中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。

一种小型中阶梯光栅光谱仪的光学设计

随着信息时代光谱分析技术的飞速发展，光谱仪器的高精度、低干扰、体积小型化等性能优势使其成为各领域各行业的优选信息获取手段。本文以光学设计的基本原理为指导、中阶梯光栅为核心、宽波长范围和高分辨力为设计目标，设计了一种基于切尼尔-特纳型光路结构的小型中阶梯光栅光谱仪系统。通过理论分析和计算，确定了系统的结构参数，并使用Zemax软件进行光学仿真。结果表明，该系统在200～800 nm的波段上理论分辨力优于0.1 nm。

高分辨率中阶梯光栅光谱仪精确装调与标定

中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率、高精度新型光谱仪器,其分辨率可达到几万至几十万,结构参数的微小偏差严重影响着其分辨率和波长标定精度,所以精确的装调方法是保证中阶梯光栅光谱仪性能指标的重要环节之一。针对中阶梯光栅光谱仪的结构特点,对中阶梯光栅光谱仪精确装调方法进行了研究。该方法简便、快捷,适用于小体积、封闭式结构设计的中阶梯光栅光谱仪。通过该方法的装调,使中阶梯光栅光谱仪工作状态与设计结果一致。给出了最终波长标定结果,其波长标定误差小于0.002nm,满足系统性能要求。

用于激光诱导等离子体光谱分析的便携式中阶梯光栅光谱仪设计(英文)

激光诱导等离子体光谱分析技术是一种非接触式实时检测技术,它已成为一种新兴的物质成分与浓度分析手段,并在工业生产等领域有着重要应用。为了使激光诱导等离子体光谱分析技术在极短的时间内同时获得全面的光谱信息,本文设计了一款波段范围为180～400 nm的轻小型中阶梯光栅光谱仪。通过分析其光学性能,确定了系统的结构参数,并对像差进行了分析校正。对汞灯特征光谱进行了测试标定,仪器光谱分辨率在253.652 nm处可达0.036 8 nm,满足激光诱导光谱分析技术对仪器光学性能的需求。

基于中阶梯光栅光谱仪的激光诱导等离子体分析系统研究

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器,令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱,提高了整个系统的信噪比。最后,搭建了一套激光诱导等离子体分析系统,对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。通过对合金样品测试,整个系统的分辨率达0.02nm,光谱范围覆盖190~600nm。并且研制的LIPS系统光谱重复性较好,特征元素波长提取误差不超过0.01nm,可较准确的对样品成分进行分析。

分波段式中阶梯光栅原子发射光谱仪

受探测器发展水平的限制,以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）难以实现宽波段内多元素的同时测量.本文对现有中阶梯光栅光谱仪进行了改进,设计出一种适用于ICP-AES多元素同时测量的分波段式中阶梯光栅光谱仪.通过改变棱镜的入射角度,将系统波长扩展为200～900 nm,光谱分辨率为25 000,突破了现有探测器尺寸的限制,实现了宽波段范围内的多元素快速测量.将中阶梯光栅光谱仪与固态ICP光源组合,进行了系统波长标定与化学试样测试.实验结果表明：波长测试误差小于0.01 nm,满足化学元素精确判读要求;分波段式中阶梯光栅光谱仪在保持原有仪器性能的前提下,增宽了仪器的有效光谱探测范围,为多元素的同时测量提供了有效手段.

中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY,利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法,并对信号光斑位置坐标进行准确定位;结合所建立的谱图数据模型,实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明:该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强,而且波长精度可达0.01nm,满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。

基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪,并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管(PMT)相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息,在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合,提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低,该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点,在有限的可挑选的光学材料下,采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数,并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜,校正了系统所有像差,提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01nm,单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038nm,达到目标值(0.05@200nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500mm左右,充分体现轻小型的优势。

高分辨率中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计

以宽光谱范围、高分辨率的中阶梯光栅光谱仪为研制目标,介绍了中阶梯光栅的色散特性,阐述了基于它的交叉色散原理,提出了分辨率优先的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计方法,包括高分辨率的主色散光路设计、分辨叠级的辅助色散光路设计,及主-辅色散光路联合校验三个递进的环节,并结合商用光谱仪进行了实例设计,仿真和实验表明,当光谱范围为400～900nm时,该分光系统在Hg灯546nm处的分辨率可达51 000,在Na光589nm处的分辨率为44 000。

中阶梯光栅光谱仪信号光斑位置的质心提取算法

中阶梯光栅光谱仪二维谱图中,信号光斑位置的提取精度直接影响光谱分析精度,是中阶梯光栅光谱仪研制中的关键问题之一。为保证中阶梯光栅光谱仪的高分辨率特征(其分辨率一般为几千以上,本仪器光谱分辨率为15 000),信号光斑的位置提取误差应小于0.03mm(小于2个像素)。在分析中阶梯光栅光谱仪谱图特征的基础上,提出了一种基于质心法的信号光斑位置提取算法,即通过搜索信号光斑探测窗口进行光斑判读以及信号光斑质心计算,实现了信号光斑位置的精确读取。实验结果表明,采用该算法可以有效地去除噪声光斑的干扰,实现信号光斑位置的快速精确读取,位置提取误差小于2个像素,波长误差小于0.02nm,满足本仪器要求。

中阶梯光栅铝膜的大压深纳米压痕试验

为研究光栅铝膜在机械刻划深度范围内的弹塑性变形特征,通过纳米压痕仪的Berkovich压头对现有79 g/mm中阶梯光栅铝膜进行大压深连续纳米压痕试验测试。按10 s-10 s的加-卸载方式进行压深步0.5μm、最大压深5.0μm、每个压痕步重复6次的连续压痕试验,获得整个压深尺度范围内弹性模量、硬度、最大回弹量、等效回弹锥角和回弹系数随压深的变化规律。光栅镀铝膜层材料的弹性模量、硬度在浅表层体现出较强尺寸效应,同时在镀铬过渡层和玻璃基底综合效应的影响下出现"拐点"极值;残余压痕的最大回弹量随压深近似线性增加,但是相对压深的回弹量、等效回弹锥角和回弹系数均随压深减小,这表明光栅铝膜在机械刻划深度范围内的回弹性能受压入深度的影响较大。这对于认识现有中阶梯光栅镀铝膜层材料的力学性能并改进镀膜工艺具有重要意义。

中阶梯光栅的应用研究进展

简述了中阶梯光栅的原理和优点,分别介绍了中阶梯光栅在光谱仪、天文望远镜和波分复用器中的应用原理,以及这些仪器在现代化工业、宇宙大气探测方向和光通信传输领域的广泛应用,并指出了中阶梯光栅在这些方面的应用优势和良好的发展前景。

中阶梯光栅光谱仪CCD相机的设计

为了高精度采集中阶梯光栅光谱仪的谱图,设计了一种适用于中阶梯光栅光谱仪原理样机的高性能面阵CCD相机。首先,根据中阶梯光栅光谱仪的谱图特点和CCD芯片的特性,设计了面阵CCD相机的时序产生电路、驱动电路及数据采集处理电路,实现了面阵CCD相机的低噪声、高灵敏度以及高动态范围。然后,利用LabVIEW编写了CCD相机测试软件。最后,利用设计的面阵CCD相机对汞灯谱线进行了测试。结果表明:面阵CCD相机获取的二维谱图图像清晰、信噪比较高;经二维谱图还原后,可以得到标准的汞灯谱线。该相机性能稳定、可靠,满足中阶梯光栅光谱仪原理样机的研制要求。

基于谱图还原的中阶梯光栅光谱仪有效波长提取算法

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、全谱瞬态直读等诸多优点,是先进光谱仪器的代表之一。在中阶梯光栅光谱仪民用化、商品化的发展趋势之下,其二维谱图图像处理的地位越来越重要。目前,国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长,但这种方法难以达到较为理想的要求。为了提升运算速度、波长提取精度以及成像误差补偿能力,提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。利用谱图还原算法,将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图,通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪,实现了二维谱图中全部有效(x,y)点对应波长的一次性提取。先将二维谱图转换为一维图进行图像处理,使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善,还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验,并使用该算法进行数据处理。实验结果表明,不仅能够自动补偿光谱仪0.05μm(两个像元)以内的成像偏差,而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度,波长误差小于0.02 nm,满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。

中阶梯光栅光谱仪波段范围校正装置

为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围,设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先,对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析,并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求,然后设计了校正装置,并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后,对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明:校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内,从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。

超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了实现超宽谱段与高分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统,提出了一种光路结构设计,并针对其深紫外波段的有效探测方法进行了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势,保证了色散光路具备高衍射效率,同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下,采用多重评价优化方式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参数。通过加入由球透镜及柱透镜组成的校正结构,有效地校正了像差,提高了光谱分辨率。最后,针对深紫外波段探测的解决方案进行模态分析,验证了所设计方案的可行性。最终在160~1000 nm的超宽波段范围内,成像光斑的RMS值优于12.1μm,在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm,能够满足超宽谱段、高分辨率检测系统的色散分光需求。

小型高分辨率中阶梯光栅光谱仪光学设计

为了克服传统光栅光谱仪小体积与高分辨率无法共存的缺点,提出一种以中阶梯光栅为核心色散元件、反射棱镜为辅助色散元件的光谱仪光学设计方法。具体分析了中阶梯光栅的基本原理,从光路设计和元件参数设计两方面进行仪器光学设计,最后设计了一个焦距为150 mm、光谱范围为200 nm^600 nm、理论光谱分辨能力为0.1 nm的中阶梯光栅光谱仪,仿真和实验表明,设计的光谱仪在Hg灯253.652 nm处光谱分辨能力为0.023 9 nm,在Hg灯546.074 nm处光谱分辨能力为0.061nm,满足设计指标要求。

中阶梯光栅光谱仪谱图背景去除算法

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读,面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。由于二维谱图含有庞大的数据,且有效信息仅占极小比例,因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、提高运算速度。详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点,并针对其特点提出了背景去除算法。将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中,选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像,设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割,最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图,对比不同边缘检测算法的背景去除效果,分析了各算子对算法速度、精度的影响。实验结果表明本文提出的算法运算简单、边缘图像阈值易于计算、目标提取精度高,处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接,谱图处理速度显著提升。

中阶梯光栅铝膜的纳米压入测试

对槽线密度为79线.mm-1的中阶梯光栅铝膜进行了深度3μm的纳米压痕试验,并采用有限元模拟结合正交分析的方法对其进行计算和分析,得到初步优化的参数组合,最后通过迭代优化求解最优组合。结果表明:中阶梯光栅铝膜的平均弹性模量为85.7GPa,最优测试参数组合为屈服应力134MPa和应变硬化指数0.09;所建立的光栅压入测试有限元模型的计算准确性对屈服应力的输入较为敏感。