光譜儀在紅外波段應(yīng)用比較困難。

2013年，西班牙馬德里大學(xué)Aitor V.Velasco與加拿大Pavel Cheben等人提出了一種高分辨率微型空間外差傅里葉變換光譜儀[23]，如圖18所示。其利用螺旋形硅線波導(dǎo)形成32個Mach-Zehnder干涉儀陣列來組成系統(tǒng)的干涉機構(gòu)，并且利用一個轉(zhuǎn)換矩陣光譜補償算法來減少由于儀器制作所帶來的相位和振幅誤差。在0.75nm的光譜范圍之內(nèi)，該光譜儀的光譜分辨率可以達到40pm。

圖17 基于雙折射棱鏡的偏振傅里葉變換光譜儀

圖18 基于螺旋形硅線波導(dǎo)的空間外差傅里葉變換光譜儀

2016年，新加坡南洋理工大學(xué)Shaonan Zheng等人提出了一種片上傅里葉變換光譜儀陣列結(jié)構(gòu)[24]，如圖19所示。其采用在金屬襯底上制作Mach-Zehnder干涉儀陣列，通過熱光效應(yīng)實現(xiàn)Mach-Zehnder干涉儀陣列光程差的調(diào)制，可以實現(xiàn)高的分辨率和寬帶的光譜測量。該光譜儀可實現(xiàn)的光譜帶寬在150nm以上，可實現(xiàn)的光譜分辨率至少為40cm-1。

3 結(jié)束語

綜上，時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀無論采用任何驅(qū)動方式，因含有運動部件，需要一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)，使得系統(tǒng)加工和裝調(diào)都比較困難，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不強，另外系統(tǒng)的實時性也較差。而空間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀因不含有運動部件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到提高；同時，由于同時獲取所有光程差的干涉圖數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)的實時性好，無需掃描即可實時獲取樣品的光譜信息。目前空間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀存在的主要問題是光譜分辨率在一定程度上受到探測器的限制，因此高分辨率大面陣探測器將解決高光譜分辨率空間調(diào)制微型傅里葉變換光譜儀的技術(shù)瓶頸。隨著目前一些高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，如空間探測、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，微型化、輕量化、穩(wěn)定性強和實時性好的傅里葉變換光譜儀將得到迅猛的發(fā)展，并具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

圖19 片上傅里葉變換光譜儀陣列

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Development of Micro Fourier Transform Spectrometer

Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Wang Weibiao2,Liang Jingqiu2

（1.Optoelectronics Technology Invention Examination Department,PECC,SIPO,Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of Applied Optics,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）

Fourier transform spectrometer(FTS)is an interferential spectrometer with the characters of high accuracy，multi-channel，high flux，wide spectral range and structure compaction，which is an effective tool to measure and analyze the solid，liquid or gas sample spectrum.Recently，with the rapid growth of the demands in many areas such as chemical analysis，medicine testing,environmental monitoring and space detection，miniaturized，light-weight and high-precision FTS are strongly needed in comparison with that of the large volume and heavy weight，and it becomes an important instrument in frontier scientific research.An overview of the development of two kinds of micro FTS is presented.The key problems in designing and fabricating the FTS are discussed，and the progresses made worldwide in this field are also presented.

Spectrometer；Fouriertransform；Miniaturized；Light-weight；Temporalmodulation；Spatial modulation；Spectral resolution

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.012

TP731；O433.1

A

1002-2279-（2017）03-0052-08

國家自然科學(xué)基金(61627819，61575193，61376122)；吉林省科技發(fā)展計劃(20150520101JH，20150101049JC，20150204072GX)；應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室基金項目

金偉華(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光電材料。

2017-01-16