（机械电子工程专业论文）用于生化分析的小型光谱仪的研发.pdf

摘要 摘要 本论文在国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 2 0 8 ，5 1 0 7 5 3 7 2 ) 资助下，对光谱仪的光 学系统和数据采集系统进行了仿真与实验研究，并取得了一些创新性成果，得 到了一些有价值的结论。本论文的主要研究内容如下： 第一章，论述了本课题提出的意义；讨论了光谱分析仪的发展及其在国内 外的研究现状；提出了本课题的研究内容和创新点。 第二章，分析了e b e r t f a s t i e 系统和c z e m y - t u m e r 系统的结构，通过比较和 改进得到更加实用和微型的光谱分析结构。通过计算得到光学系统的结构和初 始参数，并且使用光学软件o s l o 对其进行追迹和调整，最终得到满足要求的 系统结构，最后给出波长标定的方法。 第三章，针对传统c c d 驱动电路存在的不足，提出了一种线阵c c d 驱动 电路的设计方案。该方案运用c p l d 技术来设计产生c c d 图像传感器的驱动时 序，并用示波器对其信号进行采集。仿真和实验结果表明，该驱动电路具有通 用性，对其程序稍作修改，就可以作为其他型号的c c d 驱动的设计，这在实际 应用中具有重要的参考价值。 第四章，选用m i c r o s o f t 公司提供的w i n d o w sd d k 和n u m e g a 公司提供的 d r i v e r s t u d i o ，对u s b 接口驱动程序进行开发。在开发u s b 设备驱动程序的时 候，根据所选择的e 压- i ，s b 芯片填写p i d 为0 x 2 0 1 0 ，v i d 为0 x 5 4 7 。选择i o 请求i r p 处理的方式，这里采用端点2 的h l 和o u t ，用b u l k 进行传输，并 且将其最大的传输值设为6 5 5 3 5 ，u s b 的包最大为6 4 个字节，这样设计是为 了不让p c 成为限制u s b 速率的瓶颈。 第五章，针对目前插卡式数据采集卡存在的拆卸不方便、体积较大以及传 统单片机控制采集速度低、非实时的问题，提出了一套基于e z u s b 高速传输 的数据采集系统。该系统主要包括软硬件的设计以及软硬件系统之间的调试， 其中软件系统主要是对u s b 接口芯片的固件程序和上位机应用程序进行了设 计。试验结果证明了该系统在一定条件下工作稳定可靠，使用灵活、方便。 第六章，对本文的工作进行了总结，并对下一步要进行的工作进行了展望。 关键词：光谱分析仪，e 弘u s b ，数据采集，线阵c c d ，c p l d ，光栅 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o ：5 0 7 7 5 2 0 8 ，51 0 7 5 3 7 2 ) t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h st h eo p t i c a ls y s t e ma n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h es p e c t r o m e t e rt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ， m a k e san u m b e ro fi n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t s ，a n do b t a i n ss o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，t h es u b j e c ti sp r o p o s e d ，a n di t ss i g n i f i c a n c ei sd i s c u s s e d t h e n t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a do f t h es p e c t r o m e t e r a tl a s tt h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n di n n o v a t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r e p r o p o s e d i nc h a p t e rt w o ，a n a l y s i s i n ga n dc o m p a r i n gt h ee b e r t - f a s t i ea n dc z e r n y - t u m e r s y s t e m s ，t h ec h a p t e ra c h i e v e st h e m o r em i n i s i z ea n du s e f u ls p e c t r u ma n a l y s i ss y s t e m i nb a s eo fc a l c u l a t i n gp a r a m e t e r s ，t h ec h a p t e ru s e ss o f t w a r eo s l ot ot r a c e sr a y sa n d r e g u l a t e ，a n df i n a l l ya c h i e v e st h eq u a l i f y i n gs y s t e m a tl a s t ，t h ew a v e l e n g t hi s d e m a r c a t e d i nc h a p t e rt h r e e ，b a s e do nt h ed e f i c i e n c yi nt h et r a d i t i o n a lc c d 嘶v i n gc i r c u i t ， e s p e c i a l l yi t i se a s yt ob ed i s t u r b e d ，s ot h a tt h es y s t e mw o r k su n s t e a d i l yw h e nt h e d r i v i n gc i r c u i tw o r k si nt h eh i l g hf r e q u e n c y , ad e s i g ns c h e m eo fl i n e a rc c dd r i v i n g c i r c u i ti sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e ds c h e m e ，c p l dt e c h n o l o g yi su s e dt od e s i g nt h e t i m i n g - d r i v e no fi m a g es e n s o r si l x 5 2 6 a s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g n e dd r i v ec i r c u i th a sag o o du n i v e r s a l i t y , s o m es l i g h tm o d i f i c a t i o n so f p r o c e d u r e sc a nd e s i g nt h eo t h e rt y p e so fc c dd r i v ec i r c u i t t h ew o r ko ft h i sp a p e r h a sg r e a tr e f e r e n c ev a l u et ot h ed e s i g no fc c d d r i v i n gc i r c u i t i nc h a p t e rf o u t h ed e v e l o p m e n to ft h eu s bd r i v e rs e l e c t st h ew i n d o w sd d k p r o v i d e db ym i c r o s o f tc o r p o r a t i o na n dd r i v e r s t u d i op r o v i d e db yn u m e g ac o r p o r a t i o n w h e nd e v e l o p m e n t i n gt h eu s bd e v i c ed r i v e , w es e tp i do x 2 0 10 ，v i d0 x 5 4 7 a c c o r d i n gt ot h es e l e c t e de z u s b w es e l e c tt h ep r o c e s s i n gm e t h o di r pf o ri o r e q u e s t ，u s ei na n do u to fe n d p o i n t2t ot r a n s m i s s i o nb yb u l k w es e tt h em a x i m u m t r a n s m i s s i o nv a l u e6 5 5 3 5 ，t h em a x i m u mu s bp a r c e l6 4b y t e s t h ea i mi sn o tt ol e t i i a b s t r a c t p cb et h el i m i t i n gr a t eo ft h eu s bb o t t l e n e c k i nc h a p t e rf i v e ，b a s e do nt h ed e f i c i e n c yi nt h ep l u g - t y p ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d c o n t r o l l e d b yt h e t r a d i t i o n a l s i n g l e - c h i pc o m p u t e r ( s c m ) ，i e i n c o n v e n i e n c e d i s a s s e m b l i n g , t h el a r g ev o l u m ea n dt h el o ws a m p l i n gs p e e da n dn o n r e a l - t i m e p r o c e s s i n g ，ah i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e dt h ee z u s bc h i pi sd e v e l o p e d t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e s o f t w a r em a i n l yd e s i g n st h ef i r m w a r eo ft h eu s bi n t e r f a c ec h i pa n dt h ep c a p p l i c a t i o n s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi sf l e x i b l e , s t a b l ea n dr e l i a b l e i nc h a p t e r s i x ，t h ec o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o n a r es u m m a r i z e d f u t u r e r e s e a r c ho fs p e c t r o m e t e ri sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：s p e c t r o m e t e r , e z - _ i7 s b ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l i n e a rc c d ，c p l d ， g r a t i n g i i i 1 绪论 l 绪论 1 1 本课题的提出及其研究意义 光谱分析仪是一种用于测量发光体的辐射光谱。根据现代光谱仪的工作原 理，光谱分析仪分为经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散原 理上的仪器，都是狭缝光谱仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，是 非空间分光的，采用圆孔进光【1 1 。 光谱分析仪的研制是分析科学学科的重要内容之一。随着科学技术的不断 发展，微机电技术的产生，微光学器件的开发成功，光谱仪的微型化已经成为 可能。微型光谱仪的结构紧密，质量轻，体积小，探测速度快，性能稳定，可 以集成化，批量生产，最主要的是它的成本低，易于实现模块化。并且它还有 二次开发的性能，能够参照其微型光谱仪进一步研发其它的分析仪【2 1 。微型光谱 仪的发展非常迅速，在不久的将来有可能取代传统的光谱仪，但它也存在一些 缺点，最主要的问题是提高光谱分辨率，因为高的分辨率需要光谱分析仪的体 积大【引。随着现代计算机的飞速发展，使得人们格外重视仪器的软件配置。庞大 的分析仪很大一部分体积是为了实现计算的分析功能，这明显增大了仪器的体 积、成本，降低了仪器的灵活性。微型分析仪在不降低性能的情况下，用软件 来完善其功能，使得仪器本身的应用更加灵活多变，更具有弹性【4 1 。 我国近年来在微型、便携、超高速、超灵敏及高度自动化的光谱分析仪方 面的研究十分活跃【5 】。激光技术对于实现单原子、单分子分析，实时动态分析非 常的有效，而且在光谱分析中的应用也发展的相当迅速【6 】。随着基础化学、材料、 生命和环境科学研究的进一步开展，新的问题和现象也不断出现，对具有独特 功能的新仪器的创新要求将更加的紧迫【7 】。国内的多位学者强调分析仪研究的定 位应该是分析的基础研究的基础，而不是过去被许多人认为的应用基础研究。 因此，分析仪研究应该成为国家自然科学基金重点资助的基础研究方向。还有 一些学者认为，目前我国分析仪研究的落后状态很大程度上是因为定位不明确 造成的【8 】。我们没有强调过分析仪研究的基础研究性，在分析仪的原理方面缺乏 基础性的创新，从而导致我国主要是以仿造国外的分析仪为主。今后国家自然 科学基金委员会应该对分析仪基础性的研究加大支持力度，以使我国分析仪的 1 绪论 创新性研究取得突飞猛进的进展【9 1 。 目前计算机的接口一般使用串行口或者插卡式接口，使得数据采集的速度 较低，并且无法用于笔记本的移动工作【1 0 1 。微型光谱仪易于实现模块化，由于 采用光电耦合器件c c d 作为接收器件，因此可以进行实时及其多通道的分析， 操作更为简单，成本也大幅度的降低，具有非常重要的实际应用价值【1 1 1 。 针对现有的光谱分析仪体积大，操作费时，成本高，不便于实现家庭化、 乡村化及城镇化的问题，本文提出一种微型光谱分析仪的设计方法，这不仅可 以解决以上问题，而且还可以满足生化分析系统高效率的要求，从而大大提高 了光谱分析仪的性能，实现其便携化。 目前用于光谱分析的软件系统都有各自对应的硬件系统，而且不能进行改 动，因此适应实际工程需要的、拥有完备光谱分析功能的专用软件亟待开尉1 2 】。 1 2 光谱分析仪的国内外发展现状 光谱分析仪是研究、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律的光学仪 器。它应用光的色散原理、衍射原理或者光学调制原理，将不同频率的光辐射 按照一定的规律分解开，形成光谱，配合一系列光学、精密机械、电子和计算 机系统，实现对光辐射频率和强度的测定和研究【1 3 1 。小型光谱仪是相对于传统 光谱仪而言的，它是基于传统光谱仪器工作原理、以小型化设计思想为指导， 采用现代科学最新技术和器件开发的小型化光谱仪器【1 4 】。光谱仪的小型化可以 追溯到2 0 世纪9 0 年代初，随着科学技术在微电子、计算机硬件和软件、光学 元件、固态探测器等领域的突破性进展，从理论和物质上为光谱仪的微型化提 供了有利的条件和技术基础【1 5 1 。 光谱分析仪按其自动化程度分为全自动分析仪和半自动分析仪。全自动分 析仪虽然实现了多样本快速检测，但存在成本高、中小医院无力购买的现状， 而半自动化分析仪目前主要停留在手动混合阶副1 6 1 。随着生化分析技术、临床 诊断学、计算机技术、m e m s 技术、材料物理及微电子技术等发展，光谱分析 仪的发展也出现了新的变化趋势，如全自动分析仪更趋向于模块组合式，向全 实验室自动化( t l a ) 方向发展【r 7 1 ，在技术上采用生物传感器技术来代替目前 的比色测量方法，在功能上向全能型分析仪方向发展，同时分析仪也会采用一 些新技术向微小型化方向发展，在减小其体积的同时降低其成本，以使其进入 2 1 绪论 乡镇、社区、家庭及野外作业等【1 8 】。 经过多年发展，国外自动化分析仪在技术上已经趋向成熟。美国贝克曼 ( b e c k m a nc o u l t e r ) 、应用生物公司( a p p l i e db i o s y s t e m ) 、雅培( a b b o t t ) 、强 生( j o h n s o n & j o h n s o n ) 、h u d s o n 、g i l s o n 、日本日立( h i t a c h i ) 、荷兰s k a l a r 、 瑞士t e c a n 、哈美顿( h a m i l t o n ) 等众多公司推出各自种类齐全的自动化分析仪 引。纵观国外各公司仪器，基本上实现了采用多自由度机械臂协调各功能模块 之间动作，从而增加分析产量和速度，同时采用多种模式的不同通道的液体处 理装置，以增加仪器的灵活性，满足多种不同生化分析需求【2 0 l 。上世纪9 0 年代 初，中国开始引进日本和德国的生化分析仪。2 0 0 0 年后合资企业才开始研制出 中、低档的全自动分析仪。由于产品的分析速率慢、精度低、自动化程度低、 可靠性差，国内众多科研院所已经开始自动分析仪的自主研发工作，如中科院 长春光机所在吉林省科技发展重点项目资源共资助下，采用凹面全息光栅作为 分光元件及流动比色池进行测量，首次实现了面向中小型基层医疗机构的自动 生化分析仪【2 i 】；中国海洋大学在国家8 6 3 项目支持下，进行了面向海洋监测技 术主题的船载型机电一体化自动化分析仪工作站。有些单位也已开始生产全自 动生化分析仪，如上海丰汇医用仪器有限公司、北京一证恒鼎医学科技发展有 限公司等。这不仅标志着我国医疗器械领域攻关技术又实现了一项重大突破， 同时也打破了国外发达国家对该产品的技术与市场的垄断【2 2 】。虽然国产与进口 产品在技术上的差距仍然明显，但是种种迹象表明：这种差距在某些领域正在 逐渐缩短，同时这种突破也渐渐得到市场的认刚2 3 1 。 较传统光谱仪相比，微型光谱仪面临的两个主要问题是微型化和集成化【2 4 1 。 早期的微型光谱仪系统多基于平面波导或集成型结构，大都解决了这两个问题， 但是仪器结构复杂、加工困难、成本很高，不利于大批量生产，所以此类仪器 大都没有实现商品化，仅停留在研究阶斟2 5 1 。m o e m s 技术、光电探测器技术 及先进加工技术的不断发展，进一步提高了光谱仪器的微型化和集成化程度， 进而出现了更多类型的微型化光谱仪器【2 6 1 。微型光谱仪与传统光谱仪的工作原 理是相同的，将光谱仪进行微型化主要有两种方法：第一，将各部分集成加工， 用一个或较少的元件来实现所有的功能；第二，采用微型化的元件和结构来实 现整体系统的微型化【2 7 】。 第一种方法多基于集成波导，是早期光谱仪微型化的突破点，也是目前该 领域研究的重点。第一台微型光谱仪是由g o l d m a n 等人研制的基于平面波导和 1 绪论 光栅分光的集成器件，但是该光谱仪的制作过程较复杂、成本高，不利于实现 商品化。随着光纤和半导体加工技术的发展，出现了新型的基于光纤与波导集 成的微型光栅光谱仪，该光谱仪在7 2 0 - - 9 0 0 n m 的波段内获得了比较好的光谱分 辨率，这是早期第一个商品化的微型光谱仪。对于调制变换式的光谱仪器，也 可以利用集成加工的思想完成系统的微型化。由m j p a d g e 戗等人提出的一种 结构紧凑的傅里叶光谱仪主要由两个偏振片、一个w o l l a s t o n 棱镜、成像透镜组 和阵列探测器构成。它用阵列探测器获取光谱信号的傅里叶变换，不像传统的傅 里叶光谱仪用机械装置对信号进行扫描，这使得光谱仪的结构比较紧凑，但是 光学元件较多，不利于集成。近年来，由瑞士n e l l c h a t e l 大学的微技术研究所研 制出的一种片状光栅集成傅里叶变换光谱仪，将会以低成本进入市场。该仪器 内置一个采用深度反应刻蚀法在绝缘体硅芯片上制作的静电梳状驱动器，来控 制反射镜的运动，分辨率和精度都很高【2 引。 综上可知，利用集成加工的方法能够较好的实现系统的微型化，达到较高 的仪器性能，并且已经出现了多种商品化的光谱仪。但是这类光谱仪对加工水 平要求较高，并且价格昂贵，限制了其市场化。 第二种方法基于元件的微型化，对传统系统结构进行空间优化，提高系统 的集成度，实现仪器的微型化。海洋光学的u s b 2 0 0 0 型号微型光谱仪是较为成 功的商品化产品，u s b 4 0 0 0 是其最新的改进型号，它的体积小，采用交叉非对 称式的c z e m y - t u r n e r 结构，工作波长范围为2 0 旺1 1 0 0 n m ，适用于多种波段的 光谱测量。该系统使用灵活方便、性能良好、扩展性强，具有很大的市场空间。 a v a n t e s 公司的微型光谱仪4 8 3 结构更为简单、性能良好，但是成本较高，不过 也是一种光谱仪微型化的解决方案。国内重庆大学光电工程学院于1 9 9 5 年提出 了一种基于平场凹而光栅的微型光谱仪研制方案，并于1 9 9 7 年通过系统试验验 证，获得了4 0 0 - - - 7 5 0 n m 波段的光谱【2 8 3 1 】【3 2 1 。 1 3 本课题的研究内容和创新点 本论文在国家自然科学基金：( 5 0 7 7 5 2 0 8 ，5 1 0 7 5 3 7 2 ) 资助下，通过对小型光 谱仪及其u s b 接口的研究，设计了一种光谱分析系统和一种基于u s b 2 0 接口 的数据采集系统。本论文所研究的主要内容如下： 第一章论述了本课题提出的意义，并对光谱分析仪的发展及其在国内外的 4 1 绪论 研究应用现状做了阐述，而且阐述了课题的研究内容和创新点。 第二章对光谱分析系统进行设计。首先分析了光谱分析系统的原理，介绍 了光谱分析系统各个组成部分的结构及其工作原理。然后分析了e b e n f a s t i e 系 统和c z c m y - t u m c r 系统结构，通过比较和改进得到更加实用和微型的光谱分析 结构。最后，通过计算初步得到光学系统的初步结构参数，并使用美国的o s l o 光学软件做出其仿真模型图，对光谱分析系统成像结果进行分析和评价，调整 相关参数和系统结构布局，初步得到相对优化的光学系统，并给出了波长标定 的方法。在光谱系统的设计中，充分利用了先进的光学软件o s l o ，使之更加合 理，也基于此，该光谱系统具有普遍的实用性和科学性。 第三章c c d 驱动电路的设计及仿真。针对传统c c d 驱动电路存在的不足， 尤其是当驱动电路工作在较高频率时易产生严重干扰，系统工作不稳定，提出 了一种线阵c c d 驱动电路的设计方案，运用c p l d 技术来设计产生c c d 图像 传感器的驱动时序，用示波器对其仿真信号进行采集，并将采集到的信号放大 后和仿真信号进行对比，r o g 脉冲信号的误差为1 7 ，s h u t 脉冲信号的误差 为2 5 ，这都是由于信号干扰所造成的，完全在允许的误差范围之内。仿真和 实验结果表明，c p l d 具有实用功能强、稳定性好的特点，同时证明了该实验的 可行性，该驱动时序的设计方案完全正确，该驱动电路具有通用性，对其程序 稍作修改，就可以实现其他型号的c c d 驱动电路的设计，这对c c d 驱动电路 的设计具有相当重要的参考价值。 第四章u s b 接口驱动程序的开发。本驱动的开发选用w i n d o w sd d k 和 d r i v e r s t u d i o 。使用d r i v c r s t u d i o 可以快速地产生一个驱动程序，只需对例程进行 较小的改动就能够使用，因此利用d r i v c r s t u d i o 开发u s b 驱动能够大大加快开 发周期，提高开发效率。 第五章数据采集系统的研究与设计。针对目前数据采集卡存在体积较大， 采集速度较低的问题，本文提出了一套基于e z u s b 高速传输的数据采集系统。 其中硬件系统主要是对数据采集卡进行了制作，软件系统主要是对u s b 接口芯 片的固件程序，上位机应用程序以及u s b 驱动程序进行了设计。将编写的c c d 驱动程序下载到c p l d 中，并通过u s b 数据线将数据采集卡和电脑连接进行实 验。试验结果证明了该系统使用灵活，在一定条件下工作比较稳定可靠。 第六章对本文的工作进行了总结，并对下一步需要研究的问题进行了展 望。 1 绪论 本论文研究的创新点如下： 1 所设计的c c d 驱动电路具有通用性，对程序稍作修改，就可以实现其它 型号的c c d 驱动电路的设计，该设计方案对c c d 驱动电路的设计具有相当重要 的参考价值。 2 采用交叉非对称式c z e m y - - t u r n e r 系统作为该小型光谱仪光学系统的基 本结构，并采用光电检测元件c c d 作为小型光谱仪的光接收传感器，这可以大 幅度提高其探测灵敏度和减小其体积，实现其微型化，这对光谱仪进一步的研 究有非常重要的参考价值。 1 4 本章小结 1 论述了本课题的研究目的及其意义。 2 论述了光谱分析仪的国内外发展现状，微型光谱仪的优缺点，以及将光 谱仪进行微型化的两种主要方法。 3 提出了本课题的主要研究内容和创新点。 6 2 光谱分析系统设计 2 光谱分析系统设计 2 1 光谱分析系统的工作原理 光谱仪器通常是利用光学色三原理设计而成。根据现代光谱仪器的工作原 理将其分为两大类：一类是基于空间色散和干涉原理的经典光谱仪，另一类是 建立在调制原理上的干涉调制光谱仪【3 3 1 。 光谱仪器主要是由三部分组成的：光源和照明系统、色散( 分光) 系统以 及接受系统。色散系统的前后还应包括准直系统和成像系统【3 4 1 。 光源分为天然光源和人造光源，天然光源包括各种爆炸物和一些天体，而 人造光源则包括物体的火焰等。两者分别用来研究天体光谱和人造光谱，但其 目的都是为了发现对象中潜在的物质。还存在一种气体放电光源热辐射光源， 前者利用其发射的标准线状光谱，可以对光谱仪器进行标定；后者固体热辐射 的光源是连续的，其热辐射强度随着物体的温度而变化。 由于光栅、棱镜等色散元件应该工作在平行光下，因而在色散元件之前应 该有将光束变成平行光束的准直系统。色散后的光谱应该成像在接收像面上， 所以还要有成像系统。它的作用是将空间上色散开的各个波长的光束汇集在成 像物镜的焦平面上，形成一系列的按照波长排列的狭缝的单色像 3 5 】。 色散系统是光谱分析系统的核心，它的作用是将入射的复合光分解为光谱。 ( 1 ) 介绍色散原理和色散方程 衍射光栅从广泛来说，包括所有具有空间周期性的衍射屏。其工作原理如 图2 1 所示。 l 一： n i d i 1r l 图2 1 衍射光栅的工作原理 7 2 光谱分析系统设计 图2 1 中刻线间距d 称为光栅常数，光线l 和2 为入射的平行光，光线l ， 和2 为在光栅上发生的相应的衍射光。 平行光束射向平面光栅，在光栅的每条刻线处发生衍射，衍射光在物镜上 相聚集，并在焦平面上进行干涉。其色散方程如式( 2 1 ) 所示： d ( s i n f + s i n i ) = 觚( 2 1 ) 其中，d 表示光栅的周期，i 表示入射角，i 表示衍射角，九表示波长，k 表示衍 射级次。 ( 2 ) 角色散率和线色散率 在式( 2 1 ) 中假如i 不变，对其公式两端微分可得角色散率的表达式如式( 2 2 ) 所示： d fk 一= (22)d2dc o s 、。7 由式( 2 2 ) 可以看出，光栅的角色散率和光谱级次成正比，当i 较小的时候， 衍射角的变化和波长的变化成线性关系。 线色散率与角色散率和成像物镜的焦距之积成正比，它表示两条谱线在成 像面上的色散距离。其表达式如式( 2 3 ) 所示。 d l d f t kf t 一= 一一：= 一一 以d 2c o s t ) d c o s i c o s o r ( 2 3 ) 其中，表示成像物镜的焦距，盯表示垂直平面和焦面之间的夹角。 ( 3 ) 角放大率 光栅的角放大率丫是由其衍射角所决定的，其表达式如式( 2 4 ) 所示。 y = 罢( 2 4 )y = _ i【z 4 _ ) c u s z 光谱仪的接收系统可分为目视、光电和摄谱接收系统。目视接收系统主观 性较弱，灵敏度较低。摄谱接收系统主要是由感光材料本身的性能所决定的， 但其结构相当复杂，在小型化方面有很大的困难。光电接收系统的测量范围宽， 使用方便，能够大大提高效掣3 5 1 。 2 2 光谱系统微型化结构设计和初始参数计算 2 2 1 光谱系统结构的比较与选择 基于平面光栅的光学系统分为透射式与反射式，虽然透射式系统光强比较 2 光谱分析系统设计 强而且体积比较小，但是在实际应用中反射式系统更为广泛。反射式系统不受 材料透过率的限制，而且不存在色差，有助于获得平直的谱面。由于额外的色 差不仅会对系统的成像质量造成影响，而且还会造成更加复杂的系统色散关系， 降低光谱仪波长标定的精度。因此该设计系统选择反射式成像系统 3 6 1 。 反射式成像系统分为反射式水平成像系统和垂直成像系统，常用的光谱仪 的光学系统有e b e r t f a s t i e 系统和c z e m y - - t u r n e r 系统。水平式e b e r t f a s t i e 系统 采用球面镜作为物镜，从而难免会产生球差，而且其彗差也是相当小。垂直非 对称成像系统的像差比较大。垂直对称式e b e r t - - f a s t i e 系统的优点是不发生二 次衍射，缺点是入射狭缝像在谱面内弯曲并且产生倾斜。综合考虑，光谱仪一 般采用垂直对称式，单色仪一般采用水平对称式【3 刀。 c z e m y - - t u m e r 系统是由e b e r t - - f a s t i e 系统逐渐的发展升级而成。该系统的 特点之处在于采用了两个相同的小型凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，而 且其曲率中心是相重合的，如图2 2 所示。 f 2 r 7 i 广 一一h 耋 尸一f 1 图2 2c z e r n y - t u m e r 系统光路图 ( 1 ) 在h l = h 2 并且r l = r 2 的对称式系统中，系统零级光谱的彗差为零，而且 整个系统的彗差和波长成正比例变化。 ( 2 ) 在1 1 - - - - - - 1 2 而两镜离轴程度不等的非对称式系统中，其彗差比同类的对称 式系统要小。 ( 3 ) 在h i = h 2 而两镜曲率半径不等的非对称式系统中，其彗差又要比上一 种非对称式系统小。 由上述分析可知，第三种结构的彗差最小。为了进一步控制系统的杂散光， 交叉式c z e m y - t u r n e r 结构被引入。交叉对称式c z e m y - - t u r n e r 结构虽然成像质 9 2 光谱分析系统设计 量好，但是由于其体积大，不能有效的避免杂散光，所以本设计选择交叉非对 称式c z e m y - - t u r n e r 系统作为小型光谱仪光学系统的基本结构。 2 2 2 交叉非对称c z e r n y t u r n e r 系统的设计 在对小型光谱仪的光学系统进行设计的时候，主要考虑以下几个因素：系 统的体积和光强、工作波长段以及光谱的分辨率等。 ( 1 ) 光栅的选择 光栅是微型光谱仪的色散元件，它的选择依赖于光谱仪的工作波长段【1 3 】。 由该系统的总体设计要求可知，本系统所研究的微型光谱仪可能的工作波段为 2 0 0 1 1 0 0 n m ，其包括了紫外可见光谱以及近红外光谱的区域。为了实现小型光 谱仪自由工作波段及其多种光谱分辨率的目标，需要采用多种规格的光栅，如 6 0 0 线紫外可见光栅、可见近红外波段，1 2 0 0 线可见光波段、近红外波段及可 见与近红外波段等。 ( 2 ) 准直镜参数的确定 准直镜的焦距和口径是由系统的相对孔径和像差容限所决定的【1 5 】。在开始 设计的时侯，可以使用球差所产生的波像差小于2 4 的瑞利准则来确定其焦距 和系统的f 数，记为f 桴= f o ，准直镜球差所产生的波像差记为谚，则矿可 以用式( 2 5 ) 表示为 形( m a x ) = 4 。8 r 3( 2 5 ) 依据瑞利准则，可以得到对应关系如式( 2 6 ) 所示。 少一4 8 r 2 4 ( 2 6 ) 其中名表示波长；r = 2 f , 表示曲率半径；y 一= d 2 ，表示球面镜孔径的一半。 准直镜参数和系统相对孔径应满足的关系如式( 2 7 ) 所示。 厂 2 5 6 似，z ( 2 7 ) l d 2 5 6 2 ( f ”y 、7 由以上分析可知，在设计系统的准直镜参数和相对孔径时应该考虑系统像 差容限、入射光能及其系统的体积。该设计系统取准直径焦距为4 0 m m 。 ( 3 ) 成像镜参数的确定 成像镜的焦距应该保证色散光谱可以最大程度的利用探测器光敏元的长 度，其口径大小应该保证所有从光栅射出的色散光线被收集。成像镜的焦距f 和光谱仪的工作波长段【九1 ，尥】以及成像光谱面长度三者的关系如式( 2 8 ) 所示： 1 0 2 光谱分析系统设计 叫端d ) 一揣d ) ll l 一( 五 2 1 一( 丑 2 l ( 2 8 ) 其中l 为高斯像面上谱面的宽度，d 为光栅常数。从上式得到的成像镜焦 距只是一个参考数值，实际的数值应该在设计中根据系统的实际像面进行调节， 该系统取成像镜焦距为8 0 m m 。 ( 4 ) 入射光纤与狭缝的确定 在选择入射光纤的时侯应该考虑以下因素：入射光纤的接口类型、光纤材 料及其光纤芯径的大小【2 引。常用的光纤接口有f c 、s c 、s m a 等，其中s m a 9 0 5 主要在医用光学检测仪及科研仪器中使用，拥有良好的稳定性和耐久性。因此， 本系统选择s m a 9 0 5 接口作为光纤接口。常用光纤的数值孔径为0 2 2 。 入射狭缝宽度的大小是选择入射狭缝的最主要因素，且其仅由系统所需要 的光谱分辨率来决定。由于在实际的加工中，狭缝的高度方向为毫米级，远大 于光纤芯径，所以可以忽略狭缝的高度【2 引。 由以上可知，该光学系统的设计要求如下： 采用交叉非对称式c z e r n y - - t u r n e r 系统作为该光学系统的基本结构。 接收探测器为i l x 5 2 6 a 型号的c c d 探测器，像元总长度为2 1 7 m m 。 工作波段的范围为2 0 1 1 0 0 n m 。 采用光纤作为系统的入射接口。 2 3o s l o 软件的设计 o s l o 用于模拟光学系统的性能，并且能够作为一种开发软件去开发其他专 用于光学设计、测试和制造的软件工具。o s l o 在本质上是一个面对对象的 w i n d o w s 程序，具有唯一的内置应用程序管理器编译器，在计算机上能够提供 非常高的性能。o s l o 软件设计的优点如下。 ( 1 ) 以设计者为导向的设计风格。o s l o 着重交互性的光学设计，在设计 过程中，计算机向设计者提供容易理解的反馈信息。 ( 2 ) 功能强大并且精度高。o s l o 使用先进的光学设计技术，包括多重优 化和公差方法，高性能非连续光线追迹和随机的光源建模与分析。 ( 3 ) 灵活性强。容易根据用户需要进行定制，并且能够将程序改编成特殊 的需要。 2 光谱分析系统设计 该系统的光学系统参数如表2 1 所示。 表2 1 光学系统参数表 基本结构 f 4 ，交叉非对称c z e r n y - t u r n e r 结构 焦距输入4 0 m m ；输出8 0 m m 光纤及其接口数值孔径o 2 2 ，配备s m a 9 0 5 接口 光栅 6 0 0 线m m 入射狭缝 5 、1 0 、1 5 、2 0 、5 0 u m 等宽度狭缝 消级次滤光片 消二级光谱滤光片( 可选) c c d 像元总长度 2 1 7 m m 图2 3 光谱分析仪光学系统的设计 图2 4 光谱分析系统的三维立体图 1 2 2 光谱分析系统设计 在o s l o 软件中设置好以上参数，经过调整，得到最终满足要求的光谱分 析系统。如图2 3 所示。为了更加直观形象的显示，做出了其三维立体图形如图 2 4 所示。 图2 3 为所设计的光谱分析仪的光学系统，该系统的结构为交叉非对称式 c z e r n y - t u m e r 结构，准直径焦距为4 0 m r n ，成像镜焦距为8 0 m m ，成像谱面长度 为2 1 7 m m ，光纤的数值孔径为0 2 2 。 和传统的e b e r t f a s t i e 光学系统相比，交叉非对称式c z e m y - t u m e r 光学系统 的结构更加简单，成本更低，加工更加方便。其具体优势如表2 2 所示。 表2 2 四种光学系统结构对比 球差像差二次衍射成像质量杂散光体积结构加上、装配 水平式 e b e r t f a s t i e 很大很大有 光学系统 垂直对称式 e b e r t f a s t i e 较小 很大无 光学系统 对称式 c z e m y - t u m e 较小较小无 r 光学系统 非对称式 c z e m y - t u m e 较小很小无 r 光学系统 较差 较差 良好 略差 有较大 无较大 有较大 无较小 麻烦 麻烦 方便 方便 该光学系统的入射光由光纤输入，经过准直镜后射到光栅上进行光的色散， 然后经过球面镜成像在c c d 探测元件上。由表2 2 可以看出，该系统由于采用 了先进的交叉非对称式c z e m y - t u m e r 结构，能够避免二次衍射的发生，能够消 除一些轴外像差，以此提高成像的质量，并且控制了系统的像差，更为重要的 是采用了交叉式结构能够更加有效的消除彗差，有效的避免了杂散光的干扰。 虽然成像的质量较差些，但是该设计系统采用的光学元件相对比较少，而且结 构紧凑，加工、装配也很方便，所以更加有利于光谱分析仪的微型化，这对光 谱分析仪微型化的研究具有非常重要的参考价值。 2 4 波长的标定 对本系统而言，采用c c d 探测器作为成像光谱的接收器件，那么系统的波 2 光谱分析系统设计 长标定就是要找到探测器各像元与波长的对应关系。波长与像元的迭代关系式 如式( 2 9 ) 所示。 以= 以一t + 幔 ( 2 9 ) 其中以表示第p 个像元对应的波长，a 表示像元的大小，口为准直镜或者成 像镜入射光与反射光之间的夹角，d 和m 分别表示光栅的常数和光谱级次，厶表 示成像镜与光栅之问的焦距。从式2 9 可以看出，假如己知某像元所对应波长的 波长值，便可以通过该式迭代出所有像元所对应的波长值。在实际的应用中可 以选择多个已知像元以及波长对，对全谱面进行分段迭代以提高计算精度。 但是在实现的过程当中，上述方法计算量较大。为了简化该部分计算难度， 考虑将上式进行级数展开，将波长与像素的关系表示成级数形式，如式( 2 1 0 ) 所 示。 以= 凡+ c , p + g p 2 + c 3 p + + c o l p “_ 1 ( 2 1 0 ) 其中厶表示第一个像元对应的波长，c l 、g 和g 为对应的各项系数。通常 取前四项，即三次多项式，即可较为精确的表达该函数关系。给出若干己知波 长和像元对，就可以用三次多项式拟合的方法得到波长与像元的对应关系。 定标光源采用h g 1 型汞氩定标灯。根据已知特征谱线得到像元与波长对， 如表2 3 所示。 表2 3 像元与波长的对应 使用最小二乘法对以上数据进行三次多项式拟合，在m a t l a b 中编写程序， 得到拟合关系如式( 2 1 1 ) 所示。 妒2 5 x 10 1 0 x p 3 7 0 4 8 0 7 7 10 - 6 x p 2 + 0 2 0 1 p + 3 3 4 0 13 8 ( 2 1d 将表2 3 中的像元代入式( 2 1 1 ) q 喇计算出拟合波长，将拟合波长和原波 1 4 2 光谱分析系统设计 长对比如表2 4 所示。 表2 4 拟合后波长与原波长的对比表 在m a t l a b 中画出原波长，拟合波长和对应像元的图像，如图2 5 所示( 用 表示原波长和对应像元的关系，用表