滨松开发基于MOEMS的工业级紧凑型FT-NIR光谱仪
2026-07-14 21:33:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

无损检测（NDT）是一种在保持材料完整性的同时评估其内部结构和缺陷的技术。在各类无损检测方法中，利用X射线和近红外（NIR）的光学技术凭借非接触式和高速检测的能力，已在众多工业领域得到广泛应用。

近红外相机利用物质的特定光吸收特性，将透射带检测为“亮区”、吸收带检测为“暗区”。这一功能被应用于“材料检测”，包括包装内物品缺失的验证和异物分拣。此外，近红外光谱技术通过分析各波长下的吸收特性，可获取目标成分的含量、纯度和浓度等化学信息，进而实现“成分分析”。为实现此类光谱分析的在线测量，设备的小型化至关重要。近年来，微光机电系统（MOEMS）作为制备衍射光栅和光学干涉仪的核心技术得到应用，推动了光谱仪设备小型化与精度方面的显著进步。

据麦姆斯咨询介绍，日本滨松光子（Hamamatsu Photonics）研究团队近期在2026年电子封装与混合键合国际研讨会（ICEP-HBS 2026）上发表了题为“Compact FT-NIR spectrometer made through MOEMS technology for industrial applications”的研究成果，开发了一款紧凑型傅里叶变换近红外（FT-NIR）光谱仪。该光谱仪采用MOEMS技术实现小型化与高速运行，提供了一种无损、非接触式监测的解决方案。

该FT-NIR光谱仪波长覆盖范围达1100～2500 nm，典型分辨率为5.7 nm，同时保持68 mm × 124 mm × 66 mm的紧凑尺寸，以及275 fps的高速测量速率。这些特性使光谱仪能够无缝集成到现有生产线中，为下一代自动化质量控制提供了高效工具。这项技术将助力企业在劳动力挑战面前保障制造质量的稳定。

用于光学系统的FT-NIR光谱仪

为提高光通量，研究人员在硅（Si）晶圆表面制备了直径3 mm的大孔径MEMS微镜，同时在色散补偿玻璃的背面制作了固定反射镜。通常，光学干涉仪的构建需要高精度装配。为解决这一问题，该研究采用了可实现同轴导光的梯形分束器（图1b）。随后，通过半导体工艺将硅晶圆（MEMS微镜）和玻璃晶圆（固定反射镜）采用低温直接键合技术进行集成（图1d）。该方法消除了由胶粘剂等中间介质引发的组件倾斜和位置偏差，从而实现了装配精度极高的光学系统（图1c）。

图1 基于MOEMS技术的FT-NIR光谱仪

用于工业系统的MOEMS与FPGA集成

在工业应用中，高速数据采集是保障实时性能的关键。该研究采用的MEMS微镜具有275 Hz的典型谐振频率，可实现与振镜振荡周期同步的高速FT-NIR光谱分析。然而，将采集到的干涉图转换为光谱所需的傅里叶变换过程可能会成为计算瓶颈。为解决这一问题，研究团队设计了一套专用的并行处理架构，并对其基于现场可编程门阵列（FPGA）的计算算法进行了优化。由此，显著加速了信号处理，实现了275 Hz（典型值）的测量吞吐量，匹配MEMS微镜的扫描速度。

系统实验评估

为了验证系统性能，研究团队首先利用茶碱样品开展浓度定量分析实验。通过建立偏最小二乘法（PLS）校准模型，系统获得了R²=0.998的预测结果，说明该MOEMS光谱仪能够实现与传统实验室设备接近的定量分析精度，充分验证了其在化学成分检测方面的可行性。

图2 茶碱浓度定量分析实验

图3 模拟生产线的高速识别测试

随后，研究人员进一步模拟工业在线检测场景，在约26 m/min的传送速度下，对外观高度相似的普通糖和人工甜味剂进行实时识别。实验结果表明，该系统能够在高速传送过程中稳定获取近红外光谱，并准确区分不同样品，证明其已经具备工业生产线在线检测能力。这一验证进一步体现了基于MOEMS的FT-NIR光谱仪在工业过程分析中的应用潜力。

结论

综上，这款紧凑型高速FT-NIR光谱仪完全胜任工业领域质量监测的自动化应用。基于MOEMS技术构建的系统，能够同时实现高精度、小型化和快速测量的功能。预计以该MOEMS技术为核心的测量系统将在下一代工业应用中推动传感技术的发展。

论文链接：https://doi.org/10.23919/ICEP-HBS69241.2026.11550729

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