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微型近红外光谱仪系统的设计1微型近红外光谱仪系统有关理论1.1近红外光谱仪系统的工作原理近红外光谱是因为分子振动能级的跃迁(同时陪伴转动能级跃迁)而产生的。
近红外剖析技术是依照被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的汲取特征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 范围内分子的汲取辐射。
这与惯例的中红外光谱定义同样，汲取辐射致使原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动，中红外汲取光谱中包含有C-H 键、 C-C 键以及分子官能团的汲取带。
但是在NIR 丈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)产生的汲取频次谐波，并经常受含氢基团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，丈量的主假如含氢基团X-H 振动的倍频和合频汲取。
图 1.1 是近红外技术的剖析过程图，左边箭头是建模过程，右边箭头是检测过程。
图 1.1 近红外技术剖析过程图1.2 近红外光谱仪光学系统基本理论在近红外光谱剖析系统中，用于丈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中心。
1.2.1 色散原理色散系统是光谱剖析仪器中的重要构成部分，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预调制型。
空间色散型包含物质色散、多缝衍射和多光束干预；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，能够把光波当作在空间散布的标量电磁场，因为光波的颠簸性质，当光波经过拥有必定宽度狭缝时，会发生衍射现象。
假如光波同时经过两个相邻的狭缝时，由两狭缝发出的光波将在产生干预的同时还会遇到单缝衍射的调制。
由此类推，关于多缝衍射，能够以为多缝衍射光强是多光束干预光强被单缝衍射光重申制的结果，这就是衍射光栅的工作原理。
近红外光谱训练模型和预测模型的过程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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![基于微型近红外光谱仪的小麦粉品质在线检测系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/6efe182bd5bbfd0a78567324.png)
专利名称：基于微型近红外光谱仪的小麦粉品质在线检测系统专利类型：发明专利
发明人：刘冬阳,孙晓荣,刘翠玲,王赋腾
申请号：CN201810574594.5
申请日：20180606
公开号：CN108562555A
公开日：
20180921
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公布了针对微型近红外光谱设备进行二次开发的在线近红外光谱扫描和检测方法及其一体化系统，包括在线采集单元、控制和光谱建模分析单元，在线采集单元包括在线采集装置以及生产线模拟运行装置。
本发明根据小麦粉工厂生产线实际情况设计了一套在线采集模拟装置，并通过对近红外光谱小型仪器进行二次软件开发，通过网线传输，实现对采集到的样本进行样本预处理分析、建立校正模型并进行检测分析。
利用本发明提供的技术方案，用户可不受仪器提供的配套分析软件中固化模型的限制，在实际检测中，可根据检测对象的数据特点，主动构建合适的模型，并寻找确定最优参数，建立最佳模型，提高模型的检测精度。
本发明可实现小麦粉的在线无损检测分析。
申请人：北京工商大学
地址：100048 北京市海淀区阜成路33号
国籍：CN
代理机构：北京万象新悦知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：苏爱华
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第50卷第2期Vol.50No.22021年2月Feb.2021红外与激光工程Infrared and Laser EngineeringPrinciple and optimum analysis of small near-infrared spectrometersbased on digital micromirror deviceLiu Hongming1,3,Liu Yujuan1*,Song Ying1,Zhong Zhicheng1,Kong Lingsheng2,Liu Huaibin2(1.Key Laboratory of Geophysical Exploration Equipment,Ministry of Education,College of Instrumentation&Electrical Engineering,Jilin University,Changchun130021,China;2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130012,China;3.Tonghua Normal University,Tonghua134002,China)Abstract:The DMD small near-infrared spectroscopy instrument is widely used in chemical composition analysis and quality inspection for its advantages of fast detection speed,high sensitivity,no damage detection, and miniaturization of portable instruments.However,as the premise of instrument design,optical optimization design of the whole spectral range is the hard work of the system.In this paper,the theoretical design method of the spectroscopic imaging system based on the small near-infrared spectrometer of DMD was studied.The method was designed by using the double-dispensing anti-aberration lens and combining the geometric aberration theory to optimize the design of a small DMD near-infrared spectrometer to reduce the aberration of the entire system.Then,the optical simulation software was used to align the direct imaging system for optical simulation. And ultimately achieve the design simulation requirements.Simulation results indicate that the whole size of the spectrometer is less than150mm"50mm><150mm,and the resolution is better than15nm in the range of 1000・l700nm in the working band.Therefore,the proposed method can meet the design requirements and has broad application prospects in practical applications.Key words:near-infrared spectroscopy instrument;DMD;principle and optimum analysisCLC number:TH74Document code:A DOI:10.3788/IRLA20200427基于DMD的小型近红外光谱仪原理及优化分析刘宏明乜刘玉娟匚宋莹*仲志成*孔令胜2,刘怀宾$(1.吉林大学仪器科学与电气工程学院地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林长春130021；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130021；3.通化师范学院，吉林通化134002)摘要：数字微镜器件小型近红外光谱仪器具有检测速度快、灵敏度高、无损伤检测、仪器小型化等优点，广泛应用于化学成分分析和质量检测。
微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪张智海;莫祥霞;郭媛君;王伟【摘要】提出一种运用微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS)闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪.它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点.分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了 63阶阿达玛模版.实验得到的光谱波形与岛津光谱仪测量结果吻合.检测波长范围为900～1 500nm,分辨率为19nm,单次扣描时间2.4s,信噪比为44.67:1,光路尺寸为70 mm×130 mm,总体重量＜1kg,符合实时、便携的要求.%A new type micro Hadanard transform (HT) near-infrared (NIR) spectrometer is proposed in the present paper. It has a MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) blazed grating HT mask. It has merits of compactness, agility of dynamic mask generation and high scan speed. The structure and theory of this spectrometer are analyzed. The 63-order Hadarmard-S matrix and mask are designed. The mask is dynamically generated by program of MOEMS blazed gratings. The spectrum is in agreement with that measured by Shimadzu spectrometerin experiments. It has a wavelength range between 900 and 1 700 nm, spectral resolution of 19 nm, single scan time of 2.4 s, SNR of 44. 67 ： 1, optical path of 70 mm× 130 mm, and weight under 1 kg. It can meet the requirement of real time detection and portable application.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2011(031)007【总页数】5页(P1975-1979)【关键词】近红外光谱仪;阿达玛变换;微光机电系统;闪耀光栅【作者】张智海;莫祥霞;郭媛君;王伟【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TH744.1阿达玛变换(Hadamard transform,HT)是近30年来发展起来的类似于傅里叶变换的一种新型光谱调制技术,具有高信噪比、高光通量以及单检测器等优点,特别适用于微弱光谱测量[1,2]。
便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制一、本文概述拉曼光谱学作为一种重要的无损检测技术，已在化学、物理、生物、材料科学等领域展现出广泛的应用前景。
便携式拉曼光谱仪，作为一种新型的、可随身携带的分析工具，其便携性、快速性和准确性使得现场实时分析成为可能，对于现场检测、环境监测、食品安全等领域具有重要的应用价值。
本文旨在探讨便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制，通过对光学系统的深入研究与优化，以期提升便携式拉曼光谱仪的性能和实用性。
文章首先概述了拉曼光谱学的基本原理和便携式拉曼光谱仪的发展背景，阐述了便携式拉曼光谱仪在各个领域的应用价值。
接着，文章详细分析了便携式拉曼光谱仪光学系统的设计原则和技术要求，包括激光光源的选择、光学元件的匹配、光路的布局与优化等方面。
在研制过程中，我们注重光学系统的紧凑性和稳定性，通过合理的光路设计和精确的元件选型，实现了光学系统的高效、稳定运行。
文章还介绍了便携式拉曼光谱仪的实验验证与性能测试，包括光谱分辨率、信号稳定性、测量速度等关键指标的评价。
实验结果表明，本文设计的便携式拉曼光谱仪光学系统具有良好的性能表现，能够满足现场快速检测的需求。
文章总结了便携式拉曼光谱仪光学系统设计与研制的主要成果和经验，并对未来的发展方向进行了展望。
我们相信，随着光学技术和制造工艺的不断进步，便携式拉曼光谱仪将在更多领域发挥重要作用，为现场检测和实时监测提供有力支持。
二、拉曼光谱仪的基本原理拉曼光谱学是一种散射光谱学，其基本原理基于拉曼散射现象，这是一种非弹性散射过程，涉及到光与物质分子的相互作用。
当入射光照射到物质表面时，大部分光会被反射或折射，但还有一小部分光会与物质分子发生相互作用，导致光子的能量和方向发生改变，这种改变就是拉曼散射。
拉曼散射过程中，光子与物质分子发生能量交换，使得散射光的频率发生变化。
如果散射光的频率小于入射光的频率，那么这个过程被称为斯托克斯拉曼散射；反之，如果散射光的频率大于入射光的频率，那么这个过程被称为反斯托克斯拉曼散射。
专利名称：一种近红外显微系统专利类型：发明专利
发明人：毛鹏程,杨通
申请号：CN202111281643.4申请日：20211101
公开号：CN113984709A
公开日：
20220128
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种基于CMOS或CCD传感器相机的近红外显微成像系统，在相机选型、照明波长选取、成像滤光片选择、显微镜体积控制等方面做了原理设计并进行了实验验证，确定了适用于穿透硅片成像的近红外显微系统的构建方案。
通过对已封装芯片内部线路的显微检测验证了系统的成像效果，证明了系统可实现达衍射极限的1微米以内的光学分辨率；本发明中，应用高功率单色近红外LED照明，增加可穿透硅片光子数量的同时减少了无法穿透硅片的短波长照明光和相机不响应的长波长红外光对成像的干扰；成像系统中加入特定波段的长波通滤光片进一步压制硅片表面反射光对成像的干扰；相机选用近红外增强型CMOS或CCD传感器，在1100nm附近寻求尽可能高的量子效率。
申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京理工大学专利中心
代理人：李微微
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第29卷,第6期 光谱学与光谱分析Vol 129,No 16,pp1721217252009年6月 Spectroscopy and Spectral Analysis J une ,2009 近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟王玲芳,温志渝,向贤毅重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆大学微系统研究中心,重庆 400044摘 要 基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C 2T 结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。
采用ZEMAX 软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。
最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1700nm ,分辨率<10nm ,谱面展宽为12174mm ,F 数为81128388,系统体积为51126mm ×41181mm ×22mm 。
关键词 微型光谱仪;衍射光栅;交叉式Czerny 2Turner ;分光系统;成像系统中图分类号:O43811 文献标识码:A DOI :1013964/j 1issn 1100020593(2009)0621721205 收稿日期:2008205218,修订日期:2008208222 基金项目:国家科技部国际合作项目(2006DFA13510,2007DFC00040)和重庆市科技攻关计划项目(CSTC ,2006AB2006)资助 作者简介:王玲芳,女,1984年生,重庆大学微系统研究中心硕士研究生 e 2mail :crystal_angel @yeah 1net ;wanglin1226@1261com引 言 光谱分析仪器是现代科学实验、生物医学、食品安全、工农业生产、国防等领域[1]十分重要的检测分析设备,随着科学技术的发展和众多前沿学科的相互交叉、融合,对其微型化、集成化等性能提出了更高要求。
在可见光波段,光谱分析技术已基本发展成熟,而近红外光谱分析检测技术[2,3]正成为研究热点。
针对目前光谱仪器体积较大不便于携带的特点以及某些特殊领域所需的近红外微型光谱仪的要求,本文重点研究近红外微型光谱仪光学系统的设计与模拟,以确定相应的主要参数,是近红外微型光谱仪研究的关键核心技术之一。
1 理论依据111 基本原理[1]传统的光谱仪一般主要由三部分组成:光源和照明系统、分光系统以及接收系统,其系统结构及基本工作原理如图1所示。
光源通常是用来照射被测物质,经透射或反射后携带被测物质的光谱信息进入分光系统。
照明系统是用来尽可能多地汇聚携带光谱信息的光能量,并传递给仪器;分光系统是光谱仪的核心部分,包括准直、色散和成像系统。
准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成,由狭缝发出的光束经准直物镜后变成平行光束投向色散系统。
色散系统是利用色散元件(棱镜或光栅等)将入射的复合光分解成单色光。
成像系统将空间上色散开的各波长的光束汇聚在成像物镜的焦平面上,形成一系列的按波长排列的狭缝的单色像;接收系统将成像物镜焦平面上的光谱能量接收,并检测光谱的强度、波长位置,以光谱图或其他形式的数据输出。
Fig 11 Structure and principle f igure of the spectrometer 112 像差分析理论光学仪器的像差[2,4]可以分为单色像差和色差,在由反射元件组成的光谱仪器中只存在单色像差。
单色像差包括球差、彗差、像散、场曲和畸变,在此我们仅对系统影响的球差和彗差进行分析和校正。
球差的存在会使光谱线扩散,使边缘不清晰,会直接影响分辨力。
彗差对谱线轮廓的影响很严重,使光谱线单边扩散,一边清楚而另一边模糊,不仅降低仪器的分辨力,而且会使谱线轮廓的极大值发生位移,有时还会产生假谱线。
由以上分析可知,在设计光谱仪光学系统时,必须对其像差进行一定程度的校正。
2 系统设计211 总体设计思路根据光学设计理论、本系统微型化要求和经验[5],总体设计思路如图2所示。
Fig 12 Flow chart of the system design212 方案分析选择设计方案的选择与确定在整个光学系统设计与模拟中占据重要地位,方案选择的优与否不仅影响系统输出结果的质量,更关系光谱仪能否正常工作。
经过认真分析确定了满足条件的三种方案(如图3所示)。
方案一用一片凹球面反射镜,有利于减小系统的彗差,调整入射狭缝的曲率,可以消除水平对称式装置中的像散和谱面弯曲所引起的谱面增宽,但其主要缺点是存在二次衍射;方案二用一个凹面反射镜兼作准直物镜和聚焦成像物镜,入射狭缝和探测器都位于光栅主轴的同一侧,这种装置的结构简单、紧凑,但它仍未消除二次衍射;方案三减小或避免了二次衍射和多次衍射,工艺性和经济性都有很大改善。
但是整体结构不利于光谱仪的微小型化。
Fig 13 Flow chart of the system design choice 为了寻找一种适合于近红外微型光谱仪的光学系统结构,设计中选用了方案三(Czerny 2Turner 装置)并对其进行改进,形成折叠交叉C 2T 结构形式。
如改进方案所示。
该光路系统增加了系统的可变参量,可有效改善系统的慧差、成像质量、光强以及微结构尺寸;在有限空间,即可实现光学系统体积的减小,又方便了光学元件的安装与调试。
213 结构参数设计根据本近红外微型光谱仪波段范围(900～1700nm ),结合光学系统特点及设计要求进行具体光学元器件的结构参数设计。
结构参数的确定首先是设计元件及其参数的选取:光源选用卤钨灯,它是一种体积小、发光效率高、色温稳定、几乎无光衰、寿命长的光源,其光谱范围从可见到近红外,覆盖了所要求的900～1700nm 波段范围;准直和成像物镜均选择凹球面反射镜[6];光栅选择反射式平面衍射光栅,是有一系列等间距的平行刻线的反射镜面,设计中利用平面衍射光栅作为色散元件,色散参数中的分辨率对光栅常数确定的理论依据;探测器选用近红外光电探测器阵列。
初始参数确定后经ZEMAX 模拟优化,直至结果满足要求,其中入射狭缝选用光纤,直径为50μm ,其他元件参数设计如表1所示。
T able 1 Design table of the structure parameters 元器件Radius ThicknessSemi 2diameterOt hers 入射狭缝--25μm -准直物镜120488-光栅Infinity 488-成像物镜1205111-探测器Infinity--谱面展宽:1218mm2271光谱学与光谱分析 第29卷3 系统模拟与结果校正311 ZEMAX 中系统模拟参数设置系统模拟参数设置除了入射狭缝、两个凹球面反射镜、平面衍射光栅和近红外探测器[7]外,其他重要参数设计如表2中所示,探测器选用256元的In G aAs 近红外探测器阵列,覆盖900～1700nm 的光谱范围。
另外光栅常数的确定除借鉴成功光学设计经验外,需根据设计要求分辨率<15nm 和粗略计算,得光栅常数为300～1mm 。
其他参数如工作主波长分别为900,1300,1700nm ,系统孔径为018mm 。
312 模拟优化结果输出根据所设计的交叉C 2T 结构的光学系统及相关参数,在ZEMAX [8]中进行模拟,模拟输出结果如图4所示。
图5为优化函数设置及模拟运行窗口,其相应数据前节已有叙述。
优化时,以波长作为多重结构参数(900,1300和1700nm 三重)设置反射镜焦距、倾斜角等为变量,以RMS 为优化目标,根据要求取目标值50μm ,来约束焦距、元件坐标和倾斜角在一定范围内变化,使系统满足要求。
优化完成后对像质进行评价,如不满足要求则重复优化操作步骤。
T able 2 Design table of the simulation parameters 坐标转换序号Decenter Y/mmTilt About X/degree1030230-2038334-1135101543271第6期 光谱学与光谱分析313 结果分析 图6中所示为设计结果分析图,4图依次为点列图、光谱线性度曲线图、光线像差图和调制传递函数图。
从点列图中可以看出像点规则且集中,说明在优化环节球差校正较好,能量比较集中。
另外,从图中两端坐标之差可计算光谱面展宽为12174mm和标准谱面展宽1218mm基本吻合;从光谱线性度曲线可以看出,在900～1700nm波段,曲线线性度很好,满足谱面平直度要求;光线像差图中曲线基本关于EY和EX对称分布,球差和彗差校正满足要求;理论上,凹面反射镜的反射率一般在95%,平面光栅衍射效率为25%～40%左右,由此计算最低光能传递效率为η≈95%×95%×25%=2215%,而从系统传递函数图中可以看出,空间频率为5时,传递效率达到30%;ZEMAX系统数据及指令数据中,系统F数为81128388,系统体积为51126mm×41181mm×22mm(单位:mm),满足了系统微型化设计要求。
对于系统分辨率的验证,分别在900,1300,1700nm 附近取相隔10nm的5个波长点,并对系统对应的点列图进行分析模拟,结果输出如图7所示。
由瑞利判据可知,系统分辨率小于10nm,完全满足设计中的小于15nm的要求。
4 结 论 本文以近红外微型光谱仪的光谱范围、光谱分辨率和谱面宽度等技术指标为依据,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C2T结构的设计方案。
采用ZEMAX软件对微型近红外光谱仪的分光系统、成像系统进行了设计与模拟分析。
分析了该系统存在的像差、光强等问题,通过不断改进与优化,完成了设计研究任务。
最终模拟分析结果表明,该微光学系统的光谱范围、分辨率、F数、谱面展宽、体积等参数4271光谱学与光谱分析 第29卷指标良好。
作为项目研究的一部分,它的顺利完成加快了整个光谱仪的研制进程,并为相关工程应用提供重要参考数据。
参考文献[1] YAN Yan 2lu ,ZHAO Long 2lian ,HAN Dong 2hai ,et al (严衍禄,赵龙莲,韩东海,等).Foundation of Near Infrared Spect ral Analysis andIt s Application (近红外光谱分析基础与应用).Beijing :China Light Indust ry Press (北京:中国轻工业出版社),2005.[2] XU Guang 2tong ,YUAN Hong 2fu ,L U Wan 2zhen (徐广通,袁洪福,陆婉珍).Spectroscopy and Spectral Analysis (光谱学与光谱分析),2000,20(2):134.[3] WAN G Duo 2jia ,ZHOU Xiang 2yang ,J IN Tong 2ming ,et al (王多加,周向阳,金同铭,等).Spectroscopy and Spectral Analysis (光谱学与光谱分析),2004,24(4):447.[4] L I Jian 2hua (李建华).Talk about t he Met hod of Removing and Inducing t he Aberration (谈象差及其消除和减少的方法).Tangshan Col 2lege Journal (唐山师专学报),2003,22(2):3.[5] L I Lin ,AN Lian 2sheng (李 林,安连生).Computer Aided Optical Design Theory and Application (计算机辅助光学设计理论与应用).Beijing :Defense Industry Press (北京:国防工业出版社),2005.[6] L I Xi 2shan ,J IAN G Hai 2ying ,J IAN G An 2min (李锡善,蒋海英,蒋安民).Optical Journal (光学学报),1995,15(2):2.[7] YAN G Guang 2li ,FEN G Fei ,XION G Bin (杨广立,冯 飞,熊 斌).Optics and Precision Engineering (光学精密工程),2007,15(2):699.[8] Zemax Optical Design Program User ’s Guide.J anuary ,2006.Design and Simulation of the NIR Micro 2Spectrometer Optical SystemWAN G Ling 2fang ,WEN Zhi 2yu ,XIAN G Xian 2yiKey Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of Ministry of Education ,Microsystem Research Center ,Chongqing University ,Chongqing 400044,ChinaAbstract Based on the working principle of analyzing spectrometer and the theory of optical design ,to make the system minia 2ture ,and with a certain spectral range and resolution requirements as specific design objectives ,a cross 2C 2T micro 2structure based on a plane diff raction grating spectrophotometer of the near 2inf rared spectrometer was put forward ;ZEMAX was used for design and optimizing and simulating analysis of micro 2near 2inf rared spectrometer in the optical system.The result showed that the micro 2optical system ’s spectral range was 90021700nm ,resolution was <10nm ,spectrum broadening was 12174mm ,F number was 81128388,and the system volume was 51126mm ×41181mm ×22mm ,and these all satisfy the requirements.It solved the micromation of the optical system of the spectrometer ,and therefore ,contributed to the micromation of the spectrom 2eter itself.K eyw ords Micro 2spectrometer ;Plate diff raction grating ;Cross Czerny 2Turner ;Spectrophotometer system ;Imaging system(Received May 18,2008;accepted Aug.22,2008) 5271第6期 光谱学与光谱分析。
