静态傅里叶变换红外光谱仪系统设计及关键器件研究

来源 :中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 9次 | 上传用户:guozhizhong8017
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傅里叶变换红外光谱仪以高通量、多通道和低杂散光等优点在物理、化学、生物等基础学科领域和环境、遥感、农林等工程应用领域得到了广泛的应用。近年来,为满足科学界与工业界对能实时监测、紧凑型的红外光谱仪的迫切需求,国内外纷纷开展了微小型静态红外光谱仪的研究。本论文研究了一种基于多级微反射镜的中波红外静态傅里叶变换光谱仪,采用两个正交放置的多级微反射镜代替了传统Michelson干涉仪结构中的定镜和扫描动镜,在二维空间域实现对干涉图像的实时采样,从而实现干涉系统的紧凑化和静态化。由于不含可动部件,这种光谱仪具有系统稳定性高、结构简单和可重复性强等优点。本论文的主要工作有以下四个部分:1.分析了准直系统视场角对光谱仪光谱分辨率的影响,确定了准直系统的设计参数,并据此完成了两片式结构准直系统的光学设计;研究了准直系统的热光学效应对光谱仪光谱复原的影响,针对传统无热化设计无法解决准直系统各区域温度非均匀分布对光谱复原的影响这一难题,制定并实施了针对红外光源的制冷方案。2.针对MOEMS技术、传统光学加工和机械制造技术难以满足高阶梯多级微反射镜的高精度制作要求的难题,提出了一种利用斜面叠片制作的方法,对制作结果进行了结构参数测试,并分析了复合误差对系统复原光谱的影响,采用基于余弦多项式的最小二乘余弦拟合算法对制作误差引起的非均匀采样进行光谱校正,有效的减小了光谱误差。为满足高阶梯多级微反射镜更高的精度需求,在斜面叠片法的基础上提出了逆序同角斜面叠片制作的方法,该方法将能有效的减小制作误差。3.设计了一种物方远心的缩束系统,实现了100%冷光阑匹配,有效解决了开普勒结构的缩束系统透镜数较多、总体尺寸较长的问题,有利于光谱仪的紧凑化。为进一步实现光谱仪的微小型化和轻量化,提出了一种基于三片微透镜阵列的联立复眼缩束系统代替传统单口径透镜组的缩束系统结构;设计了消杂光光阑阵列,有效抑制了相邻光通道之间的光串扰问题。借助光学设计软件和光学分析软件,分别完成了系统结构优化、干涉图和光谱复原的仿真分析。4、利用可见和红外光相结合的装调方法,完成了静态傅里叶变换红外光谱仪的实验平台的搭建和装调,在此基础上完成了系统原理样机的集成和测试实验,成功获得了红外光源的干涉图和复原光谱。
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