光谱光栅仪中高精度快速波长扫描方法的研究

论文摘要

传统光栅扫描式光谱仪器由于机械结构的限制,无法达成高精度波长扫描和高速扫描的统一。本论文针对传统的光栅光谱的扫描结构,设计了三种不同的光栅光谱波长扫描方案来提高波长扫描系统的性能。对于步进电机直接驱动光栅的结构,其扫描速度相比传统的丝杆结构有了明显的提高,但在高细分状态下步进电机运行状态不稳定,造成整个波长扫描系统的精度下降。在研究了步进电机和谐波电机的工作性能后,设计了采用压电谐波电机直接驱动光栅的波长扫描方案。经过实验测试其波长准确度为±0.4nm,波长重复性为±0.5nm。为了进一步提高波长扫描的精度,通过对莫尔条纹技术的研究后,创新设计了运用莫尔条纹光栅尺对光栅转动进行实时监控的扫描系统。该系统由步进电机带动丝杆,丝杆滑块在带动光栅转动的同时带动光栅尺平移,通过莫尔条纹技术测量滑块的平移量,并运用莫尔条纹的高精度的特点来反馈光栅的转动情况,以提高系统的性能。经过测试,其波长准确度为±0.15nm,波长重复性为±0.15nm。运用光栅尺传感器的波长扫描系统虽然精度较高,但是成本也偏高。为此,在研究了多边形棱柱反射镜的结构和工作原理后,设计了采用激光、位置敏感探测器PSD以及底面为正多边形的旋转棱柱反射扫描镜的全新主动光电扫描反馈光栅角度位置的结构和方法。经过测试,扫描波长准确度±0.20nm,重复性≤0.20nm,扫描速度为20s/幅光谱。三种方案中运用莫尔条纹技术和多边形棱柱镜的设计性能最佳,并且多边形棱柱镜的结构相对于前者在成本上有大幅的降低。本论文为高精度光谱扫描系统的设计和改进寻找了一些新的思路和方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 表格索引
• 插图索引
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光栅光谱仪的发展现状
• 1.3 现有光栅光谱仪的缺陷
• 1.4 本论文主要内容
• 第二章 步进电机直接驱动的光栅波长扫描方法
• 2.1 引言
• 2.2 工作原理
• 2.2.1 光栅分光原理
• 2.2.2 一般光栅
• 2.2.3 闪耀光栅
• 2.3 光栅光谱仪单色器系统
• 2.3.1 传动系统
• 2.3.2 波长扫描系统
• 2.3.3 控制系统
• 2.3.4 光检测传感器
• 2.3.5 光栅光谱仪的硬件
• 2.3.6 光栅光谱仪的软件
• 2.4 实验测试
• 2.4.1 定标
• 2.4.2 准确度和重复性的测量
• 2.4.3 数据分析
• 2.5 小结
• 第三章 谐波电机直接驱动光栅的波长扫描方法
• 3.1 引言
• 3.2 谐波电机
• 3.2.1 谐波电机介绍
• 3.2.2 谐波电机结构
• 3.2.3 控制原理
• 3.2.4 谐波电机驱动电路设计
• 3.3 实验测试
• 3.3.1 准确度和重复性的测量
• 3.3.2 数据分析
• 3.4 小结
• 第四章 运用光栅莫尔条纹的波长扫描方法
• 4.1 引言
• 4.2 莫尔条纹技术
• 4.2.1 莫尔条纹
• 4.2.2 光栅尺传感器
• 4.2.3 光栅尺传感器的优势
• 4.3 光谱仪光路结构的设计
• 4.3.1 光路结构的改进
• 4.3.2 控制硬件的改进
• 4.4 实验测试
• 4.4.1 准确度和重复性的测量
• 4.4.2 数据分析
• 4.5 小结
• 第五章 运用多边形棱柱旋转反射镜的波长扫描方法
• 5.1 引言
• 5.2 位置敏感探测器PSD
• 5.3 多边形棱柱反射镜
• 5.4 系统的结构
• 5.5 系统硬件电路结构
• 5.6 实验测试
• 5.6.1 准确度和重复性的测量
• 5.6.2 数据分析
• 5.7 小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表的学术论文目录