一种紧凑结构型干涉仪的设计

设计了一种基于立体角镜与固定平面镜组合的紧凑结构型干涉仪系统,分析其光学系统,得到各器件的影响与设计指标。对动镜驱动系统进行设计与分析,并通过PID算法进行调速,确保动镜运动的准直、匀速与平稳。实验表明仪器的波数精度、分辨率、信噪比等关键指标能够满足实际应用的需要。     

实现FTIR光谱仪动镜扫描的全数字控制研究

动镜扫描是导致FTIR光谱仪动态测量误差的主要因素,其运动的平稳性直接制约着测量光谱的信噪比,并影响到后续光谱定性定量分析的精度,对FTIR光谱仪整体性能优劣有举足轻重的作用。针对传统基于模/数混合设计的动镜运动控制系统的复杂性,研究了一种简洁实效的全数字控制方法,将动镜运动产生的正交编码信号A和B送入数字逻辑芯片CPLD,在该芯片内编写相应的位置和速度控制算法,生成两路PWM信号,再通过数字功率芯片驱动挂载动镜的音圈电机完成扫描。实验表明,该控制方法使动镜在匀速阶段的速度平均稳定性优于97.2%,可显著提高测量光谱信噪比,为FTIR光谱仪高精度定量分析提供保障。     

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜和动态校准研究

分析了迈克尔逊干涉仪中动镜和定镜在圆形通光孔径情况下动镜在扫描过程中倾斜对干涉调制度的影响.为满足干涉调制度要求,理论计算发现动镜倾斜角度需控制在1″以内,对应的相位误差为±6.6°以内.为了解决此问题,使动镜和定镜保持准直,采用定镜动态校准系统对动镜倾斜误差进行校准.实验结果表明,校准后的XR和YR相位误差的均方根分别为1.02°和1.25°,满足系统要求.动态校准系统能够有效地校准动镜长距离运动过程中发生的倾斜误差,对高分辨光谱仪的设计和研制具有一定的指导意义.     

一种便携式干涉仪动镜系统的设计

动镜扫描系统是傅里叶变换红外光谱仪中唯一不断运动的部件,其扫描的精度与行程直接影响仪器的信噪比、重复性与分辨率等指标。在利用立体角镜的光学特性和柔性簧片枢轴的机械特性的基础之上,设计了一种结构紧凑,体积小巧的干涉仪动镜扫描系统,设计了基于模糊控制算法的控制器,对动镜的扫描速度进行精密的控制。实验表明,动镜机构的扫描稳定性优于99.8%,所测得的红外光谱具有较高的信噪比能够满足高精度定量分析的要求。     

多层镜软X光能谱仪的结构设计与有限元分析

 8通道多层镜软X光能谱仪结构采用整体式,结合中心准直机构,保证了多层镜的角度,实现系统整体瞄准,大大简化了瞄准程序。建立了谱仪的3维模型,利用ANSYS软件完成了有限元分析。静力学分析结果表明,在重力作用下准直件的变形较大,y方向上的变形量为0.016 mm,通过增加准直筒厚度可消除影响。模态分析得到了影响谱仪使用性能必须避免的噪声。分析结果为保证谱仪测量精度提供了理论依据。     

傅里叶变换红外光谱仪干涉仪系统的设计

设计了一种基于立体角镜与固定平面镜组合的干涉仪系统,以解决传统傅里叶变换红外光谱仪中干涉仪系统由于动镜的倾斜与横移影响光谱质量的问题。系统包含一对立体角镜,两面相互垂直的固定平面镜,以及分束器。通过对立体角镜的倾斜与横移、立体角镜垂直度误差以及两固定平面镜的倾斜与垂直度误差对干涉信号初相位与调制度的影响进行分析,表明立体角镜的倾斜与横移、固定平面镜的垂直度误差等因素不会影响干涉信号的初相位与调制度;通过对干涉仪进行实际测试表明,仪器具有结构简单紧凑、密封性好、分辨率高以及抗震性强等优点。     

恒星光干涉仪中主动镜的研究

主动镜是恒星光干涉仪中的关键部件之一。介绍了主动镜在干涉仪主动镜系统中的作用和主动镜的结构。给出了用光电法设计的用来测试主动镜动程、分辨率和频率响应特性的两套系统。对所研制的主动镜的性能进行了实测并给出了测试结果。实测结果表明 ,主动镜两个轴上的转角行程和分辨率均方根值完全达到了设计指标。     

凸面光栅成像光谱仪全视场自动化光谱定标系统设计

为了确定凸面光栅成像光谱仪的光谱特性,需要对凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标。基于单色准直光法设计了一套全视场光谱定标系统,引入球面镜提供准直光,采用一块可以自由滑动和转动的折转镜改变定标光线的入射角,实现了全谱段自动化光谱定标。运用光学设计软件CODEV对光谱定标系统进行了部分光学模拟,证明了整个系统的可靠性。结合光谱定标系统的结构和特点,对整个光谱定标系统进行了精度分析。理论分析结果表明,该系统的光谱定标精度优于1%。该定标系统具有体积小、通用性强等特点,可为其他成像光谱仪的光谱定标提供参考。     

面向生物过程的在线式傅里叶变换红外光谱仪

针对生物过程反应底物含量的实时测量,设计了一种在线式傅里叶变换红外光谱仪及衰减全反射(attenuated total reflectance,ATR)探头。(1) 光谱仪采用双立体角镜和平面镜相组合的方法,设计了一种高性能干涉仪系统;采用了光路折叠方式,使干涉仪结构紧凑;采用了双立体角镜,大大减少了动镜运动过程中存在的旋转、倾斜等因素影响;采用平行四边形摆动柔性支撑装置来支撑动镜,使动镜移动时无摩擦,无抖动,运行平稳;采用ZnSe分束器,使仪器抗潮湿性能大大增强;采用分束器60°光入射方式,提高了光通量。(2) 该工作设计的一种结构简单、光通量大、经济实用的ATR原位测量探头,入射光和出射光的传输均利用了大口径内镀中红外高反膜光导管作为ATR探头的红外光传输介质,从而大大降低红外光在光导管内壁多次反射后的能量损失,使得ATR探头具有高光通量,提高了信号强度,使信号的检出更加容易。最后采用灵敏度高的MCT(碲镉汞)检测器实现红外干涉信号的收集,使得检测效果更好。实验结果表明,系统具有防潮性能出色,光通量大,在线测量等优点。所设计在线式傅里叶红外光谱仪,能够较好的完成生物反应器内甘油等常见反应物底物的实时测量,在生物在线分析、化学物质检测、材料分析学等诸多领域具有较好的应用前景。     

迈克耳孙干涉仪专用激光光源的研制

针对迈克耳孙干涉仪现有调节方法的不足研制了专用激光光源,利用滑动式准直透镜调焦系统使半导体激光器的准直镜同时承担了准直和扩束工作,实现了光源的小型化和集成化,能够快速、准确地将迈克耳孙干涉仪调整至工作状态.     

基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统

为了改进傅里叶变换红外光谱仪的动镜驱动装置,设计了一种基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统。采用柔性铰链的支撑方式和音圈电机的驱动方式,利用具有高精度高稳定性的直角型柔性铰链支撑机构支撑动镜,利用音圈电机驱动动镜前后往复运动,采用DSP控制系统对动镜的匀速进行控制。实验结果表明所设计的动镜扫描系统具有方向稳定性、速度稳定性、抗震性能优越等优点。     

平行双转镜傅里叶变换光谱仪

在时间调制傅里叶变换光谱仪中,直线运动型动镜很难精确驱动,容易引起倾斜和剪切的问题。旋转型动镜可以解决该类问题。介绍了一种转镜式傅里叶变换光谱仪方案,并对其进行了原理分析和光程差公式推导,提出了工程设计约束条件。该光谱仪由一个分束器,两个固定平面镜,两面平行固定在一个转轴上旋转的平面反射镜,前置镜,后置镜及探测器组成。通过原理介绍得出,该光谱仪结构简单,两条分光光线经同一平面镜反射后干涉,使仪器更容易装调;通过光程差推算得出,该光谱仪容易实现大光程差,光谱分辨率高;通过工程设计约束及仿真分析得出,该光谱仪需要在高速旋转的条件下实现高分辨率采样,容易实现精确运动控制,稳定性好,测量速度快。     

基于菲涅尔双面镜的全反射成像光谱技术研究

针对时间调制型成像光谱仪需要高精度动镜驱动系统,无法承担高速光谱测量的弱点,研制了一种新型的基于菲涅耳双面镜的全反射式成像光谱仪。由于采用了全反射式的结构设计,同一套系统可以工作在可见光和红外不的同波段。通过试验结果分析了系统的基本性能。     

A novel mesh regeneration algorithm for 2D FEM simulations of flows with moving boundary

A novel mesh regeneration algorithm is proposed to maintain the mesh structure during a finite element simulation of flows with moving solid boundary. With the current algorithm, a new body-fitted mesh can be efficiently constructed by solving a set of Laplace equations developed to specify the displacements of individual mesh elements. These equations are subjected to specific boundary conditions determined by the instantaneous body motion and other flow boundary conditions. The proposed mesh regeneration algorithm has been implemented on an arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) framework that employs an operator-splitting technique to solve the Navier–Stokes equations. The integrated numerical scheme was validated by the numerical results of four existing problems: a flow over a backward-facing step, a uniform flow over a fixed cylinder, the vortex-induced vibration of an elastic cylinder in uniformly incident flow, and a complementary problem that compares the transient drag coefficient for a cylinder impulsively set into motion to that measured on a fixed cylinder in a starting flow. Good agreement with the numerical or experimental data in the literature was obtained and new transient flow dynamics was revealed. The scheme performance is further examined with respect to the parameter employed in the mesh regeneration algorithm.     

A wavefront sensor-less adaptive optical system for a solid-state laser

A wavefront sensor-less adaptive optical system has been set up. It consists of a deformable mirror, a high-voltage amplifier, a set of solid-state laser system, a CCD camera, control software and a genetic algorithm. This adaptive optical system does not employ a wavefront sensor to detect the wavefront information, but optimizes the light intensity within a fixed aperture in the focal plane by a 19-element piezoelectricity deformable mirror. A genetic algorithm is introduced to search the optimum surface profile of the deformable mirror for correcting the phase aberrations in a solid-state laser system. The far-field light intensity signal, which is measured by a CCD, is taken as the fitness function of the genetic algorithm. In this paper, the performance and the efficiency of this wavefront sensor-less adaptive optical system are presented. Both simulative results and experimental results are given and discussed.     

傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统被动遥测火焰红外图像

介绍了一种傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统,并用该系统测量了放在平台上的3盏普通实验用酒精灯的火焰红外发射谱,选择位于大气窗口内的波数为900～1 000 cm-1波段,利用普朗克定律,反演出了每条光谱对应的相对温度。实验中每一个光谱对应一个扫描位置即像素点,把这些温度数据通过Matlab软件绘制出了扫描范围内的红外图像。将红外图像叠加在视频图像之上,两者吻合得非常好,清楚地显示了3个火焰的位置。     

Principle and analysis of a moving double-sided mirror interferometer

A moving double-sided mirror interferometer (MDSMI) is presented. It comprises one moving double-sided mirror (MDSM), one fixed corner-cube mirror, one fixed plane mirror, and one beam-splitter. The MDSM is a plane-parallel glass plate with both faces coated with high-reflectivity films. The optical path difference (OPD) is created by the straight reciprocating motion of the MDSM driven by a linear actuator, and the OPD value is four times the displacement of the MDSM without tilt. The effect of tilt of the MDSM is analyzed, and the tilt tolerance of the MDSM is systematically analyzed by means of modulation depth and phase error. The MDSMI is very suitable for high-resolution rapid-scan infrared spectrometers.