高分辨率的微型光纤光谱仪研制

摘要

近年来，随着MEMS微机电(micro-electromechanical-system)技术的发展，光谱仪的微型化成为可能。无论是在实验级还是工业应用级的光谱仪的研发方面，国内外都取得了较大的成果，尤其是基于CCD的微型光纤光谱仪，由于结构简单、体积微小，适应野外作业和实时检测，已经广泛运用于环境监测、药品制作、LED照明分析、工业监测、空间探索等多个重要领域。
　　由于大部分的电子光谱处于近紫外区域，而目前紫外光谱仪普遍存在分辨率较低、体积较为庞大的问题，本文分别制备了基于交叉型切尔尼-特纳结构和平场凹面全息光栅结构的近紫外光栅光谱仪样机，并且比较了两台样机的主要性能参数。最终基于C-T结构的光谱仪光谱范围为192nm-389nm，分辨率达到0.25nm左右，符合高分辨率紫外光谱检测的要求。
　　本文主要探讨便携式光纤光谱仪的光学结构的设计，比较不同光学结构光谱仪的工作光谱范围及分辨率，并且使用ZEMAX软件进行优化，确定光谱仪的光学结构，根据原理性样机的机械结构和相关的调节装置，再结合实验室自主开发的电路系统和软件系统，进行光谱仪调节，最后采用标准光源定标得到符合要求的近紫外高分辨率微型光纤光谱仪。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 光谱仪的发展概况

1．2 光谱仪器的应用

1．2．1 近紫外光谱仪器的应用

1．2．2 其他波段光谱仪器的应用

1．3 便携式光纤光谱仪国内外的研究现状

1．4 本文内容及组织架构

2 光谱仪的相关原理

2．1 光谱仪的基本组成

2．2 光谱仪的主要特性

2．3 光谱仪的色散系统

2．3．1 平面衍射光栅

2．3．2 凹面衍射光栅

2．4 反射式平面光栅系统光学结构

2．4．1 李特洛系统

2．4．2 夏帕-格兰茨系统

2．4．3 艾伯特-法斯梯系统

2．4．4 切尔尼-特纳系统

2．5 CCD的工作原理特性

2．5．1 CCD的工作原理

2．5．2 CCD的基本特性

2．6 本章小结

3 高分辨率的近紫外微型光谱仪的光学系统设计

3．1 基于C-T结构的光学系统

3．1．1 光谱仪初始结构的选择

3．1．2 光谱仪光学结构参数计算

3．1．3 模拟优化与性能分析

3．2 基于平场凹面全患光栅的光学系统

3．2．1 平场凹面全息光栅的原理

3．2．2 光学结构

3．3 本章小结

4 光谱仪各光学元件的安装调试

4．1 狭缝

4．2 光栅

4．3 聚焦成像物镜

4．4 CCD

4．5 本章小结

5 光谱仪样机及性能参数分析

5．1 CCD选择和电路系统设计

5．1．1 CCD像元分辨率分析

5．1．2 背照式面阵CCD选择

5．1．3 光谱仪的电路处理系统介绍

5．2 光谱仪软件系统介绍

5．2．1 光谱仪软件系统结构

5．2．2 软件功能介绍

5．3 光谱仪样机测量结果和参数比较

5．3．1 光谱仪的波长定标

5．3．2 两种光纤光谱仪性能参数实验结果及比较

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本论文的主要工作

6．2 本论文的主要创新点

6．3 后续工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果