金伟华，吕金光，梁中翥，秦余欣，王维彪，梁静秋

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京 100083；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春 130033）

微型傅里叶变换光谱仪的研究进展*

金伟华1，吕金光2，梁中翥2，秦余欣2，王维彪2，梁静秋2

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京 100083；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春 130033）

傅里叶变换光谱仪由于具有高通量、多通道、高精确度、结构紧凑以及宽光谱范围等优点，可以对气体、液体或固体样品光谱进行十分有效的分析和测量。与体积、重量庞大的大型傅里叶变换光谱仪相比，微型化、轻量化且高精度的傅里叶变换光谱仪在应用上更为便利,是实现医疗检测、化学分析、环境监测以及空间探测等前沿基础研究领域现代化发展的重要仪器设备。介绍了时间调制和空间调制两种类型的微型傅里叶变换光谱仪的结构特点和关键技术，分析了设计与制作微型傅里叶变换光谱仪过程中存在的一些关键问题与难点,并总结了该领域的研究进展和发展趋势。

光谱仪；傅里叶变换；微型化；轻量化；时间调制；空间调制；光谱分辨率

1 引言

光谱仪器是对物质的结构及组成成分进行高精度分析的光谱测量装置，是现代化科技至关重要的精密检测和分析手段；光谱仪是以光学原理为基础，将被研究的光的光谱按照波长与对应各波长的能量分布记录下来，得到光谱图。光谱仪由于具有测量范围大、分析精度高、速度快等优点，因此在石油、化工、医疗卫生、环境及生态等部门得到了广泛应用，同时也成为军事分析、航空航天、资源和水文监测等领域不可或缺的遥感设备。

根据光谱仪分解光谱的工作原理，可分为色散光谱仪和调制光谱仪两类，前者是基于空间色散原理的仪器，包括棱镜光谱仪和衍射光栅光谱仪等，后者是基于调制原理的仪器，主要有傅里叶变换光谱仪和哈达玛变换光谱仪等。其中傅里叶变换光谱仪具有多通道、辐射通量大、波数精度高、杂散光低等优点，并能以很高的分辨率研究发光很弱的辐射体，使得其在监视全球污染与灾害、探测中层大气微量成分以及未知物的探测与识别等方面有着广阔的应用前景。

目前普遍使用的傅里叶变换光谱仪体积、重量过大，运行维护费用非常昂贵，而且对工作环境要求苛刻，较难进行实时在线的测试和监控，仍主要局限在实验室内进行分析。因此，微型化、轻量化和高精度的可便携傅里叶变换光谱仪的发展与研究成为迫切需求。随着微光机电系统（MOEMS）及二元光学等微细加工技术的飞速发展，为光谱仪朝着微型化、轻量化和多功能化的方向发展提供了技术支持。国内外所研究的微型傅里叶变换光谱仪大多采用时间调制方式，系统需要一套高精度的动镜驱动系统，因含有运动部件，使得系统加工和装调都比较困难，并且系统的稳定性和可靠性不强，实时性也较差。而空间调制的微型傅里叶变换光谱仪结构中无可动部件，系统稳定性好，结构紧凑，因而得到研究者们的极大关注。为满足不同实际测量的要求，科学家们已经研究了多种结构和原理的微型傅里叶变换光谱仪，并已取得了很大的进展。

2 微型傅里叶变换光谱仪

由于基于干涉调制原理的傅里叶变换光谱仪具有杂散光低、波数准确、辐射通量大、多通道、精度高等优点，使得光谱仪在实现微小型化的同时，也能同时满足高光通量和高分辨率等性能的要求。微型傅里叶变换光谱仪可分为两类，一类是时间调制微型的傅里叶变换光谱仪，由驱动器控制反射镜的空间运动以获得不同时间上的干涉调制图；另一类是空间调制型的傅里叶变换光谱仪，通过空间位置的改变得到光程差序列，实现干涉信号的空间调制。

2.1 时间调制微型傅里叶变换光谱仪

2002年，瑞士Neuchatel大学用硅微电子机械系统（MEMS）技术实现了迈克尔逊干涉光谱仪的微型化[1]，动镜采用静电梳驱动方式驱动，其行程是35mm，如图1所示，动镜尺寸为75mm×500mm，蒸铝反射镜的表面粗糙度RMS值为36nm；在633nm波长的光谱分辨率是2.5nm。2005年该校又研制了具有薄片光栅干涉结构的光谱仪[2-3]，如图2所示，利用薄片光栅结构实现分波前，由驱动系统来控制二维分层周期结构间的微小位移，以得到不同位相差下的干涉信息。其探测范围为可见—近红外波段350-2600nm，分辨率为20cm-1，缺点是光谱易失真，微反射镜的高度是此结构的瓶颈。

图1 静电梳结构驱动结构

图2 薄片光栅干涉结构

2003年，比利时微电子研究中心、美国Stanford大学和德国光电研究所对基于薄膜型探测器的驻波采样微型傅里叶变换光谱仪进行了理论研究[4-6]。提出了将厚度小于光波波长的半透明探测器、一个可调的微机械动镜与待测光源三者共线排列的结构，如图3所示。经过探测器投射到微型动镜上的反射光与入射光交叠形成驻波，随着动镜的移动，探测器上的驻波振幅也随之发生变化，然后对时域内的电信号进行采样，再经傅里叶变换便可得到光谱信息。

图3 驻波采样的傅里叶变换光谱仪示意图

2010年，德国首次提出了驻波光谱仪的完整光学模型[7]，如图4所示，其包括一个超薄的半透明光电探测器和一个可调谐反射镜，并与实验结果进行了比较，同时讨论了光学探测器的设计对驻波光谱仪的影响。这种新型傅里叶变换光谱仪的基本原理是基于超薄半透明光电探测器和可调谐反射镜间的驻波采样。驻波光谱仪的分辨率是由可调谐反射镜的扫描长度决定的，类似于经典的基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪。驻波光谱仪的工作波段受部分透明光电探测器和可调谐反射镜之间法布里-珀罗腔震荡的影响，与法布里-珀罗干涉仪类似。整个光学探测器的厚度小于600nm，工作范围在350nm-700nm，基本覆盖了可见光光谱，适合应用于光谱成像领域。

图4 驻波采样的傅里叶变换光谱仪实际结构图

2005年，德国微结构技术研究所用LIGA技术制作了基于时间调制的微型傅里叶变换光谱仪[8]，电磁系统驱动的动镜行程为150mm，光学元件及驱动系统是采用MEMS技术集成在光具座上的，如图5所示，光具座、反射镜和驱动器都由380mm厚的电镀FeNi合金制成，干涉系统的尺寸为11.5mm×9.4 mm，探测波长范围为850-1700 nm，分辨率为25nm@1540nm。

图5 基于电磁驱动的微型傅里叶变换光谱仪

2006年，美国德克萨斯州立大学自动化研究所利用硅微机械加工和组装工艺实现了单片集成Michelson扫描干涉微光学系统[9]，该系统通过深层反应离子刻蚀工艺在一片硅衬底上，将线性动镜平移台、参考镜、分束器、组装槽集成在一起，如图6所示，系统的尺寸是5×4.5mm2，动镜采用热电驱动方式，使其线性平移，当电压为22V时，动镜的最大位移为30μm，在波长为775nm处获得的分辨率为10nm。

图6 单片集成迈克尔逊扫描干涉微光学系统

同年，美国斯坦福大学和韩国首尔大学合作，用LIGA技术制作了静电驱动的时间调制微型傅里叶变换光谱仪[10]，如图7所示，行程为25mm，频率为320Hz。光具座、分束器、反射镜和驱动器都由硅制成，反射镜上蒸金150nm；采用反应离子刻蚀和KOH各向异性湿法腐蚀制备动镜干涉系统，干涉系统尺寸为4mm×8mm×0.6mm；分辨率为50nm，可探测波长范围比较窄，为近红外1500-1590nm，可用作实时监测和生化分析。

2008年美国的莫尔伯勒实验室也采用MEMS技术实现了时间调制（动镜干涉系统）的红外傅里叶变换光谱仪[11]，图8是该光谱仪干涉系统及其动镜驱动系统的扫描电子显微镜图像，他们采用表面微加工技术制作了系统基座，并利用两个次镜调节反射镜的位移和角度，该系统可实现红外探测范围为2-14μm，但它存在着时间调制方式下的普遍问题，即：需要一套高精度的动镜驱动系统，使得加工和装调比较困难。

2009年，美国佛罗里达大学电子与计算机工程系采用静电驱动微动镜的方式实现时间调制的小型光谱仪结构[12]，如图9所示。微反射镜扫描电镜图像如图10所示，其扫描范围达261μm，分辨率达到了19.2cm-1，但是，这个装置需要在真空的环境下运行，这必然会使得系统的成本低以及紧凑性的优点不再明显。

图7 微型傅里叶变换光谱仪的扫描电镜图像和组装后的显微镜图像及部件的扫描电镜图像

图8 迈克尔逊干涉仪的扫描电子显微镜图像及驱动和齿轮的扫描电子显微镜图像

图9 光谱仪实验装置图（LS：光源，BS：分束器，PD：光电探测器，MM：MEMS反射镜）

图10 MEMS微反射镜(a)微反射镜扫描电镜测试图(b)MEMS反射镜装配图

2.2 空间调制微型傅里叶变换光谱仪

在基于空间调制微型傅里叶变换光谱仪研究中，瑞士Neuchatel Institute of Microtechnology等单位起步较早[13-14]，他们于2002年利用分束器与反射镜的组合加工工艺，将整个干涉仪的尺寸减小为3×3.3×25mm3，如图11所示。能够探测的波长范围为366nm-1100nm，分辨率高于10nm。存在的突出问题是探测器像元与光束干涉斑之间不能很好地匹配，从而入射光能量在仪器采样过程中损失较大，减少了光通量，这样杂散光影响变大，降低了信噪比、光源的微弱辐射光利用率以及光谱分析仪器的精度。

2006年瑞典Mid-Sweden University在理论上研究了利用楔状法布里-珀罗标准具阵列来实现多通道的微型傅里叶变换光谱仪[15]，每个法布里-珀罗标准具的共振腔长度不同以覆盖不同的光谱波段，而且每个法布里-珀罗标准具都与一个光电二极管相对应并作为检测器，如图12所示。这种光谱仪对波长的选择能力强于它的探测灵敏度，因此它在告警器等军事领域中的应用前景十分广阔。

图11 微型光谱仪的总体结构图，包括光纤、柱面镜以及准直镜

图12 微型多通道傅里叶变换光谱仪结构图

2009年，法国的Bruno Martin等人报导了一种基于漏环结构的紧凑型静态调制傅里叶变换光谱仪[16-17]，如图13所示。它将一个平面漏环与光波导结合，当光波漏出漏环后干涉形成干涉条纹，并通过光波导传播到探测器上。光谱分辨率为6.1nm@1500nm。

图13 基于漏环结构的紧凑型静态调制傅里叶变换光谱仪

2011年，爱尔兰的Waterford Institute of Technology报导了一种光纤静态傅里叶变换光谱仪[18]，llon提出了驻波集成傅里叶变换光谱仪[19]，如图15所示。这类光谱由两种工作方式：一种为单反式，即进入波导的光经反射镜反射后与入射光干涉，形成驻波；另一种为相遇式，即从波导的两边分别入射光波，干涉形成驻波。将微型探测器集成到波导上，每个像元就可以采集到一定的干涉信号。这类光谱可以用于可见-近红外波段，探测器像元尺寸限制了系统的光谱分辨率为4cm-1。

2010 年，法国 Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales（ONERA）的 Frédéric Gillard等人提出了微型静态傅里叶变换光谱仪，这种结构的光谱仪是将一个红外面阵列探测器与楔形棱如图14所示。该光谱仪是利用光纤分割器将光分为两束，出射的光波发散后，两束光相干。它的光谱分辨率为0.6nm@700nm。

图14 光纤静态傅里叶变换光谱仪

图15 驻波集成傅里叶变换光谱仪

图16 微型静态傅里叶变换光谱仪结构图

2012年，美国华盛顿大学的Chu-Yu Huang和Wei-Chih Wang提出了一种基于双折射直角棱镜的微型偏振傅里叶变换光谱仪[22]，如图17所示。准直光束经过偏振片之后变成与垂直方向成45°的偏振光，然后经过双折射直角棱镜，双折射直角棱镜由单轴双折射材料制作，从而使光束产生两束互相垂直的偏振光，再经过一个与垂直方向成45°的检偏器，则被双折射棱镜分开的两束偏振光发生干涉，产生的干涉图被记录在一个CCD阵列上。该光谱仪的应用波段为 0.4-0.8μm，光谱分辨率为5.5nm@800nm。由于材料方面的原因，该光谱仪在红外波段应用比较困难。

2013年，西班牙马德里大学Aitor V.Velasco与加拿大Pavel Cheben等人提出了一种高分辨率微型空间外差傅里叶变换光谱仪[23]，如图18所示。其利用螺旋形硅线波导形成32个Mach-Zehnder干涉仪阵列来组成系统的干涉机构，并且利用一个转换矩阵光谱补偿算法来减少由于仪器制作所带来的相位和振幅误差。在0.75nm的光谱范围之内，该光谱仪的光谱分辨率可以达到40pm。

图17 基于双折射棱镜的偏振傅里叶变换光谱仪

图18 基于螺旋形硅线波导的空间外差傅里叶变换光谱仪

2016年，新加坡南洋理工大学Shaonan Zheng等人提出了一种片上傅里叶变换光谱仪阵列结构[24]，如图19所示。其采用在金属衬底上制作Mach-Zehnder干涉仪阵列，通过热光效应实现Mach-Zehnder干涉仪阵列光程差的调制，可以实现高的分辨率和宽带的光谱测量。该光谱仪可实现的光谱带宽在150nm以上，可实现的光谱分辨率至少为40cm-1。

3 结束语

综上，时间调制型傅里叶变换光谱仪无论采用任何驱动方式，因含有运动部件，需要一套高精度的动镜驱动系统，使得系统加工和装调都比较困难，并且系统的稳定性和可靠性不强，另外系统的实时性也较差。而空间调制型傅里叶变换光谱仪因不含有运动部件，使得系统结构紧凑，因此系统的稳定性和可靠性得到提高；同时，由于同时获取所有光程差的干涉图数据，因此系统的实时性好，无需扫描即可实时获取样品的光谱信息。目前空间调制微型傅里叶变换光谱仪存在的主要问题是光谱分辨率在一定程度上受到探测器的限制，因此高分辨率大面阵探测器将解决高光谱分辨率空间调制微型傅里叶变换光谱仪的技术瓶颈。随着目前一些高新科学技术领域的出现和发展，如空间探测、资源勘探、环境监控、气象监测等领域的科学研究和工程应用，由于其特殊的应用环境和使用需求，微型化、轻量化、稳定性强和实时性好的傅里叶变换光谱仪将得到迅猛的发展，并具有十分广阔的应用前景。

图19 片上傅里叶变换光谱仪阵列

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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

国家自然科学基金(61627819，61575193，61376122)；吉林省科技发展计划(20150520101JH，20150101049JC，20150204072GX)；应用光学国家重点实验室基金项目

金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。

2017-01-16