基于ZEMAX的傅里叶红外多组分气体分析仪的光学设计_李洪刚.pdf

ISSN 1008-9446CN13-1265/TE承 德 石 油 高 等 专 科 学 校 学 报Journal of Chengde Petroleum College第 25 卷第 1 期，2023 年 2 月Vol 25，No 1，Feb 2023基于 ZEMAX 的傅里叶红外多组分气体分析仪的光学设计李洪刚1，关淑翠1，李永刚1*，张涛2，陈文亮1(1 天津同阳科技发展有限公司，天津300384;2 天津市环境监测技术企业重点实验室，天津300384)摘要:为了研制基于傅里叶变换红外光谱技术的多组分气体分析仪，以光学设计软件 ZEMAX 为基础，对组成傅里叶红外多组分气体分析仪的主要部件，包括迈克耳孙干涉仪和长光程怀特池进行了设计，同时对系统光路也进行了设计，并对其进行了仿真模拟。根据仿真结果研制的设备成功采集到红外光谱，证明光学设计完全可行，可以指导设备的研制工作。关键词:ZEMAX;傅里叶红外;气体分析仪中图分类号:X851文献标志码:A文章编号:1008-9446(2023)01-0055-04Optical Design of Fourier Transform Infrared Multi-gasAnalyzer Based on ZEMAXLI Hong-gang1，GUAN Shu-cui1，LI Yong-gang1*，ZHANG Tao2，CHEN Wen-liang1(1 Tianjin Shareshine Technology Development Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China;2 Tianjin Key Laboratory of Environmental Monitoring Technology Enterprise，Tianjin 300384，China)Abstract:By using the optical design software ZEMAX，the multi-gas analyzer based on FourierTransform Infrared spectroscopy is studied and developed The study has designed main parts of thecomposition of FTI multi-gas analyzer，including Michelson interferometer and long optical pathwhite cell，the light path system is also designed and its simulation is carried out According to thesimulation results，the infrared spectrum is collected successfully，which proves that the optical de-sign is feasible and can guide the development of equipmentKey words:ZEMAX;Fourier Transform Infrared(FTI);gas analyzer基金项目:天津市科技计划项目(基于互联网技术的傅里叶红外在线分析仪器研发与示范):18ZXHSF00030收稿日期:2022-05-06第一作者简介:李洪刚(1980-)，男，内蒙古通辽市人，高级工程师，硕士，主要从事仪器仪表研发设计工作。通讯作者:李永刚，工程师，E-mail:liyonggang tjtykj com。当前，环境污染变得越来越严重，尤其是大范围的空气污染，对人体健康造成了直接危害，这对多组分气体分析仪器提出了迫切而实际的需求。目前，基于傅里叶变换红外(FTI)原理的光谱分析技术已相对成熟1-2，且大部分的污染气体在中红外波段有强烈的吸收特性3，这使得 FTI 技术理论上可为多组分污染气体的检测提供解决方案。傅里叶变换红外光谱方法利用分光光束测量干涉图，然后对其进行傅里叶变换得到光谱图，通过测量干涉图和光谱图来进行研究分析。和传统色散型光谱仪相比，傅里叶光谱仪具有探测波段宽、通量高、速度快的优点4，是进行红外光谱分析的重要方法。1傅里叶红外多组分气体分析仪光学设计1 1迈克尔孙干涉仪结构及工作原理5 迈克尔孙干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可精密地测量长度及长度的微小改DOI:10.13377/ki.jcpc.2023.01.017承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 1 期变等。在现代科学技术中有着广泛的应用。迈克尔孙干涉仪光学结构如图 1 所示，M1 和 M2 是精密磨光的平面反射镜，相互垂直安装构成干涉仪的两臂，M1 是动镜，在直线运动机构的驱动下沿轴向前后移动，如图 1 中箭头所示;M2 是定镜。G1 是分束器，在 G1 的后表面上镀有分束膜，这就是所谓的介质膜分束器，分束膜由一种半透半反的光学材料制成。图 1 中入射光线在分束膜处通过反射和透射被分成两束光，用深浅不同(黑色和灰色)的线段表示。G2 是补偿板，其和分束器的唯一区别是没有镀分束膜，这是为了使透过分束器的光束也同反射光束一样地三次通过透明光学平板，以保证两光束间无相位差。1 2怀特池结构及工作原理6 怀特池的核心部分是 3 个相同曲率半径的球形凹面镜，其原理如图2 所示。其中2 个小镜 A 和 A完全相同，并排安装在池的一端，大镜 B 装在另一端。A 镜和 A镜的曲率中心 CA、CA在 B镜的前表面上，B 镜的曲率中心 CB在 A 镜和 A镜的前表面中心。A、A镜和 B 镜之间的距离是反射镜的曲率半径。由于球面镜的焦距为曲率半径的一半，这样的设计在镜的反射表面之间构成了一个共轭焦点系统，使得从 A 上任意点发出的光都会被 B 反射到A上相应的共轭点，从 A上该点发出的光也会被 B 反射到 A 上初始的点。光在 A、A和 B 之间的成像规律为，球面镜曲率中心附近的物点和像点在一条直线上，并且这两点组成的线段的中点即该镜的曲率中心。靠近 B 的光入射到 A，通过 A 反射所成的像 1 落在B 上，像 1 通过 A反射所成的像2 落在 B 上，像2 通过 A 反射所成的像3 落在 B 上，像3 通过 A反射所成的像 4 即为出射光，所有的光都被镜面反射而没有漏到镜外而损失，仅是由于镜面材料对光的反射率不同而损失。设入射光到 B 镜中心距离为 X，A、A镜的曲率中心到 B 镜中心的距离分别为 a、b，反射次数为 n，可推得X=n*(a+b)(1)其中 n=折返次数/4。因此，决定反射次数的是入射光与主光轴的距离和小镜的曲率中心与主光轴的距离。1 3分析仪工作原理一台完整的傅里叶红外多组分气体分析仪由光源、干涉仪、接收器、多次反射气体池、多个反射镜和计算机组成，其中干涉仪由分束镜、补偿镜、定镜和动镜组成，如图 3 所示。具体工作原理如下:光源发射宽带光通过反射镜 1反射进入干涉仪，在干涉仪内部，通过分束镜和补偿镜，变成反射光和透射光，其中反射光通过定镜反射，透射光通过动镜反射，最终形成干涉光，由干涉仪出射的干涉光通过反射镜 2 的反射进入多次反射气体池，在气体池内多次反射，被样气中的化学组分吸收，最终出射光再经反射镜 3 的反射进入接收器，接收器将检测到的红65李洪刚，等:基于 ZEMAX 的傅里叶红外多组分气体分析仪的光学设计外光束的强度信息数字化，并经网络快速传输到计算机，由计算机进行傅里叶变换，以获得样品气体对应的红外吸收光谱图，并对样气的吸收情况进行分析，反演计算样气的气体浓度。2设计优化及结果分析傅里叶红外多组分气体分析仪光学系统如图 4 所示，包括光源、干涉仪、接收器、怀特池、反射镜 1、反射镜 2 和反射镜 3。其中干涉仪由分束镜、补偿镜、定镜和动镜组成;怀特池由入射反射镜、入射窗片、反射单镜、反射双镜、出射窗片和出射反射镜组成。具体设计参数如下:光源采用碳化硅红外光源，反射镜1 采用35 mm 焦距离轴抛物镜，分束镜和补偿镜采用硒化锌光学镜片，定镜和动镜采用金属平面反射镜，反射镜2 采用152 4 mm 焦距离轴抛物镜，入射反射镜和出射反射镜采用金属平面反射镜，入射窗片和出射窗片采用硒化锌光学镜片，反射单镜采用曲率半径 320 mm 的金属球面反射镜，反射双镜采用双曲率半径320 mm 金属球面反射镜且两球面中心距11 668 mm，反射镜3 采用焦距分别为35 mm 和152 4 mm 的椭球面反射镜。优化过程为调整接收器的 XYZ 位置，优化函数为保证光能量大小的前提下光斑半径足够小，优化完成后，接收器光斑图如图 5 所示，光斑直径大概 3 mm。其中怀特池光学系统如图6 所示，怀特池光斑图如图7 所示，怀特池参数为反射次数 16 次，单次光程 320 mm，总光程5 120 mm。根据光学设计结果，设计了一台傅里叶红外多组分气体分析仪样机，并编写了上位机软件，使用上位机软件采集了一组光谱数据，光谱图如图 8 所示。3结论利用光学设计软件 ZEMAX 设计了迈克耳孙干涉仪和怀特池，以及一套由这两者为主要部分组成的傅里叶红外多组分气体分析仪，完成了光学设计及优化，同时根据光学设计的结果完成了样机设计。从光学设计的结果和样机采集的光谱可以看出，光学设计可75承德石油高等专科学校学报2023 年第 25 卷第 1 期行，可以用于指导实际的样机设计;从样机采集的光谱可以看出，样机采集光谱符合红外光谱的特征，样机可以用于实际的监测系统使用。参考文献:1 刘建学 实用近红外光谱分析技术 M 北京:科学出版社，2008 2 吴瑾光 近代傅里叶变换红外光谱及应用 M 北京:科学技术文献出版社，1994 3 Speitel Louise C Fourier Transform Infrared Analysis of Combustion Gases Washington DC:Department of Transpor-tation，2001 4 兰天鸽，方勇华，熊伟 无背景遥感 FT-I 干涉图特征信息提取方法 J 红外与激光工程，2007，36(6):945-948 5 杨琨 傅里叶变换红外光谱仪若干核心技术研究及其应用 D 武汉:武汉大学，2010 6 王蕊 红外光谱仪长光程气体池的研究 D 天津:天津大学，200685