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傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)是一种干涉型光谱仪,具备探测波段宽、信噪比高等优点,已经广泛应用于科研及生产领域。随着科技的发展,在航空航天、环境监测、资源勘探等领域越来越需要一种体积小、数据采集快的光谱仪,因此,国际上逐渐开展了对微型傅里叶变换光谱仪的研究。
本论文针对本研究组提出的基于多级微反射镜的宽波段FTIR,对其进行了光学系统的总体设计与仿真研究。该光谱仪利用两个多级微反射镜取代了时间调制傅里叶变换光谱仪的动镜和定镜,实现了干涉图的空间采样和瞬时数据采集;采用MEMS工艺制作核心部件——多级微反射镜,缩小了干涉系统的尺寸。
本论文的主要工作有以下四个部分:
一、通过对红外探测器与红外光源的测试和计算,最终选择氮化硅黑体和碲镉汞制冷面阵列探测器作为系统的光源和接收器,系统的信噪比可达1000∶1以上。然后通过分析光源的尺寸、光源照度不均性、以及多级微反射镜的衍射效应对光谱复原的影响,确定光源的尺寸不能大于3mm,照度不均匀小于50%,多级微反射镜的反射面宽度大于最大波长的100倍。
二、分析系统像差对光谱复原的影响,并以此为依据给出像差的指标要求。然后,设计了波像差小于0.1waves的前置准直光学系统和光斑尺寸小于20μm的后置缩束成像光学系统。
三、采用波像差和点列图作为评价方式,对光谱仪系统进行公差分析,给出光学部件的灵敏度矩阵和公差分配,最终验证了系统设计的合理性。
四、设计了光学部件的机械结构,探索出了一套基于反射原理的利用可见光调节红外光路的方法,对光路进行了初步装调。