2018年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）推荐项目公示

项目名称：高性能光谱仪器关键元器件的研发及集成应用

推荐单位：上海理工大学

推荐奖种：科学技术进步奖

主要完成单位：上海理工大学，聚光科技（杭州）股份有限公司，中国电子科技集团公司第四十四研究所，上海光谱仪器有限公司，涿州迅利达创新科技发展有限公司，河北先河环保科技股份有限公司

主要完成人：张大伟，黄元申，徐邦联，盛斌，俞晓峰，汪朝敏，陈建钢，杨啸涛，刘波，王强，郝龙腾，陶春先，李柏承，倪争技，王琦

项目简介：高性能光谱仪器及关键元器件技术，一直被美国、法国、德国、日本等国家视作保持其科学仪器领先的核心技术。因光栅、探测器等关键元器件的自主研发不足，长期以来国产仪器存在 “空心化问题”，高性能光谱仪器研发受制于人，存在如中兴被禁事件的潜在危险。《国家中长期科学和技术发展规划纲要-(2006-2020年)》提出重点发展通用部件设计制造技术和高精度检测仪器，本项目在“国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项”等重大项目支持下，通过技术创新，自主研发了光栅、CCD检测器、脉冲氙灯关键元器件和塞曼光谱仪、全谱型原子光谱分析仪等高性能光谱仪器，主要创新成果有：

1、高性能光谱仪器关键元器件光栅：①提出了凹面光栅衍射效率有限元积分计算和拟合子午弧矢聚焦曲线消像差设计方法，在消像差设计时，计算光栅衍射场的能量分布、刻槽的闪耀角和闪耀波长。②发明了凹面闪耀光栅刻划制作技术，刻划出闪耀面角度相同的刻槽，能量集中于闪耀波长，衍射效率从30%升至70%以上。③中阶梯光栅刻划复制技术。发明了运用阴影自掩模效应超精密调控中阶梯光栅闪耀角（精度达0.02°）的创新方法；通过精控分离层硅油量、镀铝层厚度及固化工艺，实现高性能中阶梯光栅的复制。

2、高性能光谱仪器关键CCD检测器及脉冲氙灯：①发明了宽波段CCD多腔复合紫外增强薄膜。通过复合紫外接收面上底部反射腔、中间荧光材料层和顶部反射腔，削弱自吸收，增强荧光发射。②提出CCD光敏区新结构，解决紫外响应问题，设计抗晕结构，提高CCD动态响应范围。③提出低温冷凝制备高真空脉冲氙灯技术，采用脉冲放电，瞬时功率与信噪比高，寿命高达3500小时。

3、高性能光谱仪器：①创新的双检测器直流塞曼背景校正技术，精确调校原子吸收过程中的光线偏振，提高结果精确性。②运用宽光谱采集及解析技术实现全谱测量高性能原子光谱仪。发明了中阶梯二维光栅分光系统及光谱干扰分离和矩阵式多特征建模技术，实现宽波段全元素原子光谱的精确定量，分辨率高（<10pm），检出限低（ppb级别）。③原位分析仪探头制备技术。运用脉冲氙灯研发小型水质在线仪器，发明顺序注射技术进行微量进样，实现多参数同时检测。

项目共获专利授权45项，其中发明专利28项，获软件著作权登记2项，集成电路布图设计权1项，发表论文39篇。项目研制产品已实现产业化推广，近三年新增销售28283.75万元，实现了高性能光谱仪器及核心元器件研制的自主可控，核心技术填补多项国内空白，总体技术达到国际先进水平，部分技术处于国际领先水平。项目从关键元器件到整机及应用整链条的自主创新成果，带动国内分析仪器企业良性发展，为国防军工、食品安全等重要行业使用自主知识产权的高性能光谱仪器提供了提供了保障，具有重大社会和经济效益。

推广应用情况：项目研发的高分辨率凹面光栅和中阶梯光栅，成功应用到上海光谱仪器有限公司、聚光科技（杭州）股份有限公司、河北先河环保科技股份有限公司和北京锐光仪器有限公司，开发出紫外可见光谱仪、交流/直流磁场研发塞曼原子吸收光谱仪、高分辨ICP光谱仪、投入式在线水质检测仪、紫外可见扫描式多参数在线分析仪、叶绿素在线分析仪和脉冲紫外-顺序注射小型水质分析仪等新型高性能光谱仪器，广泛应用到生化、食品安全、稀土资源等领域。

项目研发的宽光谱CCD技术成功应用于“风云四号”卫星的CCD闪电成像仪，该卫星于2016年12月11日发射，图像质量优越。专利技术还应用于某重点导弹型号用XXX CCD，已供货近千套。基于专利技术的CCD产品在奥谱天成（厦门）科技有限公司、烟台东方分析仪器公司、上海光谱仪器有限公司、北京纳克分析仪器有限公司等10余家单位实现了应用。

国内一些著名仪器制造商都已经开发或正在开发应用项目研发的脉冲氙灯的传统实验室紫外分光仪器，如美谱达、南京五义科技等。此外，在新的应用领域，特别是医疗设备、在线环保等方面，因为脉冲氙灯具有紫外能量高、寿命长、无需预热等优势，已经逐渐发展为主导光源。其中，一些环保科技企业将脉冲氙灯应用于在线水质、气体分析仪上，应用脉冲氙灯的环境监测仪器，可保证长时间在线监测分析，为环保部门提供连续的环境监测信息。在医疗领域，该产品也被广泛的应用到尿液血液分析、酶联免疫分析、核酸蛋白分析等与人类生命健康密切相关的体外诊断设备上。

项目研发的塞曼原子吸收光谱仪应用在福建省长汀金龙稀土有限公司进行稀土元素分析；研发的单色仪在上海师范大学进行了在线水质分析应用、上海志峰光学仪器厂进行了在光学参数测量中的应用。

项目研发的全谱型光谱仪已在各行各业获得了推广。典型用户包括：中科院地理所、西安电子科技大学、武汉工程大学、郑州大学、西安交通大学、安徽理工大学、核工业230所等研究所和高等院校；国家轻金属质量监督检验中心、山东省物化探研究院、新疆有色地质勘查局、新疆建设兵团特检院、广东省农科院质标中心实验室仪器、襄阳市环境保护监测站、西藏地矿局、国土资源部昆明矿产资源监督检验中心、中国建材地勘中心陕西总队等检测检测中心；中国有色矿业集团有限公司、中国武钢、大庆油田建设集团、马钢集团、包钢集团、海尔集团等大型国企及集团，并远销海外，包括俄罗斯、韩国、伊朗、印度、台湾等国家和地区，包括OTO CO.,LTD.（Hyundai & Kia motors供应商）；DONG SUH CO.,LTD.；MC CABLE CO.,LTD.；KYUNG MIN BOLT CO.,LTD；DAESHIN ENSCO和Krasnoye Sormovo Shipyard等。

项目研发的多种水质自动监测分析仪器，通过典型城市监测站的示范应用，开发出适用于中国水体的小型化水质在线快速监测仪器及水质监测预警系统，目前已经应用于石家庄岗南水库、徽肥东众兴水库、丹江口大坝等地下水监测中，为当地的水质预警起了很大的作用，为有效保护和改善的水质环境质量提供准确的技术支撑，提高环境管理水平。

主要知识产权证明目录：

专利：

1. 利用精密导轨刻划中阶梯光栅的直线度误差补偿方法

2. 能够增强电荷耦合元件紫外响应能力的光学薄膜及制备

3. 凹面闪耀光栅的刻划制作方法

4. 线阵CCD的一种抗晕结构

5. 一种用于双检测器直流塞曼原子吸收的偏振调校方法及装置

6. 一种光谱分析仪和光谱分析方法

7. 一种基于顺序注射的柱状水下原位分析探头

8. 脉冲氙灯用于原子吸收背景校正的光学系统

9. 一种中阶梯光栅的复制方法

10. 测振系统

11. 平面双闪耀光栅的制作方法

12. Offner结构成像光谱仪

13. 检测凹面光栅分辨率和衍射效率的装置及方法

14. 一种光栅刻划机的控制装置

15. 凹面全息光栅制作中的曝光光路系统及调整回转中心的方法

16. 凹面光栅衍射特性检测装置

17. 光束夹角测量装置

18. 增强硅基成像器件紫外响应的有机金属薄膜制备方法

19. 一种基于荧光涂层积分球的紫外探测器制备方法

20. 一种下转换发光薄膜转换效率测量方法

21. 一种用于多元素原子吸收测定的光学系统以及测定方法

22. 一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时检测电路

23. 无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统及数据采集方法

24. 一种减少信号串扰的微透镜

25. ICP光谱分析系统及方法

26. 基于光谱检测技术的检测方法

27. 提高光谱探测范围的分光装置及方法

28. 一种顺序注射圆柱形试剂贮存装置

29. 复制光栅的分离夹具

30. 一种平面衍射光栅衍射波前检测系统

31. 隔离式温控系统

32. 一种测温元件扫描网络结构以及温度场测量装置

33. 一种可调谐双层金属光栅偏振器

34. 亚波长光栅偏振器

34. 一种基于荧光薄膜的反射接收的紫外硅基探测器

35. 一种紫外传感增强薄膜变频效率测试装置

36. 一种基于量子点的复合紫外增强薄膜

37. 一种只读光谱采集装置

38. 提高光谱探测范围的分光装置及光谱分析系统

39. ICP光谱分析系统

40. 一种光谱分析仪

41. 一种高效脉冲氙灯光源调制电路

42. 一种可拆卸的交流塞曼石墨炉原子化器

43. 一种用于多元素原子吸收测定的易于调试的狭缝装置

44. 一种石墨管保护套置于磁场内的塞曼石墨炉结构

45. 用于原子吸收背景校正的脉冲氙灯

软件著作：

1. CCD参数测试系统软件

2. 光谱原子吸收光谱仪控制和分析软件

集成电路布图设计权：4096201042

曾获科技奖励情况：无

排名

完成单位

单位性质

创新推广贡献

1

上海理工大学

事业单位

上海理工大学是上海市属重点大学，光学工程学科是上海市III类高峰学科，具有一级学科博士学位授权点。上海理工大学“高性能光谱仪器及关键元器件的研制与开发”课题组经过不断深入研究，在“国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项”、“国家科技支撑计划”等重大项目支持下，在高性能光谱仪器关键光栅和宽波段CCD探测器的研发方面作出了主要贡献，突破了高分辨率凹面光栅和中阶梯光栅的设计、刻划、离子束蚀刻、复制以及CCD探测器紫外增强的关键技术。

在整个项目实施过程中，上海理工大学与上海光谱仪器有限公司、聚光科技（杭州）股份有限公司、河北先河环保科技股份有限公司等单位通力合作，为他们研制的高性能光谱仪器提供核心分光及接收器件，完成了十多款高性能光谱仪器的研发工作，取得了重大的经济效益和社会效益。

2

聚光科技（杭州）股份有限公司

民营企业

公司负责完成高分辨率、高稳定性、紫外到可见全光谱采集的光谱技术研究，实现了高性能全谱型光谱分析仪器的研制，并结合市场需求，开发出针对不同场合，不同应用领域的系列高性能全谱型光谱分析仪器，项目产品性能均达到国际先进水平，其中ICP-5000仪器具有超高分辨率（7pm@200nm）和超宽光谱范围（160~870nm），能满足各种复杂基体分析需求，可同时测定高达72种元素，仪器检出限达μg/L量级，Mn257.6和Ba455.4可达0.1μg/L以下，仪器精密度和4小时稳定性的RSD≤1%，达到国际同类产品先进水平；M5000仪器光谱范围覆盖140~680nm，适用于铁、铝、铜等10余种金属材料的分析，分析重复性和稳定性均高于国标，达到国际先进水平；E5000仪器可用于分析土壤、矿石等非金属粉末材料，样品无需前处理，一次激发可分析样品中所有元素含量，典型元素Ag的检出限低至0.01ppm，真正实现绿色分析，产品远销韩国、俄罗斯、蒙古、中国台湾，伊朗，印度等国家和地区，为环境污染、食品安全等领域提供了高性能光谱分析仪器，彻底打破了国外仪器的垄断地位，促进该类高端分析仪器在各级检测机构的深入推广和普及应用，带动相关检测领域的技

术进步。

3

中国电子科技集团公司第四十四研究所

科研院所

提供国内唯一完整的6英寸0.5微米的工艺线，为从事CCD的研制与生产提供技术、设备和人员等方面的支持，推进项目组将技术向生产企业推广，实现了项目技术的产业化转移。

项目实施过程中先后实现了多项创新发明，如发明的线阵CCD抗晕结构，可以有效地抑制光晕，还可以用来调节CCD的积分时间，通过抗晕和积分时间控制创新结构，可将CCD的积分时间在1000ms～1ms之间调节，从而提高了CCD能线性接受的光动态范围；发明了CCD高紫外响应灵敏的创新结构，创造性提出CCD的硅光电二极管撗向浅结结构，去掉了氮化硅钝化膜，减薄了二氧化硅钝化膜，制作紫外增透膜，最终延伸响应波长到了190nm。

推进项目相关专利技术应用于“风云四号”卫星的CCD闪电成像仪、某重点导弹型号用XXXCCD及用于“试验4号”卫星的某TDI CCD，截止2017年底已供货近千套，目前工作正常，图像质量优越。在仪器方面，推动专利技术的CCD产品在奥谱天成（厦门）科技有限公司、高利通科技（深圳）有限公司、烟台东方分析仪器公司、上海光谱仪器有限公司、北京纳克分析仪器有限公司等10余

家单位的应用。

4

上海光谱仪器有限公司

民营企业

上海光谱仪器有限公司成立于1999年初，是当今中国分析仪器行业主要研发与生产制造商之一，同时也是“中国制造”的分析仪器在国际市场的主要供应商。公司与国内多家著名重点大学、中科院所、国家重点实验室以及多名两院院士、知名教授、分析仪器行业的知名专家建立了良好的合作关系。公司还有一个由院士、博士生导师和有着丰富经验专家组成的顾问组，为公司的发展方向，技术进步和企业管理提供决策咨询。

上海光谱仪器有限公司作为牵头单位，联合了全国13家单位，申请立项了国家科学仪器设备开发专项-高性能光谱仪器关键元器件与部件的应用及工程化开发。公司承担了小型光谱仪核心部件--单色仪的研制与产业化开发、高性能塞曼原子吸收分光光度计的工程化以及高性能紫外可见分光光度计的研制及产业化三个子任务的开发任务，研制了多款高性能光谱仪器，其中交直流塞曼光谱仪达到国际领先水平，形成了多项自主知识产权，建立了工程化产业化基地。

5

涿州迅利达创新科技发展有限公司

民营企业

公司通过项目的实施，研制成功多种规格的高性能光谱仪器用脉冲氙灯灯泡及组件产品，其中包括5W灯泡、10W灯泡、5W头灯组件、5W侧灯组件，在研制出上述四种基本型号后，又开发了5W光纤输出组件及配套的光路准直系统模块。同时，公司建成一条高水准的脉冲氙灯及组件的生产线，年产量可达到一万台套。

公司研制的脉冲氙灯灯泡、电源及二合一组件等产品，其性能已经达到国际同类产品的水平，随着项目实施期及完成后对该产品的应用推广，越来越多的仪器厂商已经认识到了脉冲氙灯的优越性和重要性。如今，国内一些著名仪器制造商都已经开发或正在开发应用脉冲氙灯的传统紫外分光仪器。此外，在新的应用领域，特别是环保、医疗行业，由于脉冲氙灯的紫外能量高、寿命长等特点，已经发展为主导光源，一些环保科技企业将公司研制的脉冲氙灯应用于水质分析仪、气体分析仪等在线环保仪器。在医疗领域，公司研制的脉冲氙灯也被广泛的应用到药品分析，酶标分析，蛋白分析等与人类密切相关的医疗设备上。

通过脉冲氙灯推广应用示范，提升了现有常规仪器的整体性能，发展高档、集成化高的高性能仪器，满足市场发展需求，继而改变国内传统分析仪器市场粗制滥造、低水平重复、恶性竞争的不利局面，为相关企业和分析仪器行业结构转型打下良好的基础。

6

河北先河环保科技股份有限公司

股份制及有限公司

开发研制了高性能水质分析仪器的核心部件顺序注射组件，通过脉冲光源和顺序注射微流体分析系统等水质监测关键技术突破与核心技术集成，实现了水质监测仪小型化、无或少二次污染和多参数同时测量的目标。建立了基于脉冲紫外技术的水中CODMn、TOC、硝酸盐氮的紫外-可见全波段水质多参数原位分析仪，水中油、叶绿素的紫外-荧光水质原位分析仪，以及集成脉冲紫外和顺序注射技术的水中营养盐监测仪的转化应用测试平台，建立了基于项目研制脉冲光源的水质分析仪器的生产线。

排名

完成人

技术职称

工作单位

（完成单位）

创造性贡献

曾获科技奖励情况

1

张大伟

教授

上海理工大学

项目的总体统筹和规划，协调项目完成单位之间的技术交流；国家重大科学仪器设备开发专项“宽波段CCD／CMOS固态检测器产业化开发”项目负责人，重点负责高性能光谱仪器关键CCD探测器紫外增强技术的研究。

2009年上海市科技启明星；2011年上海市曙光学者；2010年中国机械工业科学技术奖二等奖；2012年教育部技术发明奖二等奖；2016年中国仪器仪表协会科技进步奖一等奖、杭州市科技进步奖二等奖

2

黄元申

副教授

上海理工大学

主要负责高性能光谱仪器关键光栅的研制，国家科学仪器设备开发专项“光谱仪器光栅分光器件及部件的研制”项目负责人，统筹各种高分辨率光栅元器件的设计与制备工作。

2010年中国机械工业科学技术奖二等奖；2011年上海市技术发明奖三等奖；2012年教育部技术发明奖二等奖；2016年中国仪器仪表协会科技进步奖一等奖、杭州市科技进步奖二等奖

3

徐邦联

讲师

上海理工大学

主要负责高分辨率凹面光栅的设计和制备工作，完成了凹面光栅衍射效率的有限元积分计算方法，以及对凹面闪耀光栅的消像差的设计工作；参与完成凹面光栅的刻划和离子束蚀刻工作。

4

盛斌

讲师

上海理工大学

主要负责光栅的离子束蚀刻工作，提出并实现在准直性良好的蚀刻束流或者沉积束流中，利用中阶梯光栅的阴影自掩模效应进行蚀刻或者沉积，完成了中阶梯光栅角度精密调控。

5

俞晓峰

高级工程师

聚光科技（杭州）股份有限公司

主要负责高性能全谱型原子光谱仪器的研制与开发，运用宽光谱采集及解析技术提高仪器的测量范围；发明了折叠棱镜、多路分光的中阶梯二维光栅分光系统实现深紫外采集，并且改善了长波分辨率；同时研发了光谱干扰分离和矩阵式多特征建模技术，实现了全元素原子光谱的精确定量，成功研制了分辨率高（<10pm）、检出限低（ppb级别）、全谱测量的高性能全谱型原子光谱分析仪器。

2013年获得BCEIA金奖，2014年获得CISILE自主创新金奖，2016年中国仪器仪表协会科技进步奖一等奖、杭州市科技进步奖二等奖

6

汪朝敏

研究员

中国电子科技集团公司第四十四研究所

主要负责高性能光谱仪器关键宽波段CCD检测器的研制与应用开发，提出了创新的CCD光敏区结构，采用硅光电二极管撗向浅结结构，去掉了氮化硅钝化膜，减薄了二氧化硅钝化膜，解决了CCD的紫外响应问题，设计了独特的抗晕和积分时间控制结构，大大提高CCD的动态响应范围。

7

陈建钢

工程师

上海光谱仪器有限公司

主要负责高性能交直流塞曼原子吸收光谱仪器的研制与开发，发明了一种用于双检测器直流塞曼原子吸收的偏振调校方法及装置，实现了对原子吸收过程中的光线偏振进行精确调校，从而保证检测结果的精确度；发明了多元素原子吸收测定的光学系统，利用多出口狭缝装置与检测器配合，并结合各个元素灯点灯的时间差来实现对多个元素的原子吸收测定。

8

杨啸涛

研究员

上海光谱仪器有限公司

主要负责高性能脉冲氙灯原子吸收光谱仪的研制与开发，参与设计开发了高性能塞曼光谱仪。发明了脉冲氙灯用于原子吸收背景校正的光学系统，有效地解决了现有技术中采用氘灯作为原子吸收背景校正光源的缺陷，同时配合使用滤色片组大大提高了背景校正的精确度。

9

刘波

高级工程师

涿州迅利达创新科技发展有限公司

主要负责高性能光谱仪器关键脉冲氙灯的研制工作，开发脉冲氙灯灯泡加工工艺，参与设计了核心的灯泡排气设备，制定了关键材料钡钨电极的技术标准，并开发了脉冲氙灯组件驱动电路。制定了分析仪器用脉冲氙灯的企业标准，测试标准等标准化文件，推广示范中，联合部分应用单位开发了仪器脉冲氙灯的应用方法、应用标准。

10

王强

工程师

河北先河环保科技股份有限公司

主要负责叶绿素在线分析仪和水质石油类自动监测仪的研制与开发，主导解决脉冲光源等水质监测关键技术与核心技术集成，制定了两项企业标准。

11

郝龙腾

工程师

河北先河环保科技股份有限公司

主要负责氨氮、叶绿素、总磷、硝酸盐等原位水质自动监测仪的研制与开发，主导解决顺序注射微流体分析系统等水质监测关键技术突破与核心技术的集成，发明了一种基于顺序注射的柱状水下原位分析探头，制定企业标准4项。

12

陶春先

副教授

上海理工大学

主要负责高性能光谱仪器关键CCD探测器的紫外增强薄膜的制备工艺研究，对镀膜方式、膜系材料、工艺参数等CCD紫外增强特性进行了细致的优化分析，得到性能优越的紫外增强膜系。

13

李柏承

讲师

上海理工大学

主要负责高性能光谱仪器关键中阶梯光栅的刻划与复制工作，对利用精密车床刻划中阶梯光栅的工艺及误差补偿机制进行了系统的研究，并完成了中阶梯光栅的产业化复制工艺。

14

倪争技

教授

上海理工大学

主要负责高性能光谱仪器关键光栅元器件刻划装置研制，包括机械传动装置、控制系统、恒温恒湿系统、隔震系统等，并对不同类别光栅的刻划工艺参数进行优化分析。

15

王琦

副教授

上海理工大学

主要负责全息光栅制备的工艺研究。

2012年教育部技术发明奖二等奖