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。

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状，并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望，微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及新材料、新工艺方向发展。

为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性, 采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法, 研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据, 应用多种不同的数据预处理方法和多元线性回归、偏最小二乘法、粒子群算法(PSO)、BP神经网络等算法建立分析模型。结果表明, 以阿达玛变换工作模式测得的光谱数据更好, 以1阶导数结合Savizky-Golay平滑算法作数据预处理, 应用PSO结合BP神经网络建立的苹果糖度预测模型具有更高的预测精度, 预测相关系数和均方根误差分别为0.9911和0.1502。该微型近红外光谱仪NIRscan用于苹果糖度的现场快速和高精度无损检测具有可行性。