近红外光谱分析技术在航空航天、 生物医药、 环境检测、 食品安全等众多领域均有广泛应用。 高性能、 微型化、 低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈, 是当前光谱仪发展的主要研究方向。 提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构, 分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理, 基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。 分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差, 基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计, 确定了系统关键参数。 仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、 检测灵敏度等性能参数的影响。 基于仿真优化结果, 完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、 加工与装调, 搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。 结果表明, 设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪, 采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光, 0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800～1 800 nm的光谱测量, 光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异, 光谱整体分辨率半峰全宽（FWHM）≤11 nm, 波长稳定性≤±1 nm; 基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上, 可有效提高光谱测量的灵敏度; 同时, 经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小, 可选用感光面积小、 截至频率大的单管探测器实现光谱探测, 可降低系统成本、 抑制外部光噪声, 满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。 因此, 提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、 微型化和低成本的光谱仪发展需求。

高锌背景下光谱法同时检测痕量多金属离子浓度时, 由于微型光谱仪光源能量辐射不均匀性, 并且混合溶液中不同离子对不同波段紫外可见光会选择性吸收, 因而如果选取微型光谱仪的积分时间过大, 可能导致光谱能量值达到饱和, 选取积分时间过小可能导致光谱信号的信噪比很低。 积分时间的选择往往取决于研究者的经验和待测离子对紫外可见光的吸收特征。 为了实现能够自动选取微型光谱仪积分时间参数, 提出了一种基于二分搜索的高质量紫外可见光谱信号重构算法, 用于重构由不同积分时间组成的图谱特征更加明显的紫外可见光谱信号。 该方法首先采集不同积分时间下参比溶液的紫外可见光谱能量信号, 然后给定参比溶液的不同目标重构光谱能量信号值, 在每一波长点使用二分搜索算法寻找合适的积分时间采样参数; 然后根据紫外可见光谱的特点, 定义了表示重构后的光谱能量值与目标设定值接近程度的重构精度指标和表示重构信号后与重构信号前的图谱特征区分程度的重构特征显著度指标, 最后, 选取搜索区间范围内重构精度最高的光谱信号作为重构信息量, 利用光谱信号重构信息量重构待测溶液紫外可见光谱能量值, 最终得到待测溶液的重构光谱吸光度信号。 实验结果表明, 该算法能够快速自动地选定目标积分时间采样参数值对紫外可见光谱进行信号重构, 来得到高质量紫外可见光谱信号。 该算法可以使信号重构精度达94.84%, 并且重构特征显著度有所提升。 同时, 相对于重构前的光谱信号, 重构后的光谱吸光度信号得到一定程度增强, 信号信噪比也大大提升, 而且避免了积分时间采样参数需要依靠研究者主观判断选择的问题, 为检测多种痕量金属离子的浓度信息提供了高质量的模型数据。

针对微型光谱仪难于兼顾光谱分辨率和光谱范围的问题,提出一种级联微型法布里-珀罗干涉仪和微型曲面光栅光谱仪的设计方法。分析了两种光谱仪匹配设计的条件以及级联光学系统的光谱特性,并提出了一种光谱数据重构算法。用ZEMAX软件设计了一款激光拉曼光谱仪,该光谱仪的尺寸为25 mm×6 mm×6 mm,数值孔径为0.22,拉曼光谱范围为150~3200 cm -1,光谱分辨率约为6 cm -1。仿真了标准拉曼光谱信号的扫描过程,并用长度为2.4 mm的线阵探测器对光谱信号进行采样,重构的拉曼光谱分辨率约为6.4 cm -1,与标准拉曼光谱的偏差为0.4 cm -1,验证了该设计方法和重构算法的可行性。同时,该光谱仪可以基于微机电系统工艺实现微型化和低成本化,满足手持式、便携式光谱检测和工业在线光谱检测的应用需求,具有较高的实际应用价值。

微型光谱仪在检测高浓度比背景下多种痕量重金属离子浓度时, 光谱吸收信号易受外部环境和内部电路的随机噪声干扰, 多种痕量重金属离子的光谱吸收信号微弱易被噪声所淹没, 严重影响了光谱定量分析结果的准确性和重复性, 需要对光谱吸收信号进行去噪预处理。 然而, 大多数光谱去噪算法的一些关键细节参数的设置不仅需要通过反复的实验进行测试验证, 还取决于研究者的现有经验和待解决对象的特征。 针对这些关键参数对滤波效果影响大、 选择难的问题, 提出了一种基于sigmoid误差约束的改进型LMS自适应去噪算法。 首先对标准LMS算法原理进行了分析, 并结合微型光谱仪的数据干扰情况对标准LMS算法的滤波器结构进行优化改进, 利用sigmoid函数具有误差约束的特性, 对标准LMS算法的误差计算模块进行优化改进, 降低算法对噪声敏感性； 然后针对改进后的最小均方误差损失函数是一个非凸函数, 提出了一种类交叉熵损失函数, 将非凸问题转化为一个凸优化问题, 在利用梯度下降法逐步最小化损失函数时, 保证了局部最优解也是全局最优解, 同时结合Adam算法来自适应地调整学习率因子, 保证了算法具有较快的收敛速度； 最后为了验证改进后的自适应去噪算法具有较强的去噪性能, 通过交叉验证进行实验验证。 对四种金属离子混合溶液的实测光谱吸收信号, 添加不同信噪比的随机噪声后使用该改进的算法进行测试验证, 实验结果表明： 在处理信噪比低的吸收光谱信号过程中, 所提方法相对于标准LMS算法、 SG去噪算法、 小波软阈值算法、 小波硬阈值算法, 信噪比分别提高了9.225%, 19.678%, 7.591%和12.042%； 均方误差分别降低了59.647%, 63.070%, 53.600%和57.793%。 该方法不仅能够有效地抑制强噪声, 还原了光谱信号中的一些重要真实细节特征, 而且也避免了关键细节参数需要依靠主观判断选择的问题, 为分析低信噪比下的光谱信号提供了一种新的解决思路。

由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于0.1 nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于Zemax 光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达0.05 nm，尺寸为90 mm×130 mm×40 mm 的Czerny-Turner 结构微型光谱仪。在此基础上优化出8 个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于0.05 nm 的同时，波段范围达到了820 nm～980 nm。所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。

利用STM32 微处理器，设计了一种基于吸收光谱技术的皮肤胆固醇无创检测系统，通过微型光谱仪获得有色产物的吸收光谱信息，间接得到人体皮肤胆固醇相对含量。本系统设计了一款高精度可调LED 恒流源，LED 光强的波动范围控制在±1%以内。还设计了一种结构简单、试剂用量少、不需要确切的检测试剂体积的液体限位装置，实现被测液体浓度的准确测量。通过检测梯度浓度CuSO4 溶液，验证了系统应用于不同浓度溶液定量检测的准确性。采用本系统对动脉粥样硬化性疾病患者和对照人群的皮肤胆固醇进行检测，检测结果在统计学上有显著性差异，初步验证系统可用于人体皮肤胆固醇的检测。

针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况，对微型宽波段光谱仪进行了设计，并提出了完整的设计流程。根据几何光学原理，分析了光学系统各个参数之间的约束关系，据此设计、计算得到了光学系统的基本参数，并使用Zemax进行仿真。为了提高仪器的紫外响应，在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片。实际制做的光谱仪测量结果表明: 光谱仪的分辨率在200 nm~1100 nm全波段范围内达到 1.5 nm，中心分辨率达到1 nm，满足设计需求。

基于Fenton试剂和微型光谱仪, 实现了水质化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)和总磷(total phosphorus, TP)的在线测定。 该系统结合超声辅助, 基于Fenton试剂实现了常温常压下水中有机化合物和有机磷化合物的在线消解。 系统基于微型光谱仪实现了可见光光谱探测并采用多波长分光光度法分析光谱数据。 结果表明, 系统具有测定时间短, 低功耗, 结构简单和二次污染少的优点。 同时, 系统测定相对误差小于10%, COD和总磷检测限分别为2和0.008 mg·L-1, 灵敏度分别为0.021 3和0.452 6, 标准偏差分别为5.6%(15.0 mg·L-1 COD标样)和5.8%(0.010 mg·L-1 总磷标样)。 实际水样测定结果与国家标准分析方法比较无显著差异。

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理, 以便携式微型光学系统为设计目标, 设计了一种光谱范围为200~900 nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后, 引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合, 设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径, 继而结合彗差约束条件, 确定球面镜离轴角, 并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化, 并采用自主研制的样机进行光谱测量, 分析结果表明, 该光学系统能够在狭缝宽度为25 μm, 光栅常数为1.667 μm/line条件下, 实现中心波长分辨率优于1 nm, 边缘波长分辨率优于1.5 nm.

近年来, 随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展, 光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜, 其作为近红外光谱仪的核心部件, 可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器, 以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜, 以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅, 背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明: 扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz, 最大扭转角度为±4.55°, 在800~1800 nm工作波长范围内, 整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。