便攜式拉曼光譜儀的相關(guān)光學(xué)理論基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u10658便攜式拉曼光譜儀的相關(guān)光學(xué)理論基礎(chǔ)概述 1196981.1便攜式拉曼光譜儀的原理及組成 1102351.1.1激光器 2155881.1.2拉曼探頭 2279741.1.3微型光譜儀 3110691.2拉曼光譜儀的性能指標(biāo) 4283431.2.1工作光譜范圍 4112901.2.2色散率 473381.2.3分辨率 4205441.3便攜式拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)的選取 5264621.4光譜儀系統(tǒng)中元器件的選取 718711.4.1光柵 7181271.4.2準(zhǔn)直鏡 7319451.4.4光電探測器 8179481.5

Zemax相關(guān)理論 836651.5.1Zemax軟件簡介 8223591.5.2Zemax軟件的設(shè)計(jì)流程 8在設(shè)計(jì)光譜儀系統(tǒng)并組裝便攜式拉曼光譜儀樣機(jī)之前，本章對便攜式拉曼光譜儀的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、光譜儀的原理、本設(shè)計(jì)的相關(guān)光學(xué)理論進(jìn)行闡述并分析，最后確定光學(xué)系統(tǒng)中各參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)部件的選取。1.1便攜式拉曼光譜儀的原理及組成便攜式拉曼光譜儀的工作原理如圖2-1所示，其基本組成主要有激光器、拉曼探頭、光譜儀三部分。圖2-1便攜式拉曼光譜儀工作原理1.1.1激光器現(xiàn)如今的便攜式拉曼光譜儀一般使用輸出功率大于100mW，半波寬小于0.15nm，中心波長為532nm或785nm的小型半導(dǎo)體激光器，部分廠商的便攜式拉曼光譜儀的激發(fā)光源采用中心波長為532nm的小型固態(tài)半導(dǎo)體激光器，但其有容易導(dǎo)致被測物發(fā)射出熒光的缺點(diǎn)，拉曼信號會受到熒光干擾，近幾年也有很多廠商配備中心波長為785nm的紅外激光器作為激發(fā)光源，由于其光子能量低，所以激發(fā)熒光的可能性小，拉曼信號更容易被探測，但拉曼散射效率降低，積分時(shí)間增長，要求激發(fā)光有更強(qiáng)的功率。1.1.2拉曼探頭如下圖2-2所示是拉曼探頭的兩種光路結(jié)構(gòu)，拉曼光纖探頭的作用為激光傳導(dǎo)、拉曼光收集和濾波[9]。激光作用于被測物激發(fā)出的拉曼信號由探頭接收，并濾去激光、瑞利散射等非拉曼信號，并將拉曼信號傳遞至后端光譜儀中。圖2-2拉曼探頭的典型光路和直角光路1.1.3微型光譜儀光譜儀系統(tǒng)主要由光源和照明系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、探測接收系統(tǒng)等組成。如下圖2-3所示，為光譜儀的結(jié)構(gòu)和基本的工作原理圖。圖2-3光譜儀的結(jié)構(gòu)和原理圖（H-光源；L1-聚光燈；S-狹縫；L2-準(zhǔn)直鏡；G-分光元件；L3-成像鏡；PM-探測接收系統(tǒng)）光源和照明系統(tǒng)提供足夠的光照強(qiáng)度并匯聚光線照射在待測樣品上，使待測樣品在照射下反射或投射出拉曼信號。準(zhǔn)直系統(tǒng)（由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成，有些光譜儀在準(zhǔn)直鏡的焦平面上設(shè)置入射狹縫來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直效果，以達(dá)到減小雜散光、減小系統(tǒng)體積的目的）將通過入射狹縫再照射在準(zhǔn)直物鏡上的入射光準(zhǔn)直成平行光再射向分光系統(tǒng)。分光系統(tǒng)的將不同波長的光線、不同頻率的拉曼信號分散開（光譜儀分光元件通常選用光柵或棱鏡）。分光后，經(jīng)過成像系統(tǒng)將通過光柵形成分散光重新匯聚并按規(guī)律投射在光電探測器上。最后探測接收系統(tǒng)接收成像物鏡上的光譜信號，將其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過相關(guān)軟件分析處理，顯示出所測光譜信息。1.2拉曼光譜儀的性能指標(biāo)1.2.1工作光譜范圍是指在光譜儀可以進(jìn)行光譜檢測和分析的光波段范圍，主要由光譜儀系統(tǒng)中的光柵、反射鏡對不同波長光的反射效率，光柵的衍射、透射效率，以及光電探測器光敏面的感光范圍而決定[10]。1.2.2色散率光譜儀的分辨率由色散率直接決定，根據(jù)定義可分為兩種：1）角色散率（）：不同波長、不同頻率的光線在經(jīng)過分光系統(tǒng)后彼此間的角度分散距離[11]。定義為，是兩條不同光線被分光系統(tǒng)分光的角度之差；為兩條光線之間的波長差。2）線色散率（）：不同波長、不同頻率的光線在經(jīng)過分光系統(tǒng)后在成像系統(tǒng)焦平面上所分開的距離，定義為。為兩條不同波長的光線最終在成像鏡上的落點(diǎn)間的距離[12]；為這兩條光線之間的波長差。1.2.3分辨率分辨率的單位通常為納米（nm），而拉曼光譜儀的分辨率的單位為波數(shù)（cm-1），為與光譜儀有所不同，定義其為R’，根據(jù)公式R=107/(分辨率是光譜儀最重要的參數(shù)之一，表明光譜儀可以分辨兩條不同波長光線之間的最小波長差的能力。決定分辨率主要因素有光譜儀系統(tǒng)中狹縫的寬度、光柵常熟、成像鏡焦距等，分辨率與光柵常數(shù)、成像焦距成正比，與狹縫寬度成反比。分辨率越高，對兩條波長相差很小的光線的分析能力越準(zhǔn)確。由于設(shè)計(jì)光譜儀的過程中難以在十分精確地計(jì)算分辨率，而分析瑞利準(zhǔn)則的衍射現(xiàn)象較為簡便，因此只需依據(jù)瑞利準(zhǔn)則對分辨率進(jìn)行近似的計(jì)算即可。瑞利瑞利準(zhǔn)則有兩個(gè)重要的前提條件：假設(shè)通過光譜儀后，兩條相鄰的光線的光強(qiáng)度分布相同；假設(shè)接收器具有20%以上的靈敏度[13]。依據(jù)瑞利準(zhǔn)則計(jì)算，光譜儀系統(tǒng)分辨率R為：(2-1)上式中的為被分辨的兩條光線的波長差；為其波長的平均值。在光譜儀中，光線線通過孔徑衍射后的寬度為：(2-2)上式中D’為矩形孔徑的寬度，它是光柵在的分光平面內(nèi)的有效的孔徑寬度。兩波長差為的光線，經(jīng)過分光后的角距離為：(2-3)依據(jù)瑞利準(zhǔn)則，在滿足時(shí)，兩條波長不同的譜線可被分辨，聯(lián)立(2-1)、(2-2)、(2-3)三式得：(2-4)(2-5)由式(2-5)得知，理論上光譜儀系統(tǒng)的分辨率為角色散率與孔徑寬度的乘積，且與二者呈正相關(guān)。1.3便攜式拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)的選取通過查閱各種資料得知，光譜儀系統(tǒng)主要分為反射式[14]和透射式[15]兩種系統(tǒng)，實(shí)際情況中大多數(shù)光譜儀選用反射式系統(tǒng)，因?yàn)榉瓷涫焦鈻乓膊粫a(chǎn)生色差，經(jīng)反射式光柵形成的光譜相較于投射式光柵更加平直也更容易被探測接收系統(tǒng)捕獲。而且通過反射基本上可以覆蓋整個(gè)光譜范圍，因此選擇反射式結(jié)構(gòu)對光譜范圍限制相對較少，對微型光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更有利。反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)還可以大概分為三種：水平成像結(jié)構(gòu)、垂直成像結(jié)構(gòu)、自準(zhǔn)直成像結(jié)構(gòu)等。光譜儀中常見光學(xué)結(jié)構(gòu)有法斯第-艾伯特(Fastie-Ebert)結(jié)構(gòu)、李特洛(Littrow)結(jié)構(gòu)和切尼-特納(Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)[16]等。切尼-特納光學(xué)結(jié)構(gòu)（以下使用簡稱“C-T結(jié)構(gòu)”）分為對稱式結(jié)構(gòu)和交叉式結(jié)構(gòu)。對稱式切尼-特納光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，其入射狹縫、光柵和成像面在左側(cè)，準(zhǔn)直鏡、成像鏡在右側(cè)，整體光學(xué)路經(jīng)像字母“M”，也被稱為“M”型C-T結(jié)構(gòu)。對稱式C-T結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是分辨率在較寬光譜范圍內(nèi)均勻且比較高，缺點(diǎn)是較交叉式C-T結(jié)構(gòu)體積較大不利于儀器整體體積減小.圖2-4對稱式Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)交叉式C-T結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，與對稱式C-T結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要在于光學(xué)元器件的位置不同，優(yōu)點(diǎn)是便于除去系統(tǒng)的雜散光，相較于對稱式C-T結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件布局更緊湊，能夠有效利用空間，有利于減小光譜儀體積。缺點(diǎn)是像差較大，工作光譜范圍內(nèi)容易出現(xiàn)中心波長與邊緣波長的對應(yīng)的慧差和光譜分辨率都相差較大的情況。圖2-5交叉式Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)因?yàn)楸疚男枰O(shè)計(jì)的便攜式的拉曼光譜儀，考慮到技術(shù)要求的工作波長范圍不大，且準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的尺寸在兩個(gè)維度上基本決定了儀器總體的尺寸，所以為了減小儀器體積，選擇交叉式C-T結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)基礎(chǔ)建立光譜儀系統(tǒng)。1.4光譜儀系統(tǒng)中元器件的選取1.4.1光柵光柵主要分為三種：機(jī)刻光柵、復(fù)制光柵和全息光柵等[18]。一些光譜儀會采用全息凹面光柵將分光和成像作用整合，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且全息光柵在大范圍的光譜波段內(nèi)的衍射效率平穩(wěn)且相對較高，但其價(jià)格偏高，采用一般的平面閃耀光柵足以達(dá)到本文需求。選擇光柵時(shí)主要應(yīng)考慮光柵的刻線、衍射效率、閃耀波長、工作波長范圍[17]。根據(jù)查閱資料得知，柵線為600線對/mm的光柵工作波段為650nm左右，刻線數(shù)適中；本文的設(shè)計(jì)的光譜儀系統(tǒng)工作光譜范圍要求在300-800nm，光柵的閃耀波長需要此范圍內(nèi)。因此選用600線對/mm，閃耀波長為500nm的平面閃耀光柵。1.4.2準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡的作用是將接收到的入射光準(zhǔn)直為平行光，使其反射向分光系統(tǒng)。選擇準(zhǔn)直鏡需要考慮光譜儀的光譜帶寬和形狀大小[19]。光譜帶寬與準(zhǔn)直鏡的焦距的關(guān)系式為:(2-6)（a1-狹縫寬度；d-光柵常數(shù)；m-衍射次數(shù)；f1-準(zhǔn)直鏡的焦距；i-光柵的入射角）可以看出光譜帶寬與準(zhǔn)直物鏡的焦距f1呈反比。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并計(jì)算后，確定準(zhǔn)直物鏡的焦距初始值應(yīng)設(shè)置為80mm。1.4.3成像鏡選擇成像鏡主要應(yīng)考慮CCD探測器的象元分辨力，定義其為[20]：(2-7)（P-象元中心距；d-光柵常數(shù)；n-光譜級次，f2-成像鏡的焦距；-光柵的衍射角）可以看出象元分辨力與成像鏡的焦距呈反比。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并計(jì)算后，確定成像鏡的焦距初始值應(yīng)設(shè)置為80mm。1.4.4光電探測器光電探測器的作用是將接收到的光譜信號轉(zhuǎn)化成電信號，再將電信號輸出至計(jì)算機(jī)。目前商品化光譜儀中的光電探測器主要有：電荷耦合器件（CCD），CMOS圖像傳感器，PDA光電二極管等[21]。其中電荷耦合器件（CCD）的性能更好，在三者探測面積相等時(shí)，CCD的靈敏度更高、噪音更地、功耗更低，利于微型光譜儀保持良好性能。所以在本文設(shè)計(jì)的光譜儀系統(tǒng)中選用CCD來做探測器。選擇CCD探測器時(shí)主要參考它的靈敏度、象元的個(gè)數(shù)、動態(tài)范圍、光譜響應(yīng)范圍等。綜上分析后，本文選擇有效像素為2048*64,象元尺寸為14um×14um，工作波長范圍在200-1100nm的線陣CCD探測器。1.5

Zemax相關(guān)理論1.5.1Zemax軟件簡介Zemax是由美國焦點(diǎn)軟件公司開發(fā)的一套綜合性很強(qiáng)、性價(jià)比很高、功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度可、使用靈活方便的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。而且Zemax操作簡便，內(nèi)有各種光學(xué)元件資料庫，根據(jù)不同仿真實(shí)驗(yàn)的需求，在軟件菜單中可以找到多種多樣的功能，如實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的建模、光跡追蹤、像查分析、數(shù)據(jù)輸出，甚至能夠采用序列和非序列的方式設(shè)置評價(jià)評價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1.5.2Zemax軟件的設(shè)計(jì)流程光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)對儀器所提出總體技術(shù)要求（性能指標(biāo)、外形體積等），來決定系統(tǒng)中具體的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過輸入所需的各參數(shù)設(shè)計(jì)并優(yōu)化出符合技術(shù)要求的光學(xué)系統(tǒng)。Zemax軟件的設(shè)計(jì)流程與上述過程基本一致，其設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的具體流程如下圖所示：圖2-6光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖首先，輸入系統(tǒng)中光路和各元器件的參數(shù)