宽波段微型光谱仪光学系统设计与优化研究

摘要

近年来，光谱仪器的应用场景和应用范围越来越广泛，除了在科学实验室内进行光谱分析外，光谱仪器还越来越多地应用在工业监测、环境监测等商用和民用领域。在这种应用背景下，对光谱仪器的要求已经不限于更高的精度和更加全面的功能，还根据需求朝着微型化的趋势发展。自上世纪九十年代以来，光学器件和微电子领域都进入了快速发展的阶段，这为光谱仪器的微型化提供了有利的技术条件。目前市场上已经针对各种应用场景，推出了各种具有针对性的微型光谱仪，但光谱工作范围覆盖紫外光、可见光、近红外光的宽波段微型光谱仪仍然存在一些亟需解决的问题。因此，本文针对宽波段微型光谱仪的光学系统的设计方法和优化措施进行研究，具有很强的现实意义。 首先，本文针对常见的微型光谱仪的光学结构，对称式切尼-特纳结构和交叉式切尼-特纳结构进行了详细的分析和对比，选择了对称式切尼-特纳结构作为本文设计的宽波段微型光谱仪的光学结构。 然后，根据其中的光学参数进行分析，归纳出其光学约束关系;在此基础上，提出了一套基于光学约束关系的系统设计方法，并使用zemax仿真软件进行了光学系统的设计和仿真。并分析了光学系统中不同类型的像差和公差对于成像质量的影响，设计了相应的机械结构，保证了试制的光学系统的可靠性。 另外，针对拓宽光谱范围造成的两个问题:紫外响应不高和引入二级光谱线干扰，分析了其出现的原因，并提出了进行紫外增强镀膜以及设置滤光片的方法，经济、有效地解决了这两个问题。 最后设计了与光学系统配套的电子系统和软件系统，对光学系统进行了实际的测量，测量的结果表明本文设计的微型光谱仪能在200-1100nm的区间内得到1nm左右的分辨率，达到了预期的设计目的，验证了设计方法和针对于宽光谱采取的优化措施的可靠性和合理性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1光谱仪概述

1．2微型光谱仪的发展现状

1．2．1微型光谱仪的发展条件

1．2．2国外发展现状

1．2．3国内发展现状

1．2．4目前存在的问题

1．3研究意义与研究内容

1．4论文整体结构

2相关光学理论介绍

2．1光谱仪指标参数

2．1．1工作光谱范围

2．1．2色散率

2．1．3分辨率

2．2光学结构组成部分

2．2．1 CCD探测器

2．2．2光栅

2．2．3准直镜、成像镜

2．2．4光源

2．3常见结构介绍

2．3．2交叉型切尼-特纳结构

2．4两种切尼-特纳结构对比分析

2．4．1光学参数分解与细化

2．4．2参数约束关系分析

2．5本章小结

3光学系统设计与公差分析

3．1基于光学约束关系的设计方法

3．2设计计算过程

3．2．1CCD探测器的确定

3．2．2参数设计过程

3．3光学系统仿真结果

3．3．1 zemax参数设置

3．3．2 zemax仿真结果效果分析

3．4像差分析

3．4．1球差分析

3．4．2彗差分析

3．4．3像散分析

3．4．4场曲分析

3．4．5畸变分析

3．5机械结构设计

3．5．1公差分析

3．5．2机械结构设计与装配要点

3．6本章小结

4波段拓宽引入的影响与优化研究

4．1增强紫外响应的研究

4．1．1仪器紫外响应不高的原因分析

4．1．2增强紫外响应的措施

4．2消除二级光谱线影响的研究

4．2．1二级光谱线成因与影响

4．2．2消除二级光谱线的措施

4．3复合型滤光片的应用

4．4本章小结

5配套系统与实际测量结果

5．1电子系统设计

5．1．1电子系统构成

5．1．2电子系统各模块实现

5．2软件系统设计

5．2．1软件系统构成

5．2．2软件各功能实现

5．3测量测试结果与分析

5．4本章小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2不足与展望

参考文献

硕士期间的科研成果

致谢