基于交叉式Czerny-Turner结构的光纤光栅解调光路设计及像差校正

为满足光纤光栅传感系统的解调仪器高分辨力、微型化的需求,针对光纤光栅传感1 550 nm波段设计了光谱成像法光纤光栅解调系统的分光光路系统.成像系统形式采用交叉式Czerny-Turner结构,分析了使用超环面镜代替球面镜、在结构中加入额外的柱面透镜或柱面反射镜以及使衍射光栅工作在发散光条件下的3种校正像散方法的特点,最终选用使衍射光栅工作在发散光条件下的校正像散方法,实现在不加入附加光学元件条件下的像散校正,同时采用小角度入射的方法减小系统彗差.通过Zemax对成像系统进行了参数优化与光线追迹分析,优化结果证明了上述像差校正方法适用于光纤光栅解调.在解调光谱范围内,可明显分开波长间隔为1 nm的光斑,满足光纤光栅解调的分辨力需求.

高光通量交叉非对称Czerny-Turner拉曼光谱仪光学系统

为克服分立式便携拉曼光谱仪光通量低的缺点,设计了一种集拉曼探头光路与分光系统于一体的光学系统。探头光路采用大数值孔径的非球面透镜实现样品的有效激发和信号的高效收集,通过胶合透镜组缩小会聚光路尺寸、消除轴向色差。分光系统基于交叉非对称Czerny-Turner结构,为获得期望的光谱分辨率和光谱范围,建立了分光系统光谱分辨率及光谱范围与交叉非对称Czerny-Turner结构参数的关系。由测得的汞灯谱图可知,分光系统的光谱分辨率优于6 cm^(-1)(0.37 nm),光谱范围为790~950 nm(200~2000 cm^(-1))。将设计的光学系统对CCL4进行测试,实验结果表明在相同积分时间内由这种整体式的光学系统检测到的CCL4光谱谱峰强度是用商业探头通过光纤连接分光系统检测到的近3倍,验证了光学系统设计的合理性。

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。

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。

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80mm×70mm×70mm、工作波段在500~1 000nm、积分时间为8ms^1 000ms、光学分辨率约为2nm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0.1nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3nm,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。

一种用于手持拉曼的宽谱段高分辨分光系统设计

针对目前手持拉曼的微型光谱仪的光谱范围较窄,光谱分辨率较差,体积较大等技术短板,提出一种用于手持拉曼的宽谱段高分辨分光系统设计方法。在综合考虑安装调试及性能基础上,创新性采用楔形柱面镜消除像散,既保证了信号强度又便于机械安装。在约束不同波长经过光栅衍射后,出射光束口径变化的前提下,利用交叉式非对称Czerny-Turner光路结构的像差特性,实现全谱范围内的慧差矫正。基于ZEMAX软件对光谱仪结构进行仿真和优化,并完成了样机研制,样机尺寸为72mm×43mm×62mm。采用氦-氖灯对其性能进行了测试,结果表明:分辨率优于6cm^(-1)、拉曼光谱范围150~4000cm^(-1),验证了该微型光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

基于CMOS传感器的微型光谱仪设计

为了快速、有效的检测气体中含有的NOX、SO2等污染性气体的浓度。设计了基于CMOS传感器和交叉Czerny-Turner(CT)型光路的嵌入式微型光谱仪,通过16位AD转换和C8051f410,实现NOX、SO2等气体浓度的自动检测。并介绍了CMOS传感器的性能指标以及系统的软硬件设计。

变栅距光栅位移传感器的优化设计

变栅距光栅位移传感器传感部分反射的衍射光中心波长是由微型光谱仪进行解调的。为了解决传感器系统目前所用的微型光谱仪体积较大、成本高且针对性不够强等问题，本文对该传感器的信号解调部分进行了分析，并对其内部光路进行优化，制作了一个与传感器配套的微型光谱仪，光学分辨率为2nm。实验结果表明，用该光谱仪解调变栅距光栅位移传感器的信号时多次重复测量的位移差在0．08ram以内，传感器有着较好的重复性；且位移误差小于0．3mm，最大引用误差小于0．5％，满足设计指标。