（物理电子学专业论文）基于衍射光栅微小型光谱仪光学系统的设计研究.pdf

! ! ：堡三些奎耋：兰罂圭兰堡丝兰 a b s t r a c t s p e c 仃am e t h o d sh a v eb e e l lw i d e l yu s e di nm a n yf i d d s ，i nw h i c h 叫n c i p l e so f 也eo p t i c sa r c 埘l i z e dt om e 删r e 趾da l l a l y z et h es t m c t i l r ea n dc o n s t i t i l t i o no ft l l e m e a s u r e do b j e d r e c e n t l y ，w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft l l ec n v i r o m r 料l t a lm o n i t 耐n 岛 b i o m 酬c i n e ，a 鲥c i l l t l l r es c i e i l c e ，1 1 1 i l i t a r ya 1 1 a l y s i s ，a i l di n d u s m a ln o wp r o c e s s m o l l i t o r i n ge t c ，m i c r o m i i l i 删z a t i o ni sr e q l l i r e df o rt h ea n a l 舛ci n s 仃u m e n t t h e o p t i c a t o ra sak e yc o m p o n e n ti nt h em i c ms p e c 仃0 m e t e fh a si m m e d i a t ei n n u e i l c e o v e ri m a g i i l gq u a l i t ya n du t i l i z a t i o nr a t i oo ft h e 锄e 唱yo fl i g h t ，a i l di st h ep a c i n g f a c t o ri nt h em i c r os p e c t r o m e t e rp e r f o r n l a n c e i ti si n l p o 咖tt os t u d yo nt l l eo p t i c a l s y s t e md e s i g n f i r s n y ，a c c o r d i n gt ot h ed e e pi n v e s t i g a t i o no ft h ec 1 1 f r 衄ts i t l l a t i o no fm i c r o s p e c 昀m e t e r s 锄di t st e n d e n c yo f d e v e l o p m 肌t ，i ti ss h o w nt h en e c e s s i t yo fm es t u d y s e c o n d l y ，h o wt h ee l e m e n tw i d t l lo fp h o t o - e l e c t m n i ca r r a yd e t e c t o rt a k e se 丘b c t o nt l l ep c r f b 彻狮c eo ft h ei n s t n l m e i l th a sb e e na 1 1 a l y z e d i no r d c rt oe l i m i n a t em e s u b - d 锄e n te r r o ro ft h ea s y m m e t r yo p t i c a ls p e c 仇m 1p e a kv a l u ew h i c hi sc a u s e db y m el i 曲ta c t i v a t e de 1 啪e n tw i d m ，t h e 行c q u e n c y - d o m 血d e c o n v o l 嘶o ni se n l p l o y e d t oc o m p l e t e l yr e s t o r et h eo r i 百n a ls p e 咖s i g n a l a c c o r d i n gt ot l l er c s e 盯c ho nm e c h a r a c t 甜s t i c so fm es p e c t r l h ns i 印a la n dt h ed e t e c t o r ，al i n e a rc c di su s e d 船m e r c c e i v i n gs y s t e i i lt od om u l t i - c h a n n e lr e a lt i m es p e 酬a n a l y s i s t h i r d l y ，l en o i s ec o m p o s m o ni nc c di m a g ei sa n a l y z 。da c c o r d i n gt ot h e o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fc c d ，a n dc c d n o i s ei sc a t e g o r i z e d ，a n dm ed e t a i l e dm e m o d s a r e 百v e n a sar e s l l l t ，血es n ro f c c d i si m p r o v e d f i n a l l y b a s c do nt l l ea i l a l y s i so f m et y p i c a ll a y o u t so f t h e 孕a t i n gs p e c 咖m e t e r s ， o nt b ed e m a n do ft h e s y s t e m sa b e r r a t i o nt o l e r a b l el i m i t a t i o n ，am i i l i a t u r i z e d s p e c 廿0 m e t e r w i mf o l d e dc z c r i l y _ t u m e rc o 曲g u r a t i o ni s p m p o s e d c o l l i m a t i n g m i r r o ra n di m a g i n gm i o ra r ed e s i g n e da n dm ee l e m e mr e s o l u t i o no ft l l eo p t o - e l e c t r i ca n a yd e t e c t o ri sd i s c u s s e db r i e f ly k e y w o r d s m i c r os p e c t r o m e t e r s ，d i f h a c t i o n 掣a t i n g ，o p t o c l e c t r i ca r r a yd e t e c t o r ， s p e c t r a lr e s o l u t i o n 竺尘鋈三些奎耋三兰竺主：竺兰兰 1 1 引言 第1 章绪论 本课题来源于总装备部项目基于光纤光学技术的微小型激光光纤光谱 检测技术的研究。 光谱技术作为理化分析、检测手段已发展成熟。在上世纪六十年代左右光 谱技术和光谱仪器的发展似乎已经停滞，在原理、设计、应用各方面似乎已经 满足了当时科技、产业的需求。从真空紫外到远红外，都已建立了完整的光 谱定性、定量分析方法及整套光谱线谱、图谱，并发展了与之相适应的各波段 光谱仪器。世界各国无数品牌、型号的光谱仪器已经满足了当时科技和产业提 出的种种光谱分析、检测要求。 近年来由于航空航天、遥感遥测、环境生态、军事科技、生物医学、科技 农业以及工业流程监控等领域的突破性发展，要求光谱分析仪器具有更小体 积、更牢固稳定结构、更高分辨率、更高灵敏度、更快分析速度等。光谱的微 小型化已成为研制趋势。如果微小型光谱分析仪可以达到在实验室内使用仪器 的性能，则其应用潜力巨大。微小型光谱仪器具有二次开发性能，设备制造商 可以利用微小光谱仪来制造其他分析仪器。 1 2 微小型光谱仪发展 随着计算机硬件、软件技术和产品的普及化，激光、光纤、固态探测器等 技术的发明和发展，以及诸如集成电路工艺、c a d 、c a m 技术的发展，不但 对光谱分析、检测技术提出了全新的要求，而且也从新原理、新工艺、新器件 上为微小型的光谱分析、检测技术的发展提供了有利条件【2 。一方面，由于航 空航天、生物医学、环境生态等领域的发展，以及现代战争、武器技术的发 展，迫切需求小型、专用且使用方便、可靠的光谱仪器。另一方面，近二十年 来科技和产业的突飞猛进，又为小型仪器的发展提供了可靠的物质基础。光谱 仪器中必须的光源、分光器件、探测器件、微电子器件、微处理器等，如今都 已有种种小型化、微型化、全固态的产品可供应用【3 1 ，加上近年来光谱数据处 理软件( 如化学计量学软件) 的开发，光谱仪器微小型化得到了迅速发展。国内 竺尘鋈三些奎耋三兰竺主：竺兰兰 1 1 引言 第1 章绪论 撕譬妻蠢墨誊藩。翥篓群鲦矍措，翼霪砸捌f 丽瞄甍翻；楚辫籁嚣萋夔馨婪螭 爨蠢洲。蚶鳇聊rate p r o d 喇o n p 1 锄i n g 叨i n t j p r o d r e s，2 0 0 0 ，3 8 ( 9 ) ：2 1 4 3 2 1 5 2 【1 2 7 】m e l l i c 瑚n pjma 1 1 dl o v erm ，p r o d u c d o ns 谢t c h i n gh e u r i s t i c sf o rm e a g g r e g a t ep 1 a i l i l i n gp r o b l e m 【j 】，m a l l a g e i n e n ts c i e n c e ，1 9 7 8 ，2 4 ：1 2 4 2 - 1 2 5 1 【1 2 8 】e 1 m a l e hja n de i l o ns，an e wa p p r o a c ht op m d u c t i o ns 谢t c h i n g j 】h l t e m a t i o n a l j o u m a lo fp m d u c t i o nr e s e a r c h ，1 9 7 4 ，1 2 ：6 7 3 6 8 1 1 2 9 】n 锄s a i l dl o g e n d r a nr a g g r e g a t ep r o d u i 嘶o np l a 皿i n g as u r v e yo fm o d e l s a 1 1 dm e t h o d o l o 舀e s 叨e l 啪p e a nj o u m a lo fo p e e a t i o n a lr e s e a r c h ，1 9 9 2 ，6 1 ： 2 5 5 2 7 2 1 3 0 】j o a ol i s b oa ，m a h m o u dy 酏i n 1 1 1 ei m p a c to fw b r k f o r c el e v e lr e s 砸c t i o no nt l l e p e r f o 衄髓c eo fmel i n e a rd e c i s i o nr l l l e ：a ne x p l o m t o r yp r o d u c t i o np l a n n j n g s t u d y 【j 础u 蹦a lm a na g 锄e n t & d a t as y s t e l l l s ，1 9 9 9 ，9 9 ( 4 ) ：1 5 6 1 5 8 1 3 1 】舢e f e l dgh 渤e r g e rj o d u c t i o nt oh e a lc o m p u 僦o n s 【明n c wy o r k ： a c a d e m i cp r e s s1 9 8 3 【1 3 2 】m o o r e ，r e ，m 础o d s 趾da p p l i c a t i o n s o fi n t c a la n a l y s i s m 】，s i p u b l ，p h n a d e l p h试1 9 7 9 1 3 3 】赵晓煜供应链中二级分销网络优化设计方法的研究 d 沈阳：东北大 学，2 0 0 1 ：1 5 1 3 4 】i s h i b u c l l ih ，t 缸a l 【ah m l 埘o b j e c t i v ep r 0 班吼血n gi no p t i 商z a 廿o no f 恤 硫e r v a lo b j e c t i v e 缸l c t i o n 阴e i l m p e a j o 啪a lo fo p e r a t i o n a l 鼬s e a r 也1 9 9 0 ， 48 ：2 1 9 2 2 5 1 3 5 】s e n g u p t aa ，p a lt - k ，c h a k r a b o r t yd ，i 咖r e t i o n o fi n e q l l a 】i t yc o n s 廿a i n t s in v 0 1 讪gi n t e a lc o e m c i e n t s 妣das o l l n i o nt oh t c a l 协e a rp r o 铲锄i n i n g j 】， f 1 l z 巧s e t sa 1 1 ds y s t e m s ，2 0 0 1 ，1 1 9 ：1 2 9 - 1 3 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论义 8 0 0 n i n 1 1 0 0 m 范围内的分辨率r = 6 5 。这是一款唯一投入市场的采用硅微机械 技术的微型光谱仪。 图1 - 3 利用光纤耦台的光波导光谱仪 f 培1 - 3w a v e g u i d e - b a s e ds p c c 廿o m e t e r 们n 1 胁e r s f o r i i la n d o u tc o u p l i n g o f l i 鲥 使用s ；0 n 层作波导，此方法已得到实现，光波导的特性是能够在基片上 设计自聚焦光栅【8 1 0 在4 5 0 n m 处半极大全宽为9 n n l ，分辨率肛5 0 【9 。这些装 置和硅工艺技术并不直接兼容，光谱仪的分辨率限制了它的应用。 根据加工制造技术的不同，微小型光谱仪分基于传统加工制造技术而制作 的小型化光谱仪和依靠m e m s 等新技术制作的集成式光谱仪。前者以小型化 设计思想为指导，完美地采用现代科学技术最新技术和器件，则可以更快捷方 便地设计开发出微小型仪器，这是立竿见影的办法。这种方法可以充分利用现 有科学技术的成就，开发的多为小型光谱仪，或是传统光谱仪的小型化；后者 完全从微型化设计思想出发，探索全新分析检测机理、采用m e m s 等新技术 设计开发出新颖的仪器 1 ”。这种方法通常可以开发微型集成式光谱仪或者包含 集成式光谱仪的微型系统。 1 2 1 微型光谱仪的研究发展 1 2 1 1 基于光栅的微型光谱仪采用硅微机械技术在硅材料上制造集成光栅和 探测器阵列以实现可见到近红外波段微型光谱仪】，如图1 - 4 所示，它由两层 p 型半导体薄片组成，在薄片上生长一层n 掺杂外延层，衬底氧化层和氮化 层。在另一半导体薄片上，衬底金属层构成反射镜。在层中形成p n 结阵列， 金属层用来制造光栅和阻止二极管的直接发光。可控电化蚀刻用来在光栅和光 电二极管阵列之间形成一个光路。 哈尔滨_ t 业大学t 学硕十学位论文 3 2 单元4 u m 栅距对称光栅和2 h m 宽4 岬中心距的光电二极管被嵌入表面层 中。经光栅散射的光投射在半导体薄片微加工的倾斜面上，通过底面的半导体 薄片表面层和第二个倾斜面的反射后，检测光投射到光电二极管阵列上。这些 装置存在的主要问题是微机械表面的粗糙度，它导致了反射光的散射。 图1 4 采用硅微机械加上技术的微型光谱仪 f i g 1 - 4m i c r o - m a c h i i l e d 掣a t i n g b a s e dm i c r o s p e c 订o m e t e r 在红外光谱区域可变波长的微型光谱仪【1 2 1 已有相当发展，其光路和多缝光 栅分别是由硅、铝制造的。光在硅中的透射能力超过1 岬，这时的自由载荷的 吸收可以忽略。因此，用硅来确定光路要好于大气。同样，铝在红外光谱区也 可以用来制造光栅。红外微型光谱仪 1 3 如图1 5 所示，它由两个独立的半导体 薄片组成，半导体薄片的粘结是在最后一步工艺完成的。与应用在可见区域的 光谱仪相似，采用两个半导体薄片。硅的能带隙在红外光谱范围内不允许光子 探测，该系统采用热探测器。 图1 5 红外微型光栅光谱仪的示意图 f i g 1 - 5s c h e m a 6 cs 仃_ l l c t i | r co f t h eg r 撕n g i b 踮e di rm i c r 0 - s p e c t m m e t e r 光栅由3 0 或6 0 条狭缝组成，光栅常数范围在4 岬 2 0 岬。在底部半导体 _ 4 哈尔演t 业大学t 学硕士学位论文 用反射式，可以在一定程度上减少像差，并使工作光谱范围不受材料特性的影 响。 美国s t e l l a r n e t 公司制造的e p p 2 0 0 0 微型光纤光谱仪采用曲面全息像差校 准光栅分光，可直接与计算机的高速并口连接，最多配置1 6 个通道，光谱仪 完全固化，无活动部件。e p p 2 0 0 0 是一个适用于可见光到短波长的近红外波段 的高灵敏度综合系统。特别适用于需要高探测灵敏度的荧光和其它低光量测 量。此外，e p p c 2 0 0 0 可以方便地与相应的光纤、光源、探头以及其它光谱附 件配合使用。由于e p p 2 0 0 0 改进的探测器，使得绝大多数用户现在可以在将其 应用于包括化学分析、光度测量、荧光光谱分析等不同的领域。 重庆大学研制了一种小型光谱仪 3 w 4 】如图1 1 3 所示。它是以固态介质为 基底，利用固态介质的材料色散及结构尺寸的合理匹配，对系统的子午场曲进 行补偿，获得谱面平直的小型光谱仪。该光谱仪依然采用透射光栅色散，并利 用透镜成像，接收器件采用线阵c c d ，其计算得到的色散率约为1 2 4 n m 像 元。 图1 - 1 3 光学系统简图 f i g 1 - 1 3o p t i c a lp a 也d i a g r a mo f m em i c r os p e c 廿o m e t e r 从国内外小型光谱仪的发展现状可以看出，光谱仪小型化可以利用传统的 分光原理，再结合新技术、新器件而构成微小型化产品。小型光谱仪的发展应 该是以传统科学技术为基础，充分利用现代科学技术的研究成果，一方面朝着 商品化、模块化和批量化的小型光谱仪的方向发展，另一方面是丌发应用在航 天航空等领域的尖端分析仪器，利用小型化和微型化来减少成本，提高可靠 性。 x 坠兰堡三些奎兰三兰竺圭兰堡篁兰 中也包含了依赖集成光电二极管灵敏度的波长特性，在谐振器中的衰减主要来 源于反射镜谐振模式光吸收。 咖n 棚，i j 图1 111 6 位法布里珀罗通道的光谱响应 f i g 1 - 1 1s p e c n mr e s p o n s e so f t h e1 6f a b r y _ p e r o tc h a n n e l s 1 2 2 微型光谱仪的现状分析 1 2 2 1 光栅微型光谱仪分辨率分析光栅微型光谱仪的分辨率r = 聊。当仅用 一级衍射光谱时，光谱分辨率理论上应等于光栅狭缝数，即r = 。但这是在 假定发生夫琅和费衍射而不是菲涅尔衍射的基础上的。对于夫琅和费衍射，投 射到光栅与探测器面上的波前应是平直的，也即是说入射狭缝到光栅的距离与 光栅到色散光谱投射平面( 如探测器) 距离相等。 显然，在光谱仪的入口处放置准直光学器件，离开光栅的色散光经过聚焦 光学器件，这样就能够得到最小光学路径的平行光束。在入口处可以插入准直 透镜形成组合件，但目前还没有相关论述。在光栅与探测器之间制造聚焦光学 镜也是一个技术障碍。因此在现有的微型光谱仪装置内，光栅前后均无信号波 形修正。 1 2 2 2 傅立叶变换微型光谱仪分辨率分析利用片状光栅干涉仪可实现光谱测 量，这样可避免使用集成分束器，因而能利用方便的硅微加工技术进行加工。 类似于m i c h e l s o n 干涉仪，所记录的零级调制光强是光程差的函数，因此傅里 叶变换光谱测量法的基本方程适用于片状光栅干涉仪。光谱为记录光强的傅里 叶变换。般情况，这种类型的光谱仪适于波长大于1 0 0 啪的波段，而对于 较短波段，由于对光谱仪加工公差要求太严，故对大多数机械加工车间来说难 于实现。 1 2 2 3 法布里一珀罗千涉微型光谱仪分辨率分析法布里一珀罗干涉微型光谱仪 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 的光谱分辨率的受限条件与光栅光谱仪的不同。其光谱分辨率表示为 r = 卅刀以f l 一，) ，式中r 为腔面光强反射率 2 7 】，表明高分辨率意味着反射镜 的高反射率。另外，在谐振腔中高传输也是期望得到的，要求使反射镜金属膜 层厚度最小化。典型的反射镜金属膜层厚度大于1 5 姗，反射率p o 9 0 2 ”，最 大的传输率被限制为。x _ 1 5 。因此，理论分辨率限定为尺= 3 0 。在谐振腔中 低透光率导致了低的信噪比。高反射率、低吸收率的谐振腔可通过结合多层介 质反射镜来实现。然而如此交错材料堆置的制造与微电子工艺兼容性较差。 与大型光谱仪类似，通过使法布里一珀罗干涉微型光谱仪工作在更高级模 式下，其分辨率将会得到很大的改善。但是又会出现两个新的问题，首先，要 求的谐振腔的宽度与传统的微机械技术出现了矛盾( 在波长 = 6 0 0 m ，r = 1 0 0 0 时，要求卅= 7 3 ，谐振腔宽度d f p = 4 4 岬) ，其次，光谱分辨率变为主要受两反 射镜的平行性的限制。由于腔镜的不完全平行，导致如图1 一1 1 所示的分辨率 与理论值有很大的偏差。 1 2 3 小型光谱仪的发展及分析 美国o c e a no p t i c 公司推出的s 2 0 0 0 型微型光纤光谱仪2 9 3 ”，其工作原理 如图1 1 2 所示。被测光从光纤导入，经反射准直镜准直、平面反射式光栅分 光、反射式成像镜聚焦后，由c c d 进行探测。 图1 1 2 微型光谱仪结构示意图 f i g1 - 1 2s c h e m 撕cv i e wo f t l l em i c r 0s p e c m e t e r 其可测量的光谱范围为2 0 0 1 1 m 1 1 0 0 m ，它的光谱分辨率取决于光栅的类 型和入射狭缝的大小。灵敏度为8 6 光子记数、杂散光 0 9 0 口，最 大的传输率被限制为z ；。= 1 5 。因此，理论分辨率限定为月= 3 0 。在谐振腔中 低透光率导致了低的信噪比。高反射率、低吸收率的谐振腔可通过结合多层介 质反射镜来实现。然而如此交错材料堆置的制造与微电子工艺兼容性较差。 与大型光谱仪类似，通过使法布里一珀罗干涉微型光谱仪工作在更高级模 式下，其分辨率将会得到很大的改善。但是又会出现两个新的问题，首先，要 求的谐振腔的宽度与传统的微机械技术h 现了矛盾( 在波长 = 6 0 0 m ，r = 1 0 0 0 时，要求m = 7 3 ，谐振腔宽度面p = 4 4 岫) ，其次，光谱分辨率变为主要受两反 射镜的平行性的限制。由于腔镜的不完全平行，导致如图1 一l l 所示的分辨率 与理论值有很大的偏著。 1 2 3 小型光谱仪的发展及分析 美国o c e a no p t i c 公司推出的s 2 0 0 0 型微型光纤光谱仪2 ”，其工作原理 如图1 1 2 所示。被测光从光纤导入，经反射准直镜准直、平面反射式光栅分 光、反射式成像镜聚焦后，由c c d 进行探测。 图l - 1 2 微型光谱仪结构不惹图 f i g1 - 1 2s c h e m a t i cv i c wo f t h em i c r 0s p e c m c l e r 其町测量的光谱范围为2 0 嘶m 1 1 0 0 m ，它的光谱分辨率取决于光栅的类 型和入射狭缝的大小。灵敏度为8 6 光子记数、杂散光 删- _ m 0 2 n 弋 _ n = - o ( c h 2 ) 6 文一c h 2 c l ：o h c h c h 3 、c h 2 c h ，0 h 经d s c 和偏光显微镜研究表明，这类聚合物显示热致液晶性，羧酸基离 聚物在其分子量不超过临界值的情况下具有较宽的液晶相温度范围，而磺 酸基离聚物在分子量很低的情况下才具有液晶性，随分子量升高，离聚物便 失去了液晶性，只具有玻璃化转变温度。 液晶半远螯聚合物是一类典型的离聚物。由于其特殊的阳离子液晶基 元结构及其链间的相互作用性，这些聚合物有潜力作为不溶性聚合物与液 晶聚合物共混物的界面相容剂【1 4 】。 总之，液晶离聚物作为液晶聚合物家族中新秀，凭借其特有的离子间的 相互作用特性，在改善材料的力学性能、结晶性能和相容性等方面都显示出 了极好的应用前景1 3 0 。4 。然而，液晶离聚物离工业化的实质性应用还有相当 畸尔滨工业大学工学硕上学位论立 d f s i n f + s i n f t l = ，辩 ( 2 3 ) 式中f 入射角； f f 衍射角； d 光栅周期； m 光谱级次( 为整数，m = o ，士1 ，士2 ) 。 对于给定的光栅，可观察到的最高光谱级次是受限条件为： i s i n f + s i n f l 2 于是孕 ( 2 4 ) 图2 2 平面衍射光栅色散原理不恿图 f i g 2 - 2s c h e l n “cd i a g r a mo f p l a n ed i 丘h c t i o ng r a t i n g 2 2 2 2 光栅的角色散率光栅的角色散率表示波长差为觑的二个波长的光线在 空间被光栅分开角度的大小。由光栅方程( 2 3 ) 变换可得光栅的角色散表示式 为： 旦= 竺 ( 2 5 ) 以d c o s f i 由式( 2 5 ) 可见光谱角色散率与光栅周期d 成反比，在遵守式( 2 - 4 ) 的条件下， 选用d 值小的光栅，可获得大的角色散。光栅的角色散率与衍射角f 的余弦成 反比，当衍射角增大时，角色散率增加。当衍射角f 很小时，c o s f 近似等于 1 ，这时角色散率为： 旦。里：常数 d 旯d 2 2 2 3 光栅的线色散率光栅的线色散率为角色散率与成像物镜的焦距的乘 积： 哈尔滨t 业大学t 学硕士学位论文 鱼：坐，：生( 2 6 ) d z 肌。d c o s f f 2 2 2 4 角放大率光栅在予午面内的角放大率决定于入射光束的入射角余弦和 衍射光束的衍射角余弦之比： 西 c o s f y 2 i 2 面 零级光谱两边正负光谱级的角放大率随着衍射角的增大而增大。 2 2 2 5 理论分辨率光栅的分辨率以尺= 旯以来表示，根据分辨两条波长差为 以的等强度谱线的瑞利判据可得： r ：三：m ( 2 7 ) 棚 式中肛一光栅总刻痕数目。 式( 2 7 ) 为光栅理论分辨率。为了提高分辨率，应采用高光谱级次及增加 总刻线数。由于受光栅刻划工艺过程的限制，增加总刻划线数只能通过减小光 栅刻划间距矗来实现，然而从( 2 4 ) 式知减小光栅常数和采用高级次光谱存在 矛盾。 设光栅长度为，由( 2 7 ) 式得： d = l m 幽丑 ( 2 8 ) 由上式可知工作波长在5 0 0 啪9 0 0 n m ，幽 工，故此时，) 只出现在五= l m 间，因此 在采用式( 3 1 8 ) 计算h ) 时不会出现零点问题。故可由式( 3 1 8 ) 求出实际的光 谱信号频谱，然后通过傅立叶变换求出实际的光谱信号，即： ，、乜，、，f ，b j = f 。1l j 日j f f 1 ，m 从而消除由像敏单元宽度对光谱峰值定位造成的误差。 综上所述，在光谱仪中谱线的峰值定位直接关系到测量光谱波长的准确 性，在采用光电阵列探测器的光谱仪中，由于像敏单元存在一定的宽度，从而 对非对称型光谱峰值的定位带来不可避免的误差，理论上可通过减小像敏单元 的有效宽度来提高定位精度，但由于像敏单元宽度直接关系到阵列探测器的灵 敏度，因此不能无限的减小像敏单元宽度；为了能够保证系统的灵敏度，同时 提高系统的波长测量准确性，也可以通过改善系统的光学系统，提高光谱的成 像质量和谱线的对称性，然而这可能使光学系统的结构复杂化，从而不利于光 谱仪的微型化和集成化。我们发现在满足采样定理的前提下，理论上采用频域 反卷积的方法，可以完全恢复原始光谱信号，从而消除这种由于像敏单元宽度 对光谱峰值定位造成的亚像元误差。 3 3 电荷耦合器件c c d 电荷耦合器件( c c d ) 是一种新型的固体成像器件，由于c c d 是以时间积 分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应 性强，c c d 的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测 量控制系统，广泛应用于光谱测量及光谱分析引j 2 1 ，文字与图像识别，光电图 像处理，条形码识别及空间遥感等众多领域。 3 3 1t c d l 3 0 4 a p 线性阵列c c d 的性能指标 在微小型光谱仪的设计中我们采用了日本东芝公司的线阵电荷藕合器件 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 ( c c d ) t c d l 3 0 4 a p ，其结构如图3 9 所示。它由3 6 7 8 个光电二极管构成像敏 单元阵列，其中前1 6 个和后1 4 个是用作暗电流检测被遮蔽的，图中用d n 符 号表示。中间3 6 4 8 个光电二极管是曝光像敏单元，图中用s n 符号表示。像元 尺寸为8 m x 2 0 0 肛m ，中心间距为8 岬，像元阵长2 9 1 8 4 m m ，像敏单元的两侧 是用作储存光生电荷的m o s 电容阵列。m o s 电容阵列的两侧是转移栅电极 s h 。转移栅的两侧为c c d 模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出和补偿输 出单元构成。c c d 驱动电路一般有3 路脉冲，即s h 、中m 、i c g 三路。s h 是 光电荷转移脉冲，其下跳沿即每幅图像输出的起始点。m m 为主时钟脉冲电 压，它将转换到移位寄存器上的光电荷向输出极传递。i c g 为集成清除栅，它 可清除输出极输出一个单元的电荷后所剩电荷，以保证下一个单元的电荷电压 的正确输出。 图3 9t c d l 3 0 4 a p 电路图 f i g 3 9c i r a md i a g r a mo f t c d l 3 0 4 a p t c d l 3 0 4 a p 的光电特性见下表3 1 。表中数据是在满足以下条件的前提 下得到的：矗= 2 5 ，= 4 o v ( 脉冲) ，吆d = d = 4 o v ，知。0 5 m h z ， z k t = 1 0 m s ，负载阻抗为1 0 0 k q ，光源是日光荧光灯，其中死是实验环境温 度，是直流输入电压，d 是输入补偿电压，是时钟脉冲电压，知是时钟 脉冲频率，湘t 是积分时间。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 表3 1t c d l 3 0 4 a p 光电特性 1 曲3 - 10 p 吐c a 1 e c 衄c a lc h a r a c t e r i s d c so f t c d l 3 0 4 a p 特性符号最小值典型值最大值单位 灵敏度 月1 1 01 6 0v l x s e c 光响应非均匀性 p r n u1 0 寄存器不平行性 j u3 饱和输出电压蚝a t 4 5 06 0 0m v 暗信号电压 2 5 m v 总转移效率m 9 29 5 动态范同 d r3 0 0 饱和曝光量 s e0 0 0 4l x s e c 直流电压耗散 p d2 57 5m w 直流输出信号电压s 1 5 2 5 3 5v 输出阻抗 z bo 51 ok o t c d l 3 0 4 a p 的光谱响应特性曲线见图3 1 0 所示。 s p e lr 巧啦 ， 、 ，、 h - 为t 、 、 、 、 、 似挑“黼州 m l 图3 1 0t c d l 3 0 4 a p 的光谱响应曲线 f i g | 3 - 1 0o p t i c a ls p e c 缸u mr e s p o n s ec h a r a c 硎s 虹co f t c d l 3 0 4 a p 动态范围d r = 蚝a r d k ，式中，蚝a t 是所有有效像元最小的饱和电压， d 。暗信号电压，即对应于暗电流的电压输出。o x 正比于积分时间，所以 积分时间越短，相应的动态范围越大，如图3 1 1 所示。动态范围表征的是 c c d 器件的一种综合性能。当同时检测包含强度差异很大的光谱信号时，较 哺暑。鸯揣芑雪山簟 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 低的动态范围使得微弱信号无法识别出来或者是强信号达到饱和，从而也无法 实现精确的测量。 雏 l 任a m nt 哪e t l n t 图3 1 1 暗信号电压曲线 f i g 3 - 1 1c u r v eo f 恤d a r ks 咖a lv 0 1 诅g e 3 3 2c c d 噪声的分析与处理 c c d 的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中央杂着各种噪声和干 扰。噪声的存在将直接影响光谱信号的检测。利用光纤或狭缝的光谱仪产生的 光谱信号属于微弱信号，如果噪声成分较大而将微弱的光谱信号淹没在其中， 这将增大了检测的难度，甚至无法进行检测。为此必须对c c d 噪声的种类、 特性有所了解，并针对各种噪声进行相应的去噪处理。 3 3 2 1c c d 的噪声分析在c c d 中存在以下几种主要噪声： ( 1 ) 光子噪声 4 3 光子发射是随机的，因此，势阱收集光信号电荷也是一 个随机过程，这就构成了一种噪声源，它是由光子的性质决定的。这种噪声在 光谱仪检测微弱信号时会较严重。 ( 2 ) 散粒噪声m 光注入光敏区产生信号电荷的过程是随机的。单位时间 产生的光生电荷数目在平均值上作微小波动，即形成散粒噪声。散粒噪声与频 率无关，在所有频率范围内有均匀的功率分布( 白噪声特性) 。低照度、低反差 条件下，当其他噪声被各种方法抑制后，散粒噪声将成为c c d 的主要噪声， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 并决定了器件的极限噪声水平。 ( 3 ) 肥零噪声肥零，即采用肥零电荷填充势阱位置，使信号电荷可以通