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宽波段叶阶梯光栅光谱仪设计与标定方法研究

作　者: 陈少杰
导　师: 唐玉国
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 中阶梯光栅中阶梯光栅光谱仪光学设计光谱标定
分类号: TH744.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

中阶梯光栅光谱仪以中阶梯光栅为主色散元件，配合低色散元件进行交叉色散，采用面阵探测器进行接收，在像面上形成二维光谱图像。由于利用了中阶梯光栅大衍射角、高衍射级次、全波闪耀的特性，所以与传统光栅光谱仪相比，中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、高能量输出的特点。中阶梯光栅光谱仪已成为天文观测、环境监测、军事防御、化学分析等领域关注的热点。宽波段、高分辨率中阶梯光栅光谱仪的设计是仪器开发者追求的目标。然而，中阶梯光栅光谱仪在拥有高性能的同时，也给仪器设计者带来诸多难题。由于探测器性能水平、棱镜色散特性的限制，要同时实现宽波段、高分辨率中阶梯光栅光谱仪全固态测量具有较大难度。同时，复杂的二维光谱信息还原与标定也给高精度中阶梯光栅光谱仪的应用带来较大限制。基于此，本文对中阶梯光栅光谱仪的数值计算、宽波段实现、光学设计、谱图还原以及精确装调进行了深入研究。具体研究工作如下：第一、提出了基于边界限制的中阶梯光栅光谱仪快速设计方法。讨论了中阶梯光栅光谱仪各性能参数的相互制约关系，建立了系统指标、结构参数与二维谱图的计算模型。利用该模型可快速计算出满足系统要求的初始结构参数，为中阶梯光栅光谱仪的快速设计与谱图分析提供有效方法。第二、在现有探测器性能水平的限制下，本文提出了两种拓宽波段范围的结构方式：一种是复合棱镜型宽波段中阶梯光栅光谱仪，一种是分段测量型中阶梯光栅光谱仪，并详细讨论了这两种结构的设计方法与实现过程。第三、为了保证宽波段范围内的光谱分辨率，本文根据中阶梯光栅光谱仪的结构特性提出了系统像差校正方法，分别对两种结构形式的中阶梯光栅光谱仪进行了像差分析与校正。第四、建立了含有像面滚转因子的二维谱图模型，将中阶梯光栅光谱仪二维光谱快速还原为一维光谱信息。同时，提出了基于衍射级次的光斑质心提取算法，实现对信号光斑的精确定位，提高了波长标定精度。第五、通过分析中阶梯光栅光谱仪各元件的误差灵敏度，采用关键元件精确装调与谱图判别相结合的方式，实现了对中阶梯光栅光谱仪的精确装调，为仪器设计指标的实现提供了保证。第六、以分段测量型宽波段中阶梯光栅光谱仪为例，将其与ICP光源对接，进行了化学元素测量，并进行了元素的识别与标定，实验证明该仪器设计满足ICP-AES光谱分析需求。第七、编写了集中阶梯光栅光谱仪结构参数快速设计、二维谱图还原、元素识别、图像读取与处理于一体的操作软件，为设计者实现中阶梯光栅光谱仪的快速设计与光谱标定提供便利。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-23
  1.1 课题研究背景及意义  13-15
  1.2 相关技术研究现状  15-18
    1.2.1 原子发射光谱仪发展现状  15-16
    1.2.2 中阶梯光栅光谱仪发展现状  16-18
  1.3 宽波段中阶梯光栅光谱仪的关键技术及难点  18
  1.4 论文的主要研究内容及结构安排  18-23
    1.4.1 论文的主要研究内容  18-19
    1.4.2 论文的结构安排  19-23
第2章中阶梯光栅光谱仪相关理论  23-43
  2.1 中阶梯光栅光谱仪原理及特点  23-32
    2.1.1 传统平面光栅光谱仪的结构与特点  23-26
    2.1.2 中阶梯光栅光谱仪结构与特点  26-28
    2.1.3 主色散元件原理及特性  28-31
    2.1.4 横向色散元件特性  31
    2.1.5 交叉色散特性  31-32
  2.2 中阶梯光栅光谱仪设计的像差理论  32-34
    2.2.1 主色散方向像差  32-34
    2.2.2 垂直色散方向像差  34
  2.3 中阶梯光栅光谱仪光谱带宽影响因素分析  34-40
    2.3.1 主色散元件对光谱带宽的影响  34-35
    2.3.2 横向色散元件对光谱带宽的影响  35-36
    2.3.3 视场光阑对光谱带宽的影响  36-37
    2.3.4 像差对光谱带宽的影响  37-38
    2.3.5 探测器对光谱带宽的影响  38-39
    2.3.6 中阶梯光栅光谱仪光谱分辨率的判别  39-40
  2.4 ICP-AES 测试原理与性能需求  40-42
    2.4.1 ICP-AES 系统组成及原理  40-41
    2.4.2 ICP-AES 性能需求  41-42
  2.5 小结  42-43
第3章中阶梯光栅光谱仪数学模型建立与宽波段的设计方法  43-75
  3.1 光学系统数学模型的建立与分析  43-53
    3.1.1 基于边界限制的中阶梯光栅光谱光谱仪数学模型建立  44-45
    3.1.2 主色散元件性能参数确定  45-47
    3.1.3 横向色散元件的性能参数分析  47-50
    3.1.4 二维谱图 Y 方向边界限制  50-52
    3.1.5 二维谱图 X 方向边界限制  52-53
  3.2 宽波段中阶梯光栅光谱仪的设计方法  53-65
    3.2.1 复合棱镜型宽波段中阶梯光栅光谱仪设计  53-62
    3.2.2 分段测量型宽波段中阶梯光栅光谱仪设计  62-65
  3.3 系统关键元件性能分析  65-70
    3.3.1 中阶梯光栅工作状态性能分析  65-68
    3.3.2 探测系统性能参数分析  68-70
  3.4 宽波段中阶梯光栅光谱仪结构参数计算结果  70-73
    3.4.1 复合棱镜型宽波段中阶梯光栅光谱仪参数计算结果  71-72
    3.4.2 分段测量型宽波段中阶梯光栅光谱仪参数计算结果  72-73
  3.5 小结  73-75
第4章宽波段中阶梯光栅光谱仪光学系统设计  75-103
  4.1 中阶梯光栅光谱仪模型分析  75-83
    4.1.1 切尼尔-特纳(Czerny-Turner)系统  75-80
    4.1.2 利特洛(Littrow)系统  80-81
    4.1.3 Czerny-Turner 系统与 Littrow 系统的结合  81-83
  4.2 光学系统像差分析与校正  83-93
    4.2.1 球差对系统的影响与校正  86-87
    4.2.2 彗差对系统的影响与校正  87-91
    4.2.3 像散和场曲对系统的影响与校正  91-93
  4.3 光学设计结果  93-102
    4.3.1 复合棱镜型中阶梯光栅光谱仪设计结果  93-98
    4.3.2 分段测量型中阶梯光栅光谱仪设计结果  98-102
  4.4 小结  102-103
第5章中阶梯光栅光谱仪波长精确标定  103-119
  5.1 中阶梯光栅光谱仪二维谱图还原  103-111
    5.1.1 主色散坐标与衍射级次的关系阵列建立  104-107
    5.1.2 横向色散坐标与衍射级次的关系阵列建立  107
    5.1.3 含有像面滚转因子的二维谱图模型建立  107-110
    5.1.4 一维谱图信息还原  110-111
  5.2 中阶梯光栅光谱仪波长精确标定  111-116
    5.2.1 特征谱线的选取条件  112
    5.2.2 基于衍射级次的质心提取算法分析  112-115
    5.2.3 中阶梯光栅光谱仪精确标定  115-116
  5.3 系统波长漂移与校正  116-117
    5.3.1 波长漂移的条件  116
    5.3.2 波长校正的条件  116-117
  5.4 小结  117-119
第6章中阶梯光栅光谱仪精确装调及系统软件设计  119-131
  6.1 中阶梯光栅光谱仪精确装调方法研究  119-126
    6.1.1 系统结构参数的灵敏度分析  119-121
    6.1.2 中阶梯光栅光谱仪精确装调  121-126
  6.2 中阶梯光栅光谱仪系统软件设计  126-130
    6.2.1 软件设计的主要目的及功能  126-127
    6.2.2 软件设计流程  127
    6.2.3 软件的参数设置与操作  127-130
  6.4 小结  130-131
第7章 ICP-AES 原理样机的研制与微量元素判别  131-137
  7.1 ICP-AES 系统测试  131-133
  7.2 微量元素光谱测试结果分析  133-137
    7.2.1 光谱测试条件  133
    7.2.2 光谱数据采集与微量元素判别  133-137
第8章总结与展望  137-141
  8.1 论文工作总结  137-138
  8.2 本文创新点  138-139
  8.3 展望  139-141
参考文献  141-149
在学期间学术成果情况  149-151
指导教师及作者简介  151-153
致谢  153

宽波段叶阶梯光栅光谱仪设计与标定方法研究

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