傅里叶变换红外光谱仪中动镜系统的设计

为提升傅里叶变换红外光谱仪的整体性能,基于立体角镜与平面镜组合的光学结构,设计了一种柔性支撑机构的摆动型动镜机构.建立和分析该机构控制模型,设计了相适应的反馈控制算法.结果表明:该结构具有无摩擦、抗震性好等优点;光学结构能够很好地补偿动镜摆动造成的倾斜与横移误差,保证仪器的重复性与稳定性;通过对控制算法参量的调整,动镜机构的扫描准确度优于98.4%.在4cm-1的光谱分辨率条件下,使用该动镜机构所测得的红外光谱信噪比优于80000:1,能够满足高准确度定量分析的要求.     

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。     

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。     

FTIR光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究

动镜是FTIR光谱仪中唯一不断运动的部件,动镜的匀速运动性能以及动镜与定镜的准直性好坏影响干涉效果和光谱图质量,直接制约着仪器的精度和分辨率,对仪器整体指标起着重要作用。文章围绕FTIR光谱仪中干涉仪动镜运动的匀速性以及其与定镜的准直性展开研究,使用相位检测技术对定镜的姿态作出动态调整以补偿动镜与定镜间的倾斜夹角,并且设计了具有磁悬浮特点的动镜支撑系统。文章采用改进的模糊PID控制算法实现动镜运动速度的精确调节,对该控制方案从硬件设计和算法上实现。结果表明所研发的动镜运动控制系统具有足够的精度和实时性,能够保证FTIR光谱仪中干涉仪所需的准直性及动镜匀速性的要求。     

一种两用干涉仪的调整

本文介绍了一种迈克耳逊和法布里-珀罗两用干涉仪的结构和基本使用方法.     

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.     

猫眼动镜横移误差容限及次镜倾斜分析

介绍了猫眼动镜干涉光谱仪的基本原理和三种猫眼镜,分析了猫眼动镜的横向偏移对干涉图的影响,推导了横移所产生的最大附加光程差公式,从相位误差角度给出了猫眼动镜的横移误差容限公式并得到了在典型参量下的定量数据．分析了猫眼镜次镜倾斜对光程差的影响,导出了次镜倾斜所产生的最大附加光程差公式,并给出了在典型参量下最大附加光程差与次镜倾角之间的关系图．     

一种新型差分平面镜干涉仪

针对传统差分平面镜干涉仪结构复杂、需要光学部件多从而导致系统调试困难、测量信噪比低等缺点,提出了一种结构简单需要光学部件少的新型差分平面镜干涉仪系统。此干涉仪能够产生对称的空间四光路,对环境因素(湿度、温度及大气压)的变化有很好的抗干扰能力,测量分辨率高。如果附加其他光学元件,可轻易实现对偏摆角、微滚转角、直线度等几何量的测量。静态状态下,其位移漂移小于1nm,而同等条件下传统迈克耳孙干涉仪漂移大于10nm。基于此系统的精密角度测量干涉仪,使用电子细分为2π/516的相位计,可以得到0.024μrad的测量分辨率。     

猫眼动镜横移误差容限及次镜倾斜分析

介绍了猫眼动镜干涉光谱仪的基本原理和三种猫眼镜,分析了猫眼动镜的横向偏移对干涉图的影响,推导了横移所产生的最大附加光程差公式,从相位误差角度给出了猫眼动镜的横移误差容限公式并得到了在典型参量下的定量数据.分析了猫眼镜次镜倾斜对光程差的影响,导出了次镜倾斜所产生的最大附加光程差公式,并给出了在典型参量下最大附加光程差与次镜倾角之间的关系图.     

一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计

设计了一种简便的能自动适应不同背景光强的新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器。利用光敏电阻将条纹的变化转化为电信号,同时检测出背景光,并利用减法器去掉背景,经施密特触发器整形后,送入单片机计数并显示。实验证明,本计数器原理简单,可以适应不同的背景光强,具有精确度高、操作简便可靠等优点。     

二维扫描镜像旋特性分析

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.     

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50 Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900～2 055 nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000～1 965 nm谱段的光谱分辨率介于9.4～16 nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。     

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。     

一种新型谐振式微机电系统扫描镜及其利萨如图形显示

研制了一种基于微光机电系统(MOEMS)技术的新型谐振式扫描镜,该扫描镜采用绝缘体上硅(SOI)加工工艺,静电梳齿驱动,利用工艺中残余应力的释放产生垂直梳齿偏差,作为启动电极。针对该器件的机电性能,设计并搭建了一套光学系统测试其性能。结果表明,该器件具有加工工艺简单、低成本、低电压和大的扫描角度等优点。此外,将所制造的两个扫描镜进行合理组合,搭建了利萨如图形的显示装置,显示图案与Matlab软件仿真结果基本一致。     

一种新型微机电系统扫描镜的谐振频率研究

在微光机电系统(MOEMS)技术的基础上,采用绝缘体上硅(SOI)的体硅加工工艺,设计并加工制作了一种新型的静电驱动的谐振式微机电系统(MEMS)扫描镜。介绍了其基本工作原理及结构设计特点;理论计算了圆形和方形两种结构的尺寸扫描镜的谐振频率,并利用ANSYS有限元软件进行仿真;设计并搭建了一个简单易操作的光学测试系统,对研制出的MEMS扫描镜(7.1mm×5.2mm)进行扫描角度测试。利用该器件参数激励的迟滞频率特性,对其谐振频率进行实际测量。同时,为验证其所测谐振频率的准确性,利用激光多普勒测振(LDV)系统对其进行测试。在工作电压10V,方形和圆形扫描镜的驱动频率分别为556Hz和596Hz时,机械扫描角度分别可达到约6°和5°,谐振频率分别约为300Hz和277Hz。并分析误差产生的原因及其结果。     

激光扫描转镜工作角偏差检测新方法

提出一种检测激光扫描转镜工作角偏差的新方法，该法通过两个激光扫描转镜相应面相互比较和检测，仅用一台自准直仪，可同时检测两个扫描转镜，且两个转镜具有相同的检测精度。介绍了该法的检测原理，导出了计算工作角偏差的公式，给出了检测结果的标准差，最后还给出了检测实例。该法检测仪器单一，检测精度高，不仅适于激光扫描转镜的检测，也可用于多面棱体的检定。