小型快速扫描近红外光谱仪的研制

　　0　引言

　　近红外光谱技术是一种无损快速检测方法,能做定性分析和定量分析,适合在线实时检测,已在众多领域得到应用.由于环境监测、生物医学、科技农 业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发展,要求分析仪器小型化、轻量化,目前国外仪器的发展趋向于智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化 [1].

　　近红外光谱仪主要有扫描光栅单元探测型、固定光栅阵列探测型、声光可调谐滤波型(Acousto-optic Tunable Filter, AOTF)[2]和傅立叶变换光谱型(Fourier Transform Spectrometer, FT)[3]等四类,其中产品又以扫描光栅型为主[4],这类产品普遍采用步进电机加丝杆的结构,这样的结构有助于提高仪器的扫描准确度和重复性,但由于 丝杆自身结构的限制也造成了其扫描速度低的缺点,丝杆传动系统为正弦机构,扫描波长值与丝杆的行程成线性关系.如在一些精密光栅型仪器中电机带动丝杆每旋 转一周,其行程变化1 mm,波长扫描了3 nm[5],这样扫描一遍全谱光谱图速度很慢.另外,近红外光谱仪器中杂散光问题也一直存在,主要涉及光学系统中多次衍射的光线以及路径中光学表面引起的 杂散辐射[6],通常采用添加遮光罩和消光光阑来消除系统杂散光[7].

　　本文运用Cary原理对传统型Czerny-Turner(C-T)结构单色器的光路布局进行了改进,旨在减少光路系统中二次衍射及多次衍射, 从根本上抑制因此产生的杂散光,并对光路结构使用光学软件进行了仿真;采用了谐波电机直接驱动光栅代替传统的电机传动正弦丝杆再驱动光栅的结构,减小了体 积并提高了扫描速度;最后对样机进行了初步的性能测试,并对葡萄糖水溶液进行了简单的定性实验.

　　1　仪器的整体设计

　　1.1　光路设计

　　在常见的Czerny-Turner光路结构中,由于准直镜和聚焦镜的位置以及其本身宽度,出射光线容易反射到镜子表面形成多次衍射[8].从 光栅衍射出的边缘光线或照到两个镜子之间的空白或返回准直镜,到达聚焦镜的光线也有部分到达光栅的边缘形成二次衍射,如图1.这样经过二次衍射或多次衍射 使得其他波长的光重叠到仪器设定的要出射波长的光束上去,增大了仪器的杂散光,使输出光束的纯度变差.

　　图1中实线表示光线在准直镜上反射两次;虚线表示在聚焦镜上反射了两次.为了避免这种多次衍射的产生,简单的方法可以增大离轴角度,但也同时会 增加彗差和像散[9].Cary原理指出在系统设计中存在一个最小离轴角,使得光栅转动的轨迹始终处于物镜外缘法线的外侧,这样光栅出射的任何一条衍射光 线投射到物镜后都不可能再返回到光栅上,因而不会产生多次衍射[9],如图2.