Czerny-Turner型双光栅单色仪的波长驱动与波长校准研究

单色仪在实际光谱测量前需要进行波长校准。文中分析了波长驱动原理,并推导了Czerny-Turner双光栅单色仪出射波长与步进电机脉冲数的关系式。在此基础上进行了波长校准实验。使用低压汞灯作为校准光源,在紫外波段和可见波段蓝端,扫描多条低压汞灯特征谱线,得到单色仪的指示波长与信号强度的关系数据。计算出单色仪出射这些谱线时使用的波长修正量。最后使用曲线拟合方法得到250 nm～450 nm光谱范围内单色仪出射任意波长时对应修正量的计算式。波长校准保证了单色仪的波长准确性。     

单色仪波长定标中狭缝设置的影响分析

单色仪作为一种分光仪器，在传感器的辐射定标等方面具有重要应用。在实际应用过程中，其波长和带宽的设置对传感器的精确定标具有重要影响。使用低压汞灯作为波长标准光源，通过对其特征谱线扫描的方法，研究了传感器定标过程中，设置单色仪不同的狭缝宽度，对传感器精确定标具有重要影响。结果显示，当出射入射狭缝相同，同时改变其宽度的情况下，与典型校准状态(出射入射狭缝宽度设置为0.5 mm)相比，波长偏差量达到0.17 nm；当入射狭缝与出射狭缝不一致时，与典型校准状态相比，波长偏差量达到0.18 nm；当光源未充满入射狭缝与充满入射狭缝相比，最大误差达到0.02 nm，该影响几乎可以忽略。在相关的传感器光谱辐射定标实验研究中，单色仪的定标精度和准确性评估等方面具有重要应用。     

凹面全息光栅单色仪设计

提出了单色仪在光纤传感系统中的应用,通过分析Ⅳ型凹面全息光栅的光程函数、像差校正原理和像差校正效果,以光栅为分光元件,设计了一种小型凹面光栅单色仪。单色仪使用自聚焦透镜作为入射狭缝和准直元件,PIN光电二极管作为接收元件,使用步进电机带动凹面光栅旋转扫描光谱。LabVIEW程序控制数据采集卡的数字输出,并显示采集到的光谱。单色仪结构简单、价格低廉,通过实验实现了对单色光的检测。     

Seya-Namioka单色仪中全息光栅设计

本文着重讨论如何应用光程函数理论来确定IV型光栅的记录参数和工作参数,并给出设计实例。     

激发单色仪波长校准的标准物质的探索

找到了一种用于荧光光谱仪的激发单色仪波长校准用的标准物质。用光激发氧化钬滤光片标准物质GBW(E)130112时,能发射547.7 nm的荧光谱线。测量547.7 nm荧光的激发谱,发现激发谱峰的波长测量值为333.56, 360.43,418.39 nm,与上述标准物质证明材料所给出的真值333.8, 360.9,418.5 nm吻合得较好,说明用氧化钬滤光片标准物质GBW(E)130112可以用来作为荧光光谱仪的激发单色仪校准用的标准物质。如果选用发光效率高的材料作为稀土离子掺杂的基质和有效地提高样品的纯度、减小交叉弛豫,那么,氧化钬滤光片作为荧光光谱仪的激发谱波长校准用的标准物质的性能还会有大幅度的提高。     

光栅光谱仪波长校准算法研究

使用正弦曲线拟合进行波长校准时,根据不同的待定系数选择方法,提出三种校准算法.最优算法选定四个待定系数,其中两个线性系数使用最小二乘法计算,而两个非线性系数使用最优化原理求得.线性算法只选定两个线性系数为待定量,而非线性系数为确定值.简化算法仅选定一个线性系数为待定量,其余三个系数为确定值.实测数据表明,线性算法拟合准确度接近最优解,计算复杂度低,是一种最适合于光栅光谱仪波长校准的算法.     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

对光栅单色仪信号采集和处理的改进

介绍了单色仪输出信号处理的设计方案．利用图像传感器CCD和计算机代替光电倍增管和X-Y记录仪，初步实现了硬件不够理想带来的光谱畸变的软件修正，并提高了数据的处理速度．     

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。     

WDP-500C型平面光栅单色仪应用于实验教学的技术问题

针对WDP-500C型平面光栅单色仪未设有千位数字,致使其报警时不能正确处理的问题,提出了根据滑块的传动距离加长挡光板或将光电报警开关向短波段移动8.0 nm的解决方案,消除了由于单色仪设计问题而产生的故障.     

用空心阴极光源标定极紫外-软X射线单色仪

为了使单色仪在极紫外-软X射线波段准确地进行波长扫描,需要对单色仪进行波长标定。单色仪的所有组件都放置在罗兰圆的圆周上,改变出射狭缝在罗兰圆上的位置,在单色仪的出射狭缝处就可以得到相应波长的单色光。通过测量标准He空心阴极光源的发射光谱,对Mcpherson247单色仪进行波长标定,并对实验结果进行了分析,得出在1~100nm波段内单色仪标定精度为±0.017nm~±0.097nm。     

分布式光纤Bragg光栅波长校准方法

提出了一种利用标准参考光谱进行波长校准的方法。实验中利用由宽带光源和光纤可调谐滤波器组成的可调谐光源分别扫描了参考光谱和传感光栅的光谱。在参考通道,ITU标准参考模块的输出是具有固定波长的梳状光谱。利用高斯拟合算法计算出由标准参考透射谱峰值输出的对应的驱动电压,通过样条插值函数获得了滤波器输出波长与驱动电压的关系。计算光栅反射谱峰值对应的驱动电压,利用上面获得的滤波器输出波长与驱动电压的关系式可以计算出传感光栅的Bragg波长。实验结果表明,在较大的波长范围内实现了对多个传感光栅的波长校准,减小了由滤波器非线性输出造成的测量误差,具有较高的重复性。     

侧边抛磨区材料折射率对光纤光栅波长的影响

针对轮式光纤侧边抛磨法,研究了在侧边抛磨光纤光栅抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长随外界折射率的改变而变化的特性.理论计算与实验结果都表明,侧边抛磨光纤光栅Bragg波长会随抛磨区覆盖材料折射率的增大向长波长方向偏移;侧边抛磨面离光栅区纤芯表面越近,覆盖材料折射率对波长偏移的影响越大.实验指出,当侧边抛磨区覆盖材料的折射率从1.389 7变到1.447 9时,Bragg波长将会发生1.402 nm的偏移.用轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤光栅可应用于光纤光栅的波长调谐或传感器.     

最小相关系数的多元校正波长选择算法

在近红外光谱的定量分析中,由于仪器的精密程度越来越高,采集的光谱数据通常具有很高的维度.因此,波长选择对于剔除噪声及冗余变量,简化模型,提高模型的预测性能是必不可少的.近红外光谱特征波长选择方法众多,但变量间的多重共线性问题仍是导致模型效果较差的一个关键问题.变量间共线性可以通过相关系数进行分析,当相关系数高于0.8,...     

基于激光诱导击穿光谱的波长校准法研究

基于线列光探测器件的光谱仪具有多光谱通道探测的优点，以及其在物质光谱分析中担当的重要角色。分析了基于线列光探测器件光谱仪的波长准确度问题，提出利用激光诱导击穿原子光谱丰富波长校准特征波长谱线的思想。实验选用光谱波长范围为200nm～600nm的凹面光栅光谱仪、2048元焦平面的CCD器件和低压汞灯，分别对铜、铝、镁、钙、硅等5种样品进行了激光诱导击穿光谱试验；利用选取的10条激光诱导原子光谱波长数据并结合低压汞灯的10条特征谱线对光栅光谱仪重新进行波长校准，获取的试验数据有力地证明了这种思想的可行性。     

平行光栅对在刻线不平行时的色散研究

 利用三维空间光线追迹法，分析了啁啾脉冲放大系统中的压缩光栅对，在刻线不平行而光栅面平行时光的衍射特性。导出了此时光通过光栅对的群延时，数值计算了系统2阶和3阶色散量，以及这些色散量在光栅对严格平行时的相对误差。得出了中心波长光的接收位置相对于光栅对严格平行时的偏移量，并且分析了它与入射角的变化关系。     

基于连续光谱光源的单色仪标定方法

单色仪在加工和安装过程中不可避免的存在误差,必须对其进行标定后才能使用。传统上采用汞灯的标定方法,波长数量有限,限制了单色仪的标定精度。在研究光栅单色仪原理的基础上,提出了一种基于连续光谱光源的单色仪标定方法,设计并搭建了标定实验系统,系统由宽波段光源、光源电源、滤光片、单色仪、光谱仪及计算机构成。采用卤钨灯作为光源,用光谱仪分别测量卤钨灯经单色仪后的辐射、直接测量卤钨灯的辐射,二者相比得到单色仪透过率函数,消除了卤钨灯辐射以及光谱仪响应函数的影响。在刻度盘的某一读数位置,获得单色仪透过率函数并进行归一化,并计算峰值波长,得到一组峰值波长和刻度盘读数的数据。该方法共采集了22组波长数据,用于单色仪的标定。分别采用8点、14点、18点、22点,采用线性拟合和二次拟合,得到了单色仪的波长与刻度盘读数的关系式。标定点数从8个(8点标定类似于汞灯特征谱标定)增加到22个,误差减小明显,将22点二次拟合的结果作为单色仪最终的标定结果。实验结果表明,采用连续光谱光源的单色仪标定方法获得的标定点数更多,标定结果优于传统的采用汞灯的标定方法。     

Shifted-phase calibration for a 3-D shape measurement system based on orthogonal composite grating projection

This paper proposes a novel method for reducing measurement error caused by spectrum overlapping in orthogonal-composite-grating-based 3-D measurement method. For 3-D measurement systems based on orthogonal composite grating projection, spectrum overlapping causes phase of each deformed phase-shifting fringe changed differently, which violates the principle that the shifted phases between adjacent deformed fringes must be equivalent to 2π/3, and therefore results in phase measurement error. The proposed shifted-phase calibration method is based on that phase variation of each deformed fringe is independent of height and reflectivity of the measured object. Three composite gratings are projected on the reference plane, and each carrier channel includes three phase-shifting gratings needed in phase measuring profilometry (PMP). Because the adjacent phase-shifting fringes demodulated from the same carrier channel have the phase difference of 2π/3, we can respectively calculate the reference plane's phases of three carrier channels by the phase algorithm of PMP method, and the shifted phases between them are obtained. When an object is measured, the shifted phases between deformed phase-shifting fringes can be calibrated. A new 3-D measurement mathematical model is set to reconstruct object. Our experiments prove that the proposed method can effectively restrain the effect of spectrum overlapping and improve measurement accuracy almost one times.