仪器分辨率对氧气A带被动测距的影响分析

透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心,其精度直接影响到被测距离的精度,而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响,选用氧气A带为研究对象,采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率,利用随机Malkmus模型计算被测目标距离,从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。为此,搭建了被动测距实验系统,通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量,验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。首先,介绍氧气A带透过率的计算方法,计算理论值;以卤素灯为光源,利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线,计算实测大气透过率,分析光谱分辨率对单谱线的影响;然后,在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上,对透过率计算模型进行拟合、校正,验证光谱分辨率对带模型的影响。对于单条谱线,仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大,而对带平均谱线,相同波数点的光谱信号取平均,获得平均效应,使得被测谱线几乎没有变化;分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、不同的精度要求选择合适的分辨率。实验结果表明：分辨率对单谱线的透过率影响较大,随着分辨率的降低,被捕获的光谱信息点取值越少,被测目标距离相关系数越小;分辨率对带平均透过率的计算影响较小,不同分辨率下测得的目标距离,几乎重合;而仪器分辨率越高则测量时间越长,当使用带平均透过率计算被测目标距离,在精度要求范围内,可以适当降低仪器分辨率,从而极大地提高测量速度,并达到测量实时性,同时降低系统搭建的成本。该结论可为透过率测量的应用提供依据。     

氧气A吸收带平均透过率的多光谱非成像测量

为了解决氧气A吸收带被动测距中使用高光谱成像系统存在测量实时性差的问题,提出了一种氧气A吸收带平均透过率的多光谱非成像测量方法。该方法利用3个窄带滤光片分别采集目标位于氧气A吸收带及其左右带肩的辐射强度信息。选择光电倍增管作为光电转换器件,在外场条件下开展氧气A吸收带平均透过率测量实验。建立了氧气A吸收带透过率的逐线积分模型,通过对比实验测量值与模型理论值验证了该方法的可行性。对比结果表明,在测量距离为100~400m范围内,氧气A吸收带平均透过率的测量误差在0.146%~1.576%之间,证明了该方法的可行性。     

近红外技术在纸张水分率测量中的应用

为了解决纸张水分率指标的在线测量问题,研究了基于近红外光谱分析的水分率测量技术,阐述了介质对光谱吸收的基本原理,分析了该原理应用于纸张水分率测量时存在的问题,探索了采用两条谱线(测量谱线和参考谱线)的方法实现水分率在线检测的关键技术,设计规划并实验研究了相应的测量方案,论述了方案中各功能模块的作用.基于光谱法和干燥称重法的水分率对比测量实验表明,基于光谱法的测量准确度可控制在0.5％以内.因此该方法可实现在线检测且满足准确度要求.     

自适应模拟退火遗传算法在薄膜厚度及光学常数反演中的应用

准确的测量薄膜的厚度和光学常数,在薄膜的制备、研究和应用中都是十分重要的。借助Cauchy色散模型,通过薄膜透过率测量曲线,用改进的自适应模拟退火遗传算法对透过率曲线进行全光谱拟合,从而反演得到薄膜的厚度和光学常数。对由电子束蒸发制备的TiO2单层膜和SiO2/TiO2双层膜的厚度和光学常数进行了测量计算。实验结果表明,计算得到的光学参数与实测结果相一致,厚度误差小于2nm,在560nm波长处折射率误差小于0.03。     

基于全滤色片匹配方法的滤色片漫入射光谱透过率评价EI北大核心CSCD

为了获得特定的探测器光谱响应,可以采用全滤色片法对滤色片进行精确匹配.在匹配计算时,通常使用滤色片的垂直光谱透过率作为计算依据;而实际应用中斜入射的光线会导致匹配计算结果和测试结果不一致.本文在光线漫入射条件下对圆柱形状滤色片的漫入射光谱透过率计算方法进行了分析,提出了一种由滤色片垂直入射光谱透过率计算滤色片漫入射光谱透过率的修正模型.设计了双积分球测量装置对滤色片的漫入射透过率进行检测.在该装置下检测不同滤色片的漫入射光谱透过率,并与修正模型计算结果进行对比验证.实验结果表明,修正模型可以在较小误差范围内由滤色片的垂直入射光谱透过率计算其漫入射光谱透过率,应用于全滤色片匹配可以显著提高匹配结果和实际测量结果的一致性.     

用干涉方法测量薄膜应力

基于基片弯曲法和牛顿环的基本原理,使用He-Ne激光器、扩束镜、凸透镜和带分光镜的移测显微镜,搭建了薄膜应力测量装置.采用直流溅射法制备了厚度为30~144 nm的银薄膜,衬底采用厚度为0.15 mm、直径为18 mm的圆形玻璃片.实验发现,薄膜厚度对银薄膜的内应力有显著的影响,在薄膜厚度很小时,随着薄膜厚度的增加,应力迅速增大,达到最大值后,随着厚度的继续增加,薄膜应力下降较快并趋于稳定值.     

3D显示系统的互补多频宽角度色谱滤光膜

基于波分式3D技术成像原理,实现了一种宽角度互补三带通滤光膜的设计。通过对薄膜材料的研究,选择合适的材料作为法布里-珀罗滤光片的等效间隔层,改善了大角度入射时的能量分散现象,提高了大角度入射时的通带透过率。通过调节电感耦合等离子体反应气体量,降低了Nb_2O_5材料的消光系数,提高了薄膜在短波处的透过率。实验测试与分析结果表明,所研制的互补三带通滤光膜在0°～30°入射时的通带透过率均在92%以上,且透射光符合色平衡指标,满足设计要求。     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

Z箍缩诊断中椭圆晶体谱仪测量数据的处理

以氖气喷气Z箍缩的实验结果为例,详细讨论了椭圆晶体谱仪测量数据的处理方法,包括使用标定结果将胶片黑密度转换为X光强度,根据已知谱线的能量和扫描点序号对测量能谱的能点进行定标,以及使用Henke给出的考虑谱仪非均匀色散效应、晶体积分反射率和X光滤片透过率后的公式对测量能谱的强度进行修正,给出了最终的解谱结果。并使用Lorentz线型函数拟合谱线轮廓,求出了Hα,Heα和Heβ等K壳层谱线的相对强度,对处理后能谱强度的误差进行了简单分析。     

钾元素单脉冲和双脉冲激光诱导击穿光谱研究

基于自行研制的新型液体射流的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,研究了实验条件(如积分延时、脉冲间隔、激光能量等)对K元素单脉冲LIBS和双脉冲LIBS等离子发射的影响.实验得知相对单脉冲激光激发,双脉冲激光激发可以显著提高等离子体发射谱线强度,增加谱线强度的衰减时间,提高LIBS数据的稳定性.通过最佳实验条件下K766.49nm谱线强度随溶液浓度的分析,得到该实验系统中,双脉冲激光激发时K元素的检测灵敏度和检测限约是单脉冲激光激发时的37倍.实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体金属的检测提供了一定依据.     

A method for measuring the thickness of transparent oil film on water surface using laser trigonometry

We present a method for measurement of thickness of transparent oil film on water surface based on laser trigonometry. With an oblique incident mode of single-point laser triangulation ranging system, laser light is incident on the upper and lower surfaces of the oil film being measured and an ellipse light spot is formed on the upper and lower surfaces of the oil film. The two light spots are imaged on an image plane CCD by an imaging lens and the image spot is formed and stored in a computer. The thickness of oil film being measured can be obtained by displacement of the image spot and the configuration parameter of the imaging system. The experiment is conducted using edible peanut oil and diesel oil. The research results show that the method presented in this paper is feasible and applicable to dynamic on-line measurement of oil film thickness of oil spill on sea surface.     

基于激光诱导水拉曼抑制法的油膜厚度测量方法研究

为了实现水体表面油膜厚度的快速测量分析,以266 nm的激光作为探测系统的激发光源,基于激光诱导水拉曼散射光谱检测技术,通过获取不同种类不同厚度油膜存在下水拉曼光谱信息,建立油膜厚度反演模型。采用高斯函数拟合法校正了荧光光谱对拉曼光谱的干扰。然后根据水拉曼抑制法结合非线性最小二乘优化算法,建立油膜厚度反演模型。结果表明：对92#汽油、0#柴油、美孚机油20w-40、壳牌润滑油10w-40、采埃孚变速箱油AG6和原油油膜能探测到的油膜厚度范围为0.19~379.22 μm。采用水拉曼光谱-油膜厚度反演模型预测油膜厚度的平均相对误差在8.14%~15.81%之间。该方法能实现实验室条件下对微米级油膜的测量。     

Ellipsometric characterization of PbI2 thin film on glass

The optical properties of polycrystalline lead iodide thin film grown on Corning glass substrate have been investigated by spectroscopic ellipsometry. A structural model is proposed to account for the optical constants of the film and its thickness. The optical properties of the PbI₂ layer were modeled using a modified Cauchy dispersion formula. The optical band gap E_g has been calculated based on the absorption coefficient (α) data above the band edge and from the incident photon energy at the maximum index of refraction. The band gap was also measured directly from the plot of the first derivative of the experimental transmission data with respect to the light wavelength around the transition band edge. The band gap was found to be in the range of 2.385±0.010 eV which agrees with the reported experimental values. Urbach's energy tail was observed in the absorption trend below the band edge and was found to be related to Urbach's energy of 0.08 eV.     

Optical measurement of instantaneous liquid film thickness based on total internal reflection

An optical method of measuring the instantaneous transparent liquid film thickness, based on the effect of total internal reflection by the gas-liquid interface, is represented. A light circle whose diameter is proportional to the liquid film thickness and eccentricity is proportional to the slope gradient of the liquid film surface in the measurement region is formed around a small-size light source in the plane of vessel bottom. Using several light sources, the method allows measurement of the liquid film thickness field. The method is implemented in a multichannel meter of transparent liquid film thickness and curvature surface, with computer image processing.     

厚度误差对THz-TDS的测量不确定度分析

阐述了基于菲涅尔公式的透射式太赫兹时域光谱系统提取样品光学常数的方法和原理,分析了样品厚度误差对THz-TDS测量不确定度的影响,并建立了相应的不确定度模型。进行太赫兹时域光谱测量实验,提取硅片在太赫兹波段的折射率,并计算了误差对提取样品折射率的影响。结果表明,随着厚度误差的增大,系统测量偏差也随之增大。对于较厚样品,相同厚度误差对其测量结果影响较小。样品厚度为994μm时,在厚度存在1μm的测量误差情况下,系统测量折射率的偏差为0.001 2,接近模型的仿真值。实验结果验证了厚度误差对测量不确定度模型的有效性,了解了厚度误差对系统测量结果的影响情况,对测量过程及结果分析具有一定的指导意义。     

非独立模式算法下粒径分布反演及分类的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,提出一种非独立模式算法下粒径分布反演及分类的方法。对被测颗粒系分别按照不同的粒径分布函数同时进行反演,并依据反演误差大小判断被测颗粒系符合哪种分布函数。仿真实验结果表明,在非独立模式下,完全可以利用已知的不同分布函数的反演误差作为分类依据,从而更准确地确定被测颗粒系的粒径分布。采用的遗传反演算法能够在3个可见光波长下得到较准确的粒径分布,反演结果稳定可靠,最大限度地减少了多个波长的使用,从而对光源有更大的选择余地。对透射消光测量结果加入5%随机噪声时,单峰分布颗粒系的反演误差小于5%,多峰分布颗粒系的反演误差小于10%。整个算法运行时间小于2 s。该方法具有原理简单,计算速度快等优点,能够满足颗粒粒径在线测量的要求。     

玻璃在线激光测厚误差的透反互补抑制

为了抑制激光在线测厚时入射角波动引起的误差,根据几何光学分析了激光透射式和反射式测厚原理,发现激光在特定入射角附近波动时,两种方式的测厚误差一正一负,具有互补性,在此基础上提出基于透射和反射同时测量的互补式测厚方法,该方法可将误差限定在透射式和反射式测量误差之间,抑制在线测厚误差.对于有机玻璃平板,理论计算表明,当激光入射角在67.013°±4°波动时,相对误差绝对值在1%以内,误差抑制率均值大于90%;当入射角为61.536°时,误差抑制率为100%.利用线结构激光器和两个线阵CCD相机搭建互补式测厚实验系统,测量了标称厚度为1~5mm的有机玻璃平板,与透射式和反射式测厚结果进行对照,除厚度为1mm的玻璃外,互补式测厚误差被限制在透射式和反射式之间,最大误差抑制率达61%.实验结果表明,该互补式方法有效抑制了误差,提高了在线厚度测量准确度,解决了在线测量不可重复性导致的无法通过均值法减小误差的问题.     

一种基于荧光信号的海面厚油膜评估方法

油膜厚度是海面溢油污染评估分析的一个重要指标,激光诱导荧光(LIF)技术是目前最有效的海面溢油探测技术之一,基于LIF探测技术的油膜厚度反演算法当下仅有适用于薄油膜(≤10~20 μm)的评估方法,而对于较厚油膜(>20 μm)的评估目前尚无有效的反演算法。鉴于此,提出一种基于LIF技术适用于较厚油膜的反演算法,该算法采用油膜荧光信号反演油膜厚度,推导了油膜厚度反演公式,并给出了基于该反演算法的油膜厚度评估方法。首先采用最大类间方差算法(Otsu)选取合适的荧光光谱波段,然后根据选取波段内每个波长的光谱数据反演油膜厚度,最后采用反演油膜厚度的平均值作为油膜厚度评估结果。研究了该算法的适用范围,给出了该算法有效评估范围最大值与测量相对误差的关系,并结合消光系数给出了在多种测量误差条件下不同消光系数油品有效评估范围的最大值。通过实验对本文方法进行了验证,选用原油和白油的混合油(1∶50)作为实验油品,以波长为405 nm的激光作为激发光源,采集波长范围为420～750 nm,采集了海水背景荧光和拉曼散射光光谱、实验油品的荧光特征光谱和多种不同厚度的较厚油膜的荧光光谱。采用Otsu算法选取420～476 nm波段评估油膜厚度,在实验油品油膜厚度≤800 μm时,该算法对油膜厚度的评估具有较高的精度,平均误差为10.5%;在油膜厚度>800 μm时,平均误差为28.8%,评估误差较大且随油膜厚度的增加快速变大,该实验结果与利用测量相对误差和消光系数的分析结果一致。实验结果表明,该方法可以实现对海面较厚油膜厚度的有效评估,并可以根据测量相对误差和消光系数判断评估结果的有效性。     

Systematic studies of small scintillators for new sampling calorimeter

A new sampling calorimeter using very thin scintillators and the multi-pixel photon counter (MPPC) has been proposed to produce better position resolution for the international linear collider (ILC) experiment. As part of this R&D study, small plastic scintillators of different sizes, thickness and wrapping reflectors are systematically studied. The scintillation light due to beta rays from a collimated ⁹⁰Sr source are collected from the scintillator by wavelength-shifting (WLS) fiber and converted into electrical signals at the PMT. The wrapped scintillator that gives the best light yield is determined by comparing the measured pulse height of each 10 × 40 × 2 mm strip scintillator covered with 3M reflective mirror film, teflon, white paint, black tape, gold, aluminum and white paint+teflon. The pulse height dependence on position, length and thickness of the 3M reflective mirror film and teflon wrapped scintillators are measured. Results show that the 3M radiant mirror film-wrapped scintillator has the greatest light yield with an average of 9.2 photoelectrons. It is observed that light yield slightly increases with scintillator length, but increases to about 100% when WLS fiber diameter is increased from 1.0 mm to 1.6 mm. The position dependence measurement along the strip scintillator showed the uniformity of light transmission from the sensor to the PMT. A dip across the strip is observed which is 40% of the maximum pulse height. The block type scintillator pulse height, on the other hand, is found to be almost proportional to scintillator thickness.      

确定薄膜厚度和光学常数的一种新方法

借助于不同的色散公式,运用改进的单纯形法拟合分光光度计测得的透过率光谱曲线,来获得薄膜的光学常数和厚度。用科契公式分别对电子束蒸发的TiO2和反应磁控溅射的Si3N4,以及用德鲁特公式对电子束蒸发制备的ITO薄膜进行了测试,结果表明测得的光学常数和厚度,与已知的光学常数以及台阶仪测得的结果具有很好的一致性。这种方法不仅简便,而且不需要输入任何初始值,具有全局优化的能力,对厚度较薄的薄膜也可行。采用不同的色散公式可以获得各种不同薄膜的光学常数和厚度,这在光学薄膜、微电子和微光机电系统中具有实际的应用价值。