近红外无创生化分析中高效双复合抛物面聚光系统设计

近红外无创生化分析中,要获得准确的血液生化成分信息,需要非常高的系统信噪比。为提高分析系统的信噪比,开展了以增大系统光能利用率为目标的高效双复合抛物面聚光(DCPC)系统研究。首先,针对近红外无创生化分析中光学系统集光要求,研究了复合抛物面聚光器(CPC)出射光特点,确定出一级CPC最大聚光角范围。然后,通过比较标准型和截短型DCPC光能利用率变化,优化出最佳结构参数。最后,结合皮肤组织光学参数,计算了入射光波长为1 000nm时,DCPC系统、CPC-聚焦反射镜系统以及无光学收集系统的光能利用率。结果显示,三种系统的光能利用率分别为1.46%,0.84%,0.26%。设计的DCPC系统增强了对人体漫反射光的收集能力,可有效提高无创生化分析系统的信噪比及整体分析精度。     

X射线干涉光刻偏转聚焦系统热载影响与分析

为缩短实验前的等待时间，减小热辐射对光学元件的损伤以及热变形对实验的影响，充分利用同步辐射X射线获得稳定有效的实验结果，对X射线干涉光刻(XIL)光束线偏转聚焦系统进行了热结构耦合分析。针对上海光源(SSRF)的光源参数，计算偏转聚焦系统所受的热功率密度分布，在此基础上对偏转聚焦系统在相同载荷、不同边界条件下进行了瞬态热平衡分析，得到双柱面镜M1、M2达到热平衡所需的时间、温度分布，并做了比较分析。结果表明，对XIL光束线上偏转聚焦系统的M1、M2采用间接水冷方式可削弱热载效应，达到热平衡的时间分别由8677 s和7850 s缩短到960 s和840 s，最高温度分别由182.73 ℃和129.73 ℃降低到57.94 ℃和47.29 ℃，此时的最大面形误差分别为7.23 μrad和9.24 μrad，缩短了从开机到实验的等待时间，在提高实验效率的同时能够获得稳定有效的实验结果。     

基于NLMS自适应滤波的近红外光谱去噪处理方法研究

为了去除直接采集的近红外(NIR)光谱中含有的噪声,将归一化最小均方(NLMS)自适应滤波方法引入到NIR光谱去噪领域中。以51份土壤样品的NIR光谱为研究对象,探讨NLMS自适应滤波方法在NIR光谱预处理中的应用,并将处理后的结果与土壤中有机质的含量相关联,建立模型。结果表明,通过NLMS自适应滤波去噪后的光谱,预测集的相关系数r由处理前的0.8284提高至0.9654,预测均方根误差(RMSEP)由处理前的0.3385降至0.1606。由此可见,NLMS自适应滤波对NIR光谱的去噪有显著效果,可以有效地提高光谱的分析精度和模型的稳健性,为NIR光谱的预处理提供了一种新方法。     

前置平面镜热负载对变包含角平面光栅单色器分辨率的影响

针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜（PM）受热负载而导致的单色器分辨率降低问题,提出优化聚焦常数（C_ff）补偿分辨率的方法。首先,计算不同C_ff值时PM的热功率吸收谱,在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析,得到不同热负载时PM表面热变形的变化量;然后,结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率;最后,优化C_ff实现分辨率的补偿。研究结果表明,以软X射线谱学显微光束线站为例,当出射光能量为1 000 eV时,将C_ff由1.8优化至1.84,单色器分辨率即可与无热负载时的相同,该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。     

便携式近红外光谱仪器现状及展望

近红外光谱分析技术具有速度快、操作简单等优点,在农业、制药等行业得到了大量应用,其中一些应用需要将仪器携带到分散的分析现场使用,为满足这一需求,很多体积小、便于移动的便携式近红外光谱仪被研制出来。这些仪器的种类较为繁多,采用了很多不同的基本原理,使用了不同的光路结构。文章综述了国内外便携式近红外光谱仪的技术现状,根据光路结构的不同将仪器分成滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤波器型以及使用微机电系统(MEMS)的新型光谱仪等类型,重点介绍各类仪器的原理和主要部分的结构,同时简要介绍不同类型仪器的特点,并列举典型产品。也对测量附件、操作、显示等外围部分的设计作简要介绍,这些附件针对便携应用采取了特殊的设计。通过介绍,为新型便携式近红外光谱仪的研制提供借鉴。最后,对便携式近红外光谱仪器的现状作总结,并对未来国内外技术的发展进行展望。     

基于连续投影算法的土壤总氮近红外特征波长的选取

讨论了如何利用连续投影算法提取土壤总氮的近红外特征波长.使用连续投影算法对光谱数据进行初步压缩,将优选出的波长按其对总氮贡献值的大小进一步筛选,剔除不敏感的波长,降低模型的复杂度.分析85份土壤样品的近红外光谱,使用连续投影算法得到了总氮的12个波长,贡献值筛选后,波长数量减少到6个,所建模型的预测相关系数(Rp)为0.913,预测均方根误差(RMSEP)为0.011%,模型的预测精度与贡献值筛选前相当,且优于全谱偏最小二乘回归结果.结果表明结合贡献值筛选的连续投影算法能够有效选取待测成分的特征波长,文章所优选的土壤总氮的6个特征波长可以作为小型滤光片式近红外光谱仪波长选择的参考依据.     

前置平面镜热负载对变包含角平面光栅单色器分辨率的影响

针对变包含角平面光栅单色器前置平面镜(PM)受热负载而导致的单色器分辨率降低问题,提出优化聚焦常数(C ff)补偿分辨率的方法。首先,计算不同C ff值时PM的热功率吸收谱,在此基础上对镜面热负载进行热-结构耦合分析,得到不同热负载时PM表面热变形的变化量;然后,结合理想分辨率公式和光线追迹软件求出加热负载的单色器分辨率;最后,优化C ff实现分辨率的补偿。研究结果表明,以软X射线谱学显微光束线站为例,当出射光能量为1 000 eV时,将C ff由1.8优化至1.84,单色器分辨率即可与无热负载时的相同,该优化方法可有效补偿单色器分辨率的降低。     

软X射线谱学显微光束线单色器结构设计及精度测试

针对上海光源谱学显微光束线站的性能要求,对其核心部件单色器进行结构设计。阐述了单色器的扫描运动原理,论述了波长扫描机构的设计方案,具体分析平面镜和光栅的转角重复精度影响因素;描述光栅切换机构,着重分析其水平偏差、垂直偏差、滚角、摆角和投角的精度问题;采用六杆并联机构的方案完成镜箱调节机构的设计,分析其支杆的调节范围和分辨力情况。给出了单色器的结构,并且对其精度进行了测试。测试结果表明,平面镜和光栅的转角重复精度分别为0.166″和0.149″;光栅切换机构的滚角、摆角和投角的重复精度分别为0.08″、0.12″和0.05″。这说明了单色器的结构设计方案和机械精度满足技术要求。     

近红外无创生化分析中集光椭球反射镜参数设计与优化

近红外光谱技术检测速度快,不破坏样品,可在线分析,是血液无创生化分析能够获得应用的最具潜力的方法之一。但是由于人体血液的吸收光谱信号微弱,而常规光谱仪器在近红外无创生化分析中的光能利用率较低,给无创检测技术应用在临床分析上带来了困难。为了解决此问题,利用椭球反射镜的聚光特性,从几何光学角度出发,分析了椭球镜像点位置分布情况,并采用光线追迹方法优化其初始结构,从而将手指漫反射光高效收集到探测器上。通过仿真分析计算,该椭球反射镜的光能利用率比常规无收集装置的利用率提高了近5倍,增强了仪器检测血液吸收光谱信号的能力,有助于提高仪器信噪比。