微型光譜儀系統(tǒng)的研究及其應(yīng)用.pdf

1、光譜儀器是光譜與光譜分析學(xué)基本的分析工具，傳統(tǒng)的光譜儀器由于體積龐大且價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍受到很大的限制，微型化成為其重要的發(fā)展方向。本論文研究并實(shí)現(xiàn)以光纖作為系統(tǒng)輸入、可配置三種型號(hào)CCD和多種不同規(guī)格光學(xué)元件、工作在紫外可見(jiàn)和可見(jiàn)及近紅外波段的系列化微型光纖光譜儀，并進(jìn)一步研究了此類光譜成像系統(tǒng)的增益特性，提出靜態(tài)雙增益編碼孔徑色散光譜模型。 在微型光纖光譜儀的電路與探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以相同的硬件同時(shí)完成三種型號(hào)CCD探測(cè)器的驅(qū)

2、動(dòng)，最大程度地精簡(jiǎn)了電路設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外同類儀器中尚屬首次。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了TCDl304AP型號(hào)探測(cè)器10ps~4.9sec的積分時(shí)間調(diào)節(jié)范圍，保證本系統(tǒng)能夠滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需求，達(dá)到并超越了國(guó)外最新型此類儀器的水平。此外，在國(guó)內(nèi)首次研究了常規(guī)CCD探測(cè)器紫外熒光增強(qiáng)方法，提出用于CCD表面熒光增強(qiáng)的熒光粉的性能參數(shù)要求及該技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法，保證本微型光譜儀能工作在紫外波段。 在光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究了基于平場(chǎng)全

3、息凹面光柵和交叉非對(duì)稱Czerny-Turner結(jié)構(gòu)的兩種光學(xué)系統(tǒng)。從理論上研究了平場(chǎng)全息凹面光柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，首次引入全局搜索算法對(duì)非線性目標(biāo)方程組進(jìn)行求解，提高了收斂精度并縮短了設(shè)計(jì)周期：提出的反向優(yōu)化和多工作位置的設(shè)計(jì)思想能提高設(shè)計(jì)的效率和現(xiàn)有此類光柵的使用靈活性。研究了基于Czerny-Turnet。結(jié)構(gòu)的微型光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)比分析選擇后者作為本系統(tǒng)的基礎(chǔ)光學(xué)結(jié)構(gòu)。最后，論文充分利用CodeV、Tracepro和S

4、olidworks等光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與模擬軟件，完成了光譜儀光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)和兩類光譜測(cè)量附件的設(shè)計(jì)以及較為全面的系統(tǒng)公差分析。 論文在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，不僅完成了對(duì)光譜儀的全面控制和常規(guī)光譜測(cè)量功能，還以兩種接口方式實(shí)現(xiàn)了二次開(kāi)發(fā)工具箱，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，使整體系統(tǒng)具有更高的實(shí)用性和靈活性，達(dá)到國(guó)外此類儀器的水平。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，結(jié)果表明其性能優(yōu)良，系列化程度高，具有很強(qiáng)的軟硬件擴(kuò)展性，整體性能達(dá)到并超過(guò)國(guó)外最新型同類

5、產(chǎn)品。目前整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)和銷售。 在成功研制微型光纖光譜儀的基礎(chǔ)上，論文分析了此類系統(tǒng)增益受限的原因，提出使用具有正交獨(dú)立列編碼形式的擴(kuò)展孔徑代替?zhèn)鹘y(tǒng)狹縫，使得從疊加的成像光譜中還原單通道光譜成為可能，打破了狹縫對(duì)系統(tǒng)性能的限制，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)的雙增益。進(jìn)而設(shè)計(jì)了模擬系統(tǒng)對(duì)該模型可行性進(jìn)行全面分析。大量分析結(jié)果證明，所提出的靜態(tài)雙增益編碼孔徑色散光譜模型完全可行，優(yōu)化了傳統(tǒng)色散成像系統(tǒng)的性能，對(duì)基于面陣探測(cè)器的微型光譜儀