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近红外显微光谱仪（NIM）是一种利用光学原理对物质的成分和含量进行定性和定量分析的微型无损检测仪器。 它具有体积小、功耗低、成本低、可现场分析、易于二次开发等优点，已广泛应用于农业生产、食品安全、生物医药、石油化工、航天航空等众多领域国防安全。 例如Zeltex的手持式近红外谷物分析仪，可以直接显示蛋白质等成分的含量。

传统的近红外光谱仪体积大、功耗高、价格高、二次开发困难，极大地限制了其应用范围。 直到20世纪90年代，随着微光机电系统(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems, MOEMS)技术的兴起，小型化的近红外光谱仪器逐渐出现并不断发展，开启了近红外光谱仪器的小型化进程。

不管是什么类型的光谱仪，都需要将多色光色散成单色光，所以分光是光谱仪最基本的功能。 根据不同的光谱技术，文章主要介绍了光栅扫描型、傅里叶变换型和阿达玛变换型三种微型近红外光谱仪，并对其进行了分析和总结。

图 1 典型的微型近红外光谱仪

光栅扫描微型近红外光谱仪

为了降低微型近红外光谱仪的成本，德国弗劳恩霍夫光学微系统研究所（IPMS）率先提出了以MOEMS扫描光栅为核心部件的光栅扫描微型近红外光谱仪，它集成了光谱学和扫描。 昂贵的阵列检测器可以用廉价的单管检测器代替，仪器的性能不再取决于阵列检测器，而主要取决于扫描光栅（如图2所示）。

图2 MOEMS扫描光栅微型近红外光谱仪工作原理

随着MEMS技术的发展，微型近红外光谱仪向超小型、宽光谱方向发展的趋势不断增强。

2016年，IPMS报道了一种光栅扫描微型近红外光谱仪，只有方糖大小，可以集成到手机中。 如下图所示，光谱范围为950-1900 nm，分辨率为10 nm。 具有入射狭缝和出射狭缝的 MOEMS 扫描光栅芯片。 扫描光栅尺寸为3mm×3mm，由静电梳齿驱动，集成压电角度传感器闭环控制，实现高精度扫描。 但由于反射镜的厚度只有几十微米微型光纤光谱仪，反射镜在扫描过程中容易发生动态变形，影响光谱仪的信噪比。 基于IPMS的核心技术，德国HiperScan公司在市场上推出了相应的商用光栅扫描微型近红外光谱仪。

图3 德国IPMS研究所研制的超小型近红外光谱仪

国内相关科研团队也开展了光栅扫描微型近红外光谱仪的研究。

西北工业大学乔大勇团队研制的MOEMS扫描光栅采用SOI制作，采用静电梳驱动，但也存在镜面动态变形的问题，静电驱动方式需要较高的驱动电压。

重庆大学温志宇团队提出的MOEMS扫描光栅，采用单晶硅片制作大面积闪耀光栅，具有较高的衍射效率和分辨率。 使用较厚的光栅表面可以有效解决动态变形问题，但同时也带来了鲁棒性较弱的问题。 扫描光栅采用电磁驱动和感应，便于集成，驱动电压要求低，但存在电磁干扰问题。

由于光栅扫描微型近红外光谱仪以MOEMS扫描光栅作为活动部件，其抗震性较差。 因此，研制高性能的MOEMS扫描光栅是光栅扫描仪器研制中需要突破的关键技术问题。 同时，需要考虑解决二次光谱重叠问题。

傅里叶变换近红外光谱仪

傅里叶变换微型近红外光谱仪是根据光干涉和傅里叶变换原理设计的，一般以迈克尔逊干涉仪为核心部件。 迈克尔逊干涉仪主要由定镜、分光镜和动镜组成，其中动镜尤为关键。 动镜主要作活塞运动，其活动行程（即扫描位移）的大小直接决定了仪器的性能。

图4 迈克尔逊干涉仪工作原理及MOEMS工艺制造的干涉仪

2015年，德国弗劳恩霍夫ISIT研究所提出了一种基于PZT薄膜的压电驱动MOEMS活塞镜。 共振频率为163 Hz时最大扫描位移可达±800 μm，但扫描位移较大时存在镜面倾斜问题。 . 反射镜倾斜会限制可用扫描范围并影响干涉信号，从而降低分辨率。

美国佛罗里达大学谢惠凯团队对电热驱动的MOEMS活塞镜进行了深入研究。 双闭环控制方式不仅有效降低了大位移扫描过程中的反射镜倾斜，而且实现了匀速线性扫描，降低了信号处理难度，大大提高了光谱分辨率和性能抗干扰能力大大提高。

另一类微型傅里叶变换近红外光谱仪以层状光栅干涉仪为核心部件，采用单管探测器检测零级光谱。 与迈克尔逊干涉仪相比，层状光栅干涉仪不需要分束器和固定反射镜等光学元件，结构更简单、更紧凑。

土耳其科克大学的 Urey 团队提出了一种基于垂直梳状驱动的分层光栅干涉仪。 同时微型光纤光谱仪，梳状电极充当驱动器和可移动光栅，产生 106 μm 的位移。

随后，该团队提出了一种基于FR4板的电磁驱动层状光栅干涉仪，具有更好的鲁棒性，以及一种基于MOEMS技术的静电驱动层状光栅干涉仪，具有更大的位移。 后者可动光栅的最大位移可扩展至±356 μm，并引入机械闩锁以提高抗震性。 新加坡国立大学周光亚团队也做了相应的研究。

微型傅里叶变换近红外光谱仪具有结构紧凑、光通量大、波长精度高、分辨率高等优点。 适用于要求高分辨率的场合，但仍存在抗震性差、仪器性能受限等先天缺陷，如活塞位移可采用动镜或动光栅实现。 目前，瑞士Arcoptix、日本Hamamatsu、埃及Si-Ware Systems和中国无锡微奥公司都推出了商用微型傅里叶变换近红外光谱仪。

阿达玛变换近红外光谱仪

阿达玛变换微型近红外光谱仪是将阿达玛变换引入色散光谱仪的数字转换仪器。 它通过光的复用提高信噪比，一般采用单管检测器，使成本较低，无成本。 运动部件使抗震性也优于傅立叶变换式光谱仪。

图5 微型阿达玛变换光谱仪和数字阵列微镜的工作原理

基于数字微镜阵列的微型阿达玛变换近红外光谱仪通过控制微镜单元的选通实现光信号的开关调制，既减少了光谱能量的损失，又抑制了杂散光的干扰。 这是近几年的研究。 热点。

为了进一步减少光能的损耗，重庆大学的张志海等人结合H矩阵和S矩阵的优点，提出了互补的S矩阵编码调制方案，将信噪比提高了在S矩阵的基础上大约是1.4倍。

2014年，长春光学精密机械与物理研究所刘华团队设计出光谱折叠微型阿达玛变换近红外光谱仪，利用两个子光栅有效拓宽光谱范围至800-2000 nm，光谱分辨率也得到了提高。 增强，但杂散光更多。 为了避免这一缺陷并降低光谱仪的复杂性，该团队提出了一种利用自由曲面透镜准直来展宽光谱的光谱折叠光谱仪。 光谱范围为800-2400nm，几乎可以覆盖整个近红外波段。 仿真结果表明，分辨率优于10 nm，提高了光能利用率，降低了消除二次光谱的难度。

微型阿达玛变换近红外光谱仪具有光通量大、信噪比高、成本低、抗震性好等优点。 适用于微弱光谱信号的检测。 编码技术和光谱展宽仍然是近年来的研究热点。 目前，Polychromix公司、Aspectrics公司和国内的北京华夏科创仪器公司均有相应的商用仪器上市。

由于近红外探测器占整个微型近红外光谱仪成本的很大一部分，因此采用单管探测器的微型近红外光谱仪成本相对较低。 在MOEMS技术的推动下，微型近红外光谱仪的体积也大大缩小。 因此，微型近红外光谱仪可以走出实验室，应用到越来越多的领域。 例如，近年来出现了SCIO、TellSpec等价廉物美的专用微型近红外光谱仪。

微型近红外光谱仪一直朝着广谱、高分辨率、高信噪比、高集成度、小体积、低成本、快速检测等方向发展。 国内外研究机构一直在开发新原理、新工艺和新材料等方面进行不懈探索和努力。 未来，微纳技术的发展势必为微型近红外光谱仪的发展提供强有力的技术支撑，而随着微型近红外光谱仪的二次开发和应用领域的拓宽，光谱与光谱之间的联系人类的生产和生活将变得越来越重要。 关闭。