多色温度计光谱聚焦耦合系统的设计与仿真

论文摘要

温度高于绝对零度的物体都以电磁波的形式向外辐射能量，其中向外辐射的红外光有很强的温度效应，因此可以通过测定辐射光的光强来判定物体的温度,该方法称为辐射测温法。传统的辐射测温法分为单色测温法，比色测温法和多色测温法。多色测温方法理论上可以设计出更为精确的温度计。多色温度计一般使用滤波片，棱镜和光栅作为分光元件。基于滤波片的温度计光路复杂，难于维护，滤波片也存在易老化的问题。基于棱镜的温度计对材料要求比较高，需要慎重选择棱镜材料，要满足多波长的光都有比较高的透过率。而基于光栅分光的多色温度计不存在以上两种分光元件中存在的问题。采用光栅作分光元件的光谱仪一般使用光纤实现辐射的输入和输出。但光纤的芯径会限制提取辐射的能量，从而影响系统的灵敏度和整体性能，因此采用有效手段，大幅提高光栅光谱仪的光能提取效率，将会极大地改善多色温度计的灵敏度和整体探测的性能。为了解决以上问题，本文提出采用微透镜-光纤耦合的方法，使更多的光谱能量经微透镜聚焦，耦合进入光纤实现光能的高效提取。本文在对辐射法测温原理、辐射光分光方法、光谱仪的工作原理、以及光纤耦合的基本原理做了详细陈述的基础上，研究了将微透镜阵列和光纤阵列应用于对光谱仪光能的聚焦和提取的方案，采用Zemax软件仿真光栅光谱仪的成像系统，设计微透镜阵列，使用非序列仿真光纤和光线追迹的原理计算该系统的耦合效率。计算结果显示使用微透镜阵列-光纤阵列的耦合方法后，使系统的光能利用率提高了30%以上。本论文的主要内容安排如下：第一章介绍了辐射法测温原理，对复色辐射谱的分光分析方法及其优缺点做了简要介绍和对比。详述本课题的研究内容和意义。第二章介绍了辐射温度计的分光系统，并着重介绍了光栅光谱仪的理论基础和工作原理，对光栅光谱仪的几种典型结构，光栅元件等基础内容做了详尽表述。第三章首先介绍了新型的多色温度计系统和光谱聚焦耦合系统，然后根据多色温度计光谱接收的特点，提出利用微透镜-光纤耦合系统来提高其接受效率，对关键元件微透镜、光纤等的分类及选择原则进行了分析。第四章采用商用光学软件Zemax首先对光谱仪成像系统进行仿真，然后设计出最优的微透镜阵列和多模光纤阵列耦合系统，对其接受效率及影响因素进行了详细的评估和分析。第五章对整个论文所做的工作进行了总结，并对目前存在的问题进行了分析，最后对本课题应该进行的后续工作指明了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 辐射法测温度
• 1.3 辐射谱的分光方法
• 1.4 光纤温度计
• 1.5 本论文的研究内容和目的
• 第2章 多色温度计的辐射谱分光系统
• 2.1 分光系统分类及原理
• 2.2 光栅光谱仪的分光原理
• 2.3 辐射导入和导出系统
• 第3章 多色温度计的光谱聚焦系统
• 3.1 新型光谱聚焦系统的结构设计
• 3.2 微透镜-光纤耦合系统
• 3.3 光纤种类及选择
• 3.4 光纤损耗
• 3.5 Zemax 仿真光纤耦合的方法
• 第4章 光谱聚焦系统的光学设计与仿真
• 4.1 Zemax 对光栅光谱仪成像系统的仿真
• 4.2 Zemax 评估单透镜光纤耦合在光谱聚焦中的应用
• 4.3 Zemax 对微透镜阵列和光纤阵列的仿真及光能损失因素分析
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢