（光学工程专业论文）多通道快速光谱测试系统及其应用.pdf

丫6 8 9 2 9 8 摘要 本论文在进行大量市场调查后， 介绍了多通道光谱测试技术的发展、 现状和 趋势，利用凹面平场光栅色散成像原理和多通道传感器n mo s的高灵敏快速探 测， 研制了一套多通道快速光谱测试系统， 它包括光学系统、 电子电路系统和软 件系统三大部分。 最后推荐介绍了 该系统在各种光色度测试中的应用。 木论文课题的光学系统采用双入射狭缝、凹面平场光栅和阵列 1 0 2 4像元 n mo s 探测器构成，电路系统由n mo s 驱动器、高速脉冲产生器、高速a 1 d芯 片( 2 m 1 6位) 和高性能单片机组成， 而软件系统也很直观简便，软件对系统采 用3 次多项式的波长定标和逐个像元纠正的灵敏度定标方式， 相同的光谱测试界 面和多种多样的参数显不界面，满足不用应用的要求。本系统仪器外形小巧 ( 0 , 5 mx 0 .2 mx 0 . 3 m ) ， 但能实现m s 量级的测试速度、 1 9 0 n m - 9 0 0 n m的光谱测 量范围、 0 .2 n m的 测量精度， 1 护的 动态范围 等的性能要求。 它的性能决定了 它 可以有很多的应用领域和场合。 论文第章主要说明了光谱测试仪器的发展、现状、趋势和可应用的 领域; 第二章分析了 多通道光谱测试的基木原理， 包括凹面光栅的分光成像原理、 多通 道光谱成像测试系统的一些基本结构、光谱测试应用中相关的光色度参数定义、 多通道光谱测试常用的探测器等; 第三章介绍了本课题系统的设计方案， 并分别 具体介绍了其光学系统、 电子电路系统和软件系统的设计。 第四 章介绍了 本课题 系统的性能指标测试结果和部分具体应用领域实例。 第五章总结了本论文的成果 和本论文课题系统的特点，并提出改进的意见。 关键词: 光 谱 测 量 、 多 通 道 、 测 试 系 统 a b s t r a c t w e i n tr o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t o f m e a s u r i n g s p e c t r u m t e c hn i q u e , e s p e c i a l ly m u l t i c h a n n e l m e a s u r i n g t e c h n i q u e f o r s p e c t r u m , fr o m p as t t o t h e f u t u re a ft e r i n v e s t i g a t i n g t h e m a r k e t o f s p e c t r o m e t e r s f u l l y . t h e n w e d e s i g n a m u l t i c h a n n e l a n d f a s t m e a s u r e m e n t s y s t e m o f s p e c t r u m , b a s i n g o n t h e d i s p e r s i o n a n d i m a g e p r i n c i p l e o f c o n c a v e fl a t - f i e l d g r a t i n g , a n d h i g h s e n s i t i v it y a n d f a s t r e s p o n s e p e r f o r m a n c e o f n mo s l in e a r i m a g e s e n s o r . t h i s s y s t e m i n c l u d e s t h r e e s e c t i o n s : o p t i c a l s y s t e m , e l e c t r o n i c c i r c u i t s y s t e m a n d s o f t w a r e s y s t e m . a t l a s t w e r e c o m m e n d m a n y i t s a p p li c a t i o n s i n o u r d e s i g n , it s o p t i c a l s y s t e m i s w i t h t w o e n t r a n c e s l i t s , c o n c a v e fl a t - f i e l d g r a t i n g a n d 1 0 2 4 - p i x e l n mo s d e t e c t o r . e le c t r o n i c c i r c u i t s y s t e m m a k e s u p o f n mo s d r i v e r c i r c u i t , h i g h - s p e e d p u l s e g e n e r a t o r , h i g h - s p e e d a / d c o n v e r to r ( 2 m, 1 6 b i t ) a n d m ic r o c o n tr o l l e r . t h e s o f t w a r e s y s t e m i s v i s u a l a n d c o n v e n i e n t , a n d i t c a l i b r a t e s t h e w a v e l e n g t h w i t h c u b i c e q u a t i o n a n d t h e s e n s i t iv i t y f o r a l l p i x e l s . t h i s s y s t e m c a n a p p l y a l l k i n d o f f i e l d w i t h d if f e r e n t p a r a m e t e r s d i s p l a y i n t e r f a c e . t h i s s y s t e m r e a l i z e s m s r a n g e m e a s u r i n g s p e e d , 1 9 0 n m - 9 0 0 n m s p e c tr u m r a n g e , 0 .0 2 n m m e a s u r i n g p r e c i s j o n ,1 0 5 d y n a m ic r a n g e , t h o u g h o n ly w it h 0 .5 m x 0 .2 m x 0 .3 m s iz e . t h o s e a d v a n t a g e s e x t e n d i t s a p p l i e d s i t u a t i o n a n d fi e ld i n t h e fi r s t c h a p t e r , f r o m p a s t t o t h e f u t u r e w e a n a l y s e d e v e l o p m e n t o f s p e c t r u m m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e a s a w h o l e , t h e n b r in g f o r w a r d t h e s u m m a r y a n d m e a n i n g o f o u r s y s t e m . i n t h e s e c o n d c h a p t e r , w e i n t r o d u c e t h e b as i c p r i n c i p l e a n d t h e o r y o f o u r s y s t e m , i n c l u d i n g t h e d i s p e r s i o n a n d i m a g e p r i n c i p l e o f c o n c a v e g r a t in g , s o m e b a s i c o p t i c a l s t r u c t u r e s o # m u lt i c h a n n e l s p e c t r o g r a p h , d e f in i t i o n s o f s o m e c o l o r p a r a m e t e r s i n s p e c t r u m - m e a s u r i n g a p p l i c a t i o n s , a n d p r i n c i p l e o f s o m e m u l t i c h a n n e l d e t e c t o r s . t h e t h i r d c h a p t e r , w e d i s c u s s h o w w e d e s i g n a n d c a l i b r a t e t h e f o u r th c h a p t e r , w e t e s t p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f o u r o u r s y s t e m i n d e t a i l . a n d i n s y s t e m a n d i n t r o d u ce s o m e e x a m p l e a p p l i c a t i o n s o f o u r s y s t e m , a n d a t last c h a p t e r w es u mma r i z e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f o u r s y s t e m a n d a d v a n c e s o m e i m p r o v e d s u g g e s t s f o r t h e f u t u r e ke yword: s p e c t r u m m e a s u r e m e n t , mu l t i c h a n n e l , me a s u r i n g s y s t e m. 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 . 1 光谱测试仪器的发展 1 、光谱仪器概述 光谱仪器是一种利用光谱的 色散原理设计而成的 光学仪器5 1 。 传统的光谱仪 器由 三部分组成4 1 : 光源及照明系统、 分光系统和接收系统， 在现代光谱测试系 统中，接收系统往往由光电探测器、电信号处理电路及计算机等组成。 光源可以是研究的对象， 也可以作为研究的工具照射被研究的物质。 一般而 言， 发射光谱学中的光源是研究对象; 而吸收光谱学中的光源是照射工具。 为了 提高光谱测量系统的 光信号强度， 必须精心设计照明系统4 1 分光系统是任何光谱仪器的核心部分4 1 。 传统的 分光系统由 聚光光元件、 色 散元件和聚焦元件构成。 由狭缝发出的光束经过准光元件， 变为平行光束射入色 散元件，由色散元件将进入的单束“ 白光” 分解为多束单色光， 再经过聚焦元件 按波长的顺序成像于焦面上。 一个由“ 白 光” 照明的狭缝经过分光系统而变为若 干个单色的狭缝像，这就是目 前广泛使用的 c - t式光谱仪器的分光系统的基本 原理。 光谱仪器接收系统的作 用是记录光谱成份的波长和强度4 1 。 有目 视系统、 摄 谱系统和光电系统， 前两种是比较传统的类型， 后一种就是现代光谱测试系统最 重要的组成部分。 光谱仪器有很多的种类，根据工作原理有空间色散和调制光谱两类仪器， 也分别称狭缝光谱仪器和圆 孔 ( 无狭缝) 光谱仪器; 根据色散元件分光有棱镜光 谱仪、 光栅光6ri 仪和干涉光谱仪; 根据出射狭缝， 有单通道光谱仪和多通道光谱 仪;根据光谱区划分有真空紫外v u v光谱仪、紫外光谱仪、可见光谱仪和红外 光 谱 仪 等 等 6 1 由于本课题采用的是光电式光谱仪，所以下面对光电光谱仪作进一步分析。 光电光谱仪根据光学结构的不同， 可分为单通道机械扫描型和多通道电子扫 描型两类。 单通道扫描型仪器是通过转动光栅对光谱进行扫描测量。 可随意选择 分析谱线和其他参量， 具有很好的灵活性。由于它对分析谱线逐一顺序测量， 故 浙江大学硕士论文 分析速度慢， 工作参数较容易漂移。 多通道同时型的光学系统与分析通道相对固 定，多通道同时测量，分析速度快， 漂移小，精度高， 但选线不灵活， 应用上有 一 定的局限性。 使用时可根据需要， 对这两类仪器作出选择。 对于样品分析数量 很大、 要求测定元素事先可确定的分析工作， 宜采用多通道同时型仪器， 对于那 些事先不确定的分析工作， 则可采用单通道扫描型仪器。 为了弥补这两类仪器的 不足， 一些厂家将固定多通道仪器与单通道扫描仪器进行组合， 设计出一 种新型 n + l 通道光电光谱仪。如j y公司的j y 7 0 c , l e e m a n l a b s 公司的p s 3 0 0 0 型都 属于单通道加多 通道复合型光电 光谱仪1 1 1 根据使用波长范围的不同，光电光谱仪还可以分为真空型和非真空型两类。 非真空型仪器工作波长范围一般为紫外线区和可见区; 真空型仪器则可用于更短 的波长范围， 一般小于1 7 0 n m。 采用表面涂以氟化镁的特殊光栅和特制真空系统 可 使波长范围 扩展到1 4 9 n m ， 如b a i r d 公司的v d - 6 n 光电 光 谱仪d 2 、光谱仪器的发展 光谱仪器的 发 展大 约 经历了以 下几个大的 发 展阶 段4 1 . 1 ) 光谱仪器的形成时期 ( 1 6 6 6 年至1 8 5 9 年) ; 2 )光谱仪器作为实验室研究l 具的阶段 ( 1 8 5 9 年至1 9 2 8 年) ; 3 )光谱仪器在工业中应用的阶段一一光谱仪器制造工业的形成和发展阶段 ( 1 9 2 8 年至1 9 4 4 年) ; 4 )光谱仪器实行光电化、自 动化、微型化、快速化、专业化和发展新原理阶段 ( 1 9 4 4 年以后) 。 1 8 5 9 年本生和基尔霍夫研制出第一台实用光谱仪，1 9 9 4 年海斯勒和迪物介 绍了美国a r l公司生产的光电直读光谱仪。随着光电技术的发展，新型光源不 断出现。1 9 7 4年商品电感祸合等离子体光谱仪问世，此后光电 光谱仪得到迅速 发展和提高，并日 趋完善和标准化f l l j y公司的j y 3 8 s 和j y 2 4 单通道扫描直读光谱仪采用大面积、高 刻线全息 离子刻蚀光栅，光栅面积 8 0 m mx 1 1 0 m m ,最高刻线密度 4 3 2 0线/ m m，具备四 种高光通量的全息光栅供选择。 j y 3 8 s 使用背靠背栅座， 可选择2 块光栅， 通过 控制光栅闪耀角，可任意选择闪耀波段，具有极好的分辨率。在谱线密度的 浙江大学硕士论文 1 6 0 - 4 5 0 n m波段， 有独特的狭缝装置， 设有两种不同宽度的出射和入射狭缝， 有 计算机控制，可任意组合，用户可根据不同分析对象选择不同狭缝。 l e e m a n l a b s公司研制的 i p c / e c h e l l e光谱仪采用中阶梯光栅一弧面棱镜/ 透镜交叉色散光学系统， 巧妙的将色散棱镜与聚焦透镜结合为一体， 节省了空间， 减少了光的损失， 克服了平面棱镜交叉色散产生的三维光谱焦面， 使待测谱线都 落在同一平面 匕 可以高速准确方便地进行扫描或直读测量。 h il g e : 公司e 9 8 0 c 系 列 光电 直 读光 谱 仪的 全 息 光 栅是 用 一 种 新 型的 、 膨 胀系 数接近零的玻璃陶瓷制作的，减少了仪器对环境温度的要求，降低了实验费用。 s p e c t r o l a b 高级直读光谱仪采用光导纤维和多光栅技术， 可在1 2 0 - 1 8 0 n m区 间任波长，最多可设置8 0 个分析通道，克服了单光栅系统所带来的一切弊端。 采用光导纤维技术， 可最大限度的消除基体效应， 无需对干扰元素的影响进行校 正，从而使仪器的分析准确度得到明显的改善和提高。 t j a公司的a t o m s c a n l 6 / 2 5 单通道扫描等离子体发射光谱仪及t r a c e s c a n 痕 量扫描等离子体发射光谱仪， 采用无齿轮电磁驱动光栅装置， 消除了齿轮机械驱 动引起机械磨损而使扫描准确度下降的弱点， 从而提高了谱线扫描准确度。 采用 无齿轮电 磁驱动的另一优点是加快了 扫描速度，从1 6 0 n m到8 5 0 n m全波长只需 2 0 ms o 一般扫描型i c p是采用转动光栅的方式寻找待测谱线， 其缺点是不能快速准 确的检测到完整的信号。l e e m a n公司扫描型光谱仪则采用独特的直读式扫描原 理， 将 1 7 8 - 8 0 0 n m间的 光谱成像在二维光谱焦面一块刻有数千条出 射狭缝的多 缝板上， 从中选取一条或数条谱线， 计算机按照预先标定好的谱线位置参数， 控 制光电倍增管移至该位置， 自 动校准系统控制多缝板移动， 使谱线准确落入狭缝， 对信号进行测量。整个过程由计算机精确控制并在 i s 内完成。 谱线经过入射狭缝及光栅分光后具有一定弯度， 如用一般直式出射狭缝， 两 条非常接近的 谱线会相互干扰。 h i l g e r 的e 9 8 0 c 系列光谱仪， 狭缝板上的 狭缝具 有适应谱线的弯度， 这样谱线通过狭缝时就不会造成损失， 仍保留原来的光强度， 两条非常接近的谱线也不会互相干扰。 t j a公司的i r i s 和i r i s a p 全谱直读等离子体光谱仪采用圆 形狭缝， 轴向 对 正等离子体的样品通道， 采集样品区的信号， 而把绝大部分的背景信号和某本信 浙江大学硕士论文 号 阻 挡 在 狭缝 外， 使 背 景比 明 显 提高 1 l 光电光谱仪的检测系统是将分光系统产生的分析元素谱线强度信一号， 通过光 电转换元件转化成光电流信号， 然后通过积分电容、 控制系统、 放大系统等进行 自 动检测。 近年来，电荷转移器件 ( c t d ) 作为新一代光电转换检测器， 它是以半导体 硅片为基材的光敏元件制成的多元阵列集成电路式焦平面检测器， 其中用的较多 的有电荷藕合器件 ( c c d ) ，电荷注入器件 c i d) ，电荷祸合光电二极管器件 ( c c p d ) 和自 扫描光电二 极管阵列 ( s s p d ) 111a p e 公司的o p t i m a 3 0 0 0 系 列光谱仪 采用的 是 新一 代s c d检测器。 这 是一 种 分段式c c d检测器，是将光电效应和集成电路放大器一体化的半导体集成块。 它还包括照相快门系统和处理接收信号的计算机软件。量子效率平均高于7 0 %, 光谱范围1 6 0 - 1 0 0 0 m n 。各区段子阵编码，直接寻址读写。子阵各自 屏蔽，信号 不会溢入相邻子阵， 灵敏度比光电倍增管高5 倍， 探测速度比扫描式光电倍增管 高几百倍。 t j a公司的i r i s 和i r i s a p 均采用t j a公司的c i d检测器。在c i d中， 一个点阵就是一对硅型金属一氧化物半导体 ( mo s )电容。 当光子碰撞到任一点阵时， 便产生电荷， 并被储存在电容中， 每一点阵相当 于一个光电倍增管。c i d片上有5 1 2 x 5 1 2 个点阵，相当于2 6 万个光电倍增管， 可储存 2 0 0 0 0条光谱线供随时调用。它可以用于同时记录某光谱区所有光谱信 息， 兼有多通道和单通道扫描型的优点， 可进行光谱干扰和谱线空间分布行为研 究，覆盖 1 7 0 - 9 0 0 n m的连续波长范围，检出限类似于光电倍增管，但动态线性 范围更宽， 可连续测定光电 信号， 并克服光谱干扰i l l 目 前研制多通道光谱仪的 单位厂家还是比 较多的。 如a c t o n - r e s e a r c h , o c e a n o p t i c s , g a m m a s c i e n t i f i 。 等世界知名光电 仪器公司都推出了 它们的 基于c c d光 谱测试系统，它们的产品基本代表了目 前行业的发展水平。 如 a c t o n - r e s e a r c h 公 司 的 i n s p e c t r u m t m 1 5 0 / 3 0 0 系 统 14 0 1 ， 是1 5 0 - m m / 3 0 0 - m m , f / 4 图 像c z e m y - t u rn e r 摄谱仪， 利用h a m a m a t s u 公司的1 0 2 4 x 1 2 4 , 1 0 2 4 x 1 2 2 , 1 0 2 4 x 2 5 2 , 1 0 2 4 x 2 5 0 象元的 c c d ，在正常情况下置冷在一 2 0 0 c 中。入射狭缝宽度可 m ( 2 5 , 5 0 , 1 0 0 , 2 5 0 , 5 0 0 , 1 0 0 0 hu m ) ， 不同 的 测量要 求可以 配置 不同 的 光 栅。 用 浙江大学硕士 论文 1 2 0 0 - g / m m 光栅当 狭缝为1 0 - m m 时，在4 3 5 . 8 n m 处波长分辨率为0 .4 n m, 1 6 位的 数 据采集， 频率为1 o o k h z ， 读出 率1 0 s p e c t r a / s e c o n d ( 内 置决 门) 或5 0 s p e c t r a / s e c o n d ( 无快门) 。 o c e a n o p t i c s 现在典 型的 款 微型 c c d 光 谱 仪s 1 0 2 4 d w x 14 1 1 ， 探测器是 h a m a m a t s u 的1 0 2 4 象元线阵 c c d s 3 9 0 4 :井深可达1 5 6 , 0 0 0 , 0 0 0 个电子 ;信噪比 为 8 0 0 0 : 1; a / d 分辨率最高是1 6 b i t; 暗噪声以1 - 2 r ms 计数 ; 校准线性) 9 9 % ; 入光口 为s ma 光纤接口; 采用6 0 0 线/ m m , 5 0 0 n m 闪 耀光栅， 光谱范围 2 0 0 - 1 1 0 0 n m ; 予装狭缝( 5 , 1 0 , 2 5 , 5 0 , 1 0 0 , 2 0 0 1 m) ， 分 辨率最高可达1 - 8 n m ; 杂散光 0 . 0 5 %在 6 0 0 r im , 0 . 1 0 %在4 3 5 nn，在2 5 0 n m 0 . 1 0 %。价格大约为8 千美元。 g a m m a s c ie n t i f i c 推荐的高精度c c d 光谱仪是g s - 1 2 0 0 s e r i e s r a d o ma s ， 也 是采用线阵1 0 2 4 象元的c c d 作为其探测器冷却在2 0 0 c至 一 4 0 0 c 士 0 . 1 0 c ， 动态 范围 3 2 , 0 0 0 : 1 ， 探测波长范围从2 0 0 nn 一 5 5 0 n m , 2 6 0 n u n 一 9 0 0 n m , 3 8 0 u r n 一 8 1 0 n m ， 或3 0 0 nn 一 1 2 0 0 nn可选。 光谱测量的捕获时间 是3 0 m s ， 波长重复性可达 0 .0 2 n m，波长测量精度视狭缝宽度等因素可从l n m - o . l n m 不等。 国内的c c d 光谱仪研制水平就比国外的稍微逊色了。 如2 0 0 2 年华中科技大学 的一个线阵c c d 多通道光谱仪，t c d 1 4 2 d 型2 0 4 8 象元线阵c c d 探测器，动态范 围1 5 0 0 : 1 ， 最小照度即 灵敏度为6 .o v / ( l x s ) ( 对2 8 5 4 k 的 钨丝灯测得) ， 光栅6 0 0 条 / m m ，闪耀波长5 0 0 n m。入射狭缝调节范围1 m m -0 .0 2 m m，调节精度0 .0 1 m m , 在5 4 6 . 1 n m 处 波长 分 辨率大约 为1 .6 n m 左右 3 。 而 很多 的国内 厂商 所谓的 c c d 光谱 仪只是简单的将扫描式的单通道光谱仪的出射狭缝放宽并用c c d 代替单通道探 测器而已，也很少进行多次方的光谱纠正。 3 、光谱仪器的应用 根据研究目的，光谱仪器的应用范围可归纳为如下几个方面: 1 ) 研究物质的辐射; 2 )研究光与物质的相互作用; 3 )研究物质的结构即原子结构和其能级的分布与变化等; 4 ) 进行物质的定性和定量的光谱分析; 5 ) 研究遥远的星体和太阳的大小、质量、温度、 运动速度和方向等4 1 浙江人学硕士论文 根据生产所需，光谱仪器应用于: 1 )重工业中 2 )轻工业中和农工业中; 3 )生物学和医学中; 4 )物理学和化学中; 5 )天文学和空间物理学中4 1 4 、发展趋势 1 )全谱直读 由新一代固态成象光电转换器件与中阶梯光栅相结合， 形成的单通道扫描和 多通道直读饿复合型光电 光谱仪，实现了全谱直读，是9 0 年代的新产品。 8 0 年 代初， l e e m a n l a b s 公司 首次 推出了p l a s m a s p e e 型光 谱仪， 采用移 动检测器的方式代替转动光栅， 将扫描型仪器对不同样品使用不同谱线的灵活性 与多通道同时型仪器在预定波长位置进行信号积分合二为一， 设计出一种直读扫 描型光谱仪，这就是最初的全谱直读。 近年来， 许多厂家凭借多年的光学设计经验和崭新的电子技术， 相继推出一 批不同 类型的 全谱 直读光谱 仪， 如t j a公 司的i r i s 型、 p e 公司的o p t i m a 3 0 0 0 型等离子体光谱仪、 b a ir d 公司的a t o m c o m p 2 0 0 0 型直流电 弧摄谱仪， 均是采用 中阶梯光栅与c i d或c c d阵列检测器，实现全谱直读。j y公司的j y - 1 3 8 型高 速扫描等离子体直读光谱仪， 通过采用高速自 动增益控制采集术、自 动快速扫描 i m a g e 软件，实现全谱直读。 l e e m a n l a b s 公司的p s 3 0 0 0 扫描 / 直读联合i c p 发 射光谱仪， 直读部分采用阵列式光电倍增管设计， 扫描分析和直读分析共享同一 光学系统， 可同时 测定4 5 个元素 i 1 全谱直读光谱仪具有多通道同时型和单通道扫描型的特点， 并且弥补了它们 各自的不足，成为现代发射光谱仪的典型产品。 ( 2 )一机多用 为了提高工作效率， 节省时间，降低成本， 有些型号的发射光谱仪可以一机 多用， 如l e e m a n l a b s 公司 最新推出的a n a l y t e 1 6 光谱仪， 具有电 弧 / 火化， x荧 光和原子吸收光谱仪的多种特点， 使这三种仪器的优越性都得以充分体现，日 前 浙江大学硕上 论文 己广泛用于钢铁、冶金、石油、化工、土壤、地质、 矿产、电镀、陶瓷和环保等 各个领域。 t j a公司的a a s c a n系列扫描原子吸收/ 发射光谱仪， 可使用火焰、 石墨炉、 火焰发射、 氢化物、汞冷原子蒸气等方法， 实现全自 动多元素分析1 1 1 ( 3 )小型化、专用化 由于科学技术的飞速发展， 为满足现场分析或专门 用途分析的需要， 有些厂 家推出一些小型便携式、移动式或专用发射光谱仪。 s p e c t r o 公司的s p e c t r o c a s t 光谱仪 是 4种台 式 光 谱仪，由于 设计 精巧 ，占 用 空间小， 重量轻， 仅重6 5 k g ， 使用方便，易于放置和搬运2 1 s p e c t r o t e s t 和s p e c tr o t e s t j r 是s p e c t r o 公 司 推出 的 两 种 新 一 代 移 动 式 光 谱仪， 仪器底部装有4 个大轮子，可以方便地推到工作地点。从光学系统到启动按钮， 所有部件都适于常年在现场工作。 光谱枪配有多种样品夹具， 以适应分析不同几 何形状样品的需要。 s p e c t r o 公司的s p e c t r o p o r t 型、 b a i r d 公司的m o a型、 a r u m公司的m e t a l s c a n 1 6 2 5型都是便携式光电光谱仪，仪器结构紧凑， 配备齐全，体积小，重量轻。 s p e c t r o p o r t 型 重3 3 k g ， 而m e t a l s c a n 1 6 2 5 型 仅 重1 9 k g 2 1 。 便 携 式 光 谱 仪 可 满 足 各 种分析要求， 它既能安装在仪器架上， 也能放在设备内部， 甚至可以在汽车或飞 机上工作。 针对某些特殊用途而设计的专用仪器近年来也不断出现， 如岛津制作所研制 的智能型p d a - 5 5 1 0 型光谱仪就是为铸铝行业研制的 专用分析仪器， 内 存铸铝行 业所需的 2 0条分析元素工作曲线。p d a - 5 5 2 0是岛津推出的铸铁分析专用光谱 仪。 b a i r d 公司的m o a是油料分析专用光谱仪， 它无需对油样进行任何预处理， 可在3 0 s 内 完整的分析出油 样中3 0 种元素及其含量2 1 ( 4 )全自 动分析系统 随着生产过程自 动化程度的不断提高， 对全自 动化分析系统的需要也越来越 迫切。 s p e c t r o 公司的s p e c t r o t e s t r o b o t i c 自 动光谱检测仪是一种用于产品 质量分类 的自 动检测仪器， 可以直接用于材料生产线， 对产品进行自 动质量控制。 该仪器 由s p e c t r o t e s t j y或s p e c t r o t e s t 移动式 光谱仪、 磨样 狈 试单元 和控制单 元组 成， 适用于检验大批量几何形状相同的部件，如型钢、 钢管、 钢板、法兰盘等。 工作 浙江大学硕士论文 程序和仪器各种功能可以通过安装在生产线旁的控制单元来控制。 s p e c t r o 公 司的s p e c t r o l u x 全自 动 光谱分析 实 验室， 是由s p e c t r o l a b 高 级直读 光谱仪配以自 动机械手、带式磨样机及其它有关设备，组成的全自动分析系统。 该系统使用 卜 分简便， 只要把试样放入样品柜中， 按下 “ 启动” 按钮，整个分析 过程就在计算机控制下按设定程序自 动完成。 根据试样类型， 按具体规定研磨或 切削试样表面， 然后由机械手传递给光谱仪进行光谱分析， 分析结果送入中央计 算机， 试样经喷墨打字机打印标记后放入储样箱中保存备查。 只要样品柜中有试 样， 分析系统就会周而复始自 动地工作。 s p e c t r o l u x 全自 动光谱分析实验室特别 适用于炼钢厂、铜和铝加工厂及铸造厂的在线生产控制分析。 b a i r d 公司的t o t a l 现场摩擦学分析实验室系统， 包括了用于监测油浸系统运 行状态的油质分析项目 所需的全部设备， 包括粘度计、 付立叶变换红外光谱仪及 原子发射光谱仪。每种设备都有与i b m及兼容中央计算连接的接口，由计算机 完成数据收集和管理， t o t a l 的核心是b a i r d 专家系统软件l u b e s m a r t ， 它不仅具 有完成测试所需的许多功能，而且学习容易，操作简便。 b a i r d 公司的s p e c t r o b o t 型自 动分析光谱仪由s p e c t r o v a c 2 0 0 0 配以 具有机械 手的全自 动样品台构成， 装佯、 送样、 分析和已 分析样品分类的整个过程均可自 动完成， 还可以与切样机和磨样机组合成全密封的b a i r d l a b 分析实验室， 可在大 型钢铁企业作现场快速分析。 此外， 采用整体组合式系统， 配置高性能计算机、 开发能在窗口下运行的全 新软件， 推出功能更强的操作系统， 甚至采用嵌入式芯片研制灵活轻便的新一代 测试仪器，也是光电光谱仪发展的新趋势。 浙江大学硕十论文 1 . 2 本论文 课题的主 要内 容及其研究意义 由以上的光谱测试技术发展分析及现状调研可知， 快速、 全自 动、 多功能的 光谱测试技术是顺应目前的发展趋势， 是应用市场所需的。 但是己有的多通道光 谱测试仪器的性能还不尽如人意， 表现在宽光谱和高测量精度不能兼顾， 需制冷 才能改善c c d的线性动态范围，小体积和高精度不能兼顾等。 本课题研究的系统包括光学系统、 电路系统和软件系统三部分。 光学系统采 用双入射狭缝、凹面平场光栅和阵列n mo s 探测器构成，电路系统由n m o s 驱 动器、高速脉冲产生器、高速a / d芯片( 2 m, 1 6 位) 和高性能单片机组成， 而软 件系统也很直观简便，软件对系统的波长定标采用三次多项式的方程，对 1 0 2 4 个像元都进行了光谱灵敏度的校正。 整个系统设计巧妙而且非常稳定， 保证了系 统测试的高效、 快速和方便， 从而实现了1 9 0 n m - 9 0 0 n m的光谱测量范围、 d ，由 公式 ( 2 - 3 ) 得 =0 ( 2 - 7 ) as2 一 去 一 ” a s2 一 去 一 。 ( 2 - 8 ) 或 s=pc o s p s = p c o s 0 ( 2 - 9) 从公式 ( 2 - 9 )得知，凹面光栅的焦面与物点 狭缝)同在一个圆周上，该圆与 光栅划面相切， 其直径为光栅表面的曲 率半径 。 由 于该聚焦条件是罗兰在1 8 8 3 年证明的，所以在实际工作中常称为罗兰圆 ( 见图2 - 2 ) a 浙江大学硕士论文 i- 、 /、 、 、 一 冶 图 2 - 2 若平行光束照射凹面光栅 球面凹面光栅的聚焦条件 ( 罗兰图) ( s = 二)时，则根据公式 ( 2 - 7 )得 、 _p c o s 二 丝 一 c o s 卯 + c o s p 这就是沃茨握尔成象系统的 聚焦条件4 1 3 、凹面光栅光谱的一些特性 1 )角色散率 微分公式 ( 2 - 6 ) 得角色散率d 材 / d a 为 ( 2 - 1 0 ) d rp ， =， k ( 2 - 1 1 ) d a . = d c o s gp 凹 面 光 栅 的 角 色 散 率 与 衍 射 角诃成 正 比 4 1 2 ) 线色散率 由 公式 ( 2 - 1 1 ) 和参考图2 - 2 得1 = s 劝， 则 线色散率d l l d .1 为 丝= s d , - da dad c o s q ? = k p d ( 2 - 1 2 ) 由 公式2 - 1 2 得知， 线色散率与出 射狭缝的 位置无关， 是一个常数4 1 3 )光栅的有效孔径 设通过入射狭缝照明光栅的光束张角为q，则光栅实际照明宽度 ( 有效宽 度)g o 为 g 一 : ， 卫 止 一 y/3 ( 2 - 1 3 ) c o s 必 浙江大学硕十论文 由 公 式( 2 - i 3 ) 得 知， 对于 确 定的 照明 张 角fi l 光 栅的 有 效宽 度炕与 狭 缝的 位 置 无关，并等于从曲率中心的照明相同。 4 )角放大率y _ d (p ) a c o s y r =i 下一 . i = 一 丁=l 一 1 4) i俨 a c o s p y 是子午面内的角放大率。 5 )线放大率 v v 一 s 二 1 !(p = y ( 2 - 15 ) s c o s p 若入射和出射狭缝均安置于垂直入射方向的附近，则它们的宽度相等; a i = s d rp = i a 2 了 d ay t 2 - i 6 ) 此时，凹面光栅的线放大率为t o 6 )理论分辨率 凹面光栅的理论分辨率与平面光栅一样为 r = k n ( 2 - 1 7 ) 式中n为划面的 划痕总条数。 4 、变栅距光姗的原理 传统的衍射光栅都是等栅距光栅， 它们是各种光谱仪器的核心元件。 但随着 科学技术的 进步， 变栅距光栅 ( v l s ) 所具有的像差校正、 高分辨率及平焦场等 独特优点日 益突出， 使其在空间光谱仪、 等离子体诊断、同步辐射单色仪、 光纤 通信等 领域 广泛 应用【 u 7 。 本 课题主要 利用的 就是 v l s 的 平焦场的 优点。 早在1 8 7 5 年，c o m u 就曾注意到，如果光栅刻槽的 栅距不相等，而是按照一 定规律变化时， 光栅会变得像透镜一样， 具有聚焦性能。 借助一个线性栅距的变 化 ( 由早期的刻划机所固有的运行误差引起) ， 他能够对具有大的 线性栅距变化 的刻划光栅进行一些聚焦能力的预测。但c o m u 的发现没有被深入研究，因为当 时人们的注意力都放在如何减小栅距误差上了。 由子凹面光栅具有自 聚焦特性， 消除了 平面光栅由于引入准直镜和聚光镜带 浙江大学硕士论文 来的能量损失， 因此工作在真空紫外波段和极紫外波段的光谱仪广泛采用凹面光 栅，但是凹面光栅存在严重的像差，为了减少这一像差，c o m u 关于变栅距的思 想又得到了人们的关注。 按照刻槽的形状， v l s 光栅也有好几种分类: 直的、 平行的刻槽; 弯曲的或 同 心弯曲的非线性刻槽; 扇形刻槽等 7 1 v l s 最突出的优点是具有像差校正能力l9 1 。众所周知， 自 聚焦的特点， 的进一步应用。 但其像散明显， 特别是在大衍射角的条件十 等栅距凹面光栅具有 ， 这限制了凹面光栅 变栅距凹面光栅则可以较好地解决这一问题。 等栅距凹面光栅在子午面内和弧矢面内的聚焦成像条件一般不能同时满足， 因此像散是子午焦线与弧矢焦线相分离而产生的一种像差。 但是光栅栅距的变化 会改变子午光线焦点的位置，其变化量决定了焦线的形状和位置。 若光栅的栅距按线性规律变化: d ( y ) = d ( 1 + b y ) ( 2 - 1 8 ) 则子午焦线的方程为 c o s i c o s i r r + b s i n i = 一 ( c o s i 口 c o s 口 r r + b s i n o ) ( 2 - 1 9 ) 其中:y 垂直于光栅刻槽且沿其宽度方向的坐标; d 光栅中点处栅距， b 一栅距变化系数， i 入射角， b 衍射角， r一光栅曲率半径， r , r 狭 缝 及 其 像点 到 光 栅 顶点 的 距 离 7 1 光栅栅距的变化会改变子午光线焦线的形状。 对于给定的波长， 当入射角和 衍射角一定时，通过改变栅距的变化规律，即可达到消除像散的目的。 2 _ 2 凹面衍射光栅成像系统 凹面光栅既是色散元件，又是成像系统，因此，它所构成的光学系统是简单 的，这一 点对真空紫外光谱仪显得特别重要 i o 浙江大学硕士论文 凹面光栅可以分为三大类: 一 类是入射狭缝、光栅和出射狭缝均置于罗兰圆 上; 一类是它们在扫描时越出罗兰圆之外; 第三类是光栅的入射光束为平行光束。 属于第一类的光栅成像系统有: 罗兰成像系统、 艾伯尼成像系统、巴森一隆成像 系统、依格尔成像系统、垂直入射成像系统、掠入成像系统和径向成像系统等; 属于第二类的有谢亚一那米欧卡成像系统和欧那卡成像系统; 属于第三类的只有 沃茨握尔成像系统4 1 为了消除球面凹面光栅的象散，出现了消象散凹面成像系统、非球面凹面 光栅和变光栅常数的凹面光栅成像系统等。 1 、罗兰成像系统 1 8 8 3 年， 罗兰提出如图2 - 3 所示的凹面光栅成像系统。 狭缝和它的照明系统 以及光栅均置于罗兰圆上。 更换摄取的波长 范围要求光栅和接收靶面沿相互垂直 的s l和s p直线移动和绕自己的中心适当 转动。改系统的谱面中心波长总是置 在 光 栅的 法 线 上; 谱 面 允 许 的 张 角 不 超 过1 0 o , 1 5 o 4 1 。 因 此， 罗 兰 成 像 系 统 作 为 多通道的光学系统是不能同时探测较大的光谱范围， 而且要获得高级次的光谱也 是不可能的。 罗兰成像系统更换光谱区时， 照明系统不动而只是运动光栅和接收靶面。 从 这个意义上 来说， 它是简单的。 但是实际上， 要保证运动的准确性， 它的导轨必 须 严 格 垂 直， 同 时 光 谱 和 接 收 靶 面 等 整 体 结 构 必 须 非 常 稳 定 4 1 图2 - 3罗兰成像系统 2 、艾伯尼成像系统 1 8 8 6年，艾伯尼提出通过移动狭缝来达到更换光谱区的作用，这时光栅和 浙汪大学硕十论文 接收靶面均不动 ( 图2 - 4 a ) 。这种系统的严重缺点是更换光谱区时，庞大的照明 系统必须随狭缝移动， 为了改进这个缺点， 可以采用固定多个入射狭缝 ( 2 -1 0 ) 的 艾 伯 尼 成 像 系 统( 图2 - 4 b ) e4 1图2 - 4 b 所 示的 是 固 定 双入 射 狭缝s ， 和凡 。 ( b ) ，、:夕，尹 从 图2 - 4 艾伯尼成像系统 3 、巴森一隆成像系统 根据巴森一隆成像系统， 狭缝、 光栅和接收靶 ( 或出射狭缝) 是固定在罗兰 圆l 的。正如图2 - 5 所示，它所包括的光谱范围很大。 有时为了达到同时探测更 大的光谱范围，采用固定在罗兰圆上的多入射狭缝、多光栅 ( d 不同，曲率半径 p 相同) 和多 接收靶面。 靠近光栅法