（精密仪器及机械专业论文）新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 经过了近一百年的发展，紫外可见分光光度计在各个领域已经是不可或缺的 一种分析仪器。紫外可见分光光度计的小型化势在必行，新颖的小型化光路设计 才能满足仪器的需要。本课题是厦门分析仪器厂委托厦门大学机电工程系开发的 项目新型紫外分光光度计，本论文负责的是宽波段( 2 0 0 h m 11 0 0 n m ) 光源光学 系统的设计。论文设计了两套光学系统，满足仪器需求。 论文的主要研究工作： 1 、对紫外可见分光光度计的国内外发展现状以及对其各个组成部分进行了 介绍研究，同时介绍了国外一些小型光源产品的情况。 2 、对组成光源光路的各个组成部分进行了详细介绍和描述，并从中选取了 可以为我们仪器所用的器件，灯源选择了氘钨灯的组合。 3 、在光路设计方面，采用p w 法设计了一种双胶合透镜的初始结构，满足 钨灯的光源光学系统设计的要求，同时根据椭圆反射面的光学特性设计了一个椭 圆反射面，能够很好地校正色差和其余各种像差，光源光路总体体积较小，满足 仪器小型化的设计。 4 、利用z e m a x 光学设计软件，对初始结构的设计进行了计算机仿真，深入 分析了产生的各种像差，并进行了优化设计。同时还利用z e m a x 优化设计了一 种双分离透镜，可以用于代替双胶合透镜。模拟了光源光路的整体结构，分析了 像差以及传递函数等各种曲线。设计了一种新颖的双椭圆腔的结构，并进行了计 算机模拟。采用光纤耦合的方式，将光学系统所得到的光能送入光纤。 5 、最后，对课题设计的光源光学系统进行了实验，得到了较满意的实验结 果，证明了设计的可行性。同时论文还分析了系统的不足之处，提出了改进的方 法。 本文的主要特色； l 、采用氘灯和钨灯的组合，满足宽波段2 0 0 n m ll o o n m 的要求。 2 、第一种设计方案利用双胶合透镜和背透式氘灯简化光路设计，采用椭圆 反射面很好地校正了像差，规模化生产可以降低系统的成本。 3 、第二种设计方案的双椭圆腔结构能够充分利用灯源的能量，而且结构紧 摘要 凑，为日后小型化的紫外分光光度计光源设计提出了一个新型的结构。 关键词：p w 法；z e m a x ；双椭圆腔 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h es p e c t r o p h o t o m e t e ri sat y p eo fp h o t o e l e c t r i ca n a l y t i c a li n s t r u m e n t a t i o na s w e l la sa s p e c t r a l i n s t r u m e n t a t i o n i ti s u r g e n t l y n e e d e dt od e v e l o pt h e s p e c t r o p h o t o m e t e rw i t hm i n i t y p ea n dl i g h t i ns o m es p e c i a l f i e l d si t r e q u i r e st h e i n s t r u m e n t a t i o nc a ne n d u r et h es h a k ea n db es t a b l e ，a tt h es a m et i m ei tm u s ta d a p tt h e p r o d u c i n gs c e n e ，w o r kq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya n d b eu s e dc o n v e n i e n t l y t h ew o r ki st h ef o l l o w i n g ： 1 、t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no fu v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e ra r e s u m m a r i z e d p e r f o r m a n c e so fs o m es p e c t r o p h o t o m e t e r sa r ed e s c r i b e da n dc o m m e n t e d a f t e rc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n go fm a n yu v 二v i ss p e c t r o p h o t o m e t e r sf r o ms o m e c o r p o r a t i o n so v e r s e a sa n d d o m e s t i c 2 、t h e s i si n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ec o m p o s i n gp a r to fu v 二v i s s p e c t r o p h o t o m e t e r , a n di n t r o d u c e ds o m em i n i t y p el i g h ts o u r c e t h e s i si n t r o d u c e dt h e c o m p o s i n gp a r to fo p t i c a lp a t h ，a n ds e l e c t e dp a r t so fo u ra p p a r a t u s d e u t e r i u ml a m p a n dt u n g s t e nl a m pa r et h el i g h ts o u r c ew es e l e c t e d 3 、ad o u b l ea g g l u t i n a t i o nl e n so r i g i n a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e dt h r o u g hp wm e t h o d ， a n dae l l i p s er e f l e c t i n gs u r f a c ei sd e s i g n e d t h ee l l i p s es u r f a c ec a np r o o f r e a d c h r o m a t i ca b e r r a t i o na n do t h e ra b e r r a t i o n o p t i c a lp a t hi sm i n i t y p et h a tc a l lf i to u r i n s t r u m e n t 4 、u s i n gz e m a xo p t i c a ld e s i g ns o f t w a r e ，t h e s i ss i m u l a t eo r i g i n a ls t r u c t u r eb y c o m p u t e r , a n dt h em y a b e r r a t i o ni sa n a l y s e d t h eo r i g i n a ls t r u c t u r ei so p t i m i z e d ，t h e r e s u l ta r es a t i s f i e d w ea l s od e s i g nat y p eo fd o u b l es e p a r a t el e n sw h i c hc a nr e p l a c e d o u b l ea g g l u t i n a t i o nl e n s s i m u l a t ew h o l es t r u c t u r eo fo p t i c a lp a t h ，a b e r r a t i o na n d m t fc u r v ea r ea n a l y s e d i tr e d u c e st h ec o s to ft h el i g h ts o u r c e d o u b l ee l l i p s o i d a l m i r r o rs t r u c t u r ei sd e s i g n e d 5 、f u r t h e rm o r e ，w em a k eae x p e r i m e n t a t i o no ft h eo p t i c a lp a t h ，t h ep o w e ro ft h e l i g h ti ss a t i s f i e d , s u p p o s ei t sr e l i a b i l i t y t h ed i s a d v a n t a g eo f t h ed e s i g ni sp u tf o r w a r d ， t h e s i sm a k es o m ei m p r o v eo nt h ed e s i g n i i i a b s t r a c t t h em a i nf e a t u r e so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w e d ： 1 、u s ed e u t e r i u ml a m pa n dt u n g s t e nl a m pt os a t i s f yt h en e e do fw a v e l e n g t h 2 、t h ef i r s tt y p eo p f i c a lp a t hu s ed o u b l ea g g l u t i n a t i o nl e n sa n dd e u t e r i u ml a m p 3 、d o u b l ee l l i p s o i d a lm i l t o l c a l lm a k et h em o s tu s eo fe n e r g y ，a n di ti sm i n i a n e ws t r u c t u r eo fm i n i m i z ew v i s s p e c t r o p h o t o m e t e ro p t i c a lp a t hi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p wm e t h o d ；z e m a x ；d o u b l ee l l i p s o i d a lm i r r o r i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：1 确氖 妒。年6 月三日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：刁晌 导师签名：诺丸撅 1n 日期：t ，口e 年6 月3e l e t 期：沙牌石月多日 第一章绪论 1 1 紫外可见分光光度计简介 第一章绪论 牛顿在1 6 6 5 年做了一个实验：让太阳光透过暗室窗上的小圆孔，在室内形 成了细的太阳光束，该光束经棱镜色散后，在墙壁上呈现红、橙、黄、绿、蓝、 靛、紫的色带。这色带就称为“光谱 。牛顿通过这个实验揭示了太阳光是复色 光的事实。1 8 0 2 年渥拉斯登用分光计来观察太阳光谱，发现太阳光谱中有暗线。 1 8 1 5 年夫琅和费仔细地观察太阳光谱，发现其中有6 0 0 多条暗线，并且对主要 的8 条暗线标以a 、b 、c 、d 、h 的符号。这些就是人们最早知道的吸收光谱 线，被称为“夫琅和费线”。1 8 5 9 年本生和基尔霍夫发现有食盐发出的黄色谱线 的波长和“夫琅和费线”中的d 线波长完全一致，使大家知道了一种物质所能 发射的光的波长跟它所能吸收的光波长是一致的。1 8 6 2 年密勒应用石英摄谱仪 测定了一百多种物质的紫外吸收光谱! l 硼。 紫外可见分光光度计是利用物质对光的选择吸收现象，进行物质定性和定量 分析的仪器。不同的物质具有不同的吸收光谱，通过对吸收光谱的分析可方便地 判断物质的内部结构和化学组成。紫外，可见吸收光谱主要产生于分子价电子在 电子能级间的跃迁，是研究物质电子光谱的分析方法1 3 q 】。 1 9 1 8 年美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。从此之后，紫 外可见分光光度计成为分析研究领域不可或缺的定性和定量分析工具。它主要应 用于物理学、化学、生物学、医学、食品工业、制药工业和环境污染的检测。构 成紫外可见分光光度计各组成部分任何一方面的新技术的发展都可能推动紫外 可见分光光度计整体性能的进步。作为一种面向客户的产业，分光光度计的发展 也是与用户的需求息息相关的。更高的精度，更好的质量，更低的成本都是每名 分光光度计研究设计者不断追求的目标【8 j 。 紫外可见分光光度计是一类很重要的分析仪器，无论在物理学、化学、生物 学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域，还是在化工、医药、环境检测、 冶金等现代生产与管理部门，紫外可见分光光度计都有广泛而重要的应用。紫外 可见分光光度计有着较长的历史，其主要理论框架早已建立，制作技术相对成熟， 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技术都可能再推 动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、快速、可靠的同时，小型 化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光光度计新的增长点。紫外 可见分光光度计作为一项产业，用户的需求是其发展的根本动力，面向客户、以 人为本是设计和制造紫外可见分光光度计应该遵循的法则【9 1 1 1 。 1 2 紫外分光光度计的研究现状 1 2 1 紫外可见分光光度计国内外研究现状 美国v a r i a n 公司的分光光度计产品有c a r y5 0 1 0 0 3 0 0 ，c a r y 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 i 等。c a r y5 0 采用氙灯作为光源，而且扫描速度高，最高可达 2 4 0 0 0 n m m i n ，扫描1 9 0 1 1 0 0 n m 只需要3 秒。c a r y5 0 0 0 的波长范围达到了 1 7 5 - 3 3 0 0 n m 分辨率达到了在紫外可见波段s o 0 4 8 n m ，近红外波段郢2 n m 这么一 个程度，而且近红外检测器采用半导体制冷技术控制的p b s 检测器，应用独特的 检测器控制算法和处理器，实时快速的对信号、噪声进行最优化处理，降低了噪 声，进一步增加了线性范围，达到p b s 检测器前所未有的检测性能。c a r y6 0 0 0 i 的波长范围虽然没有c a r y5 0 0 0 那么宽，但是它在近红外区采用了新一代i n g a a s 检测器，具备了出色的近红外检测性能。c a r y4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 i 均采用即插即用 的光源管理，方便更换光源，并使用l i t t r o w 光栅作为单色器主要器件【1 2 , 1 3 】。 岛津s o l i d s p e c 3 7 0 0 3 7 0 0 d u v 和u v - 3 6 0 0 均采用了p m t i n g a a s p b s 三个 检测器，在s o l i d s p e c 3 7 0 0 3 7 0 0 d u v 中，采用的i n g a a s 检测器近红外区， s o l i d s p e c 3 7 0 0 d u v 是专门测定深紫外区的型号，最低可扩展到1 6 5 n m ( 深紫外 区需用氮气吹扫) 。s o l i d s p e c 3 7 0 0 3 7 0 0 d u v 偏向固体样本的检测，而u v - 3 6 0 0 偏重液体样本的检测。u v - 3 6 0 0 是u v - 3 1 5 0 3 1 0 1 的后续型号，波长范围可达 1 8 5 3 3 0 0 n m ，i n g a a s 检测器覆盖了光电倍增管和p b s 检测器的薄弱范围，保 证了整个测试范围的高灵敏度，它在1 5 0 0 n m 可以达到小于0 0 0 0 0 3 a b s 的光度 噪声，是现在世界上的最高的灵敏度【14 1 。 美国p e r k i n e l m e r 公司的有l a m b d a 系列产品，主要有l a m b d a 2 5 3 5 4 5 和 l a m b d a 6 5 0 8 5 0 9 5 0 等产品。l a m b d a 2 5 3 5 4 5 采用全息凹面光栅， 2 第一章绪论 1 0 5 3 1 i n e s m m l a m b d a 6 5 0 8 5 0 9 5 0 是紫外可见近红外的产品，采用全息刻线光 栅，紫外可见1 4 4 0 1 i n e s m m ，近红外3 6 0 l i n e s r a m ，l a m b d a 8 5 0 9 5 0 采用r 6 8 7 2 型光 电倍增管作为检测器，紫外区达到1 7 5 n m 的水平( 1 8 5 n m 以下需用氮气吹扫) ， l a m b d a 9 5 0 的波长范围是l7 5 3 3 0 0 r i m 。l a m b d a 2 5 3 5 4 5 和l a m b d a 6 5 0 8 5 0 9 5 0 均采用氘灯和钨灯作为光源【1 5 】。 h i t a c h i ( 日立) 公司的最新u - 4 1 0 0 双单色器，双光束紫外可见近红外光谱 仪，有四种系统可选：( 1 ) u - 4 1 0 0 固体样品测量系统( 2 4 0 2 6 0 0 n m ) ，分光系统为 棱镜光栅，采用标准样品舱，样品尺寸最大是2 0 0 * 2 0 0 m m ，测定波长范围 2 4 0 2 6 0 0 n m ，适合固体样品的透射、反射、漫反射测量。( 2 ) u - 4 1 0 0 大样品测量 系统( 2 4 0 2 6 0 0 n m ) ，采用大型样品仓，样品尺寸最大可达4 3 0 4 3 0 m m 。对于大 型样品的透射反射测量非常方便，比如玻璃板材，单晶硅片，液晶板，激光晶 体，透镜组等超大，超长样品都可进行无破坏检测。( 3 ) u 4 1 0 0 紫外区高灵敏度 测量系统( 1 7 5 2 6 0 0 n m ) ，此系统采用的光源、单色器和检测器都是经过特别设计 和选择，采用光栅光栅分光系统，适合应用于紫外区的光谱研究，特别是在 1 7 5 1 9 0 n m 这个区域有很好的光学性能。可测试那些应用在紫外光谱区的光学部 件样品。( 4 ) u 4 1 0 0 液体样品测量系统( 1 8 5 3 3 0 0 n m ) ，采用光电倍增管和冷p b s 作 为检测器，专用于液体样品吸光度测定。采用光束直接入射检测器方式，扩宽了 测定的波长范围。装配标准1 0 m m 角液体池，用于液体样品的透过率和吸光度的 测定1 1 6 j 。 美国b e c k m a nc o u l t e r 作为一家老牌生产分光光度计的公司，该公司的d u 7 0 0 d u8 0 0 ，采用的是传统单光路系统，使用全息凹面光栅。主要应用范围：( 1 ) 固定波长扫描；( 2 ) 全波长扫描：( 3 ) 动力学时间测定；( 4 ) 单成份分析；( 5 ) 核酸分 析；( 6 ) 蛋白质测试【1 刀。 t h e r m os p e c t r o n i c 公司的g e n e s y s ，b i o m a t e ，e v o l u t i o n 等系列的分光光 度计，面向各种客户生产不同的分光光度计。o c e a no p t i c s 公司在便携式分光光度 计的领域颇有建树。该公司生产的u s b 2 0 0 0 4 0 0 0 分光光度计，重量轻，体积小， 且可延展性强【1 8 , 1 9 】。 表1 1 表示了国外几种分光光度计各自的参数。 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 表i - i - 国外几种分光光度计参数比较 公司 v a r i a np e r k i n e l m e r s h i h a d z u h i t a c h l 岛津 日立 型号c a r y 5 0 0 0l a m b d a 9 5 0u v - 3 6 0 0 u 一4 1 0 0 光谱范围n m 1 7 5 3 3 0 0 1 7 5 3 3 0 01 8 5 、3 3 0 02 4 0 、2 6 0 0 波长准确度n m0 0 8 ( 紫外可见) ，0 0 8 0 2 ( 紫外叮见) ， o 2 ( 紫外可 0 4 ( 近红外)o 30 8 ( 近红外)见) ，0 1 ( 近 红外) 分辨率n m0 0 4 8 ( 紫外可见)0 0 5 ( 紫外可见)o 1o 1 0 2 ( 近红外)0 2 ( 近红外) 杂散光t0 0 0 0 0 70 0 0 0 0 70 0 0 0 0 5 带宽a m 0 0 1 、5 ( 可调)0 0 50 0 1 、50 2 4 、8 ， 光度范围a b s 886 4 62 、5 探测器光电倍增管，光电倍增管( 紫外光电倍增管，光电倍增管， 冷p b s 可见) ，冷p b s ( 近 i n g a a s ，p b s冷p b s 红外) 光栅l i t t r o w 光栅 1i t t r o w 光栅 棱镜一光栅 光栅一光栅 我国在紫外分光光度计领域也有所进展，上海精密仪器有限公司分析仪器总 厂，北京普析通用有限责任公司，北京瑞利分析仪器公司等公司在紫外可见分光 光度计领域处于国内的领先水平。上海精密仪器有限公司的新产品u v 7 6 5 型紫 外可见分光光度计采用了有别于传统的双光束分光光度计，该仪器采用新型的不 对称分束技术，具有双光束的高稳定性，其主光束的高光通量，确保了仪器的高 信号噪声比。北京普析通用有限责任公司的t u 系列产品具有较低的杂散光， t u 1 9 0 1 型紫外分光光度计达到了0 0 1 0 t 的低杂散光，虽然和国外一些产品 还有差距，但在国内已经处于领先水平。北京瑞利分析仪器公司的u v - 2 6 0 0 、 u v - 9 2 0 0 等产品在达到了国内的领先水平 2 0 - 2 2 1 。 总体上，我国的紫外可见分光光度计的高端产品还非常少，但一些公司所生 4 第一章绪论 产的产品已经达到了国外的平均水平，在一些性能指标例如波长准确度，杂散光 等可以说与国外大部分产品不相上下。近些年来，国内的产品在操作控制，数据 的处理分析上有了很大的进展，而且渐渐和国际接轨。但是现在国内公司许多重 要光学元件都依赖进口，增加了不少的制造成本。 表1 - 2 ：国外一些中档产品与国内产品性能指标的比较 公司v a r i a np e r k i ne l m e r b e c k m a n 上海精科北京普析通北京瑞利分 c o u l t e r 用析仪器 型号c a r y 4 0 0 0 l a m b d a 8 5 0d u8 0 0u v 7 6 5t u l 9 0 1u v - 2 6 0 0 光谱范围n m 1 7 5 、9 0 01 7 5 、9 0 01 9 0 、1 i 0 01 9 0 、1 1 0 01 9 0 、9 0 01 9 0 、1 1 0 0 波长准确度加 0 0 8 o 0 8 0 20 5 0 3o 3 分辨率n m 0 0 4 8o 0 5o 1 杂散光t 0 0 0 0 0 70 0 0 0 0 7o 0 5o 0 50 0 1 00 3 带宽r l m 0 o l 、50 0 51 820 1 ，0 2 ，2 o 0 5 ，1 0 ， 2 o ，5 0 光度范围a b s 88- 0 3 0 0 3 0 0 0- 0 3 0 1 、3 - 4 0 4 00 3 、3 5 0 0 0 新型篙外日m 分光光度讨光源光学系统的研究目设计 图卜1 某国外紫外分光光度计总光路设计图 l _ 22 小型光源研究现状 和 图卜2 海洋光学公司微型钨灯光源 该光源在内部安装了钨灯，没有集成氘灯，因而其发光范围集中在可见区域， 在内部还焦成了钨灯的供电电路，另外在底部还安装有用于散热的风扇。在光源 的出口安装有标准样品池( 1 0 m m 比色吼) 的支架9 i 。 技术参数如下： 1 光纤接口：s m a 9 0 5 捅拔式标准接头 第绪论 2 光谱范围：3 6 0 n m m l 0 0 r i m 3 尺寸：1 5 50 m mx5 0o m mx5 33 m m 4 电源：1 2 v d c 8 0 0 m a 一 图卜3 海洋光学公司u s b 2 0 0 0 紫外可见分光光度计 图中表示的是光源与海洋光学公司的u s b 2 0 0 0 紫外可见分光光度计的整体 结构图，上图中带有比色皿的部分是光源，它是专门为u s b 2 0 0 0 紫外可见分光 光度计而设计的光源，在结构卜与u s b 2 0 0 0 相匹配： 技术参数如下 1 光纤接口：s m a 9 0 5 插拔式标准接头 2 光谱范围：2 0 c 。1 1 0 0 n m 3 尺寸：1 9 80 n mx1 0 50 m mx4 06 m m 4 电源5 v d c i2 a 图卜4 海洋光学公司光源 * 紫外日m 丹 光度计光振光学系统的研究与设计 该光源在一个很小的厂房体内安装了钨灯、氘灯以及相应的驱动电路，同时 还在光源的出l j 处安装了样品池支架【”i 。 技术参数 1 光纤接口：s m a 9 0 5 插拔式标准接头 2 光谱范围：2 0 0 1 1 0 0 r i m 3 体积3 1 00 m mx 3 1 00 m mx 5 33 m m 4 电源1 2 v d c 4 2 0 m a 图卜5 贺利氏公司光纤灯 该光源集成了氘灯和钨灯，另外还集成了氘灯和钨灯的驱动电路1 2 ”。 技术参数： 1 光纤接头：s m a 9 0 5 插拔式标准接头 2 体稍2 0 0 1 1 0 0 r i m 3 光谱范罔15 70 n mx 5 50 m mx 3 70 m m 4 电源：1 2 v d c 4 2 0 m a 1 3 紫外分光光度计各组成部分简介 第一章绪论 图1 - 6 分光光度计基本组成框图 紫外可见分光光度计各组成部分简介【2 牝8 】： ( 1 ) 光源 光源的基本要求：使用波段范围内有足够强的辐射功率；发射连续光谱，且 强度稳定，使用寿命长。 ( 2 ) 分光系统( 单色器) 单色器是指能从混合光波中分解出来所需单一波长光的装置，由棱镜或光栅 构成。用玻璃制成的棱镜色散力强，但只能在可见光区工作，石棱镜工作波长范 围为1 8 5 , - 4 0 0 0 n m ，在紫外区有较好的分辨率而且也适用于可见光区和近红外区。 棱镜的特点是波长越短，色散程度越好。所以用棱镜的分光光度计，其波长刻度 在紫外区可达n o 2 u m ，而在长波段只能达n 5 n m 。有的分光光系统是透射光栅， 即在石英或玻璃的表面上刻划许多平行线，刻线处不透光，于是通过光的干涉和 衍射现象，较长的光波偏折的角度大，较短的光波偏折的角度小，因而形成光谱。 ( 3 ) 狭缝 狭缝是指由一对隔板在光通路上形成的缝隙，用来调节人射单色光的纯度和 强度，也直接影响分辨率。狭缝可在0 2 m m 宽度内调节，由于棱镜色散力随波长 不同而变化，较先进的分光光度计的狭缝宽度可随波长一起调节。 ( 4 ) 样品池 9 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 样品池也叫比色杯或比色皿，用来盛溶液，各个杯子壁厚度等规格应尽可能 完全相等，否则将产生测定误差。玻璃比色杯只适用于可见光区，在紫外区测定 时要用石英比色杯。 ( 5 ) 检测器系统 有许多金属能在光的照射下产生电流，光愈强电流愈大，此即光电效应。因 光照射而产生的电流叫做光电流。受光器有两种，一是光电池，二是光电管。 光电池的组成种类繁多，最常见的是硒光电池。当连续照射一段时间会产生疲劳 现象而使光电流下降，要在暗中放置一些时候才能恢复。因此使用时不宜长期 照射，以防止光电池因疲劳而产生误差。光电管装有一个阴极和一个阳极，阴极 是用对光敏感的金属( 多为碱土金属的氧化物) 做成。光愈强，电子放出愈多，电 子是带负电的，被吸引到阳极上而产生电流。光电管产生电流很小，需要放大。 分光光度计中常用电子倍增光电管，在光照射下所产生的电流比其他光电管要大 得多，这就提高了测定的灵敏度。 检测器产生的光电流以某种方式转变成模拟的或数字的结果，模拟输出装置 包括电流表、电压表、记录器、示波器及与计算机联用等，数字输出则通过模拟 数字转换装置如数字式电压表等。 1 4 选题的背景及意义 本课题是厦门大学机电工程系与厦门分析仪器厂联合承担开发的厦门市科 技项目新型紫外分光光度计。本论文负责的是光源光学系统的设计。 设计目标总体方向：小型化，便携化，智能化。 技术指标： ( 1 ) 波长范围：2 0 0 - 1 1 0 0 n m ( 2 ) 波长准确度：士0 5 n m - + 0 8 n m ( 3 ) 光谱宽度：2 n m - - 一5 n m ( 4 ) 光度准确度：士0 0 0 4 - - - 士0 0 0 8 a b s ( 5 ) 光度重复性：0 0 0 5 a b s ( 6 ) 杂散光：s o 5 ( 7 ) 基线平直度：士0 0 0 4 a b s 1 0 第一章绪论 ( 8 ) 基线漂移：0 0 0 8 a b s h 1 5 论文的主要工作 为研制出实用化的新型紫外可见分光光度计，本文所做的主要工作有： l 、在系统分析紫外可见分光光度计的工作原理和主要特性的基础上，对其 各主要组成部分进行深入讨论，分析了光谱仪器成像系统的像差设计灯。并分析 影响紫外分光光度计性能的结构参数与各个组成部分之间的关系，提出了光源的 设计要求。 2 、在考虑各种光源设计方案的基础上，综合了紫外可见分光光度计的特性， 采用了折反射系统设计光源的光路，用p w 法求解了双胶合透镜的初始结构，并 求解了各个反射面的初始结构。 3 、利用z e m a x 光学设计软件对初始设计的双胶合透镜进行了模拟，并进行 了优化设计。同时利用z e m a x 软件优化设计了一组双分离透镜，与双胶合透镜 进行了对比，分析了光线经由该光路后的像差问题。对各个光学结构进行了整合， 得到了总体的光学结构。 4 、提出了双椭圆腔的光路模式，并用z e m a x 光学设计软件进行了模拟。 5 、根据系统搭建光路，设计实验，得到了实际可用的光学平台。并指出该 方案所存在的不足以及进一步研究的方向。 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 第二章光学系统的原理分析 2 1 分光光度计测量原理 1 、测量公式1 1 , 3 1 ： 根据吸收定律 i = i o e 一础 ( 2 1 ) 式中艟射光强，。一入射光强，卜一溶液厚度，口物质吸收系数，州样 浓度。这个公式表明物质对光的吸收与吸收光强按指数衰减。 2 、比耳定律： 如果一束单色光照射在均匀介质时，当均匀介质厚度固定时，则均匀介质对 光的吸收度a 与介质中吸光物质的浓度c 成正比。 a = k 2 c( 2 - 2 ) k ：一比例常数，它与介质物质、厚度、温度以及入射光波长等因素有关。 3 、吸光度彳：透过率的倒数的对数值定义为吸光度。 川g 专一垮丁( 2 - 3 ) 或 4 = 1 1 1 ；一1 1 1 丁( 2 - 4 ) a = k t 粤( 2 - 5 ) t 一比例常数与介质的性质、浓度、温度以及入射光的波长等因素有关。 朗伯定律适用液体、气体、固体等任何非散射的均匀介质。 4 、朗伯一比耳定律( l a m b e r t b e e r ) 光的吸收定律 当入射光强度一定时，介质的吸光度与介质中吸光物质的浓度和介质厚度的 乘积成正比。 a = k c l ( 2 - 6 ) 1 2 第二章光学系统的原理分析 吸光度的迭加性：若吸光物质的各组分之间相互作用，则吸收介质对光的总吸光 度等于介质中各组分吸光度之和： a = 4 + a 2 + + a = 七i c l i i + k 2 c 2 ，2 + k c 。，。 ( 2 7 ) 若，1 = ，2 = = ，。，则 a = ( 毛c l + k 2 c 2 + + k ，。) ，( 2 8 ) 吸光度的迭加性对于多组分的测定非常有用，习惯上用于抵消溶剂的吸收或 其他干扰，可直接从总吸收光度中进行扣除。 吸收定律的局限性： 1 、适用稀溶液( 9 0 9 6 中等低 外反射率 通过s i o ：膜增强可见 保护铝膜4 0 0 7 0 0 凡。 8 8 5中等低 光反射率 金属 多层介质膜增强可见 增强铝膜 4 5 0 7 0 0 凡。 9 3 5 中等低 膜 和近红外反射率 町见和红外反射能力 保护银膜 o 4 8 2 0 l l m r 丑v l 9 6 中等低 强于铝膜 近红外到红外反射能 保护金膜0 6 5 2 0p mr a ，。 9 6 中等低 力略强于保护银膜 4 8 8 6 9 4 1 舀；带宽范围有非常高 带宽介质膜凡，i i p 9 8 9 9 局中等 7 0 0 9 5 0的反射率 在窄带范围有非常高 激光介质膜 3 2 5 1 5 5 0艮，艮 9 9 。5高中等 介质 的反射率 膜 高能量准分子激1 9 3 ，2 4 8 ，对于准分子激光有高 r 。 9 9 7 r p 9 9 高向 光器反射膜3 0 8 ，3 5 2反射率和高损伤阈值 高能量n d ：y a g 激2 6 6 ，3 5 4 7 ， 对于n d ：y a g 激光有高 r ；，r ， 9 9 高高 光反射膜5 3 2 ，1 0 6 4反射率和高损伤阈值 3 8 第三章光源光学系统各个组成部分 表3 2 ：增透膜和分光膜的特性及应用 镀膜类型特性及应用 适用于折射率1 4 5 - 2 4 的材料，为可见光范围最常用的镀膜 单层m g f ：增透膜 材料，对入射角不敏感 多用于激光应用中，主要针对窄带激光，可降低反射，最小可 多层单波长增透膜 增透膜( a l l 膜) 小于0 1 多层宽带增透膜提供宽带光谱范围的增透，一般来说对入射角比较敏感 两种波长下均可提供较高的透过率，比如说：对于n d ：y a g 的 双波长增透膜 基频1 0 6 4 n m 和倍频5 3 2 n m ，均可提供比较高的透过率 激光偏振分光膜 单一波长的激光应用中，对p 偏振增透，而对s 偏振高反射 宽带偏振分光膜 宽带光谱范围，对p 偏振增透，而对s 偏振高反射 分光膜 消除基频与泵浦波长中的一个波长，或是消除基频与倍频波长 双色分光镜膜 中的一个波长 为了提高反射效率，同时考虑成本，作为反射钨灯光的球面反射镜在石英基 底镀增强铝膜；氘灯后的椭圆反射镜在石英基底镀紫外增强铝膜，并加镀氟化镁 保护膜( 在空气中铝易被氧化成氧化铝，氧化铝对紫外光具有很强的吸收性) 。 3 3 光纤 光纤是光导纤维( 又称光学纤维) 的简称，它是一种用透明光学材料( 如石 英玻璃、塑料等) 拉制而成的用于传输光的圆柱型光波导。光学纤维的最大优点 是可弯曲，因此常常用来把光学系统像面上的光经过几个弯曲引到较远处的探测 器上，而能量损失极低【4 3 1 。 光纤的核心是部分是由圆柱型玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性 耐磨的塑料护套，整根光纤呈圆柱型。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率， 对光纤的特性起决定的影响。 纤芯和包层折射率沿径向均匀分布的光纤称为阶跃折射率光纤，纤芯和包层 3 9 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 折射率沿径向逐渐减少的光纤称为渐变折射率光纤。纤芯折射率n 。大于包层折射 率n ：是引导光波再纤芯中传播的必要条件。对阶跃折射率光纤而言，可以使光 波在纤芯和包层的交界面形成全反射，光线在纤芯中以折线形式传播。对渐变折 射率光纤，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，光线在纤芯中以过轴线的类似 正弦波的形式传播 如果要将光线保持在阶跃折射率光纤内，光线的入射角必须大于临界角，。， 入射光的孔径角就有所限制，这可用光纤的数值孔径来表达： 彰! “” ”锄 !托， 刀d = l 岳 i 。 “ 篇 一刀 u 。 i ， 弼| 。j 缓 兹 发生全反射时 此时 图4 - 1 光纤全反射示意图 s i n i = n 2 n l s i n u = n 1s i n ( z 2 一i 。) = 力1c o s i 。 n a = s i nu = m c o s i 。= n l m 一光纤的数值孔径 光纤选用多模石英光纤，满足宽波段的要求。 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 第三章光源光学系统各个组成部分 3 4 光学软件介绍及选择 3 4 1 最有影响力的几种光学设计c a d 软件简介 对于光学设计c a d 的研究，在半个世纪以来一直在持续发展着，高质量的 光学设计软件产品已进入国际市场。下面对最有影响力的光学设计软件进行介绍 和评价。 1 、z e m a x z e m a x 是由f o c u ss o f t w a r ei n c 发展出来的一套光学设计软件。它有s e ( 标准 板) 、x e ( 完整版) 、e e ( 专业版) 三个版本。 z e m a x 软件可模拟并建立如反射、折射、衍射、分光、镀膜等光学系统模型。 可以分析光学系统的成像质量，如各种几何像差、点列图、光学传递函数( m t f ) 、 干涉和镀膜分析等。此外z e m a x 还提供优化的功能来帮助设计者改善其设计， 而公差容限分析功能能帮助设计者来分析其设计在装配时所造成的光学特性误 差。 最新版本z e m a x2 0 0 7 ，包括z e b a s e ，z e m a x 是目前使用最广泛也是最容易 上手的光学设计软件，特别适合光学设计软件初学者。 2 、o s l o o s l o 软件目前由美国l a m b d ar e s e a r c hc o r p o r a t i o n 出品。o s l o 程序由最优 化、点列图、透镜结构图、光线追踪和透镜参数输入等子程序构成。 最新版本o s l o6 2 4p r e m i u me d i t i o n 标准建构系统及最佳化的光学软件，他 是用来决定光学系统中最佳组件的大小和外型，如照相机、客户产品、通讯系统、 军事外层空间应用以及科学仪器等。 3 、c o d e v c o d e v 是由o p t i c a lr e s e a r c h a s s o c i a t e s 公司出售的大型设计软件。它具有 光学设计、分析、照度计算等功能；提供了超过2 4 0 0 种以上的光学设计实例。 c o d e v 的功能非常强，但价格也相当昂贵。 最新版本c o d ev9 4 0 是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，有着 三十多年多年的悠久历史，不过3 0 多万的价格让大多数光学设计人员望而却步。 现在，它又进行了一系列的改进和创新，不愧为光学设计软件的领头者。 4 l 新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计 4 、s i g m a 由英国k i d g e ro p t i c s 公司出品。s i g m a 软件是具有2 0 世纪9 0 年代先进水 平的、成熟可靠、在欧洲应用很广的光学自动设计软件。除了能进行常规光学设 计外，还具有以下功能：自动优化数据，计算光学传递函数，计算倾斜和非共轴 系统，还可作光栅、光全息计算等。 5 、s o d 8 8 s o d 8 8 微机用光学设计软件包是由北京理工大学光电工程系技术光学教研 室研制的，是我国在光学仪器行业和高校、科研院所应用最广，具有自主知识产 权的光学设计软件。它具有像质评价( 几何像差、像点弥散圆、光学传函等) 、变 焦距系统像差计算与像差自动校正、公差计算等功能。尽管国产软件在功能强大 和迭代收敛速度方面不如国外产品，但由于其价格性能比低，还是值得推介的。 6 、a s a p 最新版本a s a p7 5 是功能强大的光学分析软件，是专为仿真成像或光照明 的应用而设计，让您的光学工程工作更加正确且迅速。a s a p 让您在制作原型系 统或大量生产前可以预先做光学系统的仿真以便加快产品上市的时间。 7 、l i g h t t o o l s 最新版本l i g h t t o o l sv 4 0l i g h t t o o l s 基于3 d 实体模型的革命性照明设计软 体，提供了全光精度与强力的光学和照明分析及互动的、易于使用的用户界面。 8 、t r a c ep r o t r a c ep r o 是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的 光线模拟软体。它是第一套以a c i ss o l i dm o d e l i n gk e r n e l 为基本的光学软体。第 一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、资料转换能力强及易上手的使用介 面的模拟软体。t r a c ep r o