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【摘要】 光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具,传统的光谱仪器由于体积庞大且价格昂贵,应用范围受到很大的限制,微型化成为其重要的发展方向。本论文研究并实现以光纤作为系统输入、可配置三种型号CCD和多种不同规格光学元件、工作在紫外可见和可见及近红外波段的系列化微型光纤光谱仪,并进一步研究了此类光谱成像系统的增益特性,提出静态双增益编码孔径色散光谱模型。在微型光纤光谱仪的电路与探测系统设计中,以相同的硬件同时完成三种型号CCD探测器的驱动,最大程度地精简了电路设计,这种设计在国内外同类仪器中尚属首次。同时,实现了TCD1304AP型号探测器10μs～4.9sec的积分时间调节范围,保证本系统能够满足大多数实际应用的需求,达到并超越了国外最新型此类仪器的水平。此外,在国内首次研究了常规CCD探测器紫外荧光增强方法,提出用于CCD表面荧光增强的荧光粉的性能参数要求及该技术的具体实现方法,保证本微型光谱仪能工作在紫外波段。在光学机械系统设计过程中,研究了基于平场全息凹面光栅和交叉非对称Czerny-Turner结构的两种光学系统。从理论上研究了平场全息凹面光栅的优化设计方法,首次引入全局搜索算法对非线性目标方程组进行求解,提高了收敛精度并缩短了设计周期;提出的反向优化和多工作位置的设计思想能提高设计的效率和现有此类光栅的使用灵活性。研究了基于Czerny-Turner结构的微型光谱仪光学系统的设计方法,对比分析选择后者作为本系统的基础光学结构。最后,论文充分利用CodeV、Tracepro和Solidworks等光学机械设计与模拟软件,完成了光谱仪光学机械系统和两类光谱测量附件的设计以及较为全面的系统公差分析。论文在软件系统设计部分,不仅完成了对光谱仪的全面控制和常规光谱测量功能,还以两种接口方式实现了二次开发工具箱,实现了软件系统的扩展功能,使整体系统具有更高的实用性和灵活性,达到国外此类仪器的水平。对实际系统进行全面测试,结果表明其性能优良,系列化程度高,具有很强的软硬件扩展性,整体性能达到并超过国外最新型同类产品。目前整个系统已经进入批量生产和销售。在成功研制微型光纤光谱仪的基础上,论文分析了此类系统增益受限的原因,提出使用具有正交独立列编码形式的扩展孔径代替传统狭缝,使得从叠加的成像光谱中还原单通道光谱成为可能,打破了狭缝对系统性能的限制,实现静态系统的双增益。进而设计了模拟系统对该模型可行性进行全面分析。大量分析结果证明,所提出的静态双增益编码孔径色散光谱模型完全可行,优化了传统色散成像系统的性能,对基于面阵探测器的微型光谱仪系统性能的提升具有革命性的意义。
【关键词】 微型光纤光谱仪； CCD探测器； 平场全息凹面光栅； 表面荧光增强技术； 编码孔径双增益系统； 正交独立列编码；
摘要 2-3
Abstract 3-4
目录 5-9
第一章 绪论 9-25
§1.1 光谱仪器系统简介 9-12
§1.2 典型光谱仪器系统研究 12-16
1.2.1 基于棱镜色散的光谱系统 12-13
1.2.2 基于光栅色散的光谱系统 13-14
1.2.3 Fourier变换光谱仪 14-16
1.2.4 其他类型光谱仪 16
§1.3 微型光谱仪器的发展现状 16-19
§1.4 论文的立项依据与研究内容 19-21
§1.5 论文的总体结构 21-22
§1.6 参考文献 22-25
第二章 电路及探测系统的研究与设计 25-49
§2.1 探测器研究 25-31
2.1.1 光电二极管阵列 25-26
2.1.2 CCD图像传感器 26-29
2.1.3 CMOS图像传感器 29-31
2.1.4 CMOS与CCD 31
§2.2 探测器的选择 31-34
§2.3 CCD紫外增强研究 34-45
2.3.1 背向照明式CCD 35-36
2.3.2 背向照明减薄式CCD 36-37
2.3.3 表面紫外荧光物质增强 37-41
2.3.4 CCD紫外增强具体实现 41-45
§2.4 电路系统的设计 45-47
§2.5 本章小结 47
§2.6 参考文献 47-49
第三章 光学机械系统的研究与设计 49-75
§3.1 基于平场全息凹面光栅的光学结构 49-50
§3.2 平场全息凹面光栅优化设计研究 50-55
3.2.1 设计原理及方法 50-52
3.2.2 优化计算原理 52-53
3.2.3 反向优化以及多工作位置的实现 53-54
3.2.4 模拟设计结果 54-55
3.2.5 小结 55
§3.3 基于平面光栅的光学系统 55-58
3.3.1 水平式Ebert-Fastie系统 55-57
3.3.2 Czerny-Turner系统 57-58
3.3.3 小结 58
§3.4 交叉非对称Czerny-Turner系统的设计 58-62
3.4.1 光栅的选择 59
3.4.2 准直镜参数的确定 59-60
3.4.3 成像镜参数的确定 60-61
3.4.4 入射光纤与狭缝的确定 61
3.4.5 消二级光谱滤光片 61-62
§3.5 实际光学系统设计结果 62-64
§3.6 机械系统的研究与设计 64-67
3.6.1 主机部分机械设计 64-65
3.6.2 光谱测量附件设计 65-67
§3.7 硬件系统设计可行性分析 67-73
3.7.1 光学系统公差分析 67-70
3.7.2 系统杂散光分析 70-72
3.7.3 小结 72-73
§3.8 本章小结 73
§3.9 参考文献 73-75
第四章 软件系统的研究与设计 75-95
§4.1 软件系统设计综述 75-76
§4.2 USB接口及驱动 76-83
4.2.1 USB总线协议介绍 76-78
4.2.2 微型光纤光谱仪USB驱动程序 78-83
§4.3 人机交互功能模块 83-89
4.3.1 总体设计 83-84
4.3.2 功能模块介绍 84-89
§4.4 软件系统二次开发工具箱 89-93
4.4.1 设计综述 89-91
4.4.2 C语言接口及接口函数 91-93
§4.5 本章小结 93-94
§4.6 参考文献 94-95
第五章 实际系统测量原理及性能分析 95-115
§5.1 系统基本参数 95-98
5.1.1 机械系统参数 96
5.1.2 光学系统参数 96
5.1.3 探测器与电路系统参数 96-97
5.1.4 光谱性能参数 97
5.1.5 电脑硬件要求 97
5.1.6 系统可选硬件配置 97-98
§5.2 波长定标 98-100
5.2.1 原理 98-99
5.2.2 实现方法 99
5.2.3 定标结果分析 99-100
§5.3 实时光谱测量 100-104
§5.4 基本光谱测量 104-108
5.4.1 透过率光谱测量 105-106
5.4.2 反射率光谱测量 106-107
5.4.3 吸收率光谱测量 107
5.4.4 相对辐射光谱 107-108
§5.5 颜色测量 108-113
5.5.1 测量原理及系统实现 108-112
5.5.2 测量结果 112-113
§5.6 CCD紫外增强效果 113-114
§5.7 本章小结 114
§5.8 参考文献 114-115
第六章 静态双增益编码孔径光谱系统研究 115-143
§6.1 系统原理 116-119
6.1.1 单狭缝色散光谱系统模型研究 116
6.1.2 多狭缝模型研究 116-117
6.1.3 双增益光谱系统模型的研究 117-118
6.1.4 实际编码孔径形式 118-119
§6.2 编码孔径数学模型分析 119-122
6.2.1 谐波函数编码 119-120
6.2.2 Hadamard矩阵编码 120-121
6.2.3 连续编码与离散编码对比分析 121-122
§6.3 模拟系统的实现 122-127
6.3.1 编码孔径加工方法研究 122-123
6.3.2 光学系统及编码孔径的设计 123-126
6.3.3 光学像差的校正 126-127
§6.4 系统性能分析 127-141
6.4.1 系统通光量 127-128
6.4.2 4通道系统模拟 128-131
6.4.3 8通道系统模拟 131-132
6.4.4 16通道系统模拟 132-133
6.4.5 仪器定标系统研究 133-137
6.4.6 系统公差分析 137-139
6.4.7 不完全照明模拟 139-140
6.4.8 小结 140-141
§6.5 本章小结 141
§6.6 参考文献 141-143
第七章 总结与展望 143-146
博士期间发表或录用的学位论文相关论文 146-147
致谢 147
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