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文档简介
摘要I摘要红外光谱仪是用于红外光谱测量与分析的检测仪器,广泛应用于石油化工、生物医学、食品安全和环境监测等领域。在这些应用中很多时候需要体积较小、方便移动的检测仪器用于现场分析。为了满足这一需求,众多科研机构和企业研制出了多种轻便、紧凑的红外光谱仪。它们中的大部分是通过缩小光学系统的尺寸实现仪器的小型化。这会使光学系统的通光孔径和有效焦距(或动镜移动的距离)都相应减小,导致光谱仪的性能明显下降。相比之下,基于平板波导技术的小型化方法,不仅能够有效地减小光学系统尺寸,而且不会导致光谱仪性能下降,同时系统中没有运动部件,很适合用于设计现场分析用途的小型红外光谱仪。现有的平板波导红外光谱仪中所用的核心部件为平板波导和柱面光栅,其加工难度大、制作成本高,限制了它们的推广。本论文提出了一种基于中空平板波导的红外光谱仪小型化方法,采用中空平板波导结构和平面光栅分光结构,降低了加工难度和制作成本。通过试验样机的研制和测试,证明了该小型化方法是有效和可行的,所设计的小型红外光谱仪性能能够满足现场分析应用的要求。本论文的主要研究工作有以下几个方面1光栅光谱仪理论研究。从光栅光谱仪的工作原理出发,分析了红外光谱仪中使用的红外辐射源和红外探测器的特性;进一步研究了平面衍射光栅的色散性能;根据光栅光谱仪的像差理论,深入分析了光谱带宽和分辨率的影响因素,为平板波导红外光谱仪的研制提供理论依据。2平板波导光谱仪光学系统设计。针对平板波导光谱仪的特点,将光学系统的设计分解为分光结构的设计和平板波导结构的设计。为使光谱仪结构尽量紧凑,分光结构采用像差和尺寸都比较小的交叉非对称CZERNYTURNER结构,对其像差进行了深入分析,理论推导出球差、慧差、像面弯曲的校正公式,并按照设计指标完成分光结构的设计。根据非成像光学设计理论,深入研究了平板波导结构的聚光特性,分析其对狭缝放大率、狭缝弯曲半径、光线反射次数等的影响,在此基础上实现了高聚光比、小尺寸中空平板波导结构的设计。在ZEMAX软件中,使用REF、PICKUP和ZPL功能建立完整的光学系统模型,确保优化时不会出现结构异常的光学系统;以探测器接收到的能量和RMSSPOTY为优化目标,通过优化得到光学效率最高、总体像差最小的光学系统;并对其摘要II进行了公差分析确保光学系统加工制造的可行性。3平板波导光谱仪样机研制。针对现场应用中轻便、抗振的要求,对光学系统进行了一体化设计。根据中空平板波导光谱仪的结构特点,精心设计了可拆卸、模块化的光学调整机构,以实现各光学元件的精确定位,并能在胶合工艺结束后顺利移除。设计了专门的机械装置,用于上、下平面反射镜的夹持与定位;设计了狭缝固定装置,实现了狭缝和柱面准直透镜的固定及狭缝的调整;采用11打印的光学图纸实现了柱面成像透镜及其它光学元件的粗定位;创造性地设计了两用调整装置,既可工作在柔性模式下用于柱面反射镜的调整,又可工作在刚性模式下用于平面光栅和探测器的调整。在此基础上,设计了胶合工艺流程,完成了所有光学元件的胶合。针对液体和薄膜的红外光谱检测需求,设计了平板波导光谱仪的衰减全反射附件。4平板波导光谱仪样机性能测试与分析。通过分析确立了平板波导光谱仪中光波长与探测器像元位置的线性关系,并采用双波长定标法对试验样机进行波长定标。在此基础上进行了光谱实测实验,测量了氨气和六氟化硫气体的透过率谱以及甲基硅油和磷酸三乙酯的衰减全反射谱,并与傅里叶变换红外光谱仪的测量结果进行了对比分析,验证了试验样机的性能。对样机的杂散光进行了分析,设计了光栅多次衍射杂散光的抑制装置,通过精心设计滤光片的参数和摆放位置,最大限度地抑制了光栅多次衍射杂散光,改善了样机的信噪比。结果表明平板波导光谱仪体积小、质量轻、性能高,能满足现场快速分析的应用需求。关键词小型红外光谱仪光学设计平板波导光栅多次衍射杂散光一体化设计ABSTRACTIIIABSTRACTINFRAREDSPECTROMETERISANINSTRUMENTFORMEASURINGANDANALYZINGINFRAREDSPECTRA,WHICHISWIDELYUSEDINPETROCHEMICAL,BIOMEDICINE,FOODSAFETYANDENVIRONMENTALMONITORINGTHESEAPPLICATIONSSOMETIMESNEEDSMALLANDPORTABLEINSTRUMENTFORONSITEANALYSISTOMEETTHISDEMAND,MANYRESEARCHINSTITUTIONSANDCOMPANIESHAVEDEVELOPEDAVARIETYOFLIGHTWEIGHTANDCOMPACTINFRAREDSPECTROMETERS,MOSTOFWHICHAREMINIATURIZEDBYREDUCINGTHESIZEOFOPTICALSYSTEMCORRESPONDINGLY,THEAPERTURESIZEANDTHEEFFECTIVEFOCALLENGTHORTHEMOVINGDISTANCEOFTHEMOVABLEMIRRORAREDECREASED,RESULTINGINSIGNIFICANTLYDECREASEDPERFORMANCEOFTHESPECTROMETERSBYCONTRAST,THEMINIATURIZATIONMETHODBASEDONPLANARWAVEGUIDETECHNOLOGYNOTONLYCANEFFECTIVELYREDUCETHESIZEOFTHEOPTICALSYSTEM,BUTALSOCANKEEPTHEPERFORMANCEOFTHESPECTROMETERUNCHANGEDTHISMETHODISSUITABLEFORDESIGNINGMINIATUREINFRAREDSPECTROMETERWITHNOMOVINGPARTSFORONSITEANALYSISTHECORECOMPONENTSOFTHEEXISTINGPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERAREPLANARWAVEGUIDEANDCYLINDRICALGRATING,WHICHAREDIFFICULTTOPROCESSANDHAVEHIGHCOSTTHESEDISADVANTAGESLIMITTHEUSINGOFTHESESPECTROMETERSTHISPAPERPRESENTSAMINIATURIZATIONMETHODOFINFRAREDSPECTROMETERBASEDONHOLLOWPLANARWAVEGUIDEANDPLANEGRATINGTOREDUCETHEPROCESSINGDIFFICULTYANDTHECOSTBYDEVELOPINGANDTESTINGTHEPROTOTYPEOFTHEPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETER,THEEFFECTIVITYANDFEASIBILITYOFTHISMETHODISPROVED,ANDTHEPERFORMANCEOFTHEPROTOTYPECANSATISFYTHEREQUIREMENTSOFFIELDAPPLICATIONSTHEMAINRESEARCHWORKOFTHISPAPERHASTHEFOLLOWINGPARTS1THEORETICALSTUDYOFGRATINGSPECTROMETERBASEDONTHEPRINCIPLEOFGRATINGSPECTROMETER,THEFEATURESOFINFRAREDRADIATIONANDINFRAREDDETECTORSUSEDININFRAREDSPECTROMETERAREANALYZEDTHEDISPERSIONPROPERTIESOFPLANEDIFFRACTIONGRATINGARESTUDIEDTHEFACTORSTHATINFLUENCETHESPECTRALBANDWIDTHANDRESOLUTIONAREDEEPLYANALYZEDACCORDINGTOTHEABERRATIONTHEORYOFGRATINGSPECTROMETERTHESEPROVIDEATHEORETICALBASISFORDEVELOPINGAPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETER2OPTICALDESIGNOFPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETER,THEDESIGNOFTHEOPTICALABSTRACTIVSYSTEMISDECOMPOSEDINTOTWOPARTS,PLANARWAVEGUIDESTRUCTUREANDDISPERSIVESTRUCTUREACROSSASYMMETRICCZERNYTURNERSTRUCTUREOFSMALLABERRATIONANDSIZEISCHOSENASTHEDISPERSIVESTRUCTURETOMAKETHESPECTROMETERCOMPACT,ANDTHECORRECTIONCONDITIONSOFSPHERICALABERRATION,COMA,FIELDCURVATUREAREDEDUCEDBASEDONINDEPTHANALYSISOFITSABERRATIONSTHENONIMAGINGOPTICALDESIGNTHEORYISUSEDTOSTUDYTHECONVERGINGCHARACTERISTICOFTHEPLANARWAVEGUIDESTRUCTURE,ANALYZEITSIMPACTONTHEMAGNIFICATIONOFSLIT,BENDINGRADIUSOFSLIT,THETIMESOFLIGHTREFLECTION,ANDCOMPLETETHEDESIGNOFAHIGHCONCENTRATIONRATIO,SMALLSIZEHOLLOWPLANARWAVEGUIDESTRUCTUREINZEMAXSOFTWARE,ACOMPLETEMODELOFTHEOPTICALSYSTEMISESTABLISHEDUSINGREF,PICKUPANDZPLFUNCTIONS,ENSURINGTHATNOABNORMALSTRUCTUREWOULDAPPEARWHENTHEOPTICALSYSTEMISOPTIMIZEDAGOODOPTICALSYSTEMWITHHIGHEFFICIENCYANDSMALLTOTALABERRATIONISOBTAINEDBYOPTIMIZINGTHEOPTICALSYSTEMFORMOREENERGYRECEIVEDANDSMALLERRMSSPOTYTOLERANCEANALYSISISCARRIEDOUTTOENSURETHEFEASIBILITYOFMANUFACTUREOFTHEOPTICALSYSTEM3PROTOTYPEDEVELOPMENTOFPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERTHEOPTICALSYSTEMISINTEGRATEDINORDERTOMEETTHELIGHTWEIGHTANDVIBRATIONREQUIREMENTSOFINSTRUMENTINFIELDAPPLICATIONSACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEHOLLOWPLANARWAVEGUIDESPECTROMETER,DETACHABLEANDMODULAROPTICALADJUSTMENTMECHANISMSAREDESIGNEDTOADJUSTTHEOPTICALELEMENTSTOBESTPRECISEPOSITIONTHESEADJUSTMENTMECHANISMSCANEASYDETACHAFTERGLUINGPROCESSASPECIALMACHINERYISDESIGNEDFORCLAMPINGANDPOSITIONINGTHEBOTTOMPLANEMIRRORANDTHECOVERPLANEMIRRORAMECHANISMISDESIGNEDFORFIXINGSLITANDCYLINDRICALCOLLIMATINGLENSANDADJUSTINGTHESLITA11PRINTEDOPTICALDRAWINGSISUSEDFORCOARSEPOSITIONINGOFCYLINDRICALIMAGINGLENSANDOTHEROPTICALELEMENTSATWOFUNCTIONADJUSTMENTDEVICEISDESIGNEDCREATIVELYTOADJUSTTHECYLINDRICALMIRRORINFLEXIBLEMODE,ANDADJUSTTHEPLANEGRATINGANDDETECTORINRIGIDMODEUSINGTHESPECIFICDESIGNEDGLUINGPROCESS,ALLOFTHEOPTICALELEMENTSAREBURLYGLUEDANATTENUATEDTOTALREFLECTIONACCESSORYOFPLANARWAVEGUIDESPECTROMETERISDESIGNEDTODETECTTHEINFRAREDSPECTRUMOFLIQUIDANDFILM4TESTANDANALYSISOFTHEPROTOTYPEOFPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERTHOUGHCALCULATING,THELINEARRELATIONSHIPBETWEENTHEPIXELLOCATIONANDWAVELENGTHINTHEPLANARWAVEGUIDESPECTROMETERISCONFIRMEDANDAWAVELENGTHCALIBRATIONMETHODOFDUALWAVELENGTHCALIBRATIONISIMPLEMENTEDAFTERWAVELENGTHCALIBRATION,SPECTRALMEASUREMENTEXPERIMENTSARECARRIEDOUT,WHICHINCLUDETRANSMISSIONSPECTRALMEASUREMENTOFTHEAMMONIAANDSULFURHEXAFLUORIDE,ANDATTENUATEDTOTALABSTRACTVREFLECTIONSPECTRALMEASUREMENTOFSIMETHICONEANDTRIETHYLPHOSPHATEBYCOMPARINGTHEMEASUREDRESULTSFROMTHEPROTOTYPEWITHTHERESULTSFROMFOURIERTRANSFORMINFRAREDSPECTROMETERS,THEPERFORMANCEOFTHEPROTOTYPEISVALIDATEDAFTERANALYZINGTHESTRAYLIGHTOFTHEPROTOTYPE,ASTRAYLIGHTSUPPRESSIONDEVICEFORSUPPRESSINGMULTIPLYDIFFRACTIONGRATINGISPROPOSED,WHICHCANIMPROVETHESNROFTHEPROTOTYPETHERESULTSSHOWTHATTHEPROTOTYPEOFPLANARWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERHASSMALLSIZE,LIGHTWEIGHTANDHIGHPERFORMANCE,WHICHCANMEETTHEREQUIREMENTSOFONSITERAPIDANALYSISKEYWORDSMINIATURESPECTROMETER,OPTICALDESIGN,PLANARWAVEGUIDE,MULTIPLYDIFFRACTEDLIGHT,INTEGRATEDDESIGN目录VII目录致谢I摘要IIIABSTRACTV目录IX第1章绪论111红外光谱技术112红外光谱仪简介2121色散型红外光谱仪3122傅里叶变换型红外光谱仪4123滤光型红外光谱仪器513小型红外光谱仪的发展与现状614平板波导压缩光束原理1115论文的研究内容及意义13第2章光栅光谱仪的相关理论1521光栅光谱仪的基本特性15211光栅光谱仪的基本组成15212光栅光谱仪的性能指标1622红外辐射源和红外探测器简介18221红外辐射源18222红外探测器1923平面衍射光栅22目录VIII231平面衍射光栅的特性22232闪耀光栅26233光栅方程的一般形式与谱线弯曲2924光学系统像差理论3225光谱带宽和分辨率37251光栅的影响38252狭缝宽度的影响39253光学系统像差的影响40254阵列探测器的影响41255其它因素的影响4226本章小结43第3章平板波导光谱仪光学系统设计4531平板波导光谱仪光学系统4532分光结构的设计49321CZERNYTURNER结构的像差校正50322关键元件的设计53323设计结果5533平板波导结构的设计56331平板波导结构的特性56332关键元件的设计60333设计结果6134光学系统整体优化6235光学系统的公差分析6536本章小结68第4章平板波导光谱仪样机研制69目录IX41光学系统一体化设计69411光学调整机构设计70412胶合工艺流程设计7442数据采集系统介绍7443整机设计7644衰减全反射附件的设计7745本章小结80第5章平板波导光谱仪样机性能评价8151波长定标原理与结果81511波长定标原理81512实验及数据处理83513波长定标结果8652气体透过率谱测量实验8853ATR光谱测量实验9054杂散光分析91541光栅多次衍射杂散光92542热辐射杂散光9955本章小结101第6章总结与展望10361论文工作总结10362论文工作的创新点10463展望104参考文献107在读期间发表的学术论文与申请专利情况115第1章绪论1第1章绪论红外光谱是分子的转动光谱和某些基团的振动光谱,可以用来确定物质分子结构和鉴别化合物。红外光谱具有测试迅速、操作方便、重复性好、灵敏度高、试样用量少、仪器结构简单等特点,广泛地应用于物理、化学、天文、气象、遥感、生物、医学等领域。本章首先介绍了红外光谱技术和红外光谱仪;然后针对红外光谱应用中仪器小型化的需求,深入调研了小型红外光谱仪的国内外发展与现状,在此基础上提出了基于平板波导技术的小型化方法;最后介绍了本论文的主要研究工作。11红外光谱技术红外光谱技术的研究开始于20世纪初期,自1940年商品化红外光谱仪问世以来,红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。20世纪初COBLENTZ已发表了100多种有机化合物的红外光谱图14,给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。到50年代末就已经积累了丰富的红外光谱数据。到70年代,在电子计算机蓬勃发展的基础上,傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术进入现代化学家的实验室,成为结构分析的重要工具514。近几十年来一些新技术(如发射光谱、光声光谱、色谱红外光谱联用等)的出现,使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展9,1522。图11红外光谱图当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。所以,红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用红外光谱仪记录下来,就得到红外光谱图,如图11所示。红外光谱图通常用波长()或波数(V)作为横坐标,表示吸收峰的位置,用透过率(T)或者吸光度(A)作为纵坐标,表示吸收强度。第1章绪论2通常将红外光谱分为三个波段近红外波段(133304000CM1)、中红外波段(4000400CM1)和远红外波段(40010CM1)19。一般说来,近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的;中红外光谱属于分子的基频振动光谱;远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外波段,因此中红外波段是研究和应用最多的区域,技术也最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。红外光谱具有高度的特征性9,15,19,红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点,可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关,可用于进行定量分析和纯度鉴定。利用红外光谱法鉴定物质时,通常采用比较法15,19,21,22,即与标准物质对照和查阅标准谱图的方法,但是该方法对于样品的要求较高并且依赖于谱图库的大小。如果在谱图库中无法检索到一致的谱图,则可以用人工解谱的方法进行分析,这就需要有大量的红外知识及经验积累。大多数化合物的红外谱图是复杂的,即便是有经验的专家,也不能保证从一张孤立的红外谱图上得到全部分子结构信息,如果需要确定分子结构信息,就要借助其他的分析测试手段,如核磁、质谱、紫外光谱等。尽管如此,红外谱图仍是提供官能团信息最方便快捷的方法。红外光谱技术对样品的适用性相当广泛,固态、液态或气态样品都能应用,无机、有机、高分子化合物都可检测。此外,红外光谱技术还具有测试迅速,操作方便,重复性好,灵敏度高,试样用量少,不破坏试样等特点,因此,它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具,广泛应用于石油化工、生物医学、食品安全、环境监测和遥感等领域510,16,23,24。12红外光谱仪简介红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性,进行分子结构和化学组成分析的仪器。根据分光装置的不同,可分为色散型、干涉型和滤光型23,2527。121色散型红外光谱仪色散型红外光谱仪的分光元件是棱镜或光栅。棱镜的分光原理是棱镜材料对不同波长光的折射率不同而实现光束分离的,如图12所示。一束复合光通过狭缝SLIT,经透镜C准直后入射到棱镜P上,经过棱镜两个表面的折射实现第1章绪论3不同波长光束的分离,再经过会聚透镜F会聚到探测D上。分光棱镜的理论分辨率为棱镜底边宽度和材料色散率的乘积,与棱镜的顶角无关。棱镜光谱仪不会产生光谱级次的叠加,即自由光谱范围与光谱测量范围一致,成本较低,但是由于棱镜光谱仪采用透射式光学系统,其工作范围受棱镜材料透过率、色散率和尺寸的影响,同时还会引入色差,影响成像质量。目前,主流商品化光谱仪很少使用棱镜作为分光元件,棱镜更多地用于配合其他类型的色散元件,完成预色散的功能。图12棱镜光谱仪工作原理图13光栅光谱仪工作原理光栅光谱仪以衍射光栅作为分光元件。光栅是由在平面或曲面上刻划的一系列刻痕所形成的元件,基于单光束衍射与多光束干涉而实现分光的,具有极高的性能和广泛的适用性。光栅光谱仪的工作原理如图13所示一束复合光穿过狭缝S,经准直镜C后变成平行光束入射到平面光栅G上,由于平面光栅G的色散作用使进入的复合光分解成多束单色光,从而形成空间光谱分离,再经过成像镜F按照波长顺序会聚于探测器D表面上。光栅的理论分辨率由光栅总的刻线数决定,衍射效率高。因此,光栅光谱仪相比于棱镜光谱仪具有光谱分辨率高和信噪比高等优点,且不易受温度、压力、色差等影响。目前国内对光栅的加工技术逐渐成熟,出现了平面刻划光栅、凹面全息光栅、阶梯光栅,使得光栅光谱仪的应用范围变得更广、通用性更强27。122傅里叶变换型红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪利用干涉图与光谱图之间的对应关系,通过测量干涉图并进行傅里叶积分变换复原出红外光谱28。傅里叶变换红外光谱仪工作原理如图14所示,一束复合光穿过狭缝S,经准直镜C后变成平行光束入射到分束器BS上,一部分光束被反射到固定平面镜M1上,另一部分光经过补偿板CP入射到可动平面镜M2上,两平面反射镜反射回的光束在BS上发生双光束干涉,干涉后的光通过成像镜F聚焦到探测器D上,通过对探测器D采集到的干涉图作傅里叶变换即可得到对应的光谱图。第1章绪论4图14傅里叶变换光谱仪工作原理傅里叶变换红外光谱仪具有测量精度高、光通量大、测量速度快和分辨率高等优点,但是由于高精度动镜驱动装置的存在导致仪器体积大、抗振性能差,不适合实时在线监测,也不适合在复杂环境中使用。123滤光型红外光谱仪器滤光型红外光谱仪器以滤光器件作为分光系统,可分为固定式滤光器和可调式滤光器两种形式2932。固定式滤光器光谱仪的工作原理如图15所示,线性可变滤光器LVF将复色光分离成各个波长的单色光,然后入射到探测器D上。固定式滤光器光谱仪结构简单,尺寸可以做得很小,但是光谱分辨率普遍不高。图15固定式滤光器光谱仪工作原理可调式滤光器的工作原理如图16所示,从S发出的复色光经过可调式滤光器VF后变为单色光,然后被透镜F会聚到探测器D上,通过T调节VF的透过波长可以扫描出一条光谱。可调式滤光器主要有声光可调滤光器(AOTF)和法布里珀罗(FP)可调滤光器两种。图16可调式滤光器工作原理其中声光可调滤光器由于性能优越,受到广泛的关注。声光可调滤光器是利用声光衍射原理制成的新型分光器件,与通常的光谱仪相比,采用声光可调滤光器分光技术的光谱仪不仅扫描速度快,而且不受外界环境如温度、湿度、灰尘等的影响,光学系统无移动性部件,波长切换快、重现性好,在近红外光谱分析中得到越来越广泛的应用。但是受材料限制,AOTF分光技术在中红外波段(尤其是热红外波段)的应用还不成熟。13小型红外光谱仪的发展与现状在红外光谱应用中很多时候需要体积较小、方便移动的仪器用于现场分析。为满足这一需求,众多科研机构和企业基于不同的技术研制出了多种轻便、紧第1章绪论5凑的红外光谱仪3151。这些仪器大的可以车载,小的可以手提甚至手持,统称为小型红外光谱仪。红外光谱仪的小型化趋势可以追溯到20世纪90年代。随着微机电系统(MEMS)的制造技术日趋成熟,涌现出大量各种类型的小型红外光谱仪。在红外光谱仪中,傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)占主导地位。因此要研制小型红外光谱仪,首先要考虑FTIR的小型化。实际上,实验室FTIR的分辨率可达到05CM1,而对于一些现场应用来说,并不需要很高的光谱分辨率,可以通过牺牲一部分分辨率性能来减小仪器的尺寸。HEWLETTPACKARD于1986年研制了第一款商业用途的小型FTIR48,其分辨率为4CM1,尺寸与当时的实验室FTIR相比则明显要小。SENSIR公司在2004年生产的衰减全反射傅立叶变换红外光谱仪(ATRFTIR)中同样应用了小型FTIR52。另外一个典型的小型FTIR则是D重庆大学,201434郑玉权小型OFFNER光谱成像系统的设计J光学精密工程,2005,06650735刘伟小型OFFNER凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析J中国光学与应用光学,2010,021576336高震宇,方伟,张浩等小型宽光谱太阳光谱仪光学设计J红外与激光工程,2015,02590537李明,高超,陈芳等一种小型光纤光谱仪的结构设计J光学与光电技术,2013,0295838史俊锋,惠梅,王东生等光谱仪的微型化及其应用J光学技术,2003,011362039夏果宽波段微型光谱仪设计优化及应用D浙江大学,201340孔鹏,唐玉国,巴音贺希格等双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪J光学学报,2013,01243041刘康微型光谱仪关键技术及其应用研究D浙江大学,201342程梁微型光谱仪系统的研究及其应用D浙江大学,200843KRUZELECKYRVHIGHPERFORMANCEMINIATURESPECTROMETERUSPATENT,7,034,935P/OL200642544KRUZELECKYRV,HADDADE,WONGB,ETALMINIATUREHIGHPERFORMANCEINFRAREDSPECTROMETERFORSPACEAPPLICATIONSPROCEEDINGSOFTHE5THINTERNATIONALCONFERENCEONSPACEOPTICS,F,2004C45CROCOMBERAMINIATUREOPTICALSPECTROMETERS,PARTIIICONVENTIONALANDLABORATORYNEARINFRAREDSPECTROMETERSJ2008,46CROCOMBERAMINIATUREOPTICALSPECTROMETERSFOLLOWTHEMONEYPARTIITHETELECOMMUNICATIONSBOOMJ2008,47CROCOMBERAMINIATUREOPTICALSPECTROMETERSTHEARTOFTHEPOSSIBLE,PARTIVNEWNEARINFRAREDTECHNOLOGIESANDSPECTROMETERSJ2009,48CROCOMBERAMINIATUREOPTICALSPECTROMETERSTHERESPLENTYOFROOMATTHEBOTTOMPARTI,BACKGROUNDANDMIDINFRAREDSPECTROMETERSTHEREARESTRAIGHTFORWARDMOTIVATIONSFORMINIATURIZINGANOPTICALSPECTROMETERIFANINSTRUMENTCANBEMADESMALLER,ITOFTENWILLALSOCONSUMELESSPOWER,ENABLINGITTOBEPORTABLEANDEVENTUALLYHANDHELD,WHICHALLOWSTHESPECTROMETERTOBETAKENTOTHESAMPLETHISARTICLEDESCRIBESVARIOUSMINIATURIZATION在读期间发表的学术论文与申请专利情况81TECHNIQUESANDFOCUSESONTHEMIDINFRAREDSUBSEQUENTARTICLESWILLEXAMINENEARINFRARED,UVVIS,ANDRAMANSPECTROMETERSJSPECTROSCOPY,2008,2313849HENNINGPF,CHADHAS,DAMRENR,ETALMINIATURIZEDSPECTROMETERFORSTANDOFFCHEMICALDETECTIONPROCEEDINGSOFTHEENVIRONMENTALANDINDUSTRIALSENSING,F,2002CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS50DALYJT,JOHNSONEA,BODKINWA,ETALRECENTADVANCESINMINIATURIZATIONOFINFRAREDSPECTROMETERSPROCEEDINGSOFTHESYMPOSIUMONINTEGRATEDOPTOELECTRONICS,F,2000CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS51WOLFFENBUTTELRFSTATEOFTHEARTININTEGRATEDOPTICALMICROSPECTROMETERSJINSTRUMENTATIONANDMEASUREMENT,IEEETRANSACTIONSON,2004,53119720252STINGDW,BURCHRV,REFFNERJA,ETALMIDINFRAREDSPECTROMETERATTACHMENTTOLIGHTMICROSCOPESMGOOGLEPATENTS200453HOOKSJ,KAHLEABTHEMICROFOURIERTRANSFORMINTERFEROMETERFTIRANEWFIELDSPECTROMETERFORACQUISITIONOFINFRAREDDATAOFNATURALSURFACESJREMOTESENSINGOFENVIRONMENT,1996,5631728154WADSWORTHW,DYBWADJPRUGGEDHIGHSPEEDROTARYIMAGINGFOURIERTRANSFORMSPECTROMETERFORINDUSTRIALUSEPROCEEDINGSOFTHEENVIRONMENTALANDINDUSTRIALSENSING,F,2002CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS55OCEANOPTICSHR4000SPECTROMETERMHTTP/OCEANOPTICSCOM/WPCONTENT/UPLOADS/HR4000PDF56KRUZELECKYRV,WONGB,ZOUJ,ETALADVANCEDMEMSANDINTEGRATEDOPTICCOMPONENTSFORMULTIFUNCTIONALINTEGRATEDOPTICALMICROMACHINESPROCEEDINGSOFTHEMEMS,NANOANDSMARTSYSTEMS,2004ICMENS2004PROCEEDINGS2004INTERNATIONALCONFERENCEON,F,2004CIEEE57KRUZELECKYRV,ZOUJ,WONGB,ETALADVANCEDMICROPHOTONICANDMEMSTECHNOLOGIESFORTHEMEOSMICROSATELLITEEARTHOBSERVATIONMISSIONPROCEEDINGSOFTHEMEMS,NANOANDSMARTSYSTEMS,2005PROCEEDINGS2005INTERNATIONALCONFERENCEON,F,2005CIEEE58GARRIGUESM,LECLERCQJ,GILSOBRAQUESR,ETALANINDIUMPHOSPHIDEBASEDNEARINFRAREDMOEMSMICROSPECTROMETERFORAGRIFOODANDENVIRONMENTALMONITORINGPROCEEDINGSOFTHEMOEMSANDMINIATURIZEDSYSTEMSVI,JANUARY24,2007JANUARY25,2007,SANJOSE,CA,UNITEDSTATES,F,2007CSPIE59ANTOSZEWSKIJ,WINCHESTERKJ,NGUYENT,ETALMATERIALSANDPROCESSESFORMEMSBASEDINFRAREDMICROSPECTROMETERINTEGRATEDONHGCDTEDETECTORJIEEEJOURNALONSELECTEDTOPICSINQUANTUMELECTRONICS,2008CHULERLP,MILNEJS,DELLJM,ETALMEMSBASEDMICROSPECTROMETERTECHNOLOGIESFORNIRANDMIRWAVELENGTHSJJOURNALOFPHYSICSDAPPLIEDPHYSICS,2009,421361MUSCACA,ANTOSZEWSKIJ,KEATINGAJ,ETALMEMSBASEDMICROSPECTROMETERSFORINFRAREDSENSINGPROCEEDINGSOFTHE2007IEEE/LEOSINTERNATIONALCONFERENCEONOPTICALMEMSANDNANOPHOTONICS,OMENS,AUGUST12,2007AUGUST16,2007,HUALIEN,TAIWAN,F,2007CINSTOFELECANDELECENGCOMPUTERSOCIETY62WOLFFENBUTTELRFMEMSBASEDOPTICALMINIANDMICROSPECTROMETERSFORTHEVISIBLEANDINFRAREDSPECTRALRANGEJJOURNALOFMICROMECHANICSANDMICROENGINEERING,2005,在读期间发表的学术论文与申请专利情况82157S145S5263EBERMANNM,NEUMANNN,HILLERK,ETALRECENTADVANCESINEXPANDINGTHESPECTRALRANGEOFMEMSFABRYPEROTFILTERSPROCEEDINGSOFTHEMOEMSANDMINIATURIZEDSYSTEMSIX,JANUARY25,2010JANUARY27,2010,SANFRANCISCO,CA,UNITEDSTATES,F,2010CSPIE64EBERMANNM,NEUMANNN,HILLERK,ETALWIDELYTUNABLEFABRYPEROTFILTERBASEDMWIRANDLWIRMICROSPECTROMETERSPROCEEDINGSOFTHENEXTGENERATIONSPECTROSCOPICTECHNOLOGIESV,APRIL23,2012APRIL24,2012,BALTIMORE,MD,UNITEDSTATES,F,2012CSPIE65黄晓,温志渝,廖海洋等基于微型光谱仪的微型生化检测仪检测系统设计与实验J光电技术应用,2013,02677066鞠挥,吴一辉微型光谱仪的发展J微纳电子技术,2003,0130767KRAFTM,KENDAA,SANDNERT,ETALMEMSBASEDCOMPACTFTSPECTROMETERSAPLATFORMFORSPECTROSCOPICMIDINFRAREDSENSORSPROCEEDINGSOFTHESENSORS,2008IEEE,F,2008CIEEE68KRAFTM,KENDAA,FRANKA,ETALSINGLEDETECTORMICROELECTROMECHANICALSCANNINGGRATINGSPECTROMETERJANALYTICALANDBIOANALYTICALCHEMISTRY,2006,386512596669DEUTSCHER,REYESD,SCHILDKRAUTER,ETALHIGHRESOLUTIONMINIATUREFTIRSPECTROMETERENABLEDBYALARGELINEARTRAVELMEMSPOPUPMIRRORPROCEEDINGSOFTHESPIEDEFENSE,SECURITY,ANDSENSING,F,2009CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS70REYESD,SCHILDKRAUTE,KIMJ,ETALANOVELMETHODOFCREATINGASURFACEMICROMACHINED3DOPTICALASSEMBLYFORMEMSBASEDMINIATURIZEDFTIRSPECTROMETERSPROCEEDINGSOFTHEMOEMSMEMS2008MICROANDNANOFABRICATION,F,2008CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS71SCHILDKRAUTER,REYESD,CAVICCHIODJ,ETALDTICDOCUMENT,200472BLOMBERGM,RUSANENO,KERANENK,ETALASILICONMICROSYSTEMMINIATURISEDINFRAREDSPECTROMETERPROCEEDINGSOFTHESOLIDSTATESENSORSANDACTUATORS,1997TRANSDUCERS97CHICAGO,1997INTERNATIONALCONFERENCEON,F,1997CIEEE73KERANENK,KARIOJAP,RUSANENO,ETALELECTRICALLYTUNEABLENIRSPECTROMETERJMICROOPTICALTECHNOLOGIESFORMEASUREMENT,SENSORS,ANDMICROSYSTEMSIIANDOPTICALFIBERSENSORTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS,1997,181874KONGSH,WIJNGAARDSDDL,WOLFFENBUTTELRFINFRAREDMICROSPECTROMETERBASEDONADIFFRACTIONGRATINGJSENSORSANDACTUATORS,APHYSICAL,2001,9213889575LABAWCCINTEGRATEDFILTERANDDETECTORARRAYFORSPECTRALIMAGINGMGOOGLEPATENTS199276CHADHAS,STEVENSONC,CURTISSLEHIGHTHROUGHPUTINFRAREDSPECTROMETERFORSTANDOFFCHEMICALDETECTIONPROCEEDINGSOFTHESOCIETYOFPHOTOOPTICALINSTRUMENTATIONENGINEERSSPIECONFERENCESERIES,F,1999C77CHADHAS,HENNINGP,LANDERSF,ETALWAVEGUIDEINFRAREDSPECTROMETERPLATFORMFORPOINTANDSTANDOFFCHEMICALSENSINGPROCEEDINGSOFTHEPROCOFSPIEVOL,F,2004C78DALYJT,BODKINA,GRODENMJ,ETALMONOLITHICINFRAREDSPECTROMETERAPPARATUSANDMETHODS200179RIDYARDA,SHREWSBURYDWAVEGUIDEFORRADIATIONDETECTIONSYSTEM1998在读期间发表的学术论文与申请专利情况8380SI,PICARDAF,LAROUCHEAC,ETALADDRESSABLEMICROSHUTTERARRAYFORAHIGHPERFORMANCEINFRAREDMINIATUREDISPERSIVESPECTROMETERPROCEEDINGSOFTHEPROCOFSPIEVOL,F,2009C81KRUZELECKYRV,WONGB,ZOUJ,ETALHADAMARDSPECTROMETERFORPASSIVELWIRSTANDOFFSURVEILLANCEPROCEEDINGSOFTHEPHOTONICSNORTH2007,F,2007CINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICSANDPHOTONICS82GMNHITHEINSIONMICROSPECTROMETERMHTTP/WWWINSIONDE/PRODUCTSHTML83成杰基于UVLIGA的光栅制备技术研究D南京航空航天大学,201384张永华,丁桂甫,彭军等LIGA相关技术及应用J传感器技术,2003,0360485周连群,吴一辉,张平等一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪J光学精密工程,2005,13663786王立鼎,吴一辉抓住机遇,推动我国微型机械的快速发展J中国机械工程,1999,102121287孔延梅,梁静秋,梁中翥等调制光谱仪的微型化研究进展
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