1 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130000
2 中国科学院大学, 北京 100000
针对紫外-可见光谱定标精度需求,设计了一款波段范围在185~900nm的三光栅单色仪; 为提高单色仪的波长扫描精度,降低高精度波长扫描机构在工程上的成本。建立了光栅转角误差对扫描机构波长精度的影响模型,设计了基于高精度编码器的转角误差补偿装置,通过软件不同参数设置和算法设计的补偿算法,实现了波长扫描机构的精度校正; 实验结果表明,通过参数算法补偿后,扫描机构的波长准确性精度和波长重复性精度在工作波段范围内有所提高,不同波长下其精度的提高程度不同,其中,波长准确性精度提高比范围为20.8~35.2%,波长重复性精度提高比范围为61.5~95.2%。实验结果验证了误差补偿装置及补偿算法的有效性,提高了波长扫描机构的精度,降低了高精度波长扫描机构在工程应用上的成本。
单色仪 波长扫描机构 高精度编码器 补偿算法 monochromator wavelength scanning mechanism high precision encoder compensation algorithm
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春光机科技发展有限责任公司, 吉林 长春 130033
单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。
单色仪 谱线弯曲 狭缝高度 光谱分辨率 monochromator spectral line bending slit height spectral resolution
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 长春长光格瑞光电技术有限公司，吉林长春13010
3 长春国科医工科技发展有限公司，吉林长春10102
为了实现超宽谱段与高分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统，提出了一种光路结构设计，并针对其深紫外波段的有效探测方法进行了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势，保证了色散光路具备高衍射效率，同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下，采用多重评价优化方式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参数。通过加入由球透镜及柱透镜组成的校正结构，有效地校正了像差，提高了光谱分辨率。最后，针对深紫外波段探测的解决方案进行模态分析，验证了所设计方案的可行性。最终在160~1 000 nm的超宽波段范围内，成像光斑的RMS值优于12.1 µm，在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm，能够满足超宽谱段、高分辨率检测系统的色散分光需求。
光学设计 中阶梯光栅光谱仪 超宽谱段 高分辨率 optical design echelle spectrometer ultra-wide wavelength range high resolution
1 吉林省光栅应用中试中心，长春3002
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 长春130033
3 长春国科医工科技发展有限公司，长春100
完成以高速FPGA技术为核心，实现根据外部需求使用外触发同步控制的线阵CCD采集光谱信号的驱动。通过测试，设计的CCD驱动采样固定延时时间为2.809 9 μs，延时精度不大于86.1 ns，线阵CCD采集到的光谱信号满足光谱分析要求。设计实现外触发方式控制TCD1304采集光信号，可以为后期工业测试提供应用参考。
光电传感器 外触发同步控制 硬件逻辑驱动 CCD external trigger synchronization control FPGA driver
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构.讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况.基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型.在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差.最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量.测量结果显示:改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36 nm降低到小于10 nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10 nm的精度指标要求.
光栅刻划机 衍射光纤 双拉杆结构 单拉杆结构 石英导轨 grating ruling engine diffraction optical fiber double-rod structure single-rod structure quartz guide rail
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
尝试在大型衍射光栅刻划机中使用气浮导轨承载金刚石刻划刀具系统运行。气浮导轨同时承担刀具系统的承重与导向任务，由于使用气体作为润滑剂而接近零摩擦状态，可以避免触点磨损及低速爬行现象。分析了气浮导轨工作过程中产生的误差及该误差对刻划刀具运动轨迹的影响，并使用双频激光干涉仪测量刻划过程中刻划刀具运动的直线度误差。测量结果表明，金刚石刀具系统单向行程400 mm 时，该误差约为200 nm，小于使用石英导轨承载刀具系统时的误差，同时在高频振动方面有明显改善。刻制一段79 gr/mm，400 mm×500 mm 的中阶梯光栅，观察其衍射光斑并使用照度计检测得其不同位置杂散光强度为0.2‰~5‰，实验结果表明使用气浮导轨承载刻划刀具可以满足光栅刻划精度要求。
光栅 衍射光栅 光栅刻划机 气浮导轨 双频激光干涉仪 刀架系统
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学 北京 100049
采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案：采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明：改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127 nm降低到13 nm,降低了约89％。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。
刻划刀架 刻划光栅 刻线弯曲 刻线位置误差 光栅光谱 ruling carriage machine-ruling grating grating line curve location error of grating line grating spectrum 光学 精密工程
2014, 22(10): 2674
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度, 本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示：单色仪光谱定标精度优于±0.1 nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800 nm,光谱分辨率优于3 nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。
单色仪 成像光谱仪 交互光谱定标 定标精度 monochromator imaging spectrometer cross-spectral calibration calibration accuracy 光学 精密工程
2014, 22(10): 2585
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响，本文根据光栅机械刻划过程的特点，提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移，实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先，推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着，采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后，进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示，摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果，对光栅宽度为10.4 mm且刻线密度为600 line/mm的光栅进行修正后,光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明：采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角，提高光栅质量；该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。
平面光栅 光栅刻线 摆角修正 衍射波前 压电执行器 plane grating grating line yaw-angle correction diffraction wavefront piezoelectric actuator
