基于ZEMAX的水质参数检测光学系统仿真设计.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation62023 年 第 20 期文章编号：2095-6835（2023）20-0006-03基于 ZEMAX 的水质参数检测光学系统仿真设计徐耀民，李丽娜（华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021）摘要：水质参数近红外检测具有快速、非破坏性、无需预处理的特点，是近年来的研究热点。主要探讨了 7001 100 nm波段光栅型短波近红外检测中光学系统的仿真设计及优化方法。通过 Czerny-Turner 分光结构的参数计算，设计光路位置参数以及光学元件尺寸结构参数；基于 ZEMAX 仿真软件，对光线追迹进行仿真和光路结构优化研究。基于 ZEMAX 光学系统的仿真优化设计，可获得结构简单、开发成本较低的光栅型短波近红外检测装置，为水质参数近红外检测小型化仪器的开发提供理论依据和技术支持。关键词：水质；近红外；光栅；ZEMAX中图分类号：TH744文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.002近红外光谱技术主要是通过检测分子中的官能团来完成对样品的定性或定量分析。当含有红外活性分子时，分子键与近红外光子发生作用。分子通过对光能的吸收，产生振动、旋转，形成不同能级间的跃迁。近红外光谱检测技术，是通过分析有机化学物质在对应光谱区域内所产生的光学特性，来获取样品中成分性质或含量的信息1。由于近红外光谱技术具有快速、非破坏性、无需预处理的特点，被环境、食品、石油、加工、生命科学等众多领域广泛研究和应用。随着社会的进步与发展，人类对健康生存环境的要求不断提高，特别是对水环境（如海水、河流、地下水等）水质状况越来越关注。有机化合物污染是影响水质参数（如 pH 值、浊度、溶解氧等）的重要因素之一，相较于传统的化学和电化学方法的水质参数检测技术，近红外检测技术避免了烦琐的操作步骤和对液体样品的二次污染，可满足现场快速检测的需求。但由于近红外光谱谱峰重叠、信噪比低，如何提高近红外检测精度是目前近红外光谱分析最终应用的关键问题。光学系统设计是近红外检测装置的核心内容，是影响系统测量精度的关键点之一。光学分光系统包括滤光轮型、傅里叶变换型、光栅型等2-3。滤光轮型光谱检测系统，主要是通过滤光片来对复合光进行不同波长光的分离。由于滤光片波长的限制，导致其应用范围小，且滤光片对光的选择性会影响系统的分辨率。傅里叶变换型检测系统，其核心是迈克尔逊干涉仪，该系统通过动镜作用形成干涉光，对外界环境要求较高，不适用于小型化仪器设计。光栅型检测系统，其分光的主要核心器件是光栅，通过光栅分光来实现复合光的分离，采用光栅转动扫描不同波长的方式，可完成连续波长信号的采集，适用于小型化、便携式仪器的设计4-5。本研究主要探讨用于水质近红外检测的小型化仪器的光学系统设计方法。本研究只涉及水分子 O-H 键的特征波段，即 7001 100 nm 近红外短波区域，探讨光栅型短波近红外检测的光学系统的设计方法。首先，通过 Czerny-Turner 分光结构的参数设计计算，确定光路位置参数以及光学元件尺寸参数；其次，基于ZEMAX 光学仿真软件，对光线追迹进行仿真和优化研究。本研究的光栅型短波近红外检测的光学系统结构简单、应用成本较低，可为水质参数近红外检测仪器的小型化研究开发提供理论依据和技术支持。1水质参数短波近红外检测系统设计水质参数短波近红外检测系统总体设计结构框图如图 1 所示，主要包括光源、分光模块、样品池架、检测模块、控制模块及上位机。由于水分子的 O-H 键在近红外短波区域 7001 100 nm 有特征信息，所以选择测量波段为 7001 100 nm，采用透射式检测方式，光源、分光模块和检测模块分别安装在样品池架两侧。光源选择包含 7001 100 nm 波长范围、性能稳定的卤钨灯。分光模块包括滤光轮和光栅分光结构，通过电机控制滤光轮和光栅的转动，实现连续波长扫描。样基金项目国家自然科学基金青年科学基金项目（编号：51805177）、华侨大学科研启动基金项目（编号：11BS413）资助Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期7品池架用于放置比色皿。检测模块包括均光结构、光电探测器、信号采集器。均光结构中，利用均光片使透过样品池的光线均匀传输。探测器采用硅光二极管近红外型，接收来自均光结构的光信号。信号采集器通过放大电路实现微弱光信号的增强，并经 A/D 转换实现光电信号的转换。控制模块利用单片机 STM32 完成电机控制、温度控制，通过单片机的 USART 串口功能将采集的信息发送至上位机6-8。本研究主要探讨分光模块中光路的设计，包括光学元件参数设计计算方法和基于 ZEMAX 的光线追迹仿真优化方法。图 1水质参数短波近红外检测系统结构框图2分光模块参数设计Czerny-Turner 分光结构简单，是目前常用的结构，Czerny-Turner 对称型分光结构示意图如图 2 所示。该结构主要包括衍射光栅和 2 个凹面镜（聚光镜和准直镜），可实现光路传播，且调节方便。同交叉非对称型Czerny-Turner 结构相比，该结构在测量光谱的慧差和保持分辨率稳定性方面性能较优9-10。图 2Czerny-Turner 对称型结构示意图分光结构中衍射光栅是完成光线不同波长分离的分光元件，反射光栅表面由等距的刻痕构成，光线在刻痕上发生漫反射，在相邻两刻痕间表面发生衍射，相当于衍射狭缝。为了使光栅能够发生色散完成分光，在设计时必须满足光栅的分光方程，如式（1）所示，它描述了相邻两束传播光线的光程差值。mid）（sinsin（1）式中：d 为光栅常数，与光栅刻线数 n 相关，即 1/n；i为光线照射至光栅时的入射角的数值；为出射光栅的衍射角的数值；m 为光谱的衍射级次的数值，为光线波长的数值。当 i、两角位于光栅面法线的两侧时，它们的关系取负号，反之位于同侧时取正号。由式（1）可知，当 m=0，入射角 i=0，即当光线垂直入射时，在零级主级大方向上，由于其单缝衍射方向上，零级同缝间干涉（多光束干涉），在零级主极大方向产生叠加，则在光栅零级主极大方向上分布大量光能。若衍射角不变，零级主极大方向上不会发生色散，而在其他级次上均不重合，则发生色散现象。由于光强的分布从零级主级向两侧级大方向上依次减小，为了完成光信号的采集，通常使用不同波长在1 级大方向上的分布，因此可采用闪耀光栅来实现，闪耀光栅示意图如图 3 所示。其中，a、b 分别表示透光宽度和不透光宽度，且与光栅常数 d 的关系为 a+b=d。由于闪耀角的存在，可将光能从零级大方向转移到其他级大方向上。图 3闪耀光栅示意图根据 Shafer 所提出的消慧差设计条件，光路参数如式（2）所示9。32121coscos2/sin2/siniHH）（）（2）式中：H1、H2为准直镜、聚光镜距离中心轴的高度的数值；1、2为准直镜与聚光镜和轴线的夹角的数值。入射角 i 和衍射角的关系满足式（3），1和2的关系满足式（4）。波长范围、闪耀角、闪耀方向满足关系式（3）（7）9。i（3）21（4）m=0m=1abm=2准直镜准直镜科技与创新Science and Technology&Innovation82023 年 第 20 期）（12141b（5）2bi（6）nbsin2（7）当光路满足李洛特自准入射条件时，即当入射角i=0 时，取 7001 100 nm 的中间波长 900 nm，选择常用刻线数 n=600 的闪耀光栅，主级大方向 m=1，代入光栅方程可得到衍射角=32.68。通过几何关系式（3）、式（4）以及消慧差条件公式，得1=12.15、2=20.53。1、2分别为所测波段的起始波长，由式（5）可以得到闪耀波长b=800 nm。将闪耀波长代替中间波长，代入光栅方程可得到闪耀波长的衍射角，称之为闪耀方向，即闪耀方向b=28.68。再由式（6），可得闪耀角=14.34。最后，由式（7）可得，闪耀波长b=825.58 nm。为实现结构的对称性，选择两面凹面镜的焦距相等，即取 f1=f2=150 mm。对称型 Czerny-Turner 光路几何结构图如图 4 所示，根据光路结构几何关系9，可得分光系统中光学元件分布的结构尺寸。为便于应用，选取通用元件参数，设计对称型光路及元件的结构参数，如表 1 所示。图 4对称型 Czerny-Turner 光路几何结构图表 1对称型光路结构参数表参数取值入射角 i/（）0衍射角/（）32.68光栅常数 d1/600闪耀角/（）13准直镜轴夹角1/（）12.15聚光镜轴夹角2/（）20.53准直镜、聚光镜直径 D/mm25准直镜高度 H1/mm31.75聚光镜高度 H2/mm53.4准直镜光栅距离 GM1/mm147.46光栅聚光镜距离 GM/mm142.76探测器聚光镜距离 SM2/mm152.44准直镜、聚光镜焦距 f/mm150准直镜、聚光镜曲率半径/mm3003基于 ZEMAX 的光路仿真优化设计采用 ZEMAX 软件对光路进行仿真和优化，在一定系统尺寸范围条件下，通过适当调整光栅到聚光镜的距离 GM、探测器到聚光镜的距离 SM2，可获得优化的光线传播路径。基于ZEMAX仿真的700 1100 nm光路传播示意图如图 5 所示。通过适当调整优化光路设计结构，得到优化后的 GM参数值为 138.2 mm，优化后的 SM2参数值为 107.6 mm。图 5基于 ZEMAX 仿真的光路传播示意图选择入射狭缝宽度为 2 mm，距离光阑 30 mm 入射。根据设计的分光结构参数，建立系统整体的结构模型，如图 6 所示，该系统设计中因考虑到本研究专用于水质参数近红外检测，且增加设计了温度控制模块部分，以用于温度校正实验研究，故其设计尺寸比一般商用微型光谱仪稍大，设计尺寸为 530 mm290 mm200 mm。本研究仿真设计的系统光学分辨率理论值约 12 nm，若选择更小狭缝宽度或更高刻线密度的光栅，系统的光学分辨率还可以进一步提高9。1光栅转动电机；2正弦转动结构；3滤光轮电机；4滤光轮；5入射狭缝；6准直镜；7聚光镜；8样品池架及温控装置位置；9出射狭缝；10光栅；11光源；12控制接口。图 6水质参数近红外检测系统整体结构示意图（下转第 13 页）S iG H1H2M M1H21M22Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期13景，主要体现在刀具领域的数字孪生柔性制造单元、智能工具设备的预测维护，以及刀具生产的智能管理与控制集成化生产管理等方面。随着工业互联网、人工智能、大数据等技术与制造业的深度融合，数字孪生技术将在整个工具产业链中被全面普及。随着智能设备和智能传感器技术的不断发展，数字孪生将更容易实现，建立精密刀具智能制造。参考文献：1WANG L，LI J，CHEN Z C.An efficient approach tocalculating the moment of inertia of solid end-mill flutesC/Proceedings of the 2014 international conference oninnovative design and manufacturing（ICIDM），2014.2唐堂，滕琳，吴杰，等.全面实现数字化是通向智能制造的必由之路：解读智能制造之路：数字化工厂J.中国机械工程，2018，29（3）：366-377.3周济.智能制造：“中国制造 2025”的主攻方向J.中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.4林智成.数字孪生技术框架及其在制造业中的应用J.工业控制计算机，2020，33（6）：129-131，133.5戴晟，赵罡，于勇，等.数字化产品定义发展趋势：从样机到孪生J.计算机辅助设计与图形学学报，2018（8）：1554-1562.6ALAM K M，SADDIKAE.C2PS:a digital twin architecturereferencemodelforthecloud-basedcyber-physicalsystemsJ.IEEE access，2017（5）：2050-20627QI Q L，TAO F.Digital twin and big data towards smartmanufacturingandindustry4.0:360degreecomparisonJ.IEEE access，2018（1）：3585-35938郑小虎，张洁.数字孪生技术在纺织智能工厂中的应用探索J.纺织导报，2019（3）：37-41.9陶飞，程颖，程江峰，等.数字孪生车间信息物理融合理论与技术J.计算机集成制造系统，2017，23（8）：1603-1611.10郭具涛，洪海波，钟珂珂，等.基于数字孪生的航天制造车间生产管控方法J.中国机械工程，2020，31（7）：808-814.作者简介：游明琳（1979），男，研究方向为复杂曲面加工。（编辑：严丽琴）（上接第 8 页）4结束语本研究探讨了 7001 100 nm 波段光栅型近红外检测装置中光学系统的仿真优化设计方法。通过Czerny-Turner 分光结构的参数计算，设计了光路位置参数以及光学元件参数。基于 ZEMAX 仿真软件，对光线追迹进行了仿真和优化研究，通过选择较小的狭缝宽度或较高刻线密度的光栅，可提高系统的光学分辨率。该光栅型短波近红外检测的光学系统研究，避免了近红外全谱段（7802 526 nm）的设计，仅选用了 7001 100 nm 近红外光的短波区域开展研究，其结构简化、应用成本降低，为水质参数近红外检测小型化仪器开发提供了理论依据和技术支持。参考文献：1陆婉珍.现代近红外光谱分析技术M.2 版.北京：中国石化出版社，2010.2吴安国.光谱仪器设计M.北京：科学出版社，1978.3郁道银，谈恒英.光学工程M.4 版.北京：机械工业出版社，2015.4张晴，蔡贵民，陈斌，等.光栅型高速扫描近红外光谱仪的研发J.分析仪器，2018（3）：29-34.5卢典华.光栅分光光度计正弦机构分析J.实验技术与管理，1987（3）：24-25.6杨梅，刘学军，张纬蓉，等.一种光电二极管转换模块设计与实现J.中国集体经济，2021（26）：161-162.7李香宇，王世功，王萌，等.基于 PID 算法和 PWM 控制的温控系统设计J.仪表技术，2016（5）：31-33.8邱丽湖，陆道礼，冯帮，等.微型近红外光谱检测系统温度补偿的设计J.分析仪器，2015（2）：1-6.9彭雪峰，魏凯华，刘艳萍，等.高分辨率 Czerny-Turner 光谱仪光学系统设计J.光子学报，2014，43（10）：162-166.10 龙亚雪，王贤俊，郑海燕，等.基于紧凑结构的Czerny-Turner光谱仪的程序化设计方法J.光学仪器，2019，41（3）：49-55.作者简介：徐耀民（1996），男，硕士研究生在读，研究方向为光电检测系统开发。通信作者：李丽娜（1978），女，博士研究生，讲师，研究方向为生物医学光谱分析技术。（编辑：张超）