微型近红外光谱仪系统的设计剖析

微型近红外光谱仪系统的设计
1微型近红外光谱仪系统相关理论
1.1近红外光谱仪系统的工作原理
近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生的。

近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法，它记录的是分子中单个化学键基频振动的倍频和合频信息，它的光谱是在700--2500 nm范围内分子的吸收辐射。

这与常规的中红外光谱定义一样，吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动，中红外吸收光谱中包括有C-H键、C-C键以及分子官能团的吸收带。

然而在NIR 测量中显示的是综合波带与谐波带，它是R-H分子团（R是O、C、N和S）产生的吸收频率谐波，并常常受含氢基团X-H（C-H、N-H、O-H）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。

图1.1是近红外技术的分析过程图，左侧箭头是建模过程，右侧箭头是检测过程。

1.2近红外光谱仪光学系统基本理论
在近红外光谱分析系统中，用于测量近红外光谱的近红外光谱仪是系统的基础，而分光光学系统是光谱仪的核心。

1.2.1色散原理
色散系统是光谱分析仪器中的重要组成部分，色散系统的选择与设计直接关系到光谱仪器的性能。

按其工作原理可分为空间色散型和干涉调制型。

空间色散型包括物质色散、多缝衍射和多光束干涉；而调制型主要为傅里叶变换分光、哈达玛变
换分光和光栅调制分光等，这里主要介绍衍射色散分光。

在物理光学中，可以把光波看成在空间分布的标量电磁场，由于光波的波动性质，当光波通过具有一定宽度狭缝时，会发生衍射现象。

如果光波同时通过两个相邻的狭缝时，由两狭缝发出的光波将在产生干涉的同时还会受到单缝衍射的调制。

由此类推，对于多缝衍射，可以认为多缝衍射光强是多光束干涉光强被单缝衍射光强调制的结果，这就是衍射光栅的工作原理。

衍射光栅就是利用多缝的干涉衍射效应，对于任何装置，只要它能起到等间隔地分割波阵面的作用，都可以称为衍射光栅。

采用光栅可以使光学系统结构相对简单，有利于光谱仪器的微型化，也便于光谱仪器的集成化，并且可具有较大光谱范围。

实际上，现有的大多数微小型光谱仪器均采用光栅作为系统的分光元件。

1.2.2分光光学系统像差理论及校正
光谱仪器光学系统不仅是能量传递系统，也是光谱成像系统，各类光谱仪器
的光学系统会产生种种像差，从而影响光谱成像质量，使仪器的光谱分辨率下降，并且改变谱线和谱面上的光能量分布。

设计光谱仪器时必须了解光学系统像差产
生的原因及其对光谱仪器质量的影响，采取适当的像差校正措施，使光学系统的
残留像差值减小。

光学系统在单色光下工作时，会产生球差、彗差、像散、场曲
和畸变五种单色光像差，这几种像差产生的原因及影响如下：
球差是轴上物点唯一的单色光像差，如果光谱仪器光学系统存在球差，则会
使光谱的谱线轮廓增宽，谱线中心光强度下降，因此球差会直接影响光谱仪器的
分辨率。

光谱仪器光学系统的球差的影响严重时，物体的细微结构成像会变得模
糊不清。

彗差是光束失去了对称性，各条光线在高斯理想像面上的交点高度各不相同
所造成的成像偏差。

在光谱仪器中，彗差的宏观效果是使谱线发生单边扩散现象：谱线的一边成像明晰，而另一边如同彗尾般逐渐扩展、变暗。

谱线的单边扩散会
造成单根谱线的中心位置偏移△入，也会明显地降低相邻谱线间的分辨率。

像散的产生是由于轴外物点发出的光束通过光学系统后，将在两个不同位置
形成两条方位互相垂直的短焦线。

在光谱仪器中，线状入射狭缝位于子午面内，
除位于光轴上的狭缝中心点以外，从狭缝上其他各点发出的光束都是轴外光束。

因此，在子午焦面处，狭缝的像将是由一系列垂直子午面的短焦线叠合而成的模
糊光斑。

在弧矢焦面处，狭缝各点的像是一系列垂直弧矢面的短焦线，它们彼此
方向相同、互相叠合，可以形成比较清晰的谱线。

为了减小像散，通常都把光谱
成像面安置在弧矢焦面处。

并通过适当选择光学系统结构参数、改变光阑位置等
方法减小或校正像散，尽量使带光视场（0.707全视场）的子午焦面与弧矢焦面尽
可能重合而达到消像散目的。

场曲是因为光学零件工作表面是球面而造成的轴外物点像差。

在光谱仪器中，细长的入射狭缝成像形成的谱线两端和中心不能同时在谱面上清晰成像，但当入射狭缝的长度比光学系统的焦距值小得多时，也就是说，光谱仪器的准直镜系统的工作视场相当小时，场曲所造成的影响通常比其他像差所造成的影响小很多。

实际放大率与理想系统放大率之差就是畸变造成的结果。

畸变只影响成像放大率，对成像清晰度毫无影响。

在光谱仪器中，物体是细长的入射狭缝，畸变造成的影响使谱线弯曲变形或使谱线在长度方向上略有伸缩。

从数值上说，由于光学系统的视场很小，畸变量也很小，往往可以忽略不计。

当然，实际光学系统形成的图像中往往包含的是各种像差混合作用的结果。

所以，在光学系统中要有针对性的消除或减小影响较大的像差。

对光谱仪色散光学系统的像差校正而言，它一般包括准直系统、色散元件和聚焦系统，通常，准直系统应单独校正像差，因为其残留像差很难由聚焦系统补偿或平衡。

在本设计中，由于光学系统采用的是平场凹面光栅，它是集准直、分光、成像于一体的光学元件。

通过分析可知，工作在非平行光束下的凹面光栅会产生各种附加像差，其主要部分为球差、彗差和像散。

只有在以平行光束射入凹面光栅的瓦茨沃斯装置中，衍射角为零时，凹面光栅才既不产生彗差，也没有像散，能够获得良好的成像质量。

在其他情况下，凹面光栅会产生明显的像差，尤其是像散值很大，必须通过严格的光学设计来校正。

1.3近红外光谱仪的接收系统
近红外的接收系统，最早采用的是单元光电转换器件，但是它需要扫描机构的配合才能获取整段光谱信号，结构复杂不利于系统的微型化和集成化。

随着半导体技术的迅猛发展，各种光电阵列探测器不断涌现，它的优点是不再需要扫描机构，能快速获取信号，而且极大的简化了系统结构，使光谱仪小型化、集成化、智能化成为可能。

现在，成熟的阵列器件主要包括几种。

①CCD探测器。

电荷耦合器件CCD探测器中储存着电荷，当光子照射到其光敏面
时电荷就会被释放。

在积分时间结尾，剩余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到A/D转换卡。

CCD探测器具有自然积分的特性因此具有非常大的动态范围，它只受暗（热）电流和AD转换卡速度的限制。

CCD探测器的优点是象元数多、灵敏度高、响应速度快，缺点是信噪比低。

另外，由于受到材料性能的限制，在红外波段CCD探测器只能工作在短波红外，即800-1100nm。

②光电二极管阵列（PDA）。

当信号光照射到光电二极管（PDA）上时，电子就会被激发并输出电信号。

大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。

光电二极管的优点是在近红外区灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少。

③CMOS线性成像传感器。

CMOS线性成象传感器比CCD阵列传感器具有较低的电荷一电压转换效率，因此具有较低的光灵敏度，但是却具有较高的信噪比。

CMOS 探测器的优点是信噪比高；缺点是读出速率低、灵敏度低、成本相对较高。

④InGaAs线阵成像传感器。

InGaAs线阵成像传感器在近红外区域有着极高的灵敏度。

一般有两种InGaAs探测器可供选择：一种是256像素非致冷型InGaAs探测器，可用于1000-1700nm波长区域；另一种是256像素2级扩展致冷型InGaAs探测器，可用于1000-2200nm波长区域。

本论文所选用的探测器是日本滨松公司生产的InGaAs线阵成像传感器G9203-256D,它在近红外区域具有高灵敏性和高稳定型。

光电二极管阵列集成了电荷放大器、CMOS传感器、一个移位寄存器和时钟发生器等，并采用陶瓷封装。

这是一种非致冷256像元的探测器，像元大小为50X500〃m,工作波长0.9-1.7M m,具有很高的信噪比，最高能达到接近10000：1。

但是，由于采用的是非制冷技术，探测器对温度变化非常敏感，如图所示，可见暗电流随温度变化剧烈增长，这对电路发热量的控制提出了挑战。

图1.2 InGaAs线阵成像传感器及性能参数
1.4系统的微型化、集成化
本次设计的微型近红外光谱仪应用新型元器件对传统光谱仪的微小型化的一种，主要从以下几方面对系统进行微小型化设计。

①微型化光学系统
光学系统是光谱仪的核心部分，为了微型化，必须要作以下考虑：应该尽可能地减少系统中光学元件的数目，以减少光能传播中与光学元件作用的次数，从而减少系统光能的损失；为了便于集成化，光谱面应为一平面，且光谱在空间呈线性分布；在不增加体积的情况下增长光路，以增加色散程度；优化光学系统像差以减小光谱仪微型化后性能下降的影响。

为此，我们采用了平场全息凹面光栅的光学结构基本解决了以上矛盾，在实现微型化的同时保证了高成像质量。

②微型化系统结构系统结构的合理布局与新技术的应用也是微型化的关键。

在总体结构的考虑上，应尽量避免可动的扫描机构，因为可动机构除了结构复杂以外也降低了系统的可靠性。

所以，通过采用合理的光学系统结构，本课题实现了系统内无可动部件，简化了结构且增加了可靠性。

另外，相对于传统光谱仪复杂的入射/出射狭缝及相应耦合光路，本课题直接采用石英光纤作为入射光源，且以石英光纤头直接作为入射狭缝，大大简化了系统结构。

③紧凑的电路系统
应用新型电子元器件是简化电路的有效途径。

随着近红外探测器件技术的发展，本课题得以采用新型的线阵探测器实现整个方案。

同时，采用基于ARM7的数据采集控制电路，只用几块芯片即实现了强大的功能，从而有效减小了电路体积。

2微型近红外光谱仪系统的设计
2.1总体方案
本论文确定了以全息凹面光栅为核心的系统结构；以日本滨松公司的新型非致
冷室温红外探测器线阵为光电接收系统；研制基于ARM7芯片，开发出体积小，功能强的控制、转换、处理、传输电路系统。

基于此思想，制定了总体方案: 拟将系统分为光学系统、系统结构一体化集成技术、低噪声数据采集电路、信号获取软件、光谱定量分析软件等几部分开展研究。

图2.1总体方案
2.2微型光谱仪的光学系统设计
2.2.1光学系统方案的选择
光学系统是项目最底层，也是最核心的部分，光学系统设计的好坏直接影响系统的性能，而光学系统结构形式的选择又是设计的基础。

考虑到近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团C —H、O—H、N—H、S—H、P-H等振动的倍频和合频吸收，信号微弱，必须尽量减小光能的损失；另一方面由于课题的目标是研制微小型光谱仪，所以在调研了国内外最新发展趋势和成果的基础上，主要讨论了以下两种光学结构方案。

① 折叠交叉式Czerny-Turner结构（图2.2）。

折叠交叉式Czerny-Turner结构是Czerny-Turner装置的改良结构，折叠装置使成像光线和入射光线在空间内的路径上交叠，并保证光谱像面的位置与光栅、准直物镜及狭缝的位置在空间上不发生干涉。

这种结构也是用几个元件实现准直、分光、成像的基本功能，只是使用的二个凹球面反射镜的焦距不同，构成非对称式Czerny-Turner装置，这样做可使光学系统的可变参量增加，从而使系统的彗差、成像质量、光强度以及仪器的结构尺寸都得到很好的改善，另外还可以最大限度的利用空间体积，有利于实现微型化。

图2.2折叠交叉式Czemy-Tumer光路原理图
②W型凹面光栅系统
IV型凹面光栅本身就是个单色仪（如图2.3的再现光路），它兼有准直系统、衍
射光栅和聚焦系统的作用。

这种光栅不仅结构简单，而且用全息方法制作的凹面光栅相对刻划光栅还有其它优点，如：无鬼线、低杂散光、高信噪比，在整个光栅表面上具有较均匀的效率，具有很大的数值孔径，可充分利用光能，具有高分辨率，在整个光谱范围都可保证较小像差。

IV型凹面光栅主要有三种：其一为可以像平面光栅一样绕简单转轴旋转以进行光谱扫描的凹面光栅，并且具有较为理想的像质。

这种光栅己应用于多种近紫外到近红外的单色仪中；其二为非球面光栅；其三为平场凹面光栅，可进行瞬态光谱分析。

图2.3 IV型凹面光栅原理图
结构形式交叉CT站构四面无11我
分辨率较低段而
光删效率♦高较低
给梅江於度复盘荷甲
装涧啡奶度装一物力
元件加工睢热度较独俄软豆杂
♦第可雅性较低敕高
表2.1光学结构形式比较
通过表2.1的对比，可以清楚的看出两种光学结构的优缺点，总的来说，折叠交叉C-T结构的设计及光学元件加工都较易，但装调较复杂，可靠性较低；而采用W型凹面光栅的结构形式，虽然设计和光栅加工都比较困难，但装调较易，可靠性较高，而且更为重要的是，由于采用凹面光栅使得结构相当简单，从而更易于实现微型化。

所以，综上考虑，本课题最终选用了W型凹面光栅式的光学系统结构形式。

2.2.2设计参数要求
为了便于系统集成及微型化，希望光谱成像面在一条直线上，并考虑采用一
个平面反射镜的折叠光路来减小系统体积。

针对课题具体目标，提出了如下全息
凹面光栅的设计要求（见表2.2）。

然维宽工理波长物方数讹孔径物距萨的长度分辨率
5 Oiun 900-1700nm 0.2 601nm 12.Snm
表2.2全息凹面光栅设计参数
2.2.3全息凹面光栅理论
图2.4平场全息凹面光栅理论模型
全息凹面光栅的工作原理如图2.4所示，记录面为一半径R的球面，其中
A（x, y, z）为点光源，也就是被检测光的入射点，P位，3 ,T ）为全息凹面光栅上的任意一点，B（ x ' ,y',z'）为光线AP所对应的第K级衍射光线上一点，即光谱信号的获取点。

C（xC，yC，zC）及D（xD，yD，zD）分别为全息光栅的两个记录
点。

2.3系统结构方案
光谱仪器微小型化和集成化的基本要求是：其相应的光学系统应具有相对简单的结构，系统中一般多采用光电阵列式探测器对光谱信号进行同时采集。

为此在凹面光栅设计的基础上，对光学系统作了一定改进，设计出了便于系统一体化混合集成的微型光谱仪方案，如图2.5所示，该光学部分仅由入射光纤、平面反射镜和凹面光栅组成。

其中入射光纤取代了光谱仪器中的入射狭缝，通过改变光纤的芯径来实现调节狭缝宽度；采用凹面光栅完成准直、分光、成像的功能，避免了采用平面光栅需要的准直和成像透镜，从而大大简化了系统结构。

其中，加入一块平面反射镜的作用是避免各部件之间的干涉。

图2.5光学系统结构
2.4数据采集及处理
①数据采集电路
微型近红外光谱仪的电路部分实现的是数据采集功能，由于系统要求电路体积小、功耗低、发热量小、可扩展性强，所以采用的是基于ARM7的低功耗电路系统。

用到的主要芯片有PHILIP公司生产的ARM7芯片LPC2148和信号处理器AD9826，光电探测器采用的是InGaAs线阵图像传感器G9203-256D。

电路的设计思路是通过ARM7芯片LPC2148来对整个电路进行控制，即：首先给探测器提供时序信号，然后对经过AD9826转换处理后的InGaAs线阵图
像传感器模拟信号进行采集，再将采集到的数据暂存在其USB 缓冲区上，最后 通过其内部集成的USB 模块将这些数据发送到PC 机上。

电路模块如图2.6所 示。

电海慢块
时序拄制
”6元InCaA*阵列探测甥
___________________________ J
图2.6电路模块原理图
②数据采集软件模块
PC 机上的软件主要包括数据采集和分析两大部分，整体框架是围绕数据库 模块，将系统划分为六大功能模块（如图2.7）。

光谱采集模块是通过USB 协 议把硬件的光谱信号读入到PC 机；光谱处理是对读取的信号进行平滑、滤波 等基本处理；光谱显示、波长标定、和数据报告模块是几个基本的附属模块。

PC 机上软件数据采集的基本流程是：当用户要求采集时，首先通过 LPC2148发送表征积分时间和AD9826偏置电压的数据，然后再通过USB 读 取从LPC2148发过来的数据，最后利用这些数据在坐标图上绘出相应的曲线即 完成了数据采集。

控制模决
数据昨模块
图2.7系统软件框图
10
③数据分析处理模块
数据分析处理模块即光谱分析模块是系统软件中的核心部分，由于近红外光 谱定量分析的特殊性，数据分析处理主要是应用化学计量学技术，选择合适算法， AR>1控制芯片
* A/D 转换
USB 向 光
谱采
集
外谱算示
完成数据建模及预测功能。

所以，算法的研究就是数据分析处理模块研究的主要内容。

研究中先充分理解学习了常用的几种算法，并在模块中集成了PCR和PLS 两种算法，另外，还进行了一些探索性的算法研究工作。

本模块利用(Locally LinearEmbedding，LLE)算法的思想，提出了基于最小二乘的局部加权(LS-LWR) 建模方法，它使用待测样品的一个局部范围内的校正样品来预测待测样品的成分信息，因此克服了全局方法存在的缺点。

通过定量实验结果表明，它的模型简单、预测性能良好，且计算省时，为化学计量学方法在近红外光谱分析应用上作了一定的探索。

3总结
本文进行了微型近红外光谱仪光学系统的理论分析，提出了基于平场全息凹面光栅为核心的微型近红外光谱仪方案；进行了微型近红外光谱仪系统的设计，波长范围为900nm-1670nm、分辨率小于10nm。

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