微型近红外光谱仪系统的设计模板.doc

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1、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--2500nm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(

2、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。图1.1近红外技术分析过程图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11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

3、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

4、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

5、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Δλ，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

6、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，11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

7、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

8、图像中往往包含的是各种像差混合作用的结果。所以，在光