微型光谱仪光学结构研究

光谱仪是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器之一,仪器的小型化对于扩展仪器使用范围有很大的帮助。设计一种微型可见光CCD摄像光谱仪的光学结构,通过理论计算,选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜,并将它们合理组合,采用聚焦反射和分光的方法,将待测光进行色散,直接投射到CCD接收器件的表面。最后对设计的仪器性能进行了分析。结果表明：仪器的光学结构大大简化,整体尺寸减小,且精度有一定程度的提高。     

微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪

提出一种运用微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS)闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪.它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点.分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了 63阶阿达玛模版.实验得...     

微型近红外光谱仪分析系统的研制

近红外光谱技术是光谱测试技术、化学计量学技术与计算机技术的有机结合,文章立足于食品有效成分无损定量检测的目标,介绍了微型近红外光谱分析系统的研制过程。作为系统测试的基础, 文章重点研究了适用于在线实时分析的微型化近红外光谱仪,研制出的微型近红外光谱仪样机工作波长:850～1 690 nm,分辨率小于10 nm。通过对样机主要参数的测试表明,性能接近国外同类产品水平。另外, 化学计量学与计算机技术的结合是系统的核心,提出了基于最小二乘的局部加权回归(LS-LWR)的建模方法。最后,应用研制出的系统对葡萄糖水溶液定量测试实验表明,其预测集的相关系数达到了0.995, 预测标准偏差为0.06。     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计（英）

近年来,随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展,光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜,其作为近红外光谱仪的核心部件,可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器,以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜,以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅,背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明:扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz,最大扭转角度为4.55,在800~1800 nm工作波长范围内,整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵（DMD）实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理|然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数|最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70 mm×130 mm,测量波段为（900～1 500 nm）,分辨率可达19 nm|在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200 μm|减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.     

面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计（英）

近年来,随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展,光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜,其作为近红外光谱仪的核心部件,可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器,以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜,以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅,背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明：扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz,最大扭转角度为4.55,在800~1800 nm工作波长范围内,整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确...     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

光栅衍射效率与闪光光谱仪的输出

闪光光谱仪应用电荷耦合器件和数字化技术,可以获取瞬间光源的光谱能量分布.文中通过对闪光光谱仪能量关系的分析,结合0.36μm～1.0μm区域的脉冲氙灯光谱曲线实例,阐述了光栅相对衍射效率对闪光光谱仪输出的影响.     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制

解调飞机上变栅距光栅位移传感器的微型光谱仪在受到严重的高低温冲击后会出现温度漂移。针对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿,分析了温度变化对微型光谱仪的影响,并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化,用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下,优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引入参考光来实现实时温度补偿的方法,并最终基于改进的C-T光路制作了一个体积为80 mm×70 mm×70 mm、工作波段在500～1 000 nm、积分时间为8 ms～1 000 ms、光学分辨率约为2 nm的微型光纤光谱仪,用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60 ℃范围内的温度冲击下,研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1 nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3 nm,满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能。     

微型光谱分析系统检测食品添加剂山梨酸的研究

基于对微型光谱仪的二次深度研发,构建了新型食品安全检测微型光谱分析系统,并采用标准加入法,对牛肉粒中的食品添加剂山梨酸进行快速定量检测。结果表明,采用标准加入法消除了样本基体成分的干扰,牛肉粒中山梨酸在0～10.0 mg·L-1质量浓度范围内有良好的线性关系(R2=0.998 9),山梨酸加标回收率为99.2%～99.5%,RSD(n=5)为0.14%。该微型光谱分析系统在食品添加剂检测应用方面表现出良好的实用化前景。     

光栅光阀的光学特性分析和仿真

光栅光阀是一种基于微型机电系统（MEMS）工艺的光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分（可动光阀）,提供衍射光栅,被应用于投影显示等领域。光栅光阀的光学性能决定其在投影显示系统中应用的成败。依据多光束干涉理论和衍射理论对光栅光阀工作状态的光学特性进行了详细的理论分析和计算机仿真。结果说明,光栅光阀在工作中处于“开”态时,可动光阀下降的距离应该是入射波长的1／4倍;设计时选择h=λ0／2,δ=Aλ0／4;当间隙处的反射率不同时,占空比对光栅光阀的光学特性有着不同的影响,给出了占空比与反射率的最佳组合值。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

高密度光盘存储中的梯形光栅设计和误差分析

为了符合实际加工情形，推导了梯形相位光栅衍射效率，与矩形光栅作了比较，设计其用作高密度光盘存储光学头分光束器件时的各参数，并分析推导了系统和随机加工误差对光栅性能的影响及设计原则。     

便携式分光测色仪光学设计

光学系统是分光光度计的核心部分,以光谱仪基本原理和光学设计理论为基础,以便携化、低成本、且满足设计要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对李特洛系统、艾伯特-法斯梯系统、切尔尼-特纳系统、交叉式切尔尼-特纳系统这4种可行的设计方案进行了比较与分析,提出以平面衍射光栅作为色散元件的非对称交叉式C zerny-Turner结构作为该设计的系统结构。用光学软件对该系统进行模拟和优化,设计结果表明:设计的系统光谱范围为360 nm～740 nm,光谱分辨率为10 nm、F数为5.25、光谱展开为44.1 mm、系统体积约80 mm×69 mm×62 mm,满足精度高、体积小及成本低等设计要求。     

紫外刻划光栅母版及二代版衍射特性的模拟与分析

运用微分理论对刻线密度为1200 lp/mm的紫外刻划光栅母版及其二代复制版的衍射特性做了模拟,指出了二者之间存在的差异,并与测试结果做了对照。数值模拟表明,紫外刻划光栅二代复制版的衍射特性与其母版略有不同,原因是光栅槽形发生了改变,分别给出了采用多项式拟合槽形函数和傅里叶级数拟合槽形函数的方法。此理论分析方法为澄清光栅复制工艺中的争议完善翻版技术以及寻找提高紫外光栅衍射效率的途径提供了很好的理论参考依据。     

二维光栅光调制器阵列的光学分析与实验

基于标量衍射理论分析了二维光栅光调制器的衍射特性,提出了投影系统的光学处理方法,利用Matlab软件进行了仿真分析.分析结果表明,二维光栅光调制器的衍射光强分布是单个像素衍射光强的干涉叠加,其分布趋势与单个光调制器的衍射光强分布类似;通过反傅里叶变换可将各个调制器的衍射光重新分开而成像.如果用±1级衍射光的成像,相位为2kπ的调制器在投影面得到一个明亮的像,而相位为(2k-1)π的调制器在投影像面上得到一个黑暗的像.通过一个基于静态微光电系统光栅光调制器的投影光学系统得到了一幅明暗调制的像,证明了光栅光调制器用于投影显示的可行性.