（物理电子学专业论文）微小型光纤光栅光谱仪的光学系统研究及像差分析.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 光谱仪器是一种分析物质化学组成及含量的重要分析仪器，在现代科学试验、生 物研究、医学及医药研究、工农业生产、国防、天文观测等领域得到极其广泛的应 用。随着现代科学技术的飞速发展，许多研究、应用领域如航天遥感遥测、地质矿藏 勘探、环境检测等对光谱仪器提出了小型化、微型化、集成化、使用方便灵活、性能 价格比高等更高要求。因此，微小型光谱仪的研究已成为世界各国的热点，是光谱仪 器发展的重要趋势之一。 本文主要进行了以下几个方面的工作： f 1 1 本文在查阅了大量国内外文献、资料的基础上，对国内外用光栅作为分光元 件的微小型光谱仪的研究现状进行了总结，归纳了微小型光谱仪的研究意义，分析了 进行微小型光谱仪研究的必要性。 ( 2 ) 研究了光谱仪的基本结构和主要特性及平面衍射光栅的原理，分析比较了几 种常用的平面衍射光栅系统的优缺点，最后简单介绍了光谱仪的接收系统。 f 3 ) 对应用于本系统的探测器( 线阵a 进行了深入的研究：c c d 的基本工作原 理、光谱分析特性、在光谱分析中的应用以及选择等问题。 通过比较国外主要微小型光谱仪的技术指标，确定了本光谱仪的初期设计指 标。建立了基于交叉式q 舶1 y _ t 1 皿盯结构小型光纤光栅光谱仪的模型，确定了光学 系统的主要参数。重点分析了像差对微小型光谱仪的影响，使用光学设计软件o s l o 对光学系统进行了像差分析，采用了在光栅两懊叻对称的渐晕光阑来减小像差，由光 学设计软件o s l o 分析显示结果良好。 关键词微小型光谱仪 平面衍射光栅；线阵探测器；光学设计 竺至篓三兰盔兰三耋塑圭耋堡篁兰 a b s t 眨l c t s p e 燃l l a s b 。咄锄咖锄蛳c e n t 缸疵a a l 。0 i i 删蛐a n d c o m e n t 锄山y s i s ，w h i 出h 踞b o m 、】l ，j d d yu s e dj 1 1m 锄y 矗d d s 踟出船m 洳s c j 酬右c a 单a 面1 锄坞b j o i o 百c a l 龙砌，m 础咖em l dp l m 吡l a 嘶面d l l s 缸a lm 矗a 鲥a l i 由m | l p i o d l l c d o l l 删0 i l a ld 如a n d 嬲0 l i c a lo b 髑r v a 士i o f lw “h 血ed 昏吲蛔d 耋n 蛆to f 由e m 0 ( | e l nt c d 】面q u c s ，i 忸m i n i 劬】i i 删叩，i i l i a m 瑚d 锄，i 玎把孕鲥胁锄di m e l l i 群m 础o nh 柳 b c 疆) l cn ma i l dr n o r ei i i i p 删j l l 吐1 e6 e i d ss u d h 鹅龙m o t e n 血l 吕r e 呦钯m 翩鲫d n 吕 曲砌蝴a n d 唧m o 】劬d ga t 此黜血碥唧l 砌t 0b e 姗嘧住托n c e _ 盘氇m d 础出b x 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于总装备部，项目名称是基于光纤光学技术的微小型激光荧光光纤 光谱检测技术和装置的研究。 1 2 本课题研究的目的 传统光谱仪由于其体积大、成本高等原因导致不适合、不方便现场使用；而采用 光纤光学技术的微小型光谱仪将极大地减小仪器的体积，内部光学元件可以融接在一 起，坚固耐用，价格低廉，便于批量生产，可以广泛使用，并且易于操作，易于扩 展，真正地实现光谱技术从实验室走向更为广泛的人们的日常生活中。 光学系统是微小型光谱仪的核心部分，光学系统的设计质量直接影响了微小型光 谱仪的性能；而像差是衡量个光学系统好坏的重要依据，像差越大，光学系统成像 能力就越差，微小型光谱仪的性能赫邀差，所以对光学系统的研究设计以及像差分析 改善是非常有必要的，将有助于提高微小型光谱仪的性能。 1 3 微小型光栅光谱仪的研究现状 光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它是应用光学原理，对物质的结构和成分 等进行测量、分析和处理的基本设备，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、环境保护等领域；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。 由于环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代 化发展，迫切需要分析仪器小型化、轻量化、固态化，在特殊场合( 如环保、野外、 现场检测、星载分析检测等) 还要求仪器牢固抗震。因此近年来各国先后设计、开发 了许多功能不亚于传统实验室仪器的小型化、轻量化甚至全固态化的仪器，例如可在 野外工作的短柱高速气相色谱仪、便携式质谱仪、便携式气相色谱质谱联用仪、便 携式y 射线分析仪、星载傅里叶变换光谱仪【”。 近年来由于光纤的批量生产，高效低廉的光学元件及线性阵列c c d 器件的出 现，计算机的发展，m 0 心噍s 、u g a 及二元光学等微制造技术的发展，光谱仪器逐 矍尘鎏三竺查兰三主塑圭耋堡耋銮 渐摆脱了实验室的局限，光谱技术的应用逐渐延展到实验室之外的更加广阔的领域， 包括战场、工厂及人体。这就使曾一度被认为是不可能实现的、不实际的实时光谱分 析，现在变得非常可行1 日。 尽管微小型化光谱仪器在分辨率等性能上无法与传统的光谱仪器相比，然而，它 具有许多大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、 可集成化、可批量制造以及成本低廉等。因此像普通光谱仪样微型光谱仪有着巨大 的应用市场，可以应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感 等领域，因而引起了人们广泛的兴趣。在许多应用领域，光谱分析系统尺寸的缩小比 分辨率的提高更为重要。特别是在航天航空等研究领域，光谱仪器微型化的意义尤为 重大。因此，光谱仪器的微小型化是现在光谱分析仪器发展的一个重要趋势之一，并 且已经成为世界各国的研究热点。 1 3 1 国外研究现状 最著名的是美国o 嘞lo 砸c s 公司的光纤光谱仪翻。该公司生产的u s b 2 0 0 0 型 光纤光谱仪，其工作原理如图1 1 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、反射式成像物镜聚焦后，由e 进行探测。该光谱仪的适用波 长范围3 8 衄m 1 0 5 加m ，使用光栅分光，闪耀波长5 0 0 岫，光栅周期为1 佑d 咖1 ， 接收器为2 0 4 8 像素的c c d 阵列，按波长检测光强。使用线性阵列a c d 后可以不需 要光栅扫描机构，仪器的结构可以很小并且很轻。它的关键优点是结实耐用( 因为没 有可动部件) 、便携、紧凑、成本较低。并且采用u s b 接口，可以方便地与膝上电脑 或堂卜电脑连接，携带到任何地方进行测量。 图1 1 海洋公司的方案 f 蟾1 - 1s 幽啪e o f 0 慨n o 两嚣h 蛾 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图l - 3b 曲甜日公司的方案 f i 昏1 _ 3s h 印o f k d 擒出苜h k 芬兰v 盯提出并设计了一种如图1 4 所示的混合集成方式的微小型光谱仪m j 。 该光谱仪具有多通道成像功能，以应用于彩色印幂j 埙量的监控。该方案将所有元件都 安放在一个直圆筒中，光路是直的，圆筒尺寸是1 4 5 m 加3 m ( 长度直径) 。光谱 范围3 8 0 n m 8 2 m ，分辨力3 m 。该方案的准直物镜和成像物镜都是采用3 片透 镜，它的特点是光路中采用了p g p ( 棱镜体全息投射光栅棱镜) 结构。p g p 的作用 是：将入射的平行光经棱镜偏折个角度入射到体全息光栅上，这个角度经设计正好 与体全息光栅的布拉格角度相近，这样，出射的以及衍射光就基本符合布拉格衍射条 件，具有很高的衍射效率。衍射光经过第二棱镜偏折，有基本靠近光轴射出，各波长 的出射角在光路的视场范围之内。 图1 - 4 芬兰v r r 的方案 f 嘻1 4s c h 黜o f v r r 1 0 n0 删c s 公司有一种小型红外光谱仪c r o - s p d m ) 产品嘲，它具有实验室使用 m 光谱仪的性能，最早设计用来测定分析航天飞机发动机的排放尾气，具有防振动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 和瞬时热冲击的特性。它是用微加工技术将光栅、反射镜、光阑和检测器集成在波导 上。使用1 2 8 像素的阵列检测器，足够分离交叠的谱峰，适用于实时和在线检测。另 外c s p 。c 吲p r o d u c t s 9 】 h ( 岫d 1 0 】和c dz d d “】公司也生产类似的小型光谱仪。 荷兰a 、r 射嘧公司推出种采用对称式 x 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 光栅是光谱仪最为常用的色散元件之一。从以上微小型光谱仪的研究现状可以看 出，其分光原理与传统光谱仪并无区别，主要是采用光栅分光和干涉分光两种，但更 多的是采用光栅分光。采用光栅作为分光元件，其优点是系统结构简单一通常为光 栅、成像透镜、光电二极管组成。但以光栅作为分光元件有进光量小、光能利用率 低、光谱重叠等缺点，必须在结构设计中加以充分考虑、并设法克服。若采用干涉分 光的办法便可以较好地解决光栅分光的特点，然而却会增加系统的复杂度，使研制难 度加大，导致成本提高。 1 3 2 国内研究现状 台湾工研院微系统研究室正在研制种基予干涉分光原理的微型光谱仪。利用了 微机械制造工艺技术及f 岬e 贼干涉仪( f p i ) 原理。该器件由两部分组成：固定间 隙的a u d j d e c 正以uf 蛔p e r o t 干涉计和间隙可调整式f 曲r y 巾e 眦干涉仪，通过气 压来调节两镜面之间的距离，从而实现对光谱的扫描。具有元件体积小、成本低及高 性能的特点。 苏州大学提出了一种紧凑型傅利叶变换光谱仪的方案( 旧。该方案主要由两块胶 合在起的半五角棱镜、一块傅利叶变换透镜、o c d 组成。待测光源和探测器c c d 分别置于透镜的前、后焦平面上。两棱镜的胶合面处镀有半透半反膜，待测光在此分 成两束，这两束光在透镜的后焦面处，即c 的光敏面处，形成干涉条纹图样。这 种方案的通光量及集光本领较大。 重庆大学光电工程学院于1 9 9 5 年提出了一种新颖的微型光谱仪研制方案雌， 并于1 9 9 7 年通过系统实验验证，获得了4 0 咖m 7 5 m 波段的光谱。该项目先后获 得了国家教育部科学技术重点基金( 9 9 1 0 5 ) 、国家自然科学基金( 6 9 8 3 6 0 5 0 ) 以及国家 自然科学基金重点基金( 6 9 4 7 6 0 2 3 ) 的资助。 2 0 0 0 年在国内首次成功的研制出折衍混合集成微小型光纤光谱仪原型样机。于 2 0 0 1 年通过了中期评估，专家组对该项目给予了高度的评价。 1 4 研究微小型光谱仪的意义 研究微小光谱仪的意义可以归纳为以下几点刚： ( 1 ) 微小型光谱仪易于实现模块化，如果便携式的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，因为光谱仪器的应用几乎无所小至，包括从 食品生产、石化生产、环境监测、工业流程控制、材料分析、液体分析、气体分析和 血液分析、工业安全监澳扎汽车和轮船发动机的尾气分析到室内空气质量分析以及通 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 光栅是光谱仪最为常用的色散元件之一。从以上微小型光谱仪的研究现状可以看 出，其分光原理与传统光谱仪并无区别，主要是采用光栅分光和干涉分光两种，但更 多的是采用光栅分光。采用光栅作为分光元件，其优点是系统结构简单一通常为光 栅、成像透镜、光电二极管组成。但以光栅作为分光元件有进光量小、光能利用率 低、光谱重叠等缺点，必须在结构设计中加以充分考虑、并设法克服。若采用干涉分 光的办法便可以较好地解决光栅分光的特点，然而却会增加系统的复杂度，使研诣i 难 度加大，导致成本提高。 1 3 2 国内研究现状 台湾工研院微系统研究室正在研制种基于干涉分光原理的微型光谱仪。利用了 微机械制造工艺技术及f a b 妒p e f o t 干涉仪( f p i ) j 京理。该器件由两部分组成：固定间 隙的a 讲缸l e c 旺i o a uf 曲驴咖t 干涉计和间隙可调整式晰p e 喊干涉仪，通过气 压来调节两镜面之间的距离，从而实现对光谱的扫描。具有元件体积小、成本低及高 性能的特点， 苏州大学提出了种紧凑型傅利叶变换光谱仪的方案1 1 7 j 。该方案主要由两块胶 合在一起的半五角棱镜、一块傅利叶变换透镜、0 c d 组成。待测光源和探测器e c d 分别置于透镜的前、后焦平面上。两棱镜的胶合面处镀有半透半反膜，待测光在此分 成两束，这两束光在透镜的后焦面处，即o c d 的光敏面处形成干涉条纹图样。这 种方案的通光量及集光本领较大。 重庆大学光电工程学院于1 鲫5 年提出了一种新颖的微型光谱仪研制方梨”l 目， 并于1 9 9 7 年通过系统实验验汪，获得了4 7 锄如波段的光谱。该项目先后获 得了国家教育部科学技术重点基金( 9 9 1 0 5 ) 、国家自然科学基金( 6 9 8 3 6 0 5 0 ) 以及国家 自然科学基金重点基金( 6 舛7 6 3 ) 的资助。 2 0 0 0 年在国内首次成功的研制出折衍混合集成微小型光纤光谱仪原型样机。于 2 0 0 1 年通过了中期评估，专家组对该项目给予了高度的评价。 1 4 研究微小型光谱仪的意义 研究微小光谱仪的意义可以归纳为以下几点： f 1 、微小型光谱仪易于实现模块化，如果便携式的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，因为光谱仪器的应用几乎无所小至，包括从 食品生产、石化生产、环境监测、工业流程控制、材料分析、液体分析、气体分析和 血液分析、工业安全监测、汽车和轮船发动机的尾气分析到室内空气质量分析以及通 血液分析、工业安全畸测、汽车和轮船发动机的尾气分析到室内空气质量分析以及通 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 信领域的波分复用； ( 2 ) 微小光谱仪由于采用新颖光电接收器件，可以进行实时及多通道分析，因而 具有现场应用价值； ( 3 ) 微小光谱仪还具有如下一些特点：耐用、紧凑、易于校准、抗振动、抗环境 温度压力变化的影响，操作对于非专收人员来说易于掌握等等； ( 4 ) 微小型光谱仪还具有一次开发性能，设备制造商可以利用微小型光谱仪来制 造其他分析仪器。现代计算机的飞速发展，使得人们格外重视仪器的软件配置，庞大 的分析仪器，有很大部分体积是为了实现计算分析功能，这种依托硬件的功能实现 无疑增大了仪器的体积、成本，刚氐了仪器的灵活性。小型化仪器在不降低性能的情 况下，用软件完善其功能，使得仪器本身应用更加灵活多样，更具有弹性； ( 5 ) 对于航天领域，使用微小光谱仪将大幅度刚氐成本，这是因为尺寸和重量对 于太空飞行非常重要的因素，尤其影响发射成本。 以上介绍了进行微小型光谱仪的研究工作的意义，在这里，我们可以发现微小型 化的光谱仪在一定程度匕扩大了其应用范围，在以往无法应用光谱仪的领域，通过光 谱仪的微小型化可以实现其许多新的应用。 目前国外产业化的微小型光谱仪一般是通用性产品，其性能指标并不很好而且成 本较高，而且其结构也不适合某些专用的领域。这就需要我们有针对性地进行研究开 发，比如对于微型生化分析系统的光谱分析，由于芯片式分析系统的特点，使得现有 微小型光谱仪都无法适应其微米量级的尺寸特征，还需要有可以在这种条件下进行分 析的微小型光谱仪。 从目前的发展现状来看，微小型光谱仪基本上是研究所或大学研制的原理样机， 还无法成为实用化的产品。为了使得这种具有潜力的微型产品真正走向实用化，还有 很多研究工作需要继续进行下去。 1 5 本论文的主要工作 由于微小型光谱仪采用新技术而具有许多大型光谱仪器所不具备的优点，如重量 轻、体积小、便于携带、探测速度快、使用方便以及成本 氐廉等。因而有广泛的应用 领域和市场前景。 论文的主要内容包括一下几部分： ( 1 ) 本文在查阅了大量国内外文献、资料的基础上，对国内外用光栅作为分光元 件的微小型光谱仪的研究现状进行了总结，归纳了微小型光谱仅的研究意义，分析 了进行微小型光谱仪研究的必要性。 哈尔滨工业大学工学硕七学位论文 第2 章平面光栅光谱仪 2 1 光谱仪的基本结构和主要特性 2 1 1 基本结构 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。光谱仪器按其工作 原理可以分为两大类：基于空间色散分光原理的经典光谱仪器和基于对光信号调制原 理的干涉调制光谱仪器或新型光谱仪器嘲。其中经典光谱仪通常以狭缝作为光源的 输入，其分光元件主要有棱镜和各秭类型的光栅。最近几年也出现了一些基于其它分 光原理的光谱仪裂冽。 所有的光谱仪器都可分成三部分：光源和照明系统，分光系统，以及接收系统。 光源可以是研究对象，也可以作为工具照射被研究的物质。 o 心 凸 d 基 。飞妒 _ _ _ _ 一 j 。 1 图2 - l 光谱仪的工作原理图 f 蟾2 - 11 kp f 雌s d 瑚础血0 f 印l 。c i 删l l e 时 分光系统是任何光谱仪器的核心部分。般来说它由准直管、色散工作台和暗箱 组成。分光系统的工作原理如图2 1 所示。由狭缝& 发出的光束经过准直物镜d l ， 变成平行光束射入色散元件d ；由于色散元件的作用使进入的单束“白光，分解为多 束单色光，再经过暗箱物镜0 2 按波长的顺序成像在焦面上。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，这是目前广泛应用的光谱仪器分光系统 的基本原理。色散元件可以选择棱镜或者光栅。不过，近年来，随着光栅技术的成 熟，棱镜已经很少再用作分光系统中的色散元件了。 接收系统的作用是测量光谱组成部分( 光谱线、光谱带和连续光谱) 的波长和强 度，从而获得被研究物质的参数( 例如物质的成分和含量，以及物体的温度、星体运 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 动的速度和它的质量等等) 。光谱仪器的接收系统包括光谱的接收、处理和现实。光 谱的接收元件都是与分光系统连接在一起的。光谱的处理和显示往往是与分光系统分 开的，在许多情况下，它是单独的种设备。光谱的接收、处理和显示已经成为光谱 仪器的不可分割的部分。 2 1 2 主要特性 光谱仪器的基本特性主要有四点：工作光谱区、色效率、分辨率和光强。 f 1 1 工作光谱区使用光谱仪器所能记录光谱的波长区域称为该光谱仪器的工作光 谱区。光谱仪器的工作光谱区主要决定于光学零件的光谱透过率或反射率及接收系统 的光谱灵敏度。对于棱镜光谱仪而言，其工作光谱区主要决定于棱镜材料的光谱透过 率。玻璃棱镜光谱仪的工作光谱区为4 0 0 加：卜1 0 0 嘶m ，大于1 0 0 0 f 吼的波长区需要应 用红外晶体，小于4 0 0 啪的波长区需要应用石英或萤石。而对光栅光谱仪而言，改 变光栅参数和它表面的光谱反射率，光栅光谱仪就可以应用于整个光学光谱区，这是 其主要优点之一。 f 2 ) 色散率色敖率是光谱在空间按波长分离的尺度，它可以用角度表示，称为角 色散率；也可以用线度表示，称为线色散率。色散率是种纯数学的概念。它只能作 为研究分辨率的前提。但是，从另外一个方面来看，由于实际分辨率与许多因素有 关，且与理论分辨率有较大的差别，所以在某些场合利用色散率能比较清楚地说明问 题。角色散率和线色散率的定义如下： 角色散率是表示两条纯数学的光谱线在空间分离的角度，设妒为衍射角，则角色 散率可以表示为： d 西 批 线色散率是表示两条纯数学的光谱线在光谱成像焦面上分离的空间距离， 与成像物镜的焦距以有关，可表示为： ( 2 - 1 ) 因此它 旦：塑2 - 佗翻 以d zc o s 盯 、。 式中仃焦面相对于垂直平面的倾斜角； 讲相距枞的两条谱线在成像面上分离的距离 ( 3 ) 分辨率在讨论色散率时，我们没有考虑光谱线是 x 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 动的速度和它的质量等等) 。光谱仪器的接收系统包括光谱的接收、处理和现实。光 谱的接收元件都是与分光系统连接在一起的。光谱的处理和显示往往是与分光系统分 开的，在许多情况下，它是单独的种设备。光谱的接收、处理和显示已经成为光谱 仪器的不可分割的部分。 2 1 2 主要特性 光谱仪器的基本特性主要有四点：工作光谱区、色效率、分辨率和光强。 f 1 1 工作光谱区使用光谱仪器所能记录光谱的波长区域称为该光谱仪器的工作光 谱区。光谱仪器的工作光谱区主要决定于光学零件的光谱透过率或反射率及接收系统 的光谱灵敏度。对于棱镜光谱仪而言，其工作光谱区主要决定于棱镜材料的光谱透过 率。玻璃棱镜光谱仪的工作光谱区为4 0 0 加：卜1 0 0 嘶m ，大于1 0 0 0 f 吼的波长区需要应 用红外晶体，小于4 0 0 啪的波长区需要应用石英或萤石。而对光栅光谱仪而言，改 变光栅参数和它表面的光谱反射率，光栅光谱仪就可以应用于整个光学光谱区，这是 其主要优点之一。 f 2 ) 色散率色敖率是光谱在空间按波长分离的尺度，它可以用角度表示，称为角 色散率；也可以用线度表示，称为线色散率。色散率是种纯数学的概念。它只能作 为研究分辨率的前提。但是，从另外一个方面来看，由于实际分辨率与许多因素有 关，且与理论分辨率有较大的差别，所以在某些场合利用色散率能比较清楚地说明问 题。角色散率和线色散率的定义如下： 角色散率是表示两条纯数学的光谱线在空间分离的角度，设妒为衍射角，则角色 散率可以表示为： d 西 批 线色散率是表示两条纯数学的光谱线在光谱成像焦面上分离的空间距离， 与成像物镜的焦距以有关，可表示为： ( 2 - 1 ) 因此它 旦：塑2 - 佗翻 以d zc o s 盯 、。 式中仃焦面相对于垂直平面的倾斜角； 讲相距枞的两条谱线在成像面上分离的距离 ( 3 ) 分辨率在讨论色散率时，我们没有考虑光谱线是有宽度的。色散率只告诉我 们，两个波长分离的角度或距离，它没有说明具有该波长的这两条谱线是否能分辨。 如果我们在色散率的基础上，再考虑谱线的强度分布轮廓，那就基本上能判断这两条 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 光强光强是表示光谱仪器传递光能量的本领。不同的接收系统对光的接收一 般分为两类：一类是接收光的照度e ，类是接收光通量。下面分别讨论。 光强与光谱仪器的结构参数有关。设狭缝的宽度和高度为口l 和6 1 ，它的像的宽度和 高度为啦和6 2 ；色散元件的有效光束断面s 和f ；，为光谱仪器的角放大率，即在 子午面的放大率： ，= ； ( 2 呦 根据惠更斯原理，光。荆史器的狭缝可看作是一个光源，因此得： 巾= 驰口。告( 2 7 ) 式中占入射光的亮度： ，：准直物镜的焦距 必须说明，只有在光谱仪器照明系统的通光尺寸不影响准光管的通光时，公式 ( 2 7 ) 才是正确的。 在忽略衍射和像差的作用时，狭缝像的面积与光谱仪的角放大率y 、线放大率和 焦面对垂直面的倾斜角盯有关： 鸸弘6 i 等去 因此，光谱的照度e 为： e ：旦：辔乓竺婴( 2 _ 9 ) 口2 6 2 厶2 y 式中f 光学系统的透过率 将( 2 呦式带入上式，同时将色散元件的方形孔径化为圆孔，即s = ! 笔l ，其中 叶 ) 2 为暗箱物镜的孔径，得： e ：旦；谚姜竺竺 ( 2 - 1 0 ) d 2 五 y 由式但1 0 ) 可以看出，照度与暗箱物镜的相对孔径的平方、光学系统的透过率和 焦面对垂直面的倾斜度成正比。因此，我们在设计光谱仪器的光学系统时，可以利用 增大暗箱物镜的相对孔径，提高光学系统的透过率和减少焦面的倾斜度来达到提高系 统的光强。一般增大暗箱物镜的相对孔径的主要途径是缩短焦距，因为增大孔径受材 料的限制。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 反射式平面衍射光栅 2 2 1 色散原理和色散方程 反射式平面衍射光栅是刻有一系列等距的平行刻线的反射镜面，刻线的间距d 称 为光栅常数。它的倒数1 d 即为每单位长度所含划痕数量，常称为光栅的划痕密度。 州1 图2 - 3 平面衍射光栅色散原理 f 蟾2 _ 3 1 h e 拙伊【面叽埘n c i p i e o f p l 啦d i 衄d g r a 血g 光栅作为光谱仪的色散元件应该工作在平行光束之中。如图2 - 3 所示，平行光束 1 ，2 射到平面光栅上时，光栅的每条刻线都起着衍射的作用，而同时各刻线的同一 波长的衍射光束1 ，2 t 的方向一致，它们经过物镜的聚合，并在焦平面上发生干涉， 形成狭缝的单色像，这就是光栅的色散原理。光栅的色散方程为： d ( s i n 妒+ s i n p ) = 矗五( 2 一1 1 ) 式中d 光栅常数； 口入射角； 光栅的衍射角； 五光波长； _ | 衍射级次且七= o l ，2 ， 由式( 2 1 1 ) 中可以看出，当给定光栅和入射角时，在某确定光谱级中，波长越长 的光束其衍射角越大。因此，光谱则按波长而产生空间排列的。 2 2 - 2 光栅光谱的叠级和自由色散区 由于光栅作为色散元件的优点是制作工艺成熟，成本低廉，而且在波长较短的范 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 波长变化成线性关系。这对波长标定很方便； ( 2 ) 光栅的角色散率与光谱级次成正比，级次越高则角色散率越大，由于七为整 数，则不同级次的角色散率是成倍地增减； ( 3 ) 光栅的角色散率与光栅划痕总数无关，而与光栅常数成反比。 光谱仪的线色散率与光栅的角色散率直接相关，在数值上与角色散率和成像物镜 的焦距积成正比，表示纯数学意义上的两条谱线在成像面上的色散距离。线色散率： 堕：型上：上上 陀1 孙 以d 丑c o s 盯d c o s c o s 盯 、 式中 _ 成像物镜焦距； 仃焦面与垂直平面的夹角 2 2 4 角放大率 光栅在子午面( 主截面) 内的角放大率主要决定于衍射光束的衍射角： ，：竺罢 ( 2 1 6 ) c o s 口 式中y 角放大率： 妒入射光与法线的夹角： 衍射光与法线的夹角 2 2 5 理论分辨率 理论分辨率是指光栅分辨两条波长差很小的谱线的能力，是光栅的一个重要指 标，也叫做光栅的色分辨本领。按瑞利准则当两条强度轮廓相同的谱线最大值和最小 值重叠时，它们可以被分辨，这里事实上包含了两个默认的条件： r 1 ) 假定两条谱线通过光谱仪后，其强度轮廓是完全相同的； ( 2 媚! 设接收系统的灵敏度大于或等于2 0 这个假设接近人眼的灵敏度。 肛击= 埘 ( 2 _ 1 7 ) 五 、 式中胄光栅的理论分辨率； 五波长； 五分辨的最小波长间隔； 七衍射级次； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 光栅的总刻划线数 2 2 6 光谱级的强度分布 现代光栅刻划技术完全可以保证获得一定形状的沟槽( 划痕) 断面的优质光栅。光 栅的性能决定于沟槽的断面形状，闪耀光栅可以：通过锯齿形的沟槽断面保证大部分入 射光聚焦于预定的光谱级( 或波长范围) 之中，其能量的分布主要式由各个沟槽( 或划 痕) 所衍射出的光束在成像物镜焦面上发生干涉来决定，这种干涉条纹就是不同级次 的光谱线。从干涉理论上来看，这种不同级的光谱线的强度是相等的，它由下面的函 数所决定： ，如) ( 2 - 1 8 ) 式中= d ( s i i l 伊+ s i n 妒) = u 光程差 函数j ) 没有考虑沟槽对光能量分布的影响。它既适用于反射式衍射光栅，也 适用于透射式光栅。事实上，反射式衍射光栅的沟槽形状对光能量的分布起着决定性 作用。如图2 4 所示，光能量的分布取决于沟槽工作面长度口和闪耀角口。这种小反 射镜的光能量由函数，0 ) 所决定： j 如) ( 2 一1 9 ) 芸叮 砖一州一a s 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式中口入射光线与小反射镜的法线之夹角； 口衍射光线小反射镜的法线之夹角 因此反射式衍射光栅的光能量分布是函数，勋7 ) 和j 仁) 相互制约而形成的，即： ，j 0 ) ，0 ) ( 2 2 0 ) 选择适当的参数0 ，口，p ) 就可以使大部分光能量聚焦于预定的光谱级中。 2 3 反射式平面衍射光栅系统 反射式成像系统大致可分为三类：水平成像系统、垂直成像系统和自准直成像系 统。色散元件的主截面( 即色散面) 称为系统的水平面，垂直主截面的平面称为系统的 垂直平面。若色散元件、反射镜、入射狭缝和它的几何像的电b 均置于水平面内时， 该系统称为反射式水平成像系统；若这些中心均置于垂直平面内称为反射式垂直成像 系统。自准直成像系统是准直光路与聚焦光路基本重叠的成像系统。 2 3 1 艾伯特一法斯梯( e b 嘣- f a s 石e ) 系统 这种系统由艾伯特在1 9 8 9 年首次提出作为光栅摄谱仪的光学系统，1 9 5 2 年法斯 梯根据艾伯特系统建立了反射式水平对称的单色仪成像系统，所以又称为艾伯特一法 斯梯系统。如图2 5 所示。 图2 _ 5 水平对称式艾伯特一法斯梯系统 f i g 脚m 曲刚es d l 疵o f 雠h i 叫嗍m 心枷e 该系统是用个大的凹面反射镜兼作准直和成像物镜。由入射狭缝蜀进入的复 合光线经准直物镜膨反射后成为平行光束照射到平面光栅g 上，经光栅衍射后的光 线由聚焦物镜聚焦于出射狭缝岛处，在岛的平面处形成光谱面。 该系统的优点是剩余彗差小，物镜的像差不使狭缝像产生附加弯曲。这种系统广 泛用于现代的单色仪中，并衍生出许多变形结构，如非对称水平成像系统、交叉对称 水平成像系统、牛顿艾伯特系统、切宁水平成像系统。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 李特洛系统又称自准直系统，在光谱仪中应用很广泛。该系统是用一个凹面镜同 时作为准直和成像物镜，李特洛系统结构简单、紧凑，但杂散光大，这是因为不仅存 在二次衍射和多次衍射，并且由于入射狭缝和出射狭缝靠的很近，入射光束在反射镜 处所产生的杂散光可以直接到达出射狭缝，如图2 _ 6 所示。 图撕李特洛系统 f i 9 2 _ 6 1 b c 倒k 圃，l e s d 埘瑚如o f u 啦d w 2 3 3 切尔尼一特纳( c z 锄y 凸】i i l 神系统 该系统是由艾伯特一法斯梯系统演变而成的。它是用两块相同的小凹面反射镜分 别作准直物镜和成像物镜来代替一块大的凹面反射镜而构成的。两反射镜从中间分 开，曲率中心重合。既可避免二次衍射与多次衍射，同时又方便反射镜的加工与装 调。如图2 7 所示。 图2 - 7 切尔尼特纳系统 f i 瞽2 - 7 m 呻晦 l e 0 f c 鳓蛐埘 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 3 4 夏m 自- 格兰茨( c 1 1 u p 邮翰n 拄) 系统 劲 _ 图2 - 8 夏帕箍兰茨系统 f i g 2 - 8 1 k 皿n c i p k s d a 砒i c o f a 唧p c l 恻也 该系统采用两个抛物面镜，分别作为准直物镜和成像物镜，并按凯利原则安排， 可消除二次衍射和多次衍射。该系统适宜作要求高分辨率、高输出能量、低杂散光的 单色仪，但由于离轴抛物面反射镜加工难度大，装校费时，相对成本较高。如图2 8 所示。 2 4 光谱仪的接收系统 光谱仪的接收系统包括光谱的接收、处理和显示。接收系统的主要任务是将分光 系统输出的光信号转化并显示为被研究物质的参数的数值或图样。这个任务的第一步 是将光信号转化为便于处理和显示的信号。已转化信号的处理是为了显示而进行的。 被研究物质的参数的显示是光谱仪的最终目标。当然，随着工业自动化的发展，它将 可能成为整个工艺流程自动控制过程中的个过渡信号。那时，光谱仪将成为整个自 动控制中的一个环节。 光谱仪的光谱接收系统可分为三种，即目视接收系统、摄谱接收系统和光电接收 系统。 目视接收系统由于其主观性强、灵敏度在可见区的边缘下降很快、不能记录也很 难定量等缺点，因此这种方法不能用于微小型光谱仪。 摄谱接收系统可以克服以上目视接收系统的主要缺点，是一种较为客观的记录方 第3 章线阵c c d 探测器 电荷耦合器件c c d ( c 蛔学c o 呵e dd 刚。由，是7 0 年代发展起来的一种将光信 号转变成电信号的新型半导体器件。但与其他大多数光电转换器件不同，它是基于电 荷存储和电荷转移来工作的删。 经过几十年的研究与发展，c 已经在多个学科领域得到了广泛的应用。比如 在星系探测研婀、太空生物效应研剜捌、海洋工程嗍、地球资源探测0 1 j 中作传感器或 摄像头，用作荧光【3 2 】、拉曼p 3 洲、原子发利书”7 】、红步 j 瑚等多种光谱仪以及紫外可见 光分光光度计p 研的换能器，适用于包括天文、地理、化学化工眇4 2 l 、生物医药m 、 医疗保健【4 3 删在内的广泛领域。随着对c 研究的深入【4 习和高性能低价位新型 c c d p 3 删的出现以及单片机的迅速发展，o c d 在国防及民用工业等部门都引起人们 的极大关注。 c c d 器件由于具有卓越的光电响应量子效率以及对可见光的频率响应范围宽的 特性，因而成为光谱分析仪器的理想的探测器。它不但具有固体集成器件所具有的体 积小、重量轻、抗振性能强、功耗低等一系列优点，还具有能够并行多通道探测光谱 的特点，尤其是它可以进行长时间的“积分”，从而使其光电探测灵敏度可以和光电 倍增管相比拟，并逐渐取代光电倍增管成为现代光谱仪器的光谱探测暑驴月。 3 1c c d 的基本工作原理 c c d 是由一系列排得很紧密的m 0 s 电容器组成。它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。c ( 乃的基本功能是电荷 的存储和电荷的转移。因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、 传输和检测【艚】。 3 1 1 m o s 电容器 c c d 是种固态检测器，有多个光敏像元组成，其中每个光敏像元就是一个 m o s ( 金属一氧化物一半导体) 电容器。但工作原理与m o s 晶体管不同。 c c d 中的m o s 电容器的形成方法是这样自勺i 删：在p 型或型单晶硅的衬底上 用氧化的方法生成_ 层厚度约为l 嘲1 5 瞧n 的鼢绝缘层，再在鼢表面按一定 层次蒸镀金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上个偏置电压( 栅极电压) ， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 即形成了一个m o s 电容器，如图3 。1 所示。 氧露萤醇 图3 1m o s 电容器栅极电压变化对耗尽层的影响 f 培3 - ln e 埘l i 瑚t o b 删甘l a y 嚣b y d 蛐萨o f m 0 s 铡搬i 衄则撕 c c d 般是以p 型硅为衬底，在这种p 型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数 载流子是电子。在电极施加栅极电压之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于 衬底施加正栅压时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗 尽层将进步向半导体内延伸，这耗尽层对于带负电荷的电子而言是个势能特别 低的区域，因此也叫做“势阱”。 在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如 正栅压进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又 是随耗尽层宽度成平方率增加的。这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子 层形成反型层。而一旦出现反型层，m o s 就认为处于反型状态，如图3 1 所示。显 然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不 变。反型层的电子来自耗尽层的电子一空穴对的熟产生过程。对于经过很好处理的半 导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。因此在船有直流电压的金属板上叠加小的交 流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。 当一束光投射到m o s 电容器匕时，光子透过金属电极和氧化层，进入翳衬底， 衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子一空穴对，其中的电子被吸引到电荷反型区 存储。从而表明了o c d 存储电荷的功能。个c 检测像元的电荷存储容量决定 于反型区的大小，而反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和 厚度、半导体材料的导电性和厚度等些因素。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c 中的信号电荷可以通过光注入和电注 两种方式得到。光注入就是当光照 射o c d 硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对，其多数载流子被栅极 电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。而所谓电注入，就是0 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。下面 仅讨论与本课题有关的光注入法。 c c d 利用光电转换功能将投射到c c d 上面的光学图像转换为电信号“图像”， 即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功 能将这些电荷包咱扫描到同个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电 转换功能的物理基础是半导体的光吸收。当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射 一部分被反射，另一部分透射，其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收，就是电 子吸收光子并从一个能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价 带电子越过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子( 或空穴) 到导带 ( 或价带) 的跃迁。f 螂 分别称为本征吸收和非本征吸收。o c d 利用处于表面深耗尽 状态的一系列m o s 电容器( 称为感光单元或光敏单元) 收集光产生的少数载流子。这 些收集势阱是相互隔离的。由此可见，光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的 光强分布进行空间上分离的采样过程。 另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目与存储电荷 的定量关系正是o 检测器用于对光信号作定量分析的依据。 转移到0 c d 输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷，电压( 电孝的的线性变换， 称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检 测引起的噪声。针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分 器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。 3 2c c d 的光谱分析特性 3 2 1 电 寄毒专移效率c 愿 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，到达下个势阱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0 c d 具有极高的电荷转移效率，一般可达0 9 9 9 9 9 5 【划，所以电荷在多次转 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 4 动态范围 动态范围d r 的定义为： 傩：堡 。 ( 3 1 ) 式中k ，饱和输出电压； 。有效像元的平均暗电流输出电压 在j 下常工作条件下，c c d 检测器的所有像元经历同时曝光，式( 3 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。以7 5 曲m 的红光光子为例，c c d 可在1 毫秒积分时间内对光强达每秒 5 1 0 9 个光子的光束响应。可对每秒7 1 0 - 2 个光子的光源响应。而且在整个动态范围 响应内，都能保持线性响应。这特性对光谱的定量分析具有特别的意义。 但在一些光谱分析中，如丘醯( 原子发射光渤中，实际的动态范围达不到那么大 的值。一种扩展c c d 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【5 l 罔。这种方法测量强信号旁的弱 信号非常不利，存在溢出的问题，特别是对于a 醪。通过改进e c d 制作工艺生产出 来的性能优秀的c 已在不同程度上解决了这个问题。 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 4 动态范围 动态范围d r 的定义为： 傩：堡 。 ( 3 1 ) 式中k ，饱和输出电压； 。有效像元的平均暗电流输出电压 在j 下常工作条件下，c c d 检测器的所有像元经历同时曝光，式( 3 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。以7 5 曲m 的红光光子为例，c c d 可在1 毫秒积分时间内对光强达每秒 5 1 0 9 个光子的光束响应。可对每秒7 1 0 - 2 个光子的光源响应。而且在整个动态范围 响应内，都能保持线性响应。这特性对光谱的定量分析具有特别的意义。 但在一些光谱分析中，如丘醯( 原子发射光渤中，实际的动态范围达不到那么大 的值。一种扩展c c d 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【5 l 罔。这种方法测量强信号旁的弱 信号非常不利，存在溢出的问题，特别是对于a 醪。通过改进e c d 制作工艺生产出 来的性能优秀的c 已在不同程度上解决了这个问题。 3 3c c d 在光谱分析中的应用 具有高灵敏度、良好的空间分辨力、宽的光谱响应、宽的动态范围的c c d 是提 高检测和度量光信号能力的理想工具。c 最先在天文学中得到应用，几乎每一个 大型的地面天文望远镜都采用o c d 对天体成像。a 在光谱学上的应用起步较晚的 原因在于设计与小体积的一维或二维c c d 相匹配的光学系统存在一定困难。在仪器 设计方面最具挑战性的是如何充分利用o c d 阵列中大数量的检测像元。而应用于成 像时，只需把原有的照相底片换为a c d 就可以了。如今硅集成电路的制作工艺已经 非常先进，使o 检测器具有极优秀的性能，并且价格降至与其它检测器如视像 管、p d a 相当或更低。而o c d 的平面阵列结构，使其具有天然的多通道同时分析的 优点。与c c d 应用相关的另个重要领域是智能化软件系统，用以提取由大量检测 像元提供的庞大的信息量，从而完成定量、定性、背景校正、操作条件的优化等工 作。仪器的商品化和能对大量图像和数据进行处理的计算机硬件和软件，使a c d 在 光谱分析中的应用逐渐普及。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c c d 在光谱分析领域的应用突出表现在以下几个方面： ( 1 1 对弱光的采集o c d 在可见和近红外区量子效率高，检出噪声小，制冷至极低 温度的c c d ，其暗电流几乎趋于零，从而能对弱光进行长