微型光譜儀系統(tǒng)的研究及其應用.pdf

1、光譜儀器是光譜與光譜分析學基本的分析工具，傳統(tǒng)的光譜儀器由于體積龐大且價格昂貴，應用范圍受到很大的限制，微型化成為其重要的發(fā)展方向。本論文研究并實現(xiàn)以光纖作為系統(tǒng)輸入、可配置三種型號CCD和多種不同規(guī)格光學元件、工作在紫外可見和可見及近紅外波段的系列化微型光纖光譜儀，并進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系統(tǒng)設計中，以相同的硬件同時完成三種型號CCD探測器的驅

2、動，最大程度地精簡了電路設計，這種設計在國內外同類儀器中尚屬首次。同時，實現(xiàn)了TCDl304AP型號探測器10ps~4.9sec的積分時間調節(jié)范圍，保證本系統(tǒng)能夠滿足大多數實際應用的需求，達到并超越了國外最新型此類儀器的水平。此外，在國內首次研究了常規(guī)CCD探測器紫外熒光增強方法，提出用于CCD表面熒光增強的熒光粉的性能參數要求及該技術的具體實現(xiàn)方法，保證本微型光譜儀能工作在紫外波段。 在光學機械系統(tǒng)設計過程中，研究了基于平場全

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

4、olidworks等光學機械設計與模擬軟件，完成了光譜儀光學機械系統(tǒng)和兩類光譜測量附件的設計以及較為全面的系統(tǒng)公差分析。 論文在軟件系統(tǒng)設計部分，不僅完成了對光譜儀的全面控制和常規(guī)光譜測量功能，還以兩種接口方式實現(xiàn)了二次開發(fā)工具箱，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的擴展功能，使整體系統(tǒng)具有更高的實用性和靈活性，達到國外此類儀器的水平。對實際系統(tǒng)進行全面測試，結果表明其性能優(yōu)良，系列化程度高，具有很強的軟硬件擴展性，整體性能達到并超過國外最新型同類

5、產品。目前整個系統(tǒng)已經進入批量生產和銷售。 在成功研制微型光纖光譜儀的基礎上，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立列編碼形式的擴展孔徑代替?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，打破了狹縫對系統(tǒng)性能的限制，實現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)的雙增益。進而設計了模擬系統(tǒng)對該模型可行性進行全面分析。大量分析結果證明，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，對基于面陣探測器的微型光譜儀