光纤光谱仪的简单介绍 光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。德国MUT的微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购 光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。 光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。德国MUT的微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价 光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。 m&mid dot;u·t拥有广泛的光谱仪配置选择，使其性能最大化以满足客户要求。如果这些配置不符合您的要求，我们可以根据您的要求为您量身定做。 光栅 光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言，光谱范围通常在200nm-2200nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围；同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择3600线/mm的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。 狭缝 较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小；另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中，选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。 探测器 探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度，探测器上的光敏感区原则上是有限的，它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探测器灵敏度要更好一些，因此可以某个程度在不灵敏度的情况下获得更好的分辨率。近红外的InGaAs探测器
冶金分析，２０１０。３０（１）：１７—２３ ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ，２０１０，３０（１）：１７—２３ 文章编号：１０００一７５７１（２０１０）０１－－００１７—０７ 微型等离子体光谱仪激发源的研究与进展 王永清１’２，王占友１，周颖昌１，李小佳２，王海舟圯 （１．河北大学电子信息工程学院，河北保定０７１００２； ２．钢铁研究总院，国家钢铁材料测试中心，北京１０００８１） 摘要：微型化、集成化是光谱仪器发展的重要趋势之一。激发源的微型化对研发微型光谱仪器至关重要。本文以微等离子体的产生方式为主线，详细阐述了微型直流等离子体激发源（Ｍ—ＤＣＰＳ）、微型电感耦舍等离子体激发源（Ｍ－ＩＣＰＳ）和微波开口环谐振器式等离子体激发源（Ｍ—ＳＲＲＰＳ），给出了这些激发源的相关数据参数，并对其装置和原理做了简要的叙述。同时对这些激发源的优缺点及其参数指标作了简要的评述。简要介绍了其他微等离子激发源，探讨了微等离子体激发源潜在的应用领域，并展望了微等离子体激发源的发展趋势。 关键词：光谱仪；微型；等离子体；激发源 中图分类号：ＴＧｌｌ５．３文献标识码：Ａ 光谱仪已经成为对物质成分检测分析的重要手段之一。光谱仪微型化是光谱仪器的一个重要发展方向。近年来，由于微机电系统（ＭＥＭＳ，ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技术、微光机电系统技术、光纤、固态光检测阵列及其相关技术的发展，使得光谱仪的微型化研究取得了较大进展［１。４］。在光谱仪的微型化进程中关于分光、检测系统微型化的研究报道较多，而关于微型激发源的研究报道却很少。激发源的微型化己成为光谱仪微型化发展中的制约因素之一。 微等离子体光谱激发源主要有微型直流等离子体源∞。６］，射频电感耦合微等离子体源”七１｜，微波诱导微等离子体源口２２６］，射频电容耦合微等离子体源口川，交流介质阻挡放电微等离子体源口引，微型直流空心阴极微等离子体源比９｜，还有射频电晕放电微等离子体源［３州。本文重点综述微型直流等离子体激发源（Ｍ—ＤＣＰＳ，ＭｉｃｒｏＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅ），微型电感耦合等离子体激发源（Ｍ－ＩＣＰＳ，ＭｉｃｒｏＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅ），微波开口环谐振器等离子体激发源（Ｍ—ＳＲＲＰＳ，ＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＳｌｉｔ—ＲｉｎｇＲｅｓｏｎａｔｏｒＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅ）的研究进展。 １微型直流等离子激发源 ＨｅｒｂｅｒｔＳｔｏｅｒｉ等［５］１９９９年报道了一种加工在顶板为１４ｍｍ×３０ｍｍ，底板为２０ｍｍ×３０ｍｍ玻璃晶片上的微型直流等离子体激发源。他们在阴极和阳极之间加直流电压，逐渐增大这个电压到８５０Ｖ，回路中突然有电流出现，等离子体腔中充满了明亮的氦气微等离子体。此时等离子体腔体压强为７５ｔｏｒｒ（９９７５Ｐａ），电流为６０肛Ａ。阳极鞘层中的电子加速和等离子体中的焦耳加热使等离子体生成并且维持。微型ＤＣＰ激发源照片见图１Ｌ５Ｊ。 微型ＤＣＰ激发源存在对电极的溅射腐蚀，不能维持长时间放电，目前寿命为２ｈ。通常用某些气体进行直流放电的时候，电极表面上绝缘性薄膜的堆积会阻碍电流的流通，甚至会导致放电的中止。为了减小电极的溅射腐蚀，可以采用氦气代替氩气、使用３０肛Ａ电流、让等离子体腔的 收稿日期：２００９一０６—２９ 基金项目：河北省科技厅科技攻关计划项目（０７２１７１２４），河北省教育厅（２００４４０８），河北省保定市科学技术研究与发展计划项目（０６Ｇ１０—２）资助 作者简介：王永清（１９６２一），男．教授，主要研究领域为传感器应用和分析检测仪器 通讯联系人：王海舟，男，教授，博士生导师；Ｅ－ｍａｉｌ．．ｈｚｗａｎｇ＠ｎｅｓｅｈｉｎａ．ｃｏｍ，ｈｚｗａｎｇ＠ａｎａｌｙｓｉｓ．ｏｒｇ．ｃｎ 万方数据
光谱仪的微小型化 微光学、微电子、微机械的结合产生出一类新的应用范围很广的器件——微型光机电系统(MOEMS)，它也是机、电、光、磁、化学、传感技术等多种技术的综合。MOEMS日益成为新的光学工具，已经对许多基于光学的仪器显示出应用前景。作为MOEMS的一种，微型光谱分析仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光谱仪一样微型光谱仪有着巨大的应用市场，可以应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣。 微型光谱仪的实现可以应用多种技术，目前常用的方法包括：采用新型滤光技术制作微型光谱仪；利用光纤的化学传感性制成光纤探针进行光谱分析；使用微细加工制作集成式微型光谱仪等。 2采用新型滤光技术的微型光谱仪 声光可调滤光片(AOTF)是一种微型窄带可调滤光片，是光谱仪微型化的一个发展方向，它通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长，而通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。它的分辨率很高，目前可以达到0.0125nm，没有可动部件，波长调节速度快、灵活性高。 美国Brimrose公司和Jet Propulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的反射型近红外微型光谱仪主要造用于航天领域，使用发光二极管(LED)阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，该光谱仪重量<250克，尺寸小9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波长/秒)，高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。 美国Hughes Santa Mara研究中心研制的线性楔形光谱仪(专利产品)，是由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成，可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片，滤光片与两维检测器紧临，这样根据滤光片在不同位置的带通，每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量，所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制，还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布在可见光和近红外区(从400nm到1030nm)。该光谱仪在实验中还获得了线性色散率，色散率与点带宽无关，而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。 3利用光纤制作的微型光谱仪 光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收
第42卷第5期 2015年5月Vol.42,No.5May,2015 中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 光纤光谱仪光路模拟优化及波长标定 徐丹阳1童建平1高建勋1汪飞2 1 浙江工业大学理学院,浙江杭州3100232杭州博源光电科技有限公司,浙江杭州310023 摘要光学系统是光谱仪的核心部件，决定了整个仪器的基本性能与体积。因此分析了几种光学系统的利弊，最终 确定采用交叉非对称切尔尼-特纳系统，并用Zemax 软件对光路进行了优化设计，确定整体分辨率为1.8nm ，测量范 围为200~900nm 。利用Matlab 软件求解最小二乘法三阶多项式的拟合系数，采用HG-1汞-氩校准光源对波长进行 三阶曲线拟合校正，使其相对波长误差控制在0.05nm 以内。与USB4000光纤光谱仪进行了数据对比分析，表明该 设计思路及方法切实可行。 关键词光学设计;光路;模拟优化;波长标定 中图分类号O433.1;O435文献标识码A doi:10.3788/CJL201542.0516003 Fiber Spectrometer Optical Simulation Optimization and Calibration Xu Danyang 1 Tong Jianping 1Gao Jianxun 1Wang Fei 21 College of Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang 310023,China 2Brolight Technology (Hangzhou)Co.,Ltd,Hangzhou,Zhejiang 310023,China Abstract The optical system is the core part of a spectrometer,and it determines the basic properties and the volume of the entire instrument.Advantages and disadvantages of several optical systems are analyzed,and the asymmetric Czerny-Turner system is adopted.The resulting optical path optimized with Zemax has an overall resolution of 1.8nm,and a measurement range of 200~900nm.Relative error of wavelength is controlled to be below 0.05nm,with cubic spline interporlation coefficients obtained from Matlab and HG-1mercury-argon used as the calibration light source.Analyses on data for comparision with the USB4000fiber spectrometer show that both of the design and implementation are feasible. Key words optical design;optical path;simulation optimization;wavelength calibration OCIS codes 220.4830;080.4295;060.2370 收稿日期:2014-11-14;收到修改稿日期:2014-12-30 基金项目:浙江省教育厅科研项目(Y201329607) 作者简介:徐丹阳(1983—)，男，硕士，实验师，主要从事光电探测技术方面的研究。E-mail:xudanyang@https://www.doczj.com/doc/2b4361606.html, 1引言光谱仪是现代光学仪器的重要组成部分，是对物质成分、结构进行观测、分析和处理的基本设备之一[1-2]。它将不同频率的光辐射按照一定的物理规律(光的色散、衍射原理)分解开来，形成相应的光谱，并结合计算 机技术、电子技术和精密机械实现对该光谱波长、强度的测量与研究[3-5]。准直、 分光和聚焦成像系统构成了仪器的光学系统，是整个光谱仪的核心部件，并决定了整台仪器的基本性能与体积。李特洛光学系统由于使用一面反射镜作为准直和聚焦镜，因此必将存在二次和多次衍射，造成系统的杂散光过大；夏帕-格兰茨系统由于离轴抛物面反射镜加工难度大，因此系统成本高，同时装配和调试难度也大；伯特-法斯梯系统也存在着二次和多次衍射，且采用一面反射镜，自由度较小，装调较为复杂[6-12]。本文采用的非对称式切尔尼-特纳系统不仅可避免二次和多次衍射，而且方便了反射镜的加工和装调，同时可保证系统的分辨率。使用 Zemax 软件进行光路设计并优化后得到整机体积为91mm×60mm×34.5mm 、波长范围为200~900nm 、分辨率为1.8nm 的微型光纤光谱仪。采用特征光谱定标法对光谱仪进行波长标定[13-14]， 通过三阶多项式拟合的方法实现电荷耦合元件(CCD)像素与波长的匹配，使最终实测误差控制在0.05nm 以内。
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微型光谱仪光学结构研究 作者：王晗， 李水峰， 刘秀英， WANG Han， LI Shui-feng， LIU Xiu-ying 作者单位：王晗,WANG Han(广东工业大学,实验教学部,广东,广州,510006;厦门大学,机电工程系,福建,厦门,361005)， 李水峰,LI Shui-feng(广东工业大学,实验教学部,广东,广州,510006)， 刘秀英,LIU Xiu-ying(广东工业大学,环境学院,广东,广州,510006) 刊名： 应用光学 英文刊名：JOURNAL OF APPLIED OPTICS 年，卷(期)：2008,29(2) 被引用次数：3次 参考文献(4条) 1.李全臣;蒋月娟光谱仪器原理 1999 2.鞠辉;吴一辉微型光谱仪的发展[期刊论文]-微纳电子技术 2003(01) 3.李宏光;吴宝宁;施浣芳一种小型光谱色彩分析仪的设计[期刊论文]-应用光学 2005(06) 4.史俊锋;惠梅;王东生光谱仪器的微型化及其应用[期刊论文]-光学技术 2003(01) 引证文献(3条) 1.温波.颜昌翔便携式分光测色仪光学设计[期刊论文]-应用光学 2011(1) 2.王婷婷.俞晓峰.顾海涛.马海斌.王健二维直读型ICP发射光谱技术发展状况综述[期刊论文]-光学仪器 2011(1) 3.胡天林.王磊.贺珊.林春.黄元庆基于USB总线的紫外分光光度计数据采集及传输系统设计[期刊论文]-厦门理工学院学报 2009(3) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/2b4361606.html,/Periodical_yygx200802015.aspx
海洋光纤光谱特有的信息 1.光谱仪的工作原理 CCD探测器型的海洋光学光谱仪的工作原理如动画展示。光通过光纤有效的耦合到光谱仪中，经球面镜将进入光谱仪中的发散光束会聚准直到衍射光栅上，衍射分光后又经第二面球面镜会聚聚焦，光谱像投射到线性CCD阵列上，数据信号经A/D转换传至计算机上。 光子撞击CCD像素上的光敏二极管后，这些反向偏置的二极管释放出与光通量成比例的电容器，当探测器积分时间结束，一系列开关关闭并传输电荷至移位寄存器中。当传输完成，开关打开并且与二极管关联的电容器又重新充电开始一个新的积分周期。同时，光能被累积，通过A/D转换数据被读出移位寄存器。数字化的数据最后显示在计算机上。 2.光学分辨率
单色光源的光学分辨率以半高全宽值（FWHM）来表征，它依赖于光栅刻槽密度(mm-1)及光学入瞳直径（光纤或狭缝）。海洋光纤光谱配置客户所要求的系统时，必须平衡两个重要的因素： 1) 光栅刻槽密度增加，分辨率增大，但光谱范围及信号强度会减小。 2) 狭缝宽度或光纤直径变窄，分辨率增大，但信号强度会减小。 如何估算光学分辨率（nm,FWHM） 2. 1. 确定光栅光谱范围，找到光栅的光谱范围通过： 选择光栅：“S”光学平台；选择光栅：“HR”光学平台；选择光栅：“NIR”光学平台。（有想详细了解的，烦请光纤专家予以解释） 2. 2. 光栅光谱范围除以探测器像元数，结果为Dispersion。Dispersion (nm/pixel) = 光谱范围/像元数 探测器像元素见图2
3.像素分辨率 下表列出了不同狭缝（或光纤直径）尺寸下的像素分辨率。尽管狭缝入射宽度不同，但高度一致（1000um）。有想深入了解的版友直接向专家提问。 4.计算光学分辨率（nm） Dispersion (Step 2) x Pixel Resolution (Step 3) 举例：确定光学分辨率，光谱仪型号：USB4000,光栅型号：#3，狭缝宽度：10um 650nm(#3光栅光谱范围)/3648（USB4000探测器像元数）X5.6(像素分辨率)=0.18X5.6nm=1.0nm(FWHM) 5.海洋光纤光谱仪的系统灵敏度 海洋光纤光谱仪对系统灵敏度的定义打破常规，不需要对影响光谱幅度的各种因素进行校正。他们提供一种更有用的方法：NIST-traceable 辐射标准（LS-1-CAL），它可以用能量项来标准化光谱数据。在他们的SpectraSuite操作软件中，可以使用“I”模式下相对能量分布（0到1）或绝对值（以 W/cm2/nm或流明或勒克斯/单位面积为单位）来标准化光谱数据。对透射或反射实验，可以使一个物理标准来标准化（归一化）数据如利用空气中的传播或漫射白板来确定。 6.海洋光纤光谱解决影响光谱幅度值的因素
光谱仪的微小型化 光谱仪的微小型化 引言 微光学、微电子、微机械的结合产生出一类新的应用范围很广的器件——微型光机电系统(MOEMS)，它也是机、电、光、磁、化学、传感技术等多种技术的综合。MOEMS日益成为新的光学工具，已经对许多基于光学的仪器显示出应用前景。作为MOEMS的一种，微型光谱分析仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光谱仪一样微型光谱仪有着巨大的应用市场，可以应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣。微型光谱仪的实现可以应用多种技术，目前常用的方法包括：采用新型滤光技术制作微型光谱仪；利用光纤的化学传感性制成光纤探针进行光谱分析；使用微细加工制作集成式微型光谱仪等。 2采用新型滤光技术的微型光谱仪 声光可调滤光片(AOTF)是一种微型窄带可调滤光片，是光谱仪微型化的一个发展方向，它通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长，而通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。它的分辨率很高，目前可以达到0.0125nm，没有可动部件，波长调节速度快、灵活性高。
美国Brimrose公司和Jet Propulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的'反射型近红外微型光谱仪主要造用于航天领域，使用发光二极管(LED)阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，该光谱仪重量<250克，尺寸小 9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波长/秒)，高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。美国Hughes Santa Mara研究中心研制的线性楔形光谱仪(专利产品)，是由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成，可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片，滤光片与两维检测器紧临，这样根据滤光片在不同位置的带通，每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量，所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制，还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布在可见光和近红外区(从400nm到1030nm)。该光谱仪在实验中还获得了线性色散率，色散率与点带宽无关，而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。 3利用光纤制作的微型光谱仪 光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等来加以分辨，真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计，达到复杂混合物中特定分析对象的检测，这对电传感器和声传感器而言是望尘莫及
光纤光谱仪 光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术。光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域。 上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器（例如CCD，光电二极管阵列）制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。微型光纤光谱仪使用了CCD(CCD光谱仪)和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。 光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度也非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价。 光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。 微型光纤光谱仪拥有广泛的配置选择，使其性能最大化以满足客户要求。如果这些配置不符合您的要求，我们可以根据您的要求为您量身定做。 光栅 光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。 对于光纤光谱仪而言，光谱范围通常在200nm-2200nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围；同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择3600线/mm的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。 狭缝 较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小；另一方面，较宽的狭缝可以增
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。 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 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，
Opto-Electronic Engineering
光 电 工 程
DOI: 10.12086/oee.2018.180228
Article
2018 年，第 45 卷，第 10 期
超高分辨力微型光谱仪的光学 系统设计
王贤俊，龙亚雪，郑海燕，郭汉明*
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
CCD
Cylindrical lens
Focusing mirror Grating Collimating mirror Silt
摘要：由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于 0.1 nm。而一些特殊应用 场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于 Zemax 光学设计软件，通过选择合适 的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及 CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力 高达 0.05 nm，尺寸为 90 mm×130 mm×40 mm 的 Czerny-Turner 结构微型光谱仪。在此基础上优化出 8 个光栅倾斜 角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于 0.05 nm 的同时，波段范围达到了 820 nm～980 nm。所设计的光谱仪具有超高 的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。 关键词：微型光谱仪；光谱分辨力；Czerny-Turner 结构；Zemax 中图分类号：TN202 文献标志码：A 引用格式： 王贤俊， 龙亚雪， 郑海燕， 等. 超高分辨力微型光谱仪的光学系统设计[J]. 光电工程， 2018， 45(10): 180228
Design of optical system of miniature spectrometer for ultrahigh-resolution
Wang Xianjun, Long Yaxue, Zheng Haiyan, Guo Hanming*
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China Abstract: Because of the size limit of the spectrometer, the resolution of the micro-spectrometer is usually difficultly less than 0.1 nm when it meets certain spectral range. While some special applications require that the spectrometer not only has small size, but also requires extremely high spectral resolution. We used Zemax (optical design software) to choose the initial structure parameters and evaluation function to automatically optimize angle and distance of focus lens, cylindrical lens and CCD to design an optical system of spectrometer of Czerny-Turner structure. Its resolution is better than 0.05 nm, and the volume of the system is 90 mm×130 mm×40 mm. On this basis, eight grating slanting angles were optimized, and the spectral resolution of the micro-spectrometer is better than 0.05 nm, while the band range reaches 820 nm～980 nm. So the spectrometer has the characteristics of high resolution, wide spectrum and small volume. Keywords: micro-spectrometer; resolution; Czerny-Turner structure; Zemax Citation: Wang X J, Long Y X, Zheng H Y, et al. Design of optical system of miniature spectrometer for ultrahigh-resolution[J]. Opto-Electronic Engineering, 2018, 45(10): 180228
—————————————————— 收稿日期：2018-04-26； 收到修改稿日期：2018-07-03 基金项目：国家重点研发计划(2016YFF0101603) 作者简介：王贤俊(1993-)，男，硕士研究生，主要从事光学设计的研究。E-mail：wangxianjunjiayou@https://www.doczj.com/doc/2b4361606.html, 通信作者：郭汉明(1977-)，男，博士，教授，主要从事超分辨率光学显微成像和光谱技术的研究。E-mail：hmguo@https://www.doczj.com/doc/2b4361606.html, 180228-1
第３ ２卷，第７期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．７，ｐｐ ２００９－２０１４２ ０ １ ２年７月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｊｕｌｙ ，２０１２ 基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验 魏康林１，２，３，温志渝１，２，３＊，郭 建１，２，３，陈松柏１，２，３ １．国家级微纳系统与新材料技术国际联合研究中心，重庆 ４０００４４ ２．重庆大学新型微纳器件与系统国家重点学科实验室，重庆 ４０００４４３．重庆大学微系统研究中心，重庆 ４ ０００４４摘 要 针对水资源环境监测与保护的需求，提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统，系统主要由ＭＯＥＭＳ微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成，具 有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构，研制出了原理样机，经实验测试验证，研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测，满足水质多参数在线监测的应用技术要求，同时具有很大的功能扩展性。关键词 水质检测；微系统；多参数；微型光谱仪 中图分类号：Ｘ８５３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０７－２００９－０６ 收稿日期：２０１１－０８－１５，修订日期：２０１１－１１－ ２０ 基金项目：科技部国际科技合作项目（ ２００７ＤＦＣ０００４０）和国家（８６３计划）项目（２００７ＡＡ０４２１０１）资助 作者简介：魏康林，１９７６年生，重庆大学新型微纳器件与系统国家重点学科实验室博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｙ ｕａｎｗｅｉ＠１６３．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｗｚｙ＠ｃｑ ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ引 言 微光谱分析系统在水质监测领域的应用和基于光谱分析 的多参数水质监测是现代水质监测科学技术的重要发展方向之一［１－ ３］，具有多功能系统集成和多参数快速的技术优 势 ［４，５］ ，是目前国内外水质监测技术领域的研究热点和重要 发展趋势 ［６－ ８］。目前国内现有的水质监测仪器大都设计复杂， 检测参数单一，在系统功耗、体积、多功能扩展和多参数检测方面或多或少存在一定的技术不足，为此，提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统，完成了系统原理样机的设计与装调，具有自动进样、搅拌、恒温、清洗和光谱检测的功能，经与国家标准分析方法对比测试，所研制的多参数水质检测微系统原理样机能够实现对六价铬、铅、总酚、阴离子表面活性剂（ａｎｉｏｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ，ＡＳ）、化学需氧量（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｍａｎｄ，ＣＯＤ）、氨氮、总磷等多个水质参数的快速在线检测，满足水质多参数在线监测的应用技术要求，同时具有很大的功能扩展性。 １ 系统设计 １．１ 系统结构 根据朗伯－比尔光谱检测定律，所设计的多参数水质监 测微系统主要由基于微型光谱仪的光学检测系统、基于微电 子多位阀与微型精密蠕动泵的多参数顺序检测流路系统以及嵌入式测控系统组成（图１）。多参数顺序检测流路系统具有多试剂和样品间的流路切换和精确进样、进试剂的功能，被 测水样与待测水质参数对应的检测试剂通过流路系统进入多功能微小型样品反应检测室，经在线前处理（萃取、消解、显色）后，再对样品反应体系进行光谱检测，最后把光谱仪的输出数据送入嵌入式测量系统分析处理，从而获取水样中的被测水质参数的浓度信息。完成一个水质参数的检测后，系统自动清洗流路和样品反应检测室，然后进行下一个水质参数的检测，即多参数顺序进样、顺序检测。 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ
便携式光谱仪 便携式光谱仪广泛应用于冶金、铸造、机械、金属加工、汽车制造、有色、航空航天、兵器、化工等领域的生产过程控制，中心实验室成品检验等，可用于Fe、Al、Cu、Ni、Co、Mg、Ti、Zn、Pb等多种金属及其合金样品分析。可对片状、块状以及棒状的固体样品中的非金属元素（C、P、S、B等）以及金属元素进行准确定量分析。 便携式光谱仪特点： -强大的电池功能以及模块化设计适合各种复杂环境的检测需要。 -外观紧凑，功能强大 -既可进行精度可媲美实验室光谱仪的定量分析，也可进行快速材料分拣 -独特的喷射电极技术，适应各种形状的样品分析 技术参数： 1.采用全新激发电路，无论是高频火花还是直流电弧模式测试结果均具有出色的精密度和准确度。 2.功能强大，三种分析模式可选：快速材料分捡、牌号鉴定以及精确定量分析。 3.优化的电源管理模式，强大的内置电池可提供24V的电压输出，无外接电源场所也可提供仪器工作数天所需电力。连接外接电源时，电池则自动切换到充电模式。 4.采用12.1英寸触摸屏操作，根据使用需要，可方便调节触摸屏角度。 5.模块化设计，主机部件体积小、重量轻、可拆卸，轻松面对一般光谱仪难以到达之场所。 6.多CCD检测系统，高达30,000条光路通道，满足所有标准物质牌号鉴定及化学元素检测所需。在紫外激发枪的帮助下，还可进一步检测P、S等紫外元素。 7.光学系统自动校正，无须人工操作，且校正过程后台自动运行，不影响正常操作，仪器无须预热，即开即用。 8.采用独特的喷射电极技术，适应各种复杂形状样品，即使面对细如1mm的线材也可在无任何夹具的情况下准确测定。 9.HPC高性能光导纤维，无饱和效应，无信号衰减，具有优异的传输性和稳定性，可以精确地测定痕量C及其它元素。
光谱仪的微小型化(1) 美国Brimrose公司和Jet Propulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的反射型近红外微型光谱仪主要造用于航天领域，使用发光二极管(LED)阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，该光谱仪重量<250克，尺寸小9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波长/秒)，高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。 美国Hughes Santa Mara研究中心研制的线性楔形光谱仪(专利产品)，是由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成，可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片，滤光片与两维检测器紧临，这样根据滤光片在不同位置的带通，每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量，所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制，还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布在可见光和近红外区(从400nm到1030nm)。该光谱仪在实验中还获得了线性色散率，色散率与点带宽无关，而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。 3利用光纤制作的微型光谱仪 光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等来加以分辨，真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计，达到复杂混合物中特定分析对象的检测，这对电传感器和声传感器而言是望尘莫及的。光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级，这样小巧的光纤探头可以直接插入那些非整直空间和无法采样的小空间(如活体组织、血管、细胞)中，对分析物进行连续检测。 Ocean Optics公司的Michael J.Morris等人研制一种紧凑级联光纤DIP探针微小光谱仪，该系统的设计是使用单股光纤以获得高分辨率光谱信息，对于决定液体的吸收、发射和散射，或测量pH或有毒金属浓度使用固定指示材料。光谱仪的模式限制光学设计得到很高的光通量，常规应用中可以使用50μm的光纤。 微型光纤光谱仪还有美国Stwen christesen等人研制的便携式光纤拉曼光谱仪，便携式光纤拉曼光谱仪可以对化学试剂鉴定盒进行非接触分析，它包括二极管激光器、中阶梯摄谱仪、电荷桐合器件(CCD)检测器和一个带有滤光涂层的光纤探针，这种光谱仪被用来分析密封玻璃容器中的化学试剂和其它有毒化学物。拉曼光谱是通过使用一个带有25m光纤的 Ei CRamanProbe探针获得的。探针输出功率在紫翠玉激光器下为80mW，而二极管激光器为137nW。这种微型拉曼光谱仪也可以用T单个活细胞的分析。 4集成微型光谱仪
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910183574.X (22)申请日 2019.03.12 (71)申请人 浙江工业大学 地址 310014 浙江省杭州市下城区朝晖六 区潮王路18号 (72)发明人 陈朋 韩洋洋 严宪泽 (74)专利代理机构 杭州斯可睿专利事务所有限 公司 33241 代理人 王利强 (51)Int.Cl. G01N 21/27(2006.01) (54)发明名称 一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方 法 (57)摘要 一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方 法，涉及光谱仪标定技术领域，解决了微型光谱 仪缺少一种简单、快速、精确标定的问题。所述方 法包括以下步骤：1)获取汞氩标准光源的光谱图 像；2)自动寻找极大值，提取标准定标光源的已 知特征谱线与谱线峰值对应的像素点并进行匹 配；3)利用最小二乘法将像素序号和所对应波长 进行多项式拟合；4)将拟合之后的多项式系数存 储到光谱仪中。本发明提供一种简单、快速、准确 地标定微型光谱仪的基于最小二乘法的微型光 谱仪标定方法。权利要求书3页 说明书5页 附图2页CN 110006829 A 2019.07.12 C N 110006829 A
1.一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 1)获取汞氩标准光源的光谱图像； 2)自动寻找极大值，提取标准定标光源的已知特征谱线与谱线峰值对应的像素点并进行匹配； 3)利用最小二乘法将像素序号和所对应波长进行多项式拟合； 4)将拟合之后的多项式系数存储到光谱仪中。 2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方法，其特征在于，所述步骤1)中，获取汞氩标准光源的光谱图像，包括如下步骤： 1.1)汞氩灯通过光纤连接微型光谱仪，微型光谱仪连接计算机； 1.2)用户通过微型光谱仪上位机软件调节微型光谱仪的积分时间，对照汞氩标准光源光谱图，获取一个合适的汞氩标准光源定标光谱图像。 3.根据权利要求1或2所述的一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方法，其特征在于：的过程如下： 2.1)提取标准定标光源的已知特征谱线与谱线峰值对应的像素点，首先用户需要设定一个阈值，阈值为光谱仪量程最大值的10％左右，上位机会根据p(n -1)≤p(n)≤p(n+1)找出标准定标光源的谱线峰值，此时找到的谱线峰值并不都是有效的，上位机会根据用户设定的阈值剔除掉一部分特征谱线； 2.2)标准定标光源的已知特征谱线峰值波长和对应的像素点进行匹配，用户对照定标光源的已知特征谱线峰值图，根据已知特征谱线峰值波长输入对应的像素点进行匹配。 4.根据权利要求1或2所述的一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方法，其特征在于：所述步骤3)中，利用最小二乘法将像素序号和所对应波长进行多项式拟合，包括以下步骤： 3.1)建立像素序号和对应波长的非齐次方程组 给定函数y＝f(x)，x 1，x 2，x 3…x n 为提取的像素序号，y 1，y 2，y 3…y n 为像素序号所对应的波长，为了拟合多项式p(x)＝a 0+a 1x+a 2x 2+…+a k x k ，按照偏差平方和最小的原则， 使得 其中，k为所拟合多项式的最高阶数，a 0,a 1,a 2…a k 为多项式所对应的系数； 3.2)求解拟合曲线多项式系数a 0,a 1,a 2......a k 的值 通过以上步骤即可算出多项式的系数，多项式拟合法的波长定标精度受到两个关键点的制约：一是拟合多项式的次数；二是参与拟合的波长和像素对的选取方法；多项式拟合采用5次多项式拟合，波长和像素对的选取要注意选取的特征值要尽量均匀的覆盖全部像素点，那么标定之后，任意x编号的像素和所对应波长λ关系如(8)所示： λ(x)＝a 0+a 1x+a 2x 2+a 3x 3+a 4x 4+a 5x 5 (8)。 5.根据权利要求4所述的一种基于最小二乘法的微型光谱仪标定方法，其特征在于：所述步骤3.1)中： 对等式(1)两边分别对a 0,a 1,a 2…a k 求偏导，得到k+1个等式，如(2)所示： 权 利 要 求 书1/3页2CN 110006829 A