（光学工程专业论文）微型多通道光纤光谱仪的设计与研究.pdf

硕十论文 微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 摘要 光谱仪器是一种应用光学原理，对物质的结构和成分等进行光谱研究的光学装置。 文章首先系统阐述了多通道光纤光谱仪的发展、研究现状及应用，介绍了光谱仪的基本 原理，提出了基于面阵c c d 的多通道光纤光谱仪的整体设计方案；其次完成了仪器的 光学结构设计，包括光栅的选型、系统参数的确定；然后在对光谱探测器件原理分析的 基础上完成了面阵c c d 器件选型工作，并对周边硬件电路做了一些时序仿真，最后分 析了仪器的软件部分。论文采用多根光纤代替传统入射狭缝并用面阵c c d 作为光电探 测器件设计微型多通道光纤光谱仪，能同时对多个被测物进行探测，实现多通道测量， 系统的工作效率大大提高，更适合工业部门光谱现场检测。 关键词：光纤，多通道光谱仪，面阵c c d ，光谱现场检测 a b s t r a c t s p e c t r o m e t e ri sa no p t i c a li n s t r u m e n tw h i c hi s b a s e do nt h eo p t i c a lp r i n c i p l e ，a n di ti s u s e df o rt h et h ed e t e c t i o no fs p e c t r u mo ft h em a t e r i a ls t r u c t u r e a n di n g r e d i e n t s f i r s t l y ，t h e d e v e l o p m e n t c u r r e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h em i c r om u l t i - c h a n n e lf i b e r o p t i c a ls p e c t r o m e t e ri ss y s t e m t i c a l l ye x p o u n d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a ni n t e g r a ld e s i g no f t h e i n s l ：r 啪e mw h i c hi sb a s e do nt h ea r e ac c di sa l s op r o p o s e d ；s e c o n d l y , t h ed e s i g no ft h e o p t i c a ls y s t e mi sp e r f o r m e d ，i n c l u d i n gt h eg r a t i n gs e l e c t i o na n dt h ed e t e r m i n m i o no fs y s t e m p a r a m e t e r s ；t h i r d l y , t h et y p es e l e c t i n go fa r r a yc c di s c o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t ht h e p r i n c i p l eo ft h ed e t e c t o r ，f o rt h ep e r i p h e r a l h a r d w a r ec i r c u i t s ，s o m er e s e a r c ho ft h et i m i n g s i m u l a t i o ni sc o m p l e t e dt o o ；i nt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e r ，t h e i n s t r u m e n t 。ss o f t w a r e1 s d i s c u s s e d m o r ef i b e r si n s t e a do ft h et r a d i t i o n a le n t r a n c es l i ta n dt h ea r e aa r r a yc c d a r eu s e dt o d e s i g nt h em u l t i c h a n n e lo p t i c a ls p e c t r o m e t e ri nt h i sp a p e r , s ot h em u l t i c h a n n e lm e a s u r e m e n t i sr e a l i z e d a n dt h es y s t e m ss e n s i t i v i t yh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，t h e nt h es y s t e m l s m o r es u i t a b l ef o rt h ed e t e c t i o no fi n d u s t r i a is c e n es p e c t r u m k e yw o r d s ：f i b e r , m u l t i c h a n n e ls p e c t r o m e t e r , a r e aa r r a yc c d ，d e t e c t i o no f i n d u s t r i a ls c e n e s p e c t r u m l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：圭l 墨勘l 口年厶月山日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：圭l 整 山c 。年易月k 日 硕士论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 1 绪论 1 1 微型光纤光谱仪的发展史 光谱仪器是一种应用光学原理，对物质的结构和成分等进行光谱研究的光学装置， 具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油、化工、 医药卫生、环境保护等部门；也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的 遥感设备。 一般光谱仪器的基本组成有光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统以及 接收、检测显示系统【l , 2 1 。通常将准直系统、色散系统和成像系统三部分合称为光谱仪的 光学系统。光学系统主要进行分光，接收系统进行光谱信号的采集，最后将采集到的信 号通过接口输入到计算机中进行分析，最终得出探测对象的一些信息，系统的整体结构 图见图1 1 。 l 骱黼号h 烨黝卜 光谱数据采集和 三卜 预处理系统 图1 1 系统总体结构图 传统光谱仪器多以实验室仪器和专用仪器的形式出现，由于体积庞大、价格昂贵， 使其应用范围受到很大限制。随着各行业的发展，实验室里的光谱仪已经不能满足需求， 许多应用领域对光谱仪器提出了新的要求，需要使用光谱仪进行更多现场实时的测量分 析，因此微型光谱仪便成了研究的热点【3 】。 1 9 9 0 年代以来，随着光纤的大批量生产、高效低廉的光学元件、c c d 器件的出现 以及计算机的发展，微型光谱仪开始发展。和传统光谱仪相比，微型光谱仪的分辨率一 般稍低于传统光谱仪，但是其小巧轻便、探测速度快、可批量化生产等优点，使其跟传 统光谱仪一样有着广阔的应用市场，同时微型光谱仪基本具备了适应工业部门光谱现场 分析的能力，这是以前的光谱仪所不能比拟的，它可以应用于实验室化学分析、临床医 学检验、工业监测、航空航天遥感等领域。德国m i c r op a r t s 公司研制了一种微型光谱仪， 如图1 2 所示，可帮助珠宝商对宝石做科学定性分析。该光谱仪可置于火柴盒大小的匣 子内，据称是目前世界上最小的光谱仪。光纤将光线引入后，由于分光、检测都是在一 块晶片上完成的，所以微型光谱仪特别适用于配备在便携式和微型手执仪器上，如牙科 医生可借助该光谱仪将假牙与病人原牙精确匹酉? t 4 1 。m i c r op a r t s 公司的一位用户甚至借 助光谱仪开发出用于检查新生儿皮肤颜色的仪器，以诊断新生儿是否患有黄疸病。 1 绪论t 论文 图12 德国m i c r op a r t s 公司的微型光潜位 1 1 1 国内外微型多通道光纤光谱仪的发展现状 近年来，随着阵列探测器( 如c c d 、硅光电二极管阵列、i a a s 阵列、热释电阵列) 的出现，基于多元阵列探测器和平谱面多色仪的瞬态光谱技术发展十分迅速。与微机技 术结合实现的多通道光谱仪是逐渐发展起来的先进光谱仪器【5 】。它可快速( 几乎是平行输 出各光谱的探测信号) 测得辐射源的光谱分布。因此，在目标辐射的光谱测量的广泛领 域，诸如地物光谱特性测量、快速瞬变目标的光谱特性等研究方面都具有重要的应用。 这类光谱仪同传统的波长扫描式光谱仪和摄谱仪是不同的，采用了先进的电子技术、微 电子学和计算机处理与控制，使其增加了很多可贵的特性。因此，对其性能和光谱测量 特性进行研究是必要的。 微型光谱仪和光纤组合使其能够对加j ：线e 的样品、等离子沉积室内的样品或现场 中的样品进行实时分析。某些领域的研究已从光纤与光谱仪的结合中受益”l 。生物学家 用光纤光谱仪研究颜色在鸟类、爬行类和鱼类择偶及灵长类动物的喂养中的作用：植物 学家用光纤光谱仪观察穿透森林犬蓬的太阳光的能量；地质学家用光纤光谱仪监控活火 山内部二氧化硫的喷射：生态学家用光纤光谱仪测量流域中的污染物。 计算机技术的引入极大的提高了光谱的智能化处理能力。因此由光纤、c c d 探测阵 列、计算机组成的光纤光谱仪性能得到极大提高，具备了适应工业部门现场光谱分析的 能力。 国内外已有多家企业和研究机构相继开发出多种型号的微型多通道光纤光谱仪，包 括线阵c c d 光谱仪和瑚阵c c d 光谱仪，国外具有代表性的生产厂家有美国海洋公司 ( o c e a n o p t i c s ) 和荷兰的a v a n t e s 公司，国内主要有天津大学、浙江大学、中国科学院 长春光学精密机械与研究所以及些副内知名企业等i i 。以下是几款具有代表性的仪器。 a 美国海洋公司( o c e a n o p t i c s ) 的m a y a2 0 0 0 系列多通道光纤光谱仪 碗十论文 微型多通道光纤光谱仪的设i l 与研究 m a y a2 0 0 0 和m a y a2 0 0 0p r o 是海洋公司 ：2 0 0 8 年推出的两款高灵敏度背照式 2 d f f t - c c d 光谱仪，这两款光纤光谱仪特别适用于较短积分时间的情况，具有高灵敏 度，高u v 响应，宽的动态范围，低电子噪声等优点，阿种光谱仪都采用u s b 20 接1 3 ， 低噪声电路，1 4 种光栅选择以及探测器聚焦透镜加强信号收集，从功能上来说这似款光 i 仪聋小多 但相比之下，m a y a2 0 0 0 读取速度略快一些，而m a y a2 0 0 0p r o 有较好的 动态范围和信噪比 6 1 。m a y a2 0 0 0 系列外形图见图13 ，特性参数见表11 。 躅13o c e a no p t i c sm a y a2 0 0 0 光纤光谱仪 表1 lm a y a2 0 0 0 参数 m a y a 2 0 0 0 探测器特性m a y a2 0 0 0p 巾探测器特性 探测器滨松$ 9 8 4 0滨松s 1 0 4 2 0 样式 薄型背照式，2 d薄型背照式，2 d 热电冷却无尤 完整：2 0 8 0 x 2 0完整：2 0 6 8 x 7 0 像素 动态；2 0 4 8 x 1 4动态：2 0 4 8 6 4 像隶尺 j1 4 甲方微米1 4 甲方微米 探测器动态范用( m m ) 2 86 7 2 水甲方向x 0 1 9 6 垂直方向2 86 7 2 水平方向x 08 9 6 垂赢方向 阱深 l3 0 k e 2 0 0 k e 峰值量子化窜 9 0 7 5 在2 5 0 r i m 处的量子化率 5 5 6 5 m a y a2 0 0 0 光谱仪参数m a y a 2 0 0 0p r o 光谱仪参数 积分时间：l $ m s1 8 m s a d 转换器： 1 6 b i t , 1 5 0 k h z 动态范同( 典型值) ；5 0 0 0 ：11 2 0 0 0 ：l 信噪比：3 5 0 ：l 非线性度( 无校准) ： 线性度( 校准) ： 纵阳灵敏度： b 美国海洋公司( o c e a no p t i c s ) e y jq e 6 5 0 0 0 多通道光纤光谱仪 图14 0 c e a n o p t i c s q e 6 5 0 0 0 光纤光谱仪 q e 6 5 0 0 0 多通道光纤光谱仪采用了e l 本滨松公一j 生产的h a r n a m a t s u $ 7 0 3 1 1 0 0 6 f f t c c d 作为探测器，该光谱仪在紫外区有与生俱来的极高的响应，而不需要进行紫 外镀膜，量子效率高达9 0 。海洋光学公司生产的大多数光谱仪的探测器都是线阵c c d ， 其信号的叠加运算由外部电路完成1 7j 。而q e 6 5 0 0 0 采用二维而阵c c d ，利用内部电路 对纵向像元进行运算，显著地提高了信噪比和信号处理速度，增强了系统的灵敏度。 q e 6 5 0 0 0 特别适合应用于低照度的环境，用户可以根据需要，将光谱仪的积分时间( 类 似于照相机的快门速度) 设置成7 m s 1 0 m i n 内的数值，而不会产生光学失真。q e 6 5 0 0 0 外形圈见图14 ，特性参数见表12 。 表i2 q e 6 5 0 0 0 特性参数 物理外观 检测器 检测范围 像素1 0 2 4 x 5 8 ( 总像素1 0 4 4x6 4 ) 像素尺、j 2 45 7 6 甲方微米 硕+ 论文微型多遭光纤光请仪的设计研究 光学平台 焦距输入和输出均为1 0 i6 m m 入射孔径5 ，】0 2 5 ，5 0 ，1 0 0 或2 0 0 l i m 宽度的狭缝，或 光纤( 无狭缝) a 选的光栅】4 种町选光栅，紫外到红外 可选的探删器聚光镜头无 可选的o f l v 滤光片 o f l v - q e 型滤光片 光纤连接 s m a 9 0 5 楚连接器，与o2 2 孔释单殴光纤相 连 光学特性 波k 由光栅决定 光纤分辨率 0 1 4 77 n m 半最大值全波( f w h m ) 信噪比1 0 0 0 】( 全信号时) a d 转换分辨率 6 位 动态范围 7 5 1 0 9 ( 系统) 2 5 0 0 0 ：i ( 单次操作) 积分时问 g m s 1 5 m m c 荷兰a v a n t e s 公司的a v a s p e c 一3 6 4 8 单通道光纤光谱仪 囤15a v a s p e c - 3 6 4 8 光纤光培仪 a v a s p e e 3 6 4 8 光纤光谱仪是荷兰a v a n t e s 公司生产的一款单通道光纤光谱仪，采用 对称非交叉光路设n 杂散光小，适合于高分辨率的应用领域【“，但由于其所取c c d ( t o s h i b at c d l 3 0 4 ) 的限制，此款光谱仪不适合于对速度、时序有要求的情况也不 适合制成多通道光谱仪一a v a s p e c 一3 6 4 8 外形图见图15 ，特性参数见表13 。 颈论女 光学部分 袁i3a v a s p e c - 3 6 4 8 特性参数 光学甲台 对称c z e m y - t u m e r 光路设计，7 5 m m 焦距 波长范围2 0 0 - 1 1 0 0 n m 分辨率 杂散光 电子学部分 灵敏度 1 4 0 0 0 计数l o wm s ) 探剥器t o s h i b a t c d l 3 0 4 c c d ，3 6 4 8 象素 信噪比 a d 转换器 积分时间 0 毫秒至1 0 分钟 采样速度 37 毫秒，每次扫描 数据传输速度37 毫秒每次扫描 其他参数 d 荷兰a v a m e s 公司的a v a s p e c 2 0 4 8 x 1 4 多通道光纤光谱仪 图】6 a v a s p e c 2 0 4 8 x 1 4 光纤光谱仪 a v a s p e c 2 0 4 8 x 1 4 型光纤光谱仪是荷兰a v a n t e s 公司生产的一款具有高量子效率和高 紫外灵敏度的光谱仪，虽然该仪器用的探测器是面阵c c d ，但实际上面阵c c d 是当做 2 0 4 8 像素的线阵传感器来使用的只不过这时的每个像素是垂直方向上1 4 个像素信号 6 硕士论文 微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 的累加以提高灵敏度9 1 。a v a s p e c 2 0 4 8 x 1 4 型光谱仪特别适合地物光谱测量及低亮度， 荧光和紫外应用。a v a s p e c 2 0 4 8 x 1 4 外形图见图1 6 ，特性参数见表1 4 。 光学平台 表1 4a v a s p e c 2 0 4 8 x1 4 特性参数 设计 对称式c z e r n y t u r n e r 光路设计，7 5 m m 焦距 波长范围2 0 0 - 1 16 0 n m 分辨率 o 0 4 2 0 n m ，与光谱仪具体配置有关 杂散光 0 1 灵敏度( a v a l i g h t - h a l ，8 m m 芯径光纤) 1 6 0 0 0 ( 1 6 位a d 转换卡) 单位：记数p w 毫秒积分时间 紫外量子效率 3 5 6 5 ( 2 0 0 3 0 0 n m ) 探测器 像素 薄型背照式c c d 面阵传感器，2 0 4 8 x 1 4 个像 素 信噪比5 0 0 ：l a d 转换卡1 6 位，1 5 m h z 积分时间2 2 4 毫秒- 1 0 分钟 其他 接口 高速u s b2 0 。4 8 0 m b p s r s - 2 3 2 ，115 2 0 0b p s 采样速度 2 2 4 毫秒每次采样 数据传输速度2 2 4 毫秒每次采样 i o 接口 h d 2 6 接l ，2 路模拟输入，2 路模拟输出，3 路 数字输入，1 2 路数字输出，触发，同步 外形尺寸重量 1 7 5 x 11 0 x 4 4 m m ( 单通道) 7 1 6 9 e 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的小型多通道光纤光谱仪 2 0 0 2 年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立鼎、鞠挥等人研制成功了 一种用于生化分析的小型多通道光纤光谱仪。仪器使用线阵c c dt c d l 5 0 0 c 作为光电 检测器，c c d 的驱动器采用天津耀辉光电技术有限公司制作的t c d l 5 0 0 c 专用驱动器。 光学系统采用折叠c z e m y t u r n e r 结构，在光栅的一侧加设渐晕光阑，去掉了像差较大 的一部分光束，在子午像面上能得到比较理想的光谱像。光学系统的外形尺寸为 3 9 x 3 4 x 1 2 ( m m 3 ) ，在5 7 8 n m 处光谱分辨能力2 n m t l o l 。 7 1 绪论硕+ 论文 天津大学研究的多通道凹面光栅紫外可见分光光度计 2 0 0 4 年，天津大学范世福、万峰等人研制成功了一种多通道凹面光栅紫外可见分光 光度计。光电接收元件是日本滨松公司生产的专门用于光谱测量的$ 3 9 2 4 1 0 2 4 q 型 c c d 。采用平场凹面全息光栅作为色散元件，触摸屏作为输入设备，内部集成光源，测 量范围：2 0 0 8 0 0 n m ，仪器体积仅有1 9 0 x1 7 0 1 0 0 ( m m 3 ) 【1 1 】。具体性能参数见表1 5 。 表1 5 多通道凹面光栅紫外可见分光计光学性能参数 技术指标要求 波长范围2 0 0 8 0 0 n m 波长准确度 眈，眈为全反射临界角) ，光线在光纤中只进行反射式传输，因此光能量能集 中在光纤内部传输，损耗很低。芯与包层的界面上发生全反射的投射角条件是： 0 0 。：a r c s i n 堕( 3 1 ) n 1 若光纤位于刀。介质中，对应于界面的b 点发生全反射时端面a 点处的入射角口应 为： s i n0 c ：卫打丽 ( 3 2 ) n 0 与界面全反射临界角眈相对应的光纤端面轴心a 点处最大入射角应为： 仅f a r c s i n ( 去何i ) ( 3 3 ) 通常称0 c m 舣为“孔径角”，定义光纤的数值孔径为： 厂_ = n a = n 卜1 1 i ( 3 4 ) 数值孔径n a 是光纤的一个重要参数，它表示光纤集光能力的大小，亦即能进入光 纤的光通量的大小。具有较低吸收率的高质量光纤采用掺氟的石英材料作为包层，即所 谓的石英一石英光纤或全石英光纤，其数值孔径为o 2 2 。 光纤的芯径根据探测器像元尺寸来进行选择，芯径过大分辨率下降，芯径过小能量 损失大【i4 1 。国家标准光纤包层直径的典型值为1 2 5 p r o 。 硕十论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 b 刀2 n o 一丧 j a x l 图3 3 光纤原理图 b 光纤的优点 ( 1 ) 光纤光谱仪的主要特点是具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分 的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信 息等加以分辩，真正实现多通道光谱分析和复合传感器阵列的设计，达到对特定分析对 象的检测； ( 2 ) 光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级，这样小巧的光 纤探头可以直接插入那些非准直空间和无法采样的小空间，如活体组织、血管、细胞中， 对分析物进行连续检测； ( 3 ) 光纤引入使得光谱仪抗电磁波干扰能力增强，性能明显提高，体积大大减小， 价格有所降低，而且光谱仪的使用方式发生极大改变，可利用光纤探头把远离光谱仪的 样品光源谱引入光谱仪进行测量，使用更方便。 c 光纤的选择 光谱仪中所需光纤传输距离较短，损耗很低，多模光纤具有轻而柔软、抗绕曲、抗 冲击强度高、抗辐射、易加工、易生产等一系列优点，有时为了提高传感器的灵敏度， 而增大光纤所传输的光功率，可采用大芯径或大数值孔径光纤，而多模光纤有较大的芯 径和数值孑l 径，容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元件价格也低得多，同时由 于光谱仪探测的是复合光，光纤只是起着一个传输光的作用，不用太过考虑多根光纤相 互干扰，在光谱学应用中，一般都使用折射率阶跃型多模光纤，光纤芯径从5 0 1 t m 到l m m 。 综上所述，本设计使用多模光纤作为传输光纤，多模光纤n a 的范围一般在0 1 8 - 0 2 3 之间。 d 光纤连接器的选择 光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件，它是把光纤的两个端 面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去， 从而对系统造成的影响减到最小。 1 0 ! 型! 女! 女i ! ! ! ! ! ! 型 ! i 女! 在光纤光谱仪中光纤大部分通过s m a 9 0 5 光纤连接器连接，以保证光线在光纤中传 输损耗达到最低。s m a 9 0 5 接头是用螺纹进行连接的，旋转角度超过3 6 0 。，该接头的典 型插入损耗为0 5 d b ，所允许的最大填充光纤束的直径为2 4 6 m m 。本系统也采用s m a 9 0 5 光纤连接拌茸外形陶阿图34 国3 4s m a 9 0 5 光纤连接器 3 2 2 光纤传感器的选择 a 基本工作原理 光纤传感器的工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器使被测量与输入调 制器的光互相作用后，导致光的某些特性( 如强度、波长、频率、相位、偏振态等) 发 生变化，成为调制光，在再经过光纤送入光探测器，经调制解调后获得被测量。基本原 理结构图见图3 5 。 图3 5 光纤传感器t 作原理图 b 光纤传感器的分类与选择 光纤传感器通常分为两类：一类是功能型( 传感型) 传感器，另一类是非功能型( 传 光型) 传感器。在本文中，由于光纤传感器的作用只是用来接收光信号，色散和损耗特 性要求不高，所以本设计选择采用非功能型光纤传感器，原理图见图36 。 硕士论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 3 3 光学结构设计 图3 6 非功能性传感器原理 光谱仪的光学结构包括准直系统、色散系统和成像系统三部分。 3 3 1 光学系统结构选择 典型的光学系统结构包括光栅色散光学系统、罗兰圆光学系统和c z e m y t u r n e r 光 学系统。 a 简单光栅色散光学系统0 1 7 i 该系统即利用微机械加工方法直接在c c d 成像器件上制作透射衍射光栅研制微型 光谱仪，这种光谱仪由于没有经过成像物镜的聚焦，能量较为分散，分辨率不可能太高。 b 罗兰圆光学系统 罗兰圆光学系统是最简单的凹面光栅成像系统，在这一系统中，凹面光栅既是分光 元件，又是成像器件。它在微小型光谱仪的设计中有着很大的应用价值，将入射狭缝置 于罗兰圆上，探测器置于谱面上。当然，由于探测器是平面，而谱面是曲面，二者不能 重合，因此分辨率不可能高【1 6 1 。但是，为了微型化，有时可以适当牺牲光谱分辨率。在 微小型光谱仪的设计中，基于微机械技术和工艺的微小型光谱仪【2 5 】以及采用微型元器件 的微小型化光谱仪都有采用这一光学系统的，有些还进行了各种改进。 e c z e r n y t u r n e r 光学系统 c z e r n y t u m e r 光学系统是从e b e r t f a s t i e 光栅光谱仪的基础上改进的，它采用平面光 栅，用两块相同的小凹面反射镜分别作准直物镜和成像物镜。c z e m y t u r n e r 光学系统分 对称型和非对称型，在实际应用中也往往根据情况和要求做相应的改变【1 6 , 1 7 。在高光谱 分辨率微小型光谱仪和微弱光谱探测中，多采用这种类型。经典结构和小型折叠的 c z e m y t u r n e r 光学系统见图3 7 和图3 8 。 以上三大类光谱仪结构均是比较典型的光学系统结构，它们各有优缺点，在使用的 3 微型多通道光纤光谱仪光学结构设计硕士论文 时取长补短，如果是运用在对分辨率要求不是很高，而且光照要求也不是很严格的情况 下，可以选择采用光栅和罗兰圆光学系统。这两者尤其以光栅系统成本最低，但罗兰圆 系统使用的更多，运用范围更广实用程度更高。如果实际使用中对分辨率要求比较高， 同时对光照也比较敏感，那么c z e r n y t u r n e r 光学系统则更适合。综合考虑以上因素， 本文选择c z e m y t u r n e r 光学系统作为所设计的光谱仪的光学结构。 入射狭缝 探测器阵列 图3 7 经典c z e r n y t u r n e r 结构的光谱仪 硕士论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 入射狭缝 成像物镜 图3 8 小型折叠c z e r n y t u r n e r 结构示意图 3 3 2 光学系统结构组成部分简介 a 准直系统 对于后面的色散系统来说，入射光必须要是平行光，所以需要在之前加一个准直系 统将入射光准直，光谱仪器的准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成。入射狭缝位于 准直物镜的焦平面上。对于仪器后面的系统而言，入射狭缝成为替代的、实际的光源， 限制着进入仪器的光束。由狭缝处发出的光束经准直物镜后变成平行光束投向色散系 统。 b 色散系统 2 3 3 微型多通道光纤光谱仪光学结构设计硕士论文 色散系统的作用是将入射的复合光分解为单色光。这是整个光学结构的核心部分。 经典的色散系统有棱镜系统、光栅系统，两者都得到了广泛的应用。近三十年来由于光 栅光刻技术和复制技术不断得到提高，再加上光栅与棱镜相比较而言具有色散率大、分 辨率高、工作光谱范围广等优点，因此光栅作为分光元件应用越来越广泛【1 6 】。本论文对 光栅的分光原理、基本特性和几何参数关系进行分析确定。 c 成像系统 成像系统的作用是将空间上色散开的各波长的光束会聚于成像物镜的焦平面上，形 成一系列按波长排列的狭缝的单色像。由于被研究的物质不同，这种像有三种情况：线 光谱、带光谱或连续光谱。 d 接收系统 这一部分的作用是将成像系统焦平面上的光谱能量吸收，并检测光谱的强度、波长 位置，最后以光谱图或其他形式的数据输出。一般情况下，接收系统分为下列三类：目 视接收系统、感光摄影接收系统和光电接收系统。目前，绝大多数的光谱仪器采用光电 接收系统。应用光电接收系统一方面扩大了能够检测的工作光谱范围；提高了测量的精 度、灵敏度和速度；实现了数字化和自动化。另一方面为多种光谱技术，如干涉调制、 阿达玛变换、相关光谱、光声光谱等新技术的出现提供了可能性。 光谱仪器光学系统透镜示意图见图3 9 。 2 4 l 2 1 。 f ，、 n 刀、7 a 泌 、i n 、 c 一一 哆 b 【( y b + y c ) n y c = 1 0 2 4 5 岬 、 ( 3 1 5 ) 考虑临界条件b = c ，则有y b ( 2 n 一1 ) = 1 0 2 4 5 岬，为了保证成像的分辨率，最好 是b 等于像元大小的整数倍，设b 1 0 1 上m ，则丫：_ b = 婴= o 0 0 4 ，从而可以得出 d2 3 m m 狭缝通道数n 为2 5 6 。 根据y = 告= ，所以准直物镜焦距为5 。m m 。 d 光纤芯径 光纤芯径根据像元来确定。从上面的分析可以得出选择光纤外径1 2 5 i _ t m ，有2 5 6 x 2 0 根光纤。 e 光栅的分辨本领 根据光栅角色散率公式罢= i 点丽和式( 3 5 ) 可得f 2 d o = 百塞啬d 九，考虑系统的分 3 0 硕士论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 辨率则使f 2 d 0 = 5 u m ，所以有光栅能分辨的最小波长差d e - - 0 2 n m 。 f 光栅的自由光谱范围 根据式( 3 1 0 ) 可知，由于闪耀光栅一般只用一级光谱，所以它的自由光谱范围即为九， 这是个比较大的数值，又由于上述已得角距离对应的波长差d 九= 0 2 n m ，这是个非常 小的数，所以本仪器设计的光学系统成像在c c d 上的谱线不会重叠。 此外，入射光带通滤光片范围为3 8 0 7 8 0 n m ，消二级光谱长波通滤光片。 4 多通道光纤光谱仪的数据采集系统和软件系统硕士论文 4多通道光纤光谱仪的数据采集系统和软件系统 4 1 数据采集系统 高速数据采集及处理系统是多通道光纤光谱仪的又一重要组成部分，它是连接光学 系统和计算机的纽带，系统采用c c d 作为探测器，将所有的预处理、a d 转换、接口 控制等硬件电路集成在一块电路板上，最后通过u s b 总线传输到计算机中，为后续的 软件编程提供便利。 c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件是近年发展起来的一种新型光电接收 器件，它具有灵敏度高、光谱响应宽、操作容易、易于推广等一系列优点，已成为现代 光电子测试技术中最为活跃的领域之一【2 6 1 。由于其像元几何尺寸小，精度高，有光积分 和存储功能，并且c c d 光谱响应范围非常宽，所以常被用来进行光谱测量【3 2 1 。c c d 的 突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号3 2 1 。 4 1 1c c d 的工作原理 c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移，因此工作过程中的主要问题是信号 电荷的产生、存储、传输和检测2 7 1 。 a 电荷的产生与存储 c c d 是由若干个电荷耦合单元组成，该单元是在p 型( 或n 型) 硅衬底上生长一层厚 度约为1 2 0 n t o 的s i o ，再在s i o ，层上依次沉积铝电极而构成金属一氧化物一半导体 ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，m o s ) 的电容式转移器。 当光照射到c c d 上时，在栅极附近的半导体内产生电子空穴对，其多数载流子被 栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中，从而产生信号电荷。信号电荷产生的多 少取决于入射光的光强和转移脉冲的周期【2 引。 b 电荷的转移 c c d 器件中存储在势阱中的电荷包，能随栅极电压的变化作定向移动。当相邻电 极的压差以及它们间的距离满足一定的要求时，电荷就能顺利的由浅势阱转到深势阱 【2 4 1 。图4 1 是一个三相c c d 中电荷包转移到相邻栅极的过程。 c 电荷的输出 c c d 电荷的读出多采用选通电荷积分器结构，以三相c c d 为例，其电荷读出原理 图见图4 2 。 3 2 硕十论文 微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 2 vl o v2 v2 v2 v2 v1 0 v1 0 v2 v2 v ( a ) i 2 v2 v1 0 v2 v2 v 1 ( c ) 0 1 l ( b ) ( d ) 图4 1 三相c c d 中电荷转移过程 v c c ( a ) 由3 八八门 v o 0 v ( b ) a - 复位电平c 参考电压 b 馈通电平d 信号电压 图4 2c c d 输出电路结构与输出信号波形 3 3 4 多通道光纤光谱仪的数据采集系统和软件系统硕士论文 4 1 2c c d 的选型问题 ic c d 的分类 按照结构不同c c d 可以分为线阵c c d 和面阵c c d 。 线阵c c d 由一列m o s 光敏单元和c c d 移位寄存器构成，分为如图4 3 所示的单 排结构和双排结构。 转移栅 转移栅 光积分单元 l 1 j l t jl t jl t jl t jl 1 j 甲 iiiil iill _ 输出 a 单排结构 光积分单元 b 双排结构 图4 3 线阵c c d 结构原理图 按照一定的方式将一维线型c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可 以构成面阵c c d 。目前存在三种典型结构形式：帧转移型面阵c c d 、行间转移型面阵 c c d 和帧行间转移型面阵c c d 。 线阵c c d 采集出来的是一维图像，面阵c c d 采集出来的是二维图像，如果线阵 c c d 要获取二维图像，必须配以扫描运动。在多通道光纤光谱仪中，如果用线阵c c d 作为光电接收器件的话，一般要用多块，意味着周边电路也更繁琐。如果用面阵c c d ， 一块就解决了问题，面阵c c d 可以将多路光谱信号接收于一块芯片上，单路光谱信号 对应一行或多行像素。这样一来就省去了不少电路的麻烦，实行高效率工作。同时由于 面阵c c d 是二维器件，驱动电路分垂直和水平两个方向，在设计驱动电路时必须考虑 两个方向。 鉴于以上对线阵c c d 和面阵c c d 的性能比较，本文采用面阵c c d 作为多通道光 纤光谱仪的光谱信号接收器件。 3 4 砷 论文微型多通道光纤光谱仪的设计研究 由于面阵c c d 的正面布置着许多电极，电极的反射和散射作用使得止面照射的光 谱灵敏度比背面照射时低，为此血阵c c d 常采用背面照射的方法。 背照式c c d 之前所介绍的c c d 都为前向照明式c c d 。由图4 4 可以看出多晶硅电极对所有入 射光都有一定的反射，而且对于入射至其上的紫外光有着强烈的吸收，因此没有紫外光 可以到达p n 结，导致c c d 无法感觉到紫外光信号，同时可见光波段的效率也受到表 面反射的影响而有所下降，这种结构c c d 的整体量子效率较低。 e 。j 岬i “：见血红钷涟紫“ 钋 射把入射光 一 。一 n 型畦 t l 型娃 绝缘保护芷 多品硅电概 图4 4 前l _ 照明式c c d t 作原理图 因为c c d 的短波极限仅仅是受表面结构特征和封装材料性质的影响，而非硅的本 征性质决定，所以可以通过优化结构和封装材料，在一定程度上可解决该问题。为了提 高c c d 的紫外响应，先后出现了多种新结构和新工艺，如背向照明c c d t 2 2 1 、背向照明 减薄式c c d 以及表面增透膜技术等，这些方法通过改变c c d 的结构特点，改善表面封 装束降低訾外光在p n 结外部的损失，确保有相当比例的紫外光能够达到p n 结进行光 电转换。 由前面的分析可知，前向照明式c c d 由于电极层位于p n 结上部，当紫外光照射 到c c d 上时入射光首先要接触到多晶硅电极层而多品硅层对紫外光有着强烈的吸 收，导致紫外入射光无法到达光敏区域完成光电转换口“。为了避免紫外光在p n 结外部 损失，必须改变c c d 的结构以避免或降低电极部分对紫外入射光的吸收或损耗。如图 4 5 所示背向照明式c c d 系统原理图，采用背向入射的方式，将结构电极放在p n 结下 部，避免了电极部分对紫外光的吸收损耗，从而提高了c c d 在短波紫外区域的响应。 然后由于采用，背向的照明方式【2 4 】，c c d 的表面与空气界面折射率相差较大，使得入 射界而上反射光的比例增大，所以在c c d 表面镀增透膜以避免大量光能的反射损耗。 黑一一 ! ：查夔堂堂塑堂塑垡塾塾塑兰墨塑堑型塾生墨堡 堕堡奎 可w j 厅红 外入射光 耋l i 渡嚣井 射m _ 口口m m l 增透膜 n 型记 i l 颦辞 绝缘保护联 善品硅电报 图4 5 背向照明式c c d 的结构图 t i tc c d 的基本特性参数 a 光电转换特性 存储于c c d 像敏单元巾的信号电荷包是由硅衬底材料吸收入射光子并转换成少数 载流子( 反型层电荷) 形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换效率可 达到9 97 以上口”。 b 电荷转移效率 c c d 以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率就成为其最重要的性能之一。把 一次转移之后，到达下一个势肼中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。 好的c c d 具有极高的电荷转移效率一般可达o9 9 9 9 9 5 ，所以电荷在多次转移过程中 的损失可以忽略不计。 c 光谱响应( 面阵c c d 常采用背光照射) 由于材料和制作工艺的差别，不同型号的c c d 的光谱响应范围也不同。大多数型 号的c c d 光谱响应范围集中在4 0 0 n m 1 0 0 0 r u n 波段，对波长小于3 5 0 n m 的光信号的响 应很低。图4 6 是h a m a m a s u $ 9 8 4 0 面阵c c d 的光谱响应图。 、 ， ，l l i 一， 、 l 、 、 图46 $ 9 8 4 0 光谱响应图 善一，uzuzl3i3a 硕士论文微型多通道光纤光谱仪的设计与研究 d 动态范围 动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比决定。动态范 围d r 的定义为 、， d r = _ s a t 一 ( 4 1 ) v d r k 式中，v s a t 饱和输出电压，v d r k 有效像元的平均暗电流输出e e l , 。 在正常工作条件下，c c d 检测器的所有像元经历同时曝光，式( 4 1 ) 表示的是单个检 测像元的动态范围，即简单动态范围。c c d 的简单动态范围非常大，宽达1 0 个数量级， 但实际的动态范围达不到那么大的值。一种扩展c c d 的动态范围的方法是根据光的强 弱改变每次测量的积分时间。强信号采用短的积分时间，弱信号采用长的积分时间。 e 暗电流 暗电流是由热生电荷载流子引起的，即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注 入的情况下，也会存在暗电流。而且，若每个c c d 单元的暗电流也不一样，就会产生 图形噪声。暗电流与温度有关，采取制冷的方法可以降低暗电流。 f 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性。常用调制传递函数m t f 来评价。线性c c d 向更 多位光敏单元发展，像元越高的器件具有更高的分辨率。面阵c c d 在水平和垂直方向 上的分辨率分别与面阵c c d 的水平和垂直方向上的像元数量有关。数量越大其分辨率 越高。 g 灵敏度 灵敏度是表征器件受照曝光量与输出信号之间的光电特性参数，也标志着器件光敏 区的光电转换效率3 1 1 ，用在国际照明委员会( c i e ) 规定的标准a 光源照射下，器件在线 性区内，光敏单元每单元每单位曝光量所输出的信号电荷或电压幅度来表示。 面阵c c d 的选型 对于光谱探测，主要关心c c d 的像元密度、光谱响应灵敏度、暗电流和动态范围 这几个特性。对于同样的视场，c c d 像元数越多，系统分辨率越高，但同时c c d 的电 荷转移效率却会下降；选用的c c d 器件的光谱响应范围应覆盖仪器要求的范围；器件 灵敏度的选择应当综合考虑动态范围的选择，动态范围较低的器件即使具有很高的灵敏 度也无法发挥其优势，同时，太高的灵敏度也会使噪声水平很高，不利于谱线分析；c c d 的像元是由光敏材料制成，由于材料本身性能所限，在光电转换时，c c d 的各像元存 在响应非均匀性及单个像元响应的非线性问题，都将对测量精度产生影响，因此选择器 件时，应选用响应非均匀性低、线性度好的器件。本设计选择v c c d l 0 2 4 h 背照式面阵 c c d 。 3 7 4 多通道光纤光谱仪的数据采集系统和软件系统 硕士论文 v c c d1 0 2 4 h 是背照型帧转移c c d ，具有高灵敏度低噪声等优点，具体性能参数见