微硅狭缝紫外-可见光谱仪杂散光的产生与抑制

采用MEMS技术,研制了一种基于微硅狭缝的紫外-可见光谱仪.介绍了该光谱仪的系统组成,分析了其杂散光的产生原因,着重讨论了光谱仪的关键部件-微硅狭缝的直线度、厚度与杂散光之间的关系,并对狭缝直线度产生的杂散光进行了实验验证.针对以卤钨灯为光源的紫外-可见光谱仪进行测量时,紫外部分能量低,杂散光严重的问题,提出一种组合滤...     

高精度光谱辐射计测量超低光谱透过率

设计并研制了一种基于光栅双单色仪的高精度全自动单光束光谱辐射计。该仪器主要由高稳定氙灯、带有快门的单光阑屏、石英透镜、中性减光片、紫外光栅双单色仪、光电探测器及电控系统组成,测量光谱范围为200~400 nm, 可以实现10^-6~10^-8量级光谱透过率高精度测量,测量过程由自行编制的计算机软件进行自动控制,能实现全自动单光束测量。给出了该仪器的测量原理、测量方法及数据处理方法。利用该仪器测量了紫外滤光片样品的光谱透过率,分析了测量不确定度。实验结果表明,该仪器测量精度高、速度快、测量合成标准不确定度＜3.16×10^-3,完全满足测量精度要求,可应用于对精度要求高的紫外滤光片光谱透过率的测量。     

利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计

基于内部照明积分球的辐亮度定标方法,获得了接近理想的大面积辐亮度光源(~2%),标定了在研的空间紫外遥感光谱辐射计的亮度响应度。在假设标准灯为均匀亮度的点光源情况下,对照明因子进行了修正。同时利用两种漫反射板对此修正进行了实验研究,得到了采用两种漫反射板标定的光谱辐射计亮度响应度有很好的一致性(1%)的结论。初步的定标数据分析显示,石英卤钨灯光谱辐照度测量的相对不确定度和距离测量的不确定度是积分球定标最主要的不确定度来源,可用于紫外波段光谱辐射计的高精度辐射定标,并可以极大地降低定标不确定度。     

太阳/大气紫外光谱辐射测量

研制成太阳/大气紫外光谱辐射计,工作波段120nm至500nm,光谱分辨率0.08nm。它由标准光源,积分球,双光栅单色仪,探测器及电子学—计算机系统组成。用这台仪器进行了长春地区不同大气条件及大气质量太阳/大气紫外(260～500)nm波段光谱辐射测量。测量结果表明该仪器光谱响应稳定性好于1%/年,太阳/大气紫外波段光谱辐照度测量值(绝对值)不确定度好于3～5%。     

氙灯和发光二极管作光源的积分球太阳光谱模拟器

设计了一种由氙灯和发光二极管(LEDs)作光源的积分球太阳光谱模拟器来提高太阳光谱的光谱匹配精度.引进模拟退火算法研究光谱匹配技术,设计了氙灯模块及LEDs模块的结构和控制系统.LEDs采用环带摆放和恒流驱动方式,并通过多机通信系统控制.氙灯模块上安装截止滤光片和程控衰减器,滤光片用来滤去氙灯红外波段的尖峰,衰减器则用来调整氙灯入射到积分球的辐射通量.仿真实验表明:Epitex公司的53种单色LEDs和氙灯完全可以模拟380～1000 nm波段的AM 1.5标准太阳光谱,光谱的平均相对误差为5.67％.分析讨论了该太阳光谱模拟器的光谱失配误差、出光面的辐照非均匀度和辐照不稳定度,三者均可以控制在±3％以内.     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测试

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,紫外波段的杂散光对光谱分析尤为不利.为了考察平面刻划光栅用于光谱仪器时产生的杂散光,采用标量衍射理论数值分析了杂散光产生的原因.数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感.提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系,从而分别为在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论依据.最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对4个不同波长的杂散光进行了多次测量.结果表明,当刻槽周期随机误差、刻槽深度随机误差和表面随机粗糙度分别取0.8 nm、 0.5 nm和1.2 nm时,理论值和实验值的相对误差可控制在13%左右.     

用150 W氘灯标定200~300 nm光谱辐照度

采用150 W大功率氘灯标定光谱仪器的紫外波段光谱辐照度响应度,解决了大多数光谱辐射计由于在紫外波段响应度低、信噪比小导致的定标困难。在此基础上以氘灯加球面反射镜构建了平行光光谱辐照度定标单元,满足了某些遥感类光谱辐射计辐照度响应度定标要求,该单元通过照度标准传递的方式获得标准光谱辐照度值,避开了球面反射镜光谱反射率的测量难点。与美国NIST 的FEL标准灯标定同一台光谱辐射计,其结果最大偏差为3％,200~300 nm定标误差为4.7％。     

紫外平面刻划光栅杂散光数值分析及测量方法

杂散光是光栅的重要技术指标,它直接影响光栅的信噪比,尤其紫外波段的杂散光对光谱分析更为不利。为了考察平面刻划光栅在光谱仪器中使用时产生的杂散光,采用基于传统Fresnel-Kirchhoff衍射方程导出的杂散光相对强度表达式,数值分析了杂散光产生的原因。数值模拟结果表明,紫外平面刻划光栅刻槽周期随机误差以及刻槽深度随机误差是杂散光的主要来源,而光栅杂散光对光栅表面小尺度随机粗糙度并不敏感。另外,提出了平面光栅光谱仪出射狭缝相对宽度的概念,并数值分析了仪器出射狭缝高度及出射狭缝相对宽度与杂散光强度的关系。此理论分析方法分别为如何在光栅制作工艺中从根源上降低光栅杂散光以及在光栅应用过程中从使用方法上降低光栅杂散光提供了理论参考依据。最后,为了与采用滤光片法测得的光栅杂散光实验值进行比较,给出了理论求解杂散光总强度的求和公式,并对四个不同波长的杂散光进行了多次测量,使理论值和实验值的相对误差控制在13%左右。     

光谱非匹配对于光学遥感器定标精度影响的分析

提出了光学遥感器定标过程中,定标光源光谱非匹配对与遥感器测量精度造成的影响。并使用复合梯形法进行计算机模拟数值计算,证明测量相对误差的存在,以及相对误差与遥感器的带宽成正比。对于20nm以内的分光谱光学遥感器,光源光谱非匹配对测量精度的影响基本可以忽略。而对中低光谱分辨或全色光学遥感器,在带宽为300nm时,光源光谱非匹配造成测量相对误差传可达7.9%。采用光谱匹配的定标光源是非常必要的。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪杂散光抑制

考虑杂散光对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量精度的影响,设计了遮光罩和其他消杂光结构来抑制杂散光,并对杂散光进行了分析。利用TracePro软件分析了系统紫外通道1(240～315nm)的杂散光水平,确定了杂散光传输的一次、二次散射路径。根据杂散光传输路径,计算了杂散光评价指标点源透射比(PST)曲线,结果显示杂散光抑制措施效果明显,PST小于3×10-5,中心视场杂散光照度水平为5.472×10-4,最终杂散光水平达到了设计指标要求。采用截止滤光片法测量了系统的杂散光水平,结果表明:中心视场杂散光比值为8.167×10-4,和仿真结果接近,验证了仿真过程的准确性,说明设计的消杂光机构能够满足抑制系统杂散光的要求。     

一种简易光谱实验仪的设计与实现

针对传统光谱仪在实验教学方面存在的问题,设计了一种成本低、体积小的简易光谱实验仪。该光谱实验仪可以探测340¹ 000nm光谱范围内的光。基于光敏三极管良好的光电特性和光谱特性,用中心波长不同的窄带滤光片将入射光分光后分别照射到相应的光敏三极管上。定量反映光照度的各光敏三极管所产生的光电流,经电路转换成电压并放大后被计算机实时采集,利用相应VB程序的处理,在程序界面上实时呈现光谱图。通过探测卤钨灯的光谱,与传统光谱仪探测的光谱图相比较,观察得到两者光谱图包络基本一致,满足了教学实验仪的需求。     

A novel facility for ageing materials with narrow-band ultraviolet radiation exposure

A facility for exploring wavelength dependencies in ultraviolet (UV) radiation induced degradation in materials has been designed and constructed. The device is essentially a spectrograph separating light from a lamp to spectrally resolved UV radiation. It is based on a 1 kW xenon lamp and a flat-field concave holographic grating 10 cm in diameter. Radiation at the wavelength range 250-500 nm is dispersed onto the sample plane of 1.5 cm in height and 21 cm in width. The optical performance of the device has been characterized by radiometric measurements. Using the facility, test samples prepared of regular newspaper have been irradiated from 1 to 8 h. Color changes on the different locations of the aged samples have been quantified by color measurements. Yellowness indices computed from the color measurements demonstrate the capability of the facility in revealing wavelength dependencies of the material property changes in reasonable time frames.     

High signal-to-noise Fourier transform spectroscopy with light emitting diode sources

A temperature tuned light emitting diode (LED) has several advantages over conventional sources for Fourier transform spectroscopy. The large radiation density of LEDs, concentrated in a small spectral region, is ideal for high resolution Fourier transform spectroscopy where a high signal-to-noise (S/N) ratio is desired. A simple, inexpensive LED source leads to a superior performance at high resolutions exceeding that of a tungsten halogen lamp, in the visible region of spectrum.     

数字电影滤光反射镜光谱设计

为了满足数字电影光学系统色温要求及提高光源能量利用效率,降低设计及光学薄膜镀制难度,计算了色温变化小、光源利用效率高的可见光高反射光谱波段。根据椭球滤光反射镜的工作原理及滤光薄膜的光谱特性,结合氙灯光源光谱及人眼的视觉函数,分析了可见光不同光谱波段对系统光效率及色度坐标的影响。获得了可见光波段光效利用率高,色度参数变化小的波段范围,解决了数字电影反光镜滤光薄膜可见光高反射波段初始设计问题。由滤光薄膜设计及镀制结果得到,405～690nm波长范围可作为数字电影滤光反射镜薄膜高反射区域,相比与氙灯光源光谱,x、y色度偏差不超过0.001,理论反射光光效率达99%以上。     

自校准型光谱辐亮度标准光源

针对高精度空间光学定量遥感的需求,研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式:在窄带工作模式下,由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准;在宽带工作模式下,作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标,测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源,采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示:基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09%和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明,该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。     

高光谱短波红外地物光谱仪的光机设计

基于平场凹面光栅分光和线列阵探测器探测的最新设计方案,进行了短波红外波段地物光谱仪的光机设计。仪器采用光纤导光,两个独立单元分别探测,最大限度地简化了光学及结构设计。更换前置光学系统改变探测视场, 视场内的辐射经过前置光学系统均匀地照亮入射光纤,保证了两探测单元的视场相同。根据入射光通量、光谱分辨率和狭缝的关系确定入射狭缝的大小,仪器光谱覆盖900~2 400 nm,光谱分辨率优于12 nm,适合野外短波红外波段的探测。     

分光测色仪中的双光电路设计

分光测色仪中的光电转换器运用先进的光电传感技术(光电二极管阵列),来进行光信号的采集。其驱动脉冲由复杂可编程逻辑器件(CPLD)搭建,后端采用高精度的模/数转换器和高速的32位微处理器构成数据处理系统。同时为解决脉冲氙灯光源强度不一致的问题,采用了双光电路同步并行触发工作的结构。介绍了该系统的软硬件设计,性能评价以及应用领域。     

神光-Ⅲ原型装置用速度干涉仪的光学系统设计

基于激光多普勒频移效应研制了一套应用于惯性约束聚变(ICF)研究的任意反射表面干涉测速系统(VISAR)。采用532nm的照明激光设计了一套光谱带宽为0.2nm的光学系统,通过合理选材,保证了光学系统的防辐射性能;基于光学膜系设计,滤除了526nm的强干扰打靶激光以及其它波段的杂散光;采用模块化方法并设计光学铰链进行模块对接,简化了系统调试的复杂程度;利用激光对干涉仪粗调,再利用白光精调,实现了零程差调试。设计的系统光路总长为6.3m,物方视场范围为φ1.0mm,放大倍率为5×、10×;静态实验显示,干涉条纹平直、调制度达到0.67以上,物方分辨率达到5.3μm。目前,该系统已成功地在神光-Ⅲ原型装置上进行了动态实验。