微型近紅外光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計模板

1、微型近紅外光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計1 微型近紅外光譜儀系統(tǒng)相關(guān)理論1.1 近紅外光譜儀系統(tǒng)的工作原理近紅外光譜是由于分子振動能級的躍遷(同時伴隨轉(zhuǎn)動能級躍遷)而產(chǎn)生的。近紅外分析技術(shù)是依據(jù)被檢測樣品中某一化學(xué)成分對近紅外光譜區(qū)的吸收特性而進行定量檢測的一種方法，它記錄的是分子中單個化學(xué)鍵基頻振動的倍頻和合頻信息，它的光譜是在 700-2500 nm 范圍內(nèi)分子的吸收輻射。這與常規(guī)的中紅外光譜定義一樣，吸收輻射導(dǎo)致原子之間的共價鍵發(fā)生膨脹、伸展和振動，中紅外吸收光譜中包括有 C-H 鍵、C-C 鍵以及分子官能團的吸收帶。然而在 NIR 測量中顯示的是綜合波帶與諧波帶，它是 R-H 分子團(R 是 O、C

2、、N 和 S)產(chǎn)生的吸收頻率諧波，并常常受含氫基團 X-H(C-H、N-H、O-H)的倍頻和合頻的重疊主導(dǎo)，所以在近紅外光譜范圍內(nèi)，測量的主要是含氫基團 X-H 振動的倍頻和合頻吸收。圖1.1是近紅外技術(shù)的分析過程圖，左側(cè)箭頭是建模過程，右側(cè)箭頭是檢測過程。圖1.1近紅外技術(shù)分析過程圖1.2 近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)基本理論 在近紅外光譜分析系統(tǒng)中，用于測量近紅外光譜的近紅外光譜儀是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而分光光學(xué)系統(tǒng)是光譜儀的核心。1.2.1 色散原理色散系統(tǒng)是光譜分析儀器中的重要組成部分，色散系統(tǒng)的選擇與設(shè)計直接關(guān)系到光譜儀器的性能。按其工作原理可分為空間色散型和干涉調(diào)制型?？臻g色散型包括物質(zhì)色散、多縫

3、衍射和多光束干涉；而調(diào)制型主要為傅里葉變換分光、哈達瑪變換分光和光柵調(diào)制分光等，這里主要介紹衍射色散分光。在物理光學(xué)中，可以把光波看成在空間分布的標(biāo)量電磁場，由于光波的波動性質(zhì)，當(dāng)光波通過具有一定寬度狹縫時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。如果光波同時通過兩個相鄰的狹縫時，由兩狹縫發(fā)出的光波將在產(chǎn)生干涉的同時還會受到單縫衍射的調(diào)制。由此類推，對于多縫衍射，可以認(rèn)為多縫衍射光強是多光束干涉光強被單縫衍射光強調(diào)制的結(jié)果，這就是衍射光柵的工作原理。衍射光柵就是利用多縫的干涉衍射效應(yīng)，對于任何裝置，只要它能起到等間隔地分割波陣面的作用，都可以稱為衍射光柵。采用光柵可以使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，有利于光譜儀器的微型化，也

4、便于光譜儀器的集成化，并且可具有較大光譜范圍。實際上，現(xiàn)有的大多數(shù)微小型光譜儀器均采用光柵作為系統(tǒng)的分光元件。1.2.2 分光光學(xué)系統(tǒng)像差理論及校正 光譜儀器光學(xué)系統(tǒng)不僅是能量傳遞系統(tǒng)，也是光譜成像系統(tǒng)，各類光譜儀器的光學(xué)系統(tǒng)會產(chǎn)生種種像差，從而影響光譜成像質(zhì)量，使儀器的光譜分辨率下降，并且改變譜線和譜面上的光能量分布。設(shè)計光譜儀器時必須了解光學(xué)系統(tǒng)像差產(chǎn)生的原因及其對光譜儀器質(zhì)量的影響，采取適當(dāng)?shù)南癫钚Ｕ胧?，使光學(xué)系統(tǒng)的殘留像差值減小。光學(xué)系統(tǒng)在單色光下工作時，會產(chǎn)生球差、彗差、像散、場曲和畸變五種單色光像差，這幾種像差產(chǎn)生的原因及影響如下：球差是軸上物點唯一的單色光像差，如果光譜儀器光學(xué)

5、系統(tǒng)存在球差，則會使光譜的譜線輪廓增寬，譜線中心光強度下降，因此球差會直接影響光譜儀器的分辨率。光譜儀器光學(xué)系統(tǒng)的球差的影響嚴(yán)重時，物體的細微結(jié)構(gòu)成像會變得模糊不清。彗差是光束失去了對稱性，各條光線在高斯理想像面上的交點高度各不相同所造成的成像偏差。在光譜儀器中，彗差的宏觀效果是使譜線發(fā)生單邊擴散現(xiàn)象：譜線的一邊成像明晰，而另一邊如同彗尾般逐漸擴展、變暗。譜線的單邊擴散會造成單根譜線的中心位置偏移，也會明顯地降低相鄰譜線間的分辨率。像散的產(chǎn)生是由于軸外物點發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后，將在兩個不同位置形成兩條方位互相垂直的短焦線。在光譜儀器中，線狀入射狹縫位于子午面內(nèi)，除位于光軸上的狹縫中心點以外

6、，從狹縫上其他各點發(fā)出的光束都是軸外光束。因此，在子午焦面處，狹縫的像將是由一系列垂直子午面的短焦線疊合而成的模糊光斑。在弧矢焦面處，狹縫各點的像是一系列垂直弧矢面的短焦線，它們彼此方向相同、互相疊合，可以形成比較清晰的譜線。為了減小像散，通常都把光譜成像面安置在弧矢焦面處。并通過適當(dāng)選擇光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、改變光闌位置等方法減小或校正像散，盡量使帶光視場(0.707 全視場)的子午焦面與弧矢焦面盡可能重合而達到消像散目的。場曲是因為光學(xué)零件工作表面是球面而造成的軸外物點像差。在光譜儀器中，細長的入射狹縫成像形成的譜線兩端和中心不能同時在譜面上清晰成像，但當(dāng)入射狹縫的長度比光學(xué)系統(tǒng)的焦距值小得多

7、時，也就是說，光譜儀器的準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)的工作視場相當(dāng)小時，場曲所造成的影響通常比其他像差所造成的影響小很多。實際放大率與理想系統(tǒng)放大率之差就是畸變造成的結(jié)果?；冎挥绊懗上穹糯舐剩瑢Τ上袂逦群翢o影響。在光譜儀器中，物體是細長的入射狹縫，畸變造成的影響使譜線彎曲變形或使譜線在長度方向上略有伸縮。從數(shù)值上說，由于光學(xué)系統(tǒng)的視場很小，畸變量也很小，往往可以忽略不計。當(dāng)然，實際光學(xué)系統(tǒng)形成的圖像中往往包含的是各種像差混合作用的結(jié)果。所以，在光學(xué)系統(tǒng)中要有針對性的消除或減小影響較大的像差。對光譜儀色散光學(xué)系統(tǒng)的像差校正而言，它一般包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散元件和聚焦系統(tǒng)，通常，準(zhǔn)直系統(tǒng)應(yīng)單獨校正像差，因為其殘留像

8、差很難由聚焦系統(tǒng)補償或平衡。在本設(shè)計中，由于光學(xué)系統(tǒng)采用的是平場凹面光柵，它是集準(zhǔn)直、分光、成像于一體的光學(xué)元件。通過分析可知，工作在非平行光束下的凹面光柵會產(chǎn)生各種附加像差，其主要部分為球差、彗差和像散。只有在以平行光束射入凹面光柵的瓦茨沃斯裝置中，衍射角為零時，凹面光柵才既不產(chǎn)生彗差，也沒有像散，能夠獲得良好的成像質(zhì)量。在其他情況下，凹面光柵會產(chǎn)生明顯的像差，尤其是像散值很大，必須通過嚴(yán)格的光學(xué)設(shè)計來校正。1.3 近紅外光譜儀的接收系統(tǒng) 近紅外的接收系統(tǒng)，最早采用的是單元光電轉(zhuǎn)換器件，但是它需要掃描機構(gòu)的配合才能獲取整段光譜信號，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于系統(tǒng)的微型化和集成化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展

9、，各種光電陣列探測器不斷涌現(xiàn)，它的優(yōu)點是不再需要掃描機構(gòu)，能快速獲取信號，而且極大的簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使光譜儀小型化、集成化、智能化成為可能?，F(xiàn)在，成熟的陣列器件主要包括幾種。 CCD探測器。電荷耦合器件CCD探測器中儲存著電荷，當(dāng)光子照射到其光敏面時電荷就會被釋放。在積分時間結(jié)尾，剩余的電荷就會傳送到緩沖器中，然后這個信號被傳送到A/D轉(zhuǎn)換卡。CCD探測器具有自然積分的特性因此具有非常大的動態(tài)范圍，它只受暗（熱）電流和AD轉(zhuǎn)換卡速度的限制。CCD 探測器的優(yōu)點是象元數(shù)多、靈敏度高、響應(yīng)速度快，缺點是信噪比低。另外，由于受到材料性能的限制，在紅外波段CCD探測器只能工作在短波紅外，即 800-1

10、100nm。 光電二極管陣列（PDA）。當(dāng)信號光照射到光電二極管（PDA）上時，電子就會被激發(fā)并輸出電信號。大部分光電二極管陣列都包括讀出/積分放大器一體式的集成化信號處理電路。光電二極管的優(yōu)點是在近紅外區(qū)靈敏度高，響應(yīng)速度快；缺點是象元數(shù)較少。 CMOS 線性成像傳感器。CMOS 線性成象傳感器比 CCD 陣列傳感器具有較低的電荷電壓轉(zhuǎn)換效率，因此具有較低的光靈敏度，但是卻具有較高的信噪比。CMOS 探測器的優(yōu)點是信噪比高；缺點是讀出速率低、靈敏度低、成本相對較高。 InGaAs 線陣成像傳感器。InGaAs 線陣成像傳感器在近紅外區(qū)域有著極高的靈敏度。一般有兩種 InGaAs 探測器可供選

11、擇：一種是 256 像素非致冷型 InGaAs探測器，可用于 1000-1700nm 波長區(qū)域；另一種是 256 像素 2 級擴展致冷型 InGaAs探測器，可用于 1000-2200nm 波長區(qū)域。本論文所選用的探測器是日本濱松公司生產(chǎn)的 InGaAs 線陣成像傳感器G9203-256D，它在近紅外區(qū)域具有高靈敏性和高穩(wěn)定型。光電二極管陣列集成了電荷放大器、CMOS 傳感器、一個移位寄存器和時鐘發(fā)生器等，并采用陶瓷封裝。這是一種非致冷256像元的探測器，像元大小為 50×500m，工作波長0.91.7m，具有很高的信噪比，最高能達到接近 10000：1。但是，由于采用的是非制冷技術(shù)

12、，探測器對溫度變化非常敏感，如圖所示，可見暗電流隨溫度變化劇烈增長，這對電路發(fā)熱量的控制提出了挑戰(zhàn)。圖1.2 InGaAs線陣成像傳感器及性能參數(shù)1.4 系統(tǒng)的微型化、集成化本次設(shè)計的微型近紅外光譜儀應(yīng)用新型元器件對傳統(tǒng)光譜儀的微小型化的一種，主要從以下幾方面對系統(tǒng)進行微小型化設(shè)計。 微型化光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)是光譜儀的核心部分，為了微型化，必須要作以下考慮：應(yīng)該盡可能地減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)目，以減少光能傳播中與光學(xué)元件作用的次數(shù)，從而減少系統(tǒng)光能的損失；為了便于集成化，光譜面應(yīng)為一平面，且光譜在空間呈線性分布；在不增加體積的情況下增長光路，以增加色散程度；優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)像差以減小光譜儀微型化后性

13、能下降的影響。為此，我們采用了平場全息凹面光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)基本解決了以上矛盾，在實現(xiàn)微型化的同時保證了高成像質(zhì)量。 微型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理布局與新技術(shù)的應(yīng)用也是微型化的關(guān)鍵。在總體結(jié)構(gòu)的考慮上，應(yīng)盡量避免可動的掃描機構(gòu)，因為可動機構(gòu)除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜以外也降低了系統(tǒng)的可靠性。所以，通過采用合理的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本課題實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)無可動部件，簡化了結(jié)構(gòu)且增加了可靠性。另外，相對于傳統(tǒng)光譜儀復(fù)雜的入射/ 出射狹縫及相應(yīng)耦合光路，本課題直接采用石英光纖作為入射光源，且以石英光纖頭直接作為入射狹縫，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 緊湊的電路系統(tǒng)應(yīng)用新型電子元器件是簡化電路的有效途徑。隨著近紅外探測器件技術(shù)的發(fā)展，本

14、課題得以采用新型的線陣探測器實現(xiàn)整個方案。同時，采用基于 ARM7 的數(shù)據(jù)采集控制電路，只用幾塊芯片即實現(xiàn)了強大的功能，從而有效減小了電路體積。2 微型近紅外光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計2.1 總體方案本論文確定了以全息凹面光柵為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；以日本濱松公司的新型非致冷室溫紅外探測器線陣為光電接收系統(tǒng)；研制基于 ARM7 芯片，開發(fā)出體積小，功能強的控制、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸電路系統(tǒng)?；诖怂枷耄贫丝傮w方案：擬將系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一體化集成技術(shù)、低噪聲數(shù)據(jù)采集電路、信號獲取軟件、光譜定量分析軟件等幾部分開展研究。圖2.1 總體方案2.2 微型光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計2.2.1 光學(xué)系統(tǒng)方案的選擇光學(xué)

15、系統(tǒng)是項目最底層，也是最核心的部分，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的性能，而光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的選擇又是設(shè)計的基礎(chǔ)?？紤]到近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團 CH、OH、NH、SH、PH 等振動的倍頻和合頻吸收，信號微弱，必須盡量減小光能的損失；另一方面由于課題的目標(biāo)是研制微小型光譜儀，所以在調(diào)研了國內(nèi)外最新發(fā)展趨勢和成果的基礎(chǔ)上，主要討論了以下兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)方案。 折疊交叉式 Czerny-Turner 結(jié)構(gòu)（圖 2.2）。折疊交叉式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)是Czerny-Turner裝置的改良結(jié)構(gòu)，折疊裝置使成像光線和入射光線

16、在空間內(nèi)的路徑上交疊，并保證光譜像面的位置與光柵、準(zhǔn)直物鏡及狹縫的位置在空間上不發(fā)生干涉。這種結(jié)構(gòu)也是用幾個元件實現(xiàn)準(zhǔn)直、分光、成像的基本功能，只是使用的二個凹球面反射鏡的焦距不同，構(gòu)成非對稱式Czerny-Turner裝置，這樣做可使光學(xué)系統(tǒng)的可變參量增加，從而使系統(tǒng)的彗差、成像質(zhì)量、光強度以及儀器的結(jié)構(gòu)尺寸都得到很好的改善，另外還可以最大限度的利用空間體積，有利于實現(xiàn)微型化。圖2.2 折疊交叉式Czemy-Tumer光路原理圖 型凹面光柵系統(tǒng)IV 型凹面光柵本身就是個單色儀（如圖 2.3 的再現(xiàn)光路），它兼有準(zhǔn)直系統(tǒng)、衍射光柵和聚焦系統(tǒng)的作用。這種光柵不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且用全息方法制作的凹面

17、光柵相對刻劃光柵還有其它優(yōu)點，如：無鬼線、低雜散光、高信噪比，在整個光柵表面上具有較均勻的效率，具有很大的數(shù)值孔徑，可充分利用光能，具有高分辨率，在整個光譜范圍都可保證較小像差。IV 型凹面光柵主要有三種：其一為可以像平面光柵一樣繞簡單轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)以進行光譜掃描的凹面光柵，并且具有較為理想的像質(zhì)。這種光柵己應(yīng)用于多種近紫外到近紅外的單色儀中；其二為非球面光柵；其三為平場凹面光柵，可進行瞬態(tài)光譜分析。圖2.3 IV型凹面光柵原理圖表2.1光學(xué)結(jié)構(gòu)形式比較 通過表2.1的對比，可以清楚的看出兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，總的來說，折疊交叉 CT 結(jié)構(gòu)的設(shè)計及光學(xué)元件加工都較易，但裝調(diào)較復(fù)雜，可靠性較低；而采用

18、型凹面光柵的結(jié)構(gòu)形式，雖然設(shè)計和光柵加工都比較困難，但裝調(diào)較易，可靠性較高，而且更為重要的是，由于采用凹面光柵使得結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，從而更易于實現(xiàn)微型化。所以，綜上考慮，本課題最終選用了型凹面光柵式的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。2.2.2 設(shè)計參數(shù)要求 為了便于系統(tǒng)集成及微型化，希望光譜成像面在一條直線上，并考慮采用一個平面反射鏡的折疊光路來減小系統(tǒng)體積。針對課題具體目標(biāo)，提出了如下全息凹面光柵的設(shè)計要求（見表 2.2）。表2.2全息凹面光柵設(shè)計參數(shù)2.2.3 全息凹面光柵理論圖2.4 平場全息凹面光柵理論模型全息凹面光柵的工作原理如圖 2.4 所示，記錄面為一半徑R的球面，其中 A(x，y，z)為點光源，

19、也就是被檢測光的入射點，P(,)為全息凹面光柵上的任意一點，B( x ' ,y',z')為光線 AP 所對應(yīng)的第 K 級衍射光線上一點，即光譜信號的獲取點。C(xC，yC，zC)及 D(xD，yD，zD)分別為全息光柵的兩個記錄點。2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案光譜儀器微小型化和集成化的基本要求是：其相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中一般多采用光電陣列式探測器對光譜信號進行同時采集。為此在凹面光柵設(shè)計的基礎(chǔ)上，對光學(xué)系統(tǒng)作了一定改進，設(shè)計出了便于系統(tǒng)一體化混合集成的微型光譜儀方案，如圖2.5所示，該光學(xué)部分僅由入射光纖、平面反射鏡和凹面光柵組成。其中入射光纖取代了光譜儀器

20、中的入射狹縫，通過改變光纖的芯徑來實現(xiàn)調(diào)節(jié)狹縫寬度；采用凹面光柵完成準(zhǔn)直、分光、成像的功能，避免了采用平面光柵需要的準(zhǔn)直和成像透鏡，從而大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，加入一塊平面反射鏡的作用是避免各部件之間的干涉。圖2.5光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4 數(shù)據(jù)采集及處理 數(shù)據(jù)采集電路微型近紅外光譜儀的電路部分實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)采集功能，由于系統(tǒng)要求電路體積小、功耗低、發(fā)熱量小、可擴展性強，所以采用的是基于 ARM7 的低功耗電路系統(tǒng)。用到的主要芯片有 PHILIP 公司生產(chǎn)的 ARM7 芯片 LPC2148 和信號處理器AD9826，光電探測器采用的是 InGaAs 線陣圖像傳感器 G9203-256D。電路的設(shè)計思路是通過 ARM7 芯片 LPC2148 來對整個電路進行控制，即：首先給探測器提供時序信號，然后對經(jīng)過 AD9826 轉(zhuǎn)換處理后的 InGaAs 線陣圖像傳感器模擬信號進行采集，再將采集到的數(shù)據(jù)暫存在其 USB 緩沖區(qū)上，最后通過其內(nèi)部集成的 USB模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 機上。電路模塊如圖2.6 所示。圖2.6電路模塊原理圖 數(shù)據(jù)采集軟件模塊PC 機上的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和分析兩大部分，整體框架是圍繞數(shù)據(jù)庫模塊，將系統(tǒng)劃分為六大