基于TracePro软件的荧光信号光收集光路的设计与仿真

摇头丸、冰毒和海洛因等常见的毒品在特定波长激发下都可以发射荧光,但这些分子结构中的荧光基团数量较少或量子效率很低,当毒品的浓度较低时,荧光信号很弱,很难被检测到,从而限制了荧光光谱技术在毒检领域的应用。为了提高荧光光谱技术的灵敏度,从荧光信号的发散特性考虑,利用TracePro软件设计用于荧光信号收集的光路,这与传统的采用高功率激光器增加激发光能量和选用高灵敏探测器的解决方案不同;在光路中,选用抛物面型反射镜和菲涅耳透镜对不同发散角的荧光光束进行准直,采用平凸透镜和双凸透镜对光束进行缩束,采用特定尺寸的微透镜阵列对光束进行聚焦。对设计的光路进行仿真的结果表明:光路对荧光信号光的收集效率约为21.08%,比传统荧光收集光路的效率高6倍。所设计的光路可为改进本课题组已经开发的便携式高灵敏毒品荧光检测系统提供技术参考。     

多重定量PCR系统中多色荧光检测和光谱串扰校正方法

多色荧光的激发检测光路是多重定量聚合酶链式反应(PCR)系统的核心组成部分。根据系统对荧光激发的均一性、荧光检测的时间和灵敏度需求,提出一种基于磁光开关和光电倍增管(PMT)的多色荧光激发检测光路。通过四色LED单独激发和PMT检测来提高灵敏度;利用磁光效应实现光路的电控切换,配合一维扫描机构和滤光片切换装置,完成96孔标准PCR板的四色荧光扫描。该设计避免了多色荧光光路的系统串扰。由于荧光染料本身光谱特性产生的荧光光谱串扰是通过标准迭代的四维聚类分析算法计算串扰矩阵,并通过4种常用染料的实验研究,对所建荧光检测系统进行荧光光谱串扰评估。     

基于严格矢量波计算的SO2荧光采集光路的设计与仿真

紫外荧光法是指SO_2分子在特定波长的紫外光照射下会产生荧光,通过检测荧光的强度就可以间接得到SO_2的浓度。但大气中SO_2浓度较低,荧光信号较弱,这就导致检测困难,在一定程度上限制了紫外荧光法的发展。针对这个问题,设计了用于采集荧光的光路。光路分别采用抛物面反射镜与菲涅尔透镜实现对不同发散角的荧光的准直,之后利用两个平凸透镜对平行光进行缩束,并使用两个平凸透镜汇聚荧光。采用射线追踪算法作为严格矢量分析的工具,对设计的光路进行仿真分析并与传统的荧光采集光路进行采集效果的对比,仿真结果表明该设计的光路采集荧光的效率要高于传统结构。     

线形离子阱囚禁199Hg＋实验的光学系统设计

利用Zemax软件为线形离子阱囚禁199 Hg＋实验设计了一套光学系统,该系统包括两部分,即光学激发系统和荧光收集系统。光学激发系统由202 H g无极谱灯和激发透镜组组成。激发透镜组将202 Hg无极谱灯的直径为15 mm的圆形面光源整形成23 mm ×4 mm的矩形光去激发199 H g＋能级跃迁,从而使其辐射出荧光,再利用荧光收集系统去收集该荧光。荧光收集系统由收集透镜组、滤波片和光电倍增管组成。设计结果表明：该收集透镜组可以很好地将荧光发光面成像在直径为23 m m的光电倍增管上,具有较高的荧光收集效率,约3％。经物理系统实验,结果表明,该光学系统满足实验要求且具有较高的信噪比,其值约为20。这为高性能线形199 H g＋微波频标的工程应用提供了基础。     

原位成形光学微透镜的聚光性能研究

为解决荧光谱微检测系统中光学微透镜制作的困难,提出一种原位成形微透镜的制作方法,研究该微透镜的聚光性能,利用传统几何光学原理,分别推导出激发微透镜与检测微透镜的光线追迹方程,用该方程计算了2种微透镜的照射点分布几率,画出相应的分布曲线图,讨论了不同形状参数的微透镜对聚光性能的影响。研究结果表明,通过在光学胶中适当掺杂及打磨基底玻璃,可减小接触角,加大微透镜的形状参数,既能坚固透镜与基底间的粘接强度,又能提高微透镜的聚光本领。制作了使用原位成形光学微透镜的荧光谱微检测器,对生物荧光试剂进行了测试。实验结果表明,使用原位成形光学微透镜进行聚光,可使生物荧光谱强度提高4倍以上,通过在光学胶中掺杂以及打磨玻璃的办法,可以提高透镜的聚光本领约1.2倍。     

基于离轴两反利特罗结构的棱镜高光谱成像系统的光学设计

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求,并应对实际应用中对仪器小型化、轻量化、高光学效率的新需求,研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统,采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积,同时为平面棱镜提供准直光路,并以宏编程的优化方式,避免系统中光路干涉。结果表明,通过非球面反射镜和双校正透镜的设计,该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm,色畸变小于1.3 μm,控制在18%像元内,在400～1 080 nm可见—近红外(VNIR)工作波段的光学调制传递函数(MTF)均达到0.9以上,光谱分辨率为1.6～5.0 nm,光谱透过率在51.5%以上,系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。     

红外干扰模拟器的微光学扩束技术

基于双干扰光路红外干扰模拟器的光束扩束技术,设计了微透镜阵列扩束系统,利用光刻胶热熔技术对微透镜阵列进行加工并对干扰模拟系统的能量收集效率进行测试.实验结果表明两干扰光路的能量收集效率分别为27.3%和26.9%,与设计结果30.8%基本符合;验证了微透镜阵列作为扩束元件在红外干扰模拟器中的应用价值,为红外成像仿真技术及多干扰光路红外成像目标模拟器的工程化研究提供了参考.     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.     

激光光束实时监测与自动准直系统设计

设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准商激光输出方向.基于透镜成像原理,使用CCD探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整架实现光路自动准直;监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位置抖动情况,并进行反馈控制.经测试,设计装置的调整精度达0.5μrad,反馈控制频率约1 Hz,完全可降低或消除抖动周期在1 s以上的光斑飘移.     

基于菲涅耳透镜色散的双波长荧光显微深度成像

提出一种非轴向扫描的细胞显微深度成像技术,在显微系统中加入菲涅耳透镜,利用菲涅耳透镜的色散将不同激发光波长聚焦到不同的轴向位置,以实现对两个或多个焦平面同时成像.基于405nm和532nm两种激发光波长,在传统的荧光显微镜的激发路径中加入对应的两个成像探测器来探测两个不同焦平面所对应像面的成像信息,搭建得到一个能够实现探测深度约为12μm的基于菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统,并与基于显微物镜色差无菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统的成像深度和轴向分辨率进行实验对比.实验结果表明:加入菲涅耳透镜能够实现系统对不同焦面的同时成像;对于同一荧光波段,保证系统横向分辨率的同时,扩大了成像景深.该系统可以实现荧光生物细胞内部不同深度处的多波段同时探测.     

离轴八程放大器自动准直技术研究

展示了基于离轴八程激光放大器的闭环自动准直技术研究,该项技术旨在用自动准直系统取代手动光路准直的方式,明显提高了该构型复杂的多程激光放大器的运行效率、准直精度与其输出光束质量。该技术利用主激光照明和像传递系统实现离轴八程激光放大器中滤波器小孔空间位置的精确标定,通过边缘检测处理远场光斑得到其指向中心。基于光斑中心与基准间的差值,对特定反射镜架进行二维控制进行光束指向补正,从而实现离轴八程放大器系统的闭环自动准直。研究结果表明,实验结果契合离轴八程放大器系统对光束准直准确率与效率的要求,验证了该准直技术在离轴八程激光放大光路中应用的可行性。     

高光通量交叉非对称Czerny-Turner拉曼光谱仪光学系统

为克服分立式便携拉曼光谱仪光通量低的缺点,设计了一种集拉曼探头光路与分光系统于一体的光学系统。探头光路采用大数值孔径的非球面透镜实现样品的有效激发和信号的高效收集,通过胶合透镜组缩小会聚光路尺寸、消除轴向色差。分光系统基于交叉非对称Czerny-Turner结构,为获得期望的光谱分辨率和光谱范围,建立了分光系统光谱分辨率及光谱范围与交叉非对称Czerny-Turner结构参数的关系。由测得的汞灯谱图可知,分光系统的光谱分辨率优于6 cm~(-1)(0.37 nm),光谱范围为790~950 nm(200~2000 cm~(-1))。将设计的光学系统对CCL4进行测试,实验结果表明在相同积分时间内由这种整体式的光学系统检测到的CCL4光谱谱峰强度是用商业探头通过光纤连接分光系统检测到的近3倍,验证了光学系统设计的合理性。     

基于二向色及透射准直的小型近红外拉曼光谱仪

搭建了可用于生物医学检测的小型近红外拉曼光谱仪。通过理论计算,几何光路设计,完成了系统组装。有别于传统反射式准直结构：(1)本光谱仪色散系统采用透射式准直的方法,将散射光投射到光栅上进行色散;(2)经二向色镜分光,采用物镜对入射光会聚和散射光收集,设计了与色散系统入射狭缝相匹配(共焦面)的外光路系统,进而有效收集拉曼信号和去除杂散光;(3)实现了高分辨率(3 cm-1)、高重复性和高灵敏度光谱检测,检测范围500~2 200 cm-1(785 nm激发);(4)小型化设计,整个系统尺寸约240 mm×200 mm×130 mm,自由度高。将此自开发小型拉曼光谱仪应用于葡萄糖和膝关节软骨的拉曼光谱测试,获得了与大型商业拉曼光谱仪相媲美的结果,验证了该光谱仪具有高分辨率,高重复性和高灵敏度的优越性能,可灵活地应用于生物医学等多领域的研究。     

紧凑式多光谱成像系统设计和优化

针对快照式多光谱系统存在体积大、光路复杂的问题,从孔径分割多光谱成像系统模型出发,设计出由复合前置光学元件、阵列孔径光阑、微透镜阵列、阵列滤光片和图像传感器组成的紧凑式多光谱成像系统,总体尺寸优于12.4×8×8(mm)³。利用阵列孔径光阑克服了垂轴色差大、视场小和光能利用率低的问题。系统在480～650nm波长范围内视场角20°、F/#0.4、焦距2.5mm、总长12.4mm、单通道MTF在153lp/mm大于0.35、畸变小于0.23%。与现有技术对比,该系统兼顾了像素分辨率、光谱分辨率和时间分辨率,实现了单通道500×400的像素分辨率和6.8nm的光谱分辨率。与计算重构成像系统相比,其直接成像的方式确保了系统的高时间分辨率;且具备小型化、轻量化和低成本的特点。     

潜在视功能检测仪光学参数特性的研究与优化

针对潜在视功能检测仪临床使用中量程有限和对高度屈光不正患者检测结果有一定误差的现象，研究了其光学系统成像特性，建立了系统对视力板成像的视觉放大率公式，分析了准直透镜、成像透镜焦距变化对视觉放大率的影响。系统中视力板移动检测时，准直透镜焦距影响视觉放大率变化快慢，决定视觉放大率曲线的平缓程度；成像透镜焦距对视觉放大率产生整体影响，使视觉放大率曲线产生整体平移。找出了系统的理想参数，能使视觉放大率在整个视力板移动范围内保持不变，消除了检测过程中视力板放大率不同带来的检测误差。通过对各参数的数值分析，得到最优参数，系统检测量程从原来的－7D～＋12D扩大为－11D～＋15D。     

高功率激光装置空间滤波器小孔准直

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射,实现了空间滤波器的小孔准直,特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求,在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整,并在以色列项目中得以成功应用,装置实验结果表明:针对装置15倍衍射极限大小的小孔,对准精度小于小孔直径3%,满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.     

一种溶解氧敏感膜荧光发射效率光谱检测系统的研制

荧光猝灭法是快速测量污水、地表水以及渔业养殖水环境中溶解氧含量的先进技术之一,氧敏感膜是荧光猝灭法检测技术的核心,高荧光发射效率的氧敏感膜具有灵敏度高、特异性强、信噪比高的优点,检测结果更为准确。高效率是优选氧敏感膜的依据,也是溶解氧检测元器件、检测电路和检测光路优化设计的关键。现有溶解氧荧光检测装置中未有对氧敏感膜进行质量评估的标准方法,基于对已有传感器探头光路和电路的研究,该研究分析了全波段的荧光发射效率,选用大功率氙灯作为激发光源,基于连续单波长逐级扫描进行单色分光,构建了氧敏感膜的激发光-荧光光谱扫描装置,然后通过扫描测定氧敏感膜的激发光光谱和荧光光谱,提出并建立了荧光发射效率计算方法,提出的方法能客观地评估荧光发射能力,准确寻找最佳激发波长。为验证该方法的可行性,对来自国内外的多个氧敏感膜样品进行了实验测定,测试结果表明：单张氧敏感膜荧光发射效率随波长变化,呈多峰分布,同一型号的样品荧光效率曲线相似,但荧光发射效率差异较大,同一激发波长下荧光发射效率最大者较最小者高出14.5%,三张氧敏感膜的最大峰值波长均不同,分别为：401,543和435 nm,但发射峰值波长均为650 nm;不同型号的氧敏感膜相比较,最大荧光发射效率可相差1～2个数量级;实测传感器中使用的激发波长,其所选用的激发波长并非最大发射峰值波长,其荧光发射效率仅为最大荧光发射效率的1/2,表明传感器光源可以进一步优化选型。综上所述,本文建立了一种溶解氧敏感膜荧光发射效率检测系统,提出了以荧光发射效率评估氧敏感膜的方法,并开展了相关实验测定。本文工作可望用于新型氧敏感膜材料、工艺的研究及传感器优化设计与制造。     

高功率激光装置快速自动准直系统

为提高自动准直效率,结合以太网,设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式,并引入局部自适应阈值和二值化算法,同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中,提高光束近远场图像的处理精度,降低系统的准直时间.实验结果表明,该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%,能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求,准直时间由原有的30mins缩短至12mins左右.     

矿山尾矿中微量银元素快速检测方法的研究

针对矿山尾矿中微量银元素测定的技术难题,提出了一种基于超短光路原理的能量色散X荧光能谱快速检测的方法。提高元素测量分辨率,提高样品分析效率,降低光管功率,延长仪器使用寿命。能谱系统优化了滤片以及探测器屏蔽物等设计,准直器采用对X射线基本无散射的聚四氟乙烯,达到微量银元素的检测要求。实际尾矿测试中,银的检出限达到0.1 mg·kg-1,RSD在0.1%～2.6%之间,准确度在87%～115%之间。对比尾矿、原矿及精矿的检测实验,证明了在能量色散X荧光能谱中引入超短光路设计方法,能够提升系统峰/本底比,满足微量银元素的检测要求。     

神光Ⅱ第九路光路自动准直系统研究

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中。针对神光Ⅱ第九路装置,设计了一套可行的准直方案,并在装置上进行了实验。实验结果表明,自动准直系统能够在15minSq顺利完成光路的自动调整,小口径近场调整准直精度小于±0．5mm,大口径近场调整准直精度小于±1．0mm,远场准直精度小于±1”,满足了装置的设计要求。