多通道傅里叶变换型光谱仪设计报告

实验报告课程名称：精密仪器实验名称：手持式多通道傅里叶变换型光谱仪姓名：班级：学号：2014——2015学年第2学期1.工作原理......................................................................................................................................31.多通道傅里叶变换红外光谱仪的构成........................................................................................32.多通道傅里叶变换红外光谱仪的基本原理........................................................................42.系统设计........................................................................................................................................61.系统结构框图........................................................................................................................62.光学系统................................................................................................................................63.电路系统................................................................................................................................74.软件系统................................................................................................................................83.主要参数和技术指标..................................................................................................................91.主要技术指标........................................................................................................................94.系统简图......................................................................................................................................95.总体布局....................................................................................................................................106.精度的分配................................................................................................................................107.造型设计......................................................................................................................................108.参考文献....................................................................................................................................111.工作原理1.多通道傅里叶变换红外光谱仪的构成多通道傅里叶变换光谱仪中的基本构造由两块半五角形棱镜构成的环行共光路干涉分光装置和电荷耦合器件(CCD)组成，光源发出的光经过参比池样品池切换器后，光经环行共光路干涉分光器后被调制成空间干涉光，一束光通过样品后含有样品信息的光被调制成空间干涉光后到达面阵CCD检测器，接着单片机控制A/D转换器将面阵CCD检测器得到的信号进行A/D转换。然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。工作原理图如图1。参比池样品池切换器A/D转换器图1：多通道傅里叶变换光谱仪工作原理图单片机和显示器光源环行共光路干涉分光器面阵CCD检测器2.多通道傅里叶变换红外光谱仪的基本原理紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪主要由干涉分光系统和干涉图数据采集处理系统组成,如图2所示：光源S经成像透镜L1后成像于棱镜胶合面S′处,该分光系统由两块胶合在一起的半五角棱镜构成,在胶合面处均匀镀有50/50半透半反分束膜BS,而在两侧面M1和M2处镀有反射膜。入射光在BS处分成两束,透过BS的光束先后经M2,M1反射后再次透过BS分束膜,被BS膜反射的光束先后经M1,M2反射后又一次被BS反射,这两束光相互干涉。光源像S′和CCD探测器的光敏面分别位于变换透镜L2的前、后焦平面处,这不仅有利于光束第二次通过胶合面时不受分光膜BS的影响,并且可采用焦距较短的变换透镜,使整个仪器的结构更为紧凑。在CCD靶面上的干涉图光强分布是待测光源光谱的余弦傅里叶变换。在单片机控制下进行数据采集和A/D转换,并对干涉图作本底噪声扣除等处理,然后对其作离散傅里叶变换便可获得待测光光谱图。由于这种分光装置中两光束走过的光路基本相同,因此对两块半五角棱镜的角度、胶合层劈角等要求的精度不高,加工、装调并不困难。然而,两光束经过分束膜BS的情况截然不同,如上述分析,一束经过两次透射,另一束为两次反射,干涉条纹的调制度M为)1(222TRRTM式中,R和T分别是分束膜的光强反射率和透过率。对分束膜的分束比要求相当严格,否则干涉条纹的调制度会明显下降。考虑到CCD像元的有限大小,必须使分光系统和变换透镜L2与之相匹配。光线关于光源像S′对称地通过胶合棱镜,设棱镜材料的折射率为1.52,经简单计算后,可得该分光系统确定的棱镜入射、出射光束的数值孔径最大可达约0.444,故变换透镜L2的焦距至少应为CCD宽度的2.25倍。两干涉光束之间的错位量为)2(2aL式中,a是两块半五角棱镜间的错位量。形成的干涉图样中的最高空间频率为)3(maxLf式中,f和max分别是透镜L2的焦长和光谱仪工作光谱范围的最大波数值。而CCD能探测到的条纹最高空间频率为两倍像元大小之倒图2：紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪结构原理图数,利用式(2)和式(3),两块半五角棱镜的错位量应满足下式)4(2amaxfd式中,d是CCD的像元大小。波数为的单色光形成的干涉图样的强度分布为)3)](2(cos1)[()(EI其中Δ=x.θ,是光程差,而x为CCD光敏面上相对于零光程差的位置坐标(如图2中所示);E(ν)=S(ν)T(ν)d(ν),S(ν)为波数的光谱强度分布,T(ν)为光谱透过率,d(ν)为探测器的光谱响应曲线。若光源发出的并射入干涉仪中的光束是属于波数范围(ν,ν+dν)时,则所获得的干涉图强度分布为)4()]2cos(1[)()(0dEI因此,总的通量可以写为)5()2cos()()()(00dEdEI当光程为零时,即Δ=0时,则)6()(2)0(0dEI而当光程差为D时,由上式,可得)7()2cos()()0(21)(0dvEIDI上式表明,干涉仪射出光通量(即干涉图象的强度)由两部分组成,一部分是与光程差无关的直流分量,另一部分与光程差有关,为光源光谱分布的余弦傅里叶变换。在采集到的干涉图样中扣除其直流部分,实际所得的有用的干涉函数为)8()2cos()()0(21)()(0dEIDII对其作逆傅立叶变换,得到E(v),即)9()2cos()()(0dIE表明利用傅立叶变换定理,可计算出E(ν),再根据已知的T(ν)、d(ν),可求得待测光的光谱强度曲线S(ν)。2.系统设计1.系统结构框图多通道傅里叶变换型光谱仪系统主要由光学系统，电路系统，软件系统构成。系统结构框图如图3。2.光学系统多通道傅里叶变换型光谱仪的光学系统主要有光源，参比池样品池切换器，环行共光路干涉分光器组成。因为要测近红外光谱所以光源选择卤钨灯。参比池样品池切换器使得卤钨灯产生的光选择通过参比池或样品池。通过样品池得到干涉信号，通过参比池得到带背景噪声的原始光谱。环行共光路干涉分光器的作用是使得干涉信号的强度是光程差与入射光频率的函数。光学系统结构图如图4。红外光源参比池样品池切换器环行共光路干涉分光器面阵CCD检测器A/D转换器单片机和显示器图3：系统结构框图卤钨灯准直镜参比池样品池切换器图4：光学系统结构图环行共光路干涉分光器3.电路系统多通道傅里叶变换型光谱仪的电路系统主要有面阵CCD检测器，电压放大电路，滤波电路，高速高精度A/D转换电路。选用面阵CCD检测器的原因是：具有同时多谱线检测能力，响应速率快，可以跟踪空间调制光随时间的变化，可在室温下使用，价格较便宜。电压放大电路进将电压信号放大。滤波电路将信号频谱外的多余频率分量滤除。高速高精度A/D转换电路将电压信号转化成数字信号。电路系统结构图如图5。面阵CCD检测器电压放大电路滤波电路高速高精度A/D转换电路图5：电路系统结构图4.软件系统多通道傅里叶变换型光谱仪的软件系统主要有数据采集控制模块，数字滤波模块，相位矫正和切趾模块，快速傅里叶变换模块，样品信号频谱与参照背景频谱比较计算模块。数据采集控制模块：控制A/D转换器进行A/D转换。数字滤波模块：滤除多余的频谱分量。相位矫正和切趾过程模块：减小光谱复原时发生图谱的畸变。快速傅里叶变换模块：对数据进行傅里叶变换。样品信号频谱与参照背景频谱比较计算模块：计算得到不同频率红外波长的吸光度。软件系统流程图如图6。程序开始启动数据采集将样品池和参比池得到的原始数据分别进行数字滤波将滤波后的数据进行相位矫正和切趾过程将数据进行快速傅里叶变换样品信号频谱与参照背景频谱比较，计算出不同频率红外波长的吸光度程序结束图6：软件系统流程图3.主要参数和技术指标1.主要技术指标1.光谱范围：cmcm114004000；2.光谱分辨率：cm1-4；3.波数准确度：cm14.0；4.系统简图系统布置如图7，在底座上横向安放光路与电路，为的是防止光源的热量干扰到检测器的检测。光源准直镜参比池样品池切换器CCD检测器A/D转换器单片机显示器电源底座图7：系统简图干涉分光器5.总体布局本设计是手持式多通道傅里叶变换型光谱仪，所以采用的元器件尺寸都会比较小，光路比较短，光路和电路都会集中在仪器的同一个底座上。