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河北工业大学硕士学位论文 i 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 摘 要 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 摘 要 光谱仪器是光学仪器重要的组成部分，广泛应用于生物、医学、石油、化工、天文、 工农业生产等领域，极大地促进了经济发展和社会进步。传统的可见光谱仪组成结构复杂 ， 价格昂贵，仅局限于实验室使用。随着科学技术的发展，便携式光谱仪成为其发展方向。 本文就光谱仪便携化的几个关键技术问题进行了研究，包括：探测器件的选择，色散系统 小型化的研究，小型化光源的选择，光谱仪中光谱带宽与光源能量利用率之间的关系研究 以及外界电磁对系统干扰的研究。 在这些关键技术的研究基础之上，提出了解决方案： 在对比分析了几种探测器件后，本课题选择了 sony 公司的 ilx511ccd 作为探测 器件，并采用 c8051f020 单片机作为其驱动及信号采集芯片。 传统光谱仪的色散结构复杂，而且还需配合一些机械结构来实现运行，这就对仪器 的可靠性提出了更高的要求。本课题在配合 ccd 器件使用的前提下，选用了 jy 公司的一 款平场凹面全息光栅共同设计色散结构。 传统光谱仪中的光源不仅体积较大，而且正常工作还需要驱动电路及散热器件等外 围部件。随着光纤技术的发展，本课题选用了一款小型集成光纤光源作为光谱仪的光源。 光谱仪中入射狭缝设置较大会造成光谱带宽减小，而入射狭缝设置较小则会使光源 能量利用率降低。本课题采用设置多股光纤出射口形状来解决这个问题。 便携化的光谱仪要在野外进行作业必须考虑到外界电磁对测试的影响。本课题采用 将仪器主要电路放置在铝制小盒内来避免外界的电磁干扰。 基于以上研究基础，本课题设计完成了一台便携式可见光谱仪，并完成了该仪器的硬 件设计及软件编程。其中，上位机的光谱处理软件采用 labview 模块化设计实现。经测 试，该仪器达到了预期的设计要求。 关键词关键词：光谱仪，便携式，ccd，c8051f020，平场凹面全息光栅，labview 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 ii studystudystudystudy onononon keykeykeykey techniquetechniquetechniquetechnique ofofofof portableportableportableportable visiblevisiblevisiblevisible spectrometerspectrometerspectrometerspectrometer andandandand instrumentinstrumentinstrumentinstrument designdesigndesigndesign abstractabstractabstractabstract spectrum instrument is an important part of optical instruments, and has been widely used in many fields, such as biology, medicine, petroleum, chemical industry, astronomy, industrial and agricultural production. it has greatly promoted economic development and social progress. traditional visible spectrometer has a complex structure and can be only used in laboratory. along with the development in optics and electrics, it is technically possible to design a portable spectrometer. in the paper, the key technologies on designing portable spectrometer has been studied, including: the choice of detector, study on the miniaturization of dispersion system, the choice of light source, study on relation betweenspectral bandwidth and light source energy efficiency and study about external electromagnetic interference. based on the study of key techniques, the paper comes up with solutions: after comparing several detectors, the ilx511 ccd of sony company is chosen as the detector, and the chip c8051f020 as the microcontroller for driving and acquisition circuit. the dispersion system of traditional visible spectrometer is complex, and needs the help of mechanical structures, which resulting in a large volume. in this paper a dispersion structure is designed with the use of ccd device and a flat field concave holographic grating of jy company. the light source of traditional visible spectrometer is not only lager, but also needs the driving circuit, radiator parts and other peripheral parts. with the development of optical fiber technology, a small size integrated light source is used in this paper. if the entrance slit is wider, the light source energy efficiency will be higher, butspectral bandwidth will decrease. in this paper, optical fiber slit is employed to solve this problem. the influence of external electromagnetic interference must be considered when portable spectrometers is used in field test. in this paper, fixing the main circuit in a small aluminum box will prevent external electromagnetic interference. based on the above basis studies, a portable spectrometer is designed in this paper, including: hardware design and software programming. among the designs, the spectral data processing software is designed by using labview language. after testing, the instrument 河北工业大学硕士学位论文 iii meets the desired design requirements. k k k keyeyeyey wordswordswordswords: portable, spectrometer, ccd, c8051f020, flat field concave holographic grating, labview 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部 分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：日期： 导师签名：日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1-1 引言 第一章 绪论 1-1 引言 光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它通过对光和物质相互作用现象的研究，利用物质特征光谱 测定物质的种类和成分，从而对物质成分进行定性或定量分析。光谱仪器一经诞生就受到人们的广泛关 注，并首先应用在化学分析中。光谱仪器具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶 金、地质、环境保护、石油化工、医药卫生等领域，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1。 1-2 课题研究的目的和意义1-2 课题研究的目的和意义 分析测试仪器（光谱仪器是其中最重要的门类之一）是现代化工业生产中不可缺少的一部分，并起 着“指导者”和“把关者”的作用。在保证质量和生产安全上，特别是连续自动化生产中都离不开关键 环节的质量控制，而分析仪器在其中起着关键的作用。据有关部门统计，美国的分析仪器产业至少影响 着美国一半以上的工业产值。目前，分析仪器产业已经发展为一个非常成熟、每年产值高达几百亿美元 的大行业。 分析仪器在我国国民经济中也同样发挥着重大作用。 中国用于分析仪器的投资已经从 1998 年的 6.8 亿美元猛增至 2005 年的 13 亿美元。分析仪器的快速发展与国家对食品安全、环境生态保护、疾病预防 与控制、产品质量监督、生产安全和重大自然灾害监控以及基础研究的重视密切相关。21 世纪分析仪 器的发展将向在线分析倾斜，并向综合、联用、信息网络化发展，同时更趋微型化和智能化。而中国日 益发展的医药、生化、环保等产业，也为现代化的分析仪器创造了巨大的市场空间。 目前，中国约 73%的分析测试仪器需要进口，在一些高档精密仪器领域这个比例更高，一些特种 专用仪器则完全依赖于进口。为此，国家“九五”和“十五”期间都将“科学仪器研制与开发”列为国 家科技攻关计划的重要组成部分。 鉴于目前市场上高精度、 便携式可见光谱仪普遍存在价格较贵的特点 ， 研究并设计一种精度较高而且价格适中的光谱仪必然具有很大的市场和意义。 1-3 便携式可见光谱仪的国内外发展现状及趋势1-3 便携式可见光谱仪的国内外发展现状及趋势 便携式可见光谱仪的一个显著特点就是整机小巧，以便于工程人员携带。现代科学技术发展突飞 猛进，特别是在微电子、计算机硬件和软件、固态光、热和电子探测器件、激光等领域取得了重大进展 。 光谱仪的接收系统也由早期光谱感光底板逐渐变为现在的光电检测器件， 这些科学技术的发展为光谱仪 的小型化发展提供了良好的契机。随着社会及生产的需要，一些像冶金、医药、环保及天文等领域急需 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 2 现场测试来及时指导后续工作，所以局限于实验室工作的光谱仪已大大不能满足测试的需要。自上个世 纪 90 年代初期开始，光谱仪已经朝着小型化、便携化的方向迅速发展起来。由此，光谱仪器才摆脱了 实验室的局限，并应用到一些生产现场和在线测量中。便携式光谱仪与传统的光谱仪相比，其有更多的 使用灵活度。像在某些特殊领域的应用中，光谱仪器外形尺寸的微型化比提高其光谱分辨率具有更加重 要的作用2。早期光谱仪便携化的设计方案缺乏创新，便携化思路仅仅是通过制造手段将光谱仪各个部 件的物理尺寸减小。这样“便携式”的光谱仪不但制作成本高昂，而且从根本上也没有达到使仪器结构 简单化、集成化的目的。后来人们意识到这种“便携式”的光谱仪并不能满足真正的测量需要，于是才 转向仪器组成结构的优化与创新设计上来，而不是简单的制造体积小的元件。 目前，国内外所生产的商品化便携式光谱仪均采用创新结构设计理念，实现了光路结构、接收系统 与整机的小型化与集成化，同时在提高仪器测试精度的同时也降低了仪器制造成本。 1-3-1 国外发展现状1-3-1 国外发展现状 国外对便携式光谱仪的研究起步较早，目前已经出现很多商品化的便携式光谱仪。如今许多国外光 谱仪器厂商纷纷推出了各自研发的便携式、高测量精度的产品，以下介绍国外生产的几款有代表性的产 品： 美国海洋光学公司生产的 usb4000 系列光纤光谱仪3 海洋光学（ocean optics）公司最新推出的 usb4000 型光谱仪是目前世界上比较受欢迎的光谱仪之 一。如图 1.1 所示为该公司生产的 usb4000 型光纤光谱仪的外形图。usb2000 型便携式光谱仪是海洋 光学公司较为成功的商品化产品，而这款 usb4000 型是其最新的改进型号。它内置有先进的光电探测 器件和强大的高速电路系统，对光谱数据可以进行 16 位 a/d 转换，还可根据温度变化对探测器件的暗 噪声进行校正。 该型号的光谱仪为方便用户使用， 还可兼容 windows，mac 或者 linux 等多种操作系统 。 模块化的 usb4000 型光谱仪采用了东芝公司生产的 tcd1304ap 这款线阵 ccd 作为探测器件，该款 ccd 具有 3648 个像元，可探测 2001100nm 波长范围的光谱。该仪器还可通过 usb 接口或者 rs232 串行接口与计算机连接，电源采用计算机供电而无需外接电源。用户还可以根据测试需要从 14 种内置 光栅及 6 种狭缝中自由组合，其以便携、可靠性强、操作方便等特点得到了用户的广泛好评。 图 1.1 海洋光学公司的 usb4000 光谱仪 fig. 1.1 ocean optics usb4000 spectrometer 河北工业大学硕士学位论文 3 荷兰爱万提斯（avantes）公司的 avaspec2048 型光谱仪4 图1.2 avaspec2048型光谱仪 fig. 1.2 avaspec2048 spectrometer 荷兰爱万提斯公司生产的avaspec2048型光谱仪如图1.2中所示，它采用对称式光路设计，这种光路 结构设计可以使该仪器在较宽的光谱范围中有较高的分辨率。该仪器外型小巧，内部集成化程度高。其 内置的探测器件选用sony公司生产的ilx554b线阵型ccd， 该款ccd物理尺寸小、 灵敏度高、 具有2048 个像元，其光谱探测范围可达2001000nm。该款仪器的光纤接口采用标准的sma接口，同时为使用方 便还为用户提供了usb接口、rs232串行接口以及其它一些数字接口。用户根据测试对象还可设置选择 双通道或者多通道同步采样。目前，该款光谱仪以灵敏度高、测量速度快、测量精度高等特点已经被国 内很多高校、研究所和公司采用。 美国赛默飞世尔科技（thermo fisher scientific）的helios delta型可见光谱仪5 图1.3 helios delta型可见光谱仪 fig. 1.3 helios delta visible spectrometer 赛默飞世尔科技公司是全球光谱分析仪器的领军企业之一， 其生产的helios delta型可见光谱仪广受 欢迎。如图1.3所示为helios delta型可见光谱仪，其内部光路结构中采用了独家的全息母光栅（mig）， 并与2nm的带宽步进单色器配合使用，大大提高了该仪器测试数据的精度和稳定性。该仪器内部采用光 电二极管（双检测器）作为光接收器件，其光谱探测范围可达3251100nm。用户可自行编辑使用控制 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 4 软件， 可快速读出吸光度、透射率或浓度等数据，测试结果还可自动存盘及自动打印。该仪器设计小巧 ， 外部呈流线型，可以防止测试样品溅入仪器内部，并且其密封性能良好，键盘采用防腐处理，在极端恶 劣的工作环境下仍可使用。 1-3-2 国内发展现状1-3-2 国内发展现状 国内便携式光谱仪研究相对较晚，目前正处于追赶国际先进水平阶段，但是也取得了一定的成绩。 国内的一些科研院校和研究所在便携式光谱仪的研究上做了大量的理论研究工作， 并分别研制出了相应 的仪器样机。国内的一些仪器公司也相继研发出了小型光谱仪器，并成功投放市场6。 浙江大学的李博和鲍超于 1999 年研制成功了一台小型实时光谱辐射仪。该仪器采用 s3901mos 线 阵图像探测器作为光谱探测器件， 选用光纤作为光谱辐射输入， 成功地应用于 400700nm 的光谱测量7。 重庆大学的胡松等人于 2000 年研制了一种小型光谱仪，如图 1.4 所示。该仪器合理设计了其色散 结构，通过对像差的消除及光谱的补偿，解决了光谱探测中谱面平直、光谱线性分布等系列问题。该仪 器测得的光谱线性度好、光谱分辨力及光能传递效率较高，同时能避免杂散光对光谱探测的影响，较好 地解决了影响微小型光谱仪实用化的几个关键问题8。 图 1.4 重庆大学研制的微型光谱仪 fig. 1.4 micro spectrometer designed by chongqing university 长春光学精密机械与物理研究所的鞠挥等人于 2002 年研制了一台小型光纤光谱仪样机9。该光谱 仪主要用于生化分析。该仪器光路结构设计中采用 czerny-turner 结构设计，使用线阵 ccd 作为探测器 件，构建成了一种多通道、实时的光谱分析系统。通过相关的光谱测量实验，完成了该仪器的光谱标定 及分辨率、波长精度和带宽等性能指标的测定。 虽然目前国内的光谱仪器生产企业和相关科研高校及研究所已经具有一定的研究、开发和生产能 力，但同国际先进技术相比，差距仍然十分明显，具体体现在技术系统性差、集成度不够、持续创新能 力不强等方面。 1-3-3 展望1-3-3 展望 从以上的叙述中可以看出，光谱仪器发展的总体趋势是朝着更加微型化、集成化、快速化和智能化 的方向发展。可见光谱仪是很重要的分析仪器，其无论是在物理学、化学、生物学、医学、环境科学等 科研领域，还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产管理部门，其都有着广泛的应用。随着科学 技术的迅猛发展，一些高新技术如纳米技术、芯片技术、仿生技术等技术都很可能应用到可见光谱仪器 的研制上来，这样就可以使仪器在便携化的同时，其测试性能也更加可靠、完善。 河北工业大学硕士学位论文 5 1-4 本课题主要研究内容1-4 本课题主要研究内容 本课题对研制与开发便携式可见光谱仪的过程中所遇到的几个关键问题进行了研究， 主要包括探测 器件的选择，色散系统小型化问题的研究，小型化光源的选择，光纤光谱仪中光谱带宽与光源能量利用 率之间问题的研究以及如何克服外界电磁干扰问题。在此基础上，完成的主要工作有： 确定了可见光谱仪便携化关键问题的几个解决方案：采用 ccd 多通道器件作为该仪器光谱信 号的探测器件， 这样就使得仪器整体结构小型化， 并可同时实现多通道测量， 使仪器测量时间大为缩短 ； 采用平场凹面全息光栅设计该仪器的色散系统，这样就使得色散系统结构简单、外型小巧，使仪器整体 结构简单、小型化；采用小型集成光纤光源作为该仪器的光源，使得仪器光路结构整体小型化，并解决 了光谱带宽与光源能量利用率之间的问题； 采用屏蔽该仪器探测器件的驱动与采集电路以达到克服外界 电磁干扰的目的。 在以上研究的基础上完成了该仪器的整体设计、硬件电路结构设计及上、下位机软件设计工作。 其中：硬件电路设计采用 c8051f020 芯片设计该 ccd 的驱动及采集电路，并采用串口通讯方式实现与 上位机（笔记本）的通讯；软件设计包括底层单片机程序和上位机光谱数据处理程序，底层软件采用汇 编程序完成，上位机软件设计采用 labview 软件编程完成，并实现其模块化的功用。 完成仪器的标定，对实验的结果及性能进行分析。其中研究了系统的波长标定，给出了一些测 量结果，并通过与其他仪器的对比验证了该仪器的测量性能。 总结了该仪器实现的功能与在研制中的优势与不足，并对后续研究提出了展望。 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 6 第二章 光谱仪器工作原理及传统可见光谱仪特点介绍 2-1 光谱仪器的分类 第二章 光谱仪器工作原理及传统可见光谱仪特点介绍 2-1 光谱仪器的分类 光谱仪器是进行光谱研究和分析的仪器。它可以测定光的光谱组成（光的波长、强度、轮廓等）， 从而确定物质的组成和结构，从而对物质进行定性或定量分析。光谱仪器应用广泛，其分类方法也有多 种。依据光谱仪分解光谱的工作原理，可将其分为两类：经典光谱仪器和新型光谱仪器。经典光谱仪主 要基于空间色散（分光）原理，而新型光谱仪主要基于光学调制计算原理，故新型光谱仪也被称为调制 光谱仪。由于分析试样对光源发出的光谱具有吸收的作用，本课题研究的对象就是基于光谱色散原理基 础上对该现象进行分析研究的仪器。 另外， 人们还根据光谱仪所能探测的光谱范围， 将其分为以下类型 ： 远紫外（真空紫外）光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 10200nm。该类光谱仪内部必须处于真空状态，以防止因大气 对该波长范围光谱的强烈吸收作用而造成光能量的损失。宇宙中的一些恒星天体（如太阳）经常处于变 化状态，通过对其发出的光谱进行测量可以研究其物理组成和变化规律，因此该类光谱仪经常用于太空 检测及遥感领域。 紫外可见光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 2001000nm。物质吸收光谱实质上就是物质中的分子或原子吸 收了被测光中的光谱，从而引起物质中分子或原子的电子发生能级跃迁， 而物质的化学反应基本上由这 些光谱决定。由于物质的组成成分不同，其吸收特有光谱后的光谱曲线也就不同。因此，该类光谱仪广 泛应用于药品分析、纯度检验、推测化合物的分子结构及有机分析等定性或定量分析中。 可见光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 380780nm。可见光是人们最为广泛应用的光波段，利用该类 仪器可以实现对照明光成分的分析、液体化合物成分分析、颜色分析等领域。本课题就便携式可见光谱 仪进行了详细的研究。 近红外光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 7802500nm。该类光谱仪一般用于研究分子电子光谱，广泛应 用于医学、药物学、环境学和生产控制流程中。 红外光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 2.550m。 红外光谱仪主要通过研究吸收分子振动光谱并将该 光谱的特性用于对物质结构与成分的光谱分析中10。该类光谱仪广泛应用于染织工业、环境科学、生 物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、药学、无机和配 位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。 远红外光谱仪 该类光谱仪所能探测的光谱范围为 50m1mm。此类光谱仪广泛的应用于塑料测量和分辨、气体 分析、食品质量控制、化学生物分析、在线过程监测和医学分析等领域。 河北工业大学硕士学位论文 7 2-2 光谱仪器的基本结构2-2 光谱仪器的基本结构 虽然光谱仪分类较多，但是其具有大致相同的基本组成，包括：光源和照明系统、色散（分光） 系统和接收、检测及显示系统。以上三个部分是光谱仪器的基本构成，不同类型的光谱仪由于工作原理 不同，组成部分也略有不同。 光源和照明系统 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。比如在研究物质发射光谱时， 诸如气体火焰、交流或直流电弧及电火花等作为光源来研究光谱时，光源在这里就是所研究的对象；而 研究物质的吸收光谱、喇曼光谱和荧光光谱时，由于光源是作为照射工具来使用的，因此，此时光源就 是作为媒介通过研究物质吸收光谱来对物质进行分析的。 照明系统是为了最大可能的会聚光源发出的光， 在保证光能量损失较小的情况下将其传递到仪器的 准直系统。因此，一般要求照明系统具有较强的聚光能力，而且还要求其能够和仪器其它配件（如入射 狭缝等）配合使用。 色散（分光）系统 色散系统是任何光谱仪的核心组成部分，它的作用是将入射的复合光分解为光谱，其一般是由准 直系统、色散系统、成像系统三部分组成，如图 2.1 所示为其光学系统示意图： 图 2.1 光谱仪器光学系统示意图 fig. 2.1 spectrometer optics system sketch map 图中，o为系统光源，l为聚光透镜，s1为入射狭缝，l1为准直镜，a为系统色散元件，l2为成像 物镜，ff为成像焦平面，s2为出射狭缝。首先，系统光源o发出的光经过聚光透镜l会聚，然后射向 入射狭缝s1；通过入射狭缝s1后的光经过准直镜l1后变为平行光射向系统色散元件a；光束通过色散 元件后发生色散，使复合光分解并按波长大小以不同角度分散开；分解后的复合光通过成像物镜l2后， 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 8 将分别会聚到成像焦平面ff上，这样就在成像焦平面上形成了若干个单色像、。这些 1 s 2 s 3 s 单色像是按照光的波长范围按一定规律排列的，其总和就是该光源的光谱。 接收、检测及显示系统 该组成部分主要作用是将成像系统焦平面上的光谱能量接收，并可以检测光谱的强度及其对应的 波长位置，通过光谱图或者其它形式的数据输出作为被研究物质的参数，从而对该物质进行定性或定量 分析。该仪器光谱的接收系统一般与分光系统设计在一起，如图 2.1 所示，在成像焦平面上放置出射狭 缝或摄谱底版、光电接收系统，便可进行记录。而该仪器的检测和显示系统设计中则往往与其分光系统 隔离开。目前，绝大多数光谱仪器都采用光电接收系统作为光谱的检测系统11。采用光电接收系统后 可以将光谱检测范围扩大，同时还可以提高测量系统的精度、灵敏度和速度，也实现了系统的自动化和 数字化。 2-3 色散系统2-3 色散系统 从上节中可以看出， 色散系统决定了光谱仪器的主要基本特性。 一些经典的色散系统， 像棱镜系统 、 光栅系统等在光谱仪的设计中得到了广泛的应用。以下介绍了几种常用的色散系统元件。 2-3-1 色散棱镜2-3-1 色散棱镜 牛顿在 1665 年通过棱镜发现了光的色散现象，由此棱镜也最早在光谱测量系统中作为色散元件得 到了广泛的使用，其结构和工作原理如图 2.2 所示： 图 2.2 棱镜主截面光路图 fig. 2.2 prism principal section optical path 由于同种介质对于不同波长的光具有不同的折射率，所以复合光在经过该介质后就发生了色散现 象，色散后得到了一条彩色的光带。如图 2.2 所示，首先一束单色光入射到三棱镜（截面为等腰三角形 ） 的第一工作面上，入射角为i1；由于空气和介质的折射率不同，光线在穿过该工作面时发生了折射，折 射角为i2；光线继续传播至该棱镜的第二工作面上，这时该束单色光在介质中的入射角为i3；该束单色 光透过介质射出，又发生折射现象，此时该束单色光的折射角为i4。图中n0为空气对该束单色光的折 射率，即n0=1；n为介质对该束单色光的折射率。 根据光线的折射定律可以得出以下两式： (2.1) 210 sinsininin= 河北工业大学硕士学位论文 9 (2.2) 403 sinsininin= 改写(2.1)和(2.2)两式，可得： (2.3) 12 sin 1 sini n i= (2.4) 34 sinsinini= 由上图 2.2 可知，该单色光从棱镜射出方向与其入射到棱镜方向之间的夹角称为光线通过棱镜之 后的偏向角。由图 2.2 可得： (2.5)+=+= 413421 )()(iiiiii 当入射光束是包含有各种不同波长的混合光（例如是由红、橙、 黄、绿各种色光混合成的白光 ） 时， 由于棱镜对于不同波长光具有不同的折射率，即使不同波长的光都是以同样的入射角i1投射到棱镜 上，它们将以各自不同的i4角射出棱镜；换句话说不同波长的光通过色散棱镜后将具有不同的偏向角， 以不同的方向射出。因此，如果入射光中混有不同波长的若干种光辐射，色散棱镜能使它们明显地向不 同方向射出。研究发现， 短波长的单色光其通过棱镜后的折射角要大于长波长的单色光通过棱镜后的折 射角，而且色散后的谱线排列呈非均匀排列，在短波方向排列密集，在长波方向排列疏松12。 2-3-2 平面衍射光栅2-3-2 平面衍射光栅 平面衍射光栅分为透射式和反射式两种，目前透射式光栅在光谱仪中应用逐渐较少，以下介绍反射 式衍射光栅13。反射式平面衍射光栅是在高精度的平面上刻划出许多平行、等宽、等间隔排列的沟槽 所形成的光学元件。 图 2.3 平面光栅色散原理 fig. 2.3 plane grating dispersion principle 如图 2.3 所示为平面衍射光栅的色散原理图。一束平行的复合光入射到光栅上，由于多缝衍射和干 涉的作用，光栅将其按波长大小在空间分解成光谱。由该图可知，相邻两刻痕对应的光线11和光线22 的光程差为： (2.6)()sinsin +=id 由波动光学可知，两相干光束极大值的条件为： (2.7)m= 由(2.6)和(2.7)两式，可得相邻两光线干涉极大值的条件光栅方程为： 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 10 (2.8)()mid=+sinsin 式中d为光栅常数，i为入射角，为衍射角，m为衍射级数。由上式可以看出，当光栅常数d和 入射角i一定时，除零级外，在其所确定的光谱级中波长越长的光束其衍射角也就越大，所以其所衍射 出的光谱带为由短波长向长波长散开（由中心零级向上下两侧） 。由于光栅总的刻痕数目很大，在实际 的光栅衍射光路中，主最大所对应的角宽度非常小，所以在透镜后面的成像焦平面上就形成了若干明亮 的细光谱线。 平面衍射光栅的一个重要的基本特性就是它的角色散率。两个波长差为 d的两路单色光，经过光 栅的衍射后，其在空间分散后的角距离大小称为角色散率。 假定光栅已经选定，其入射角i不变，对（2.8）式微分，得： (2.9)mddd=cos (2.10) cosd m d d = 由上式（2.10）可以看出，在靠近光栅平面法线的范围内，当衍射角不太大的情况下，光栅的角 色散率为一常数，即衍射角与波长成线性关系，而与波长无关。这种色散为常数的光谱称之为“均 排光谱”。光栅光谱的线性排列不但使光栅光谱整齐、匀称，而且常被应用于波长标定。 2-3-3 凹面衍射光栅2-3-3 凹面衍射光栅 凹面衍射光栅是刻划在球面或非球面上的一系列等距划痕的反射式衍射光栅14,15。 该光栅既具有衍 射色散作用，又具有聚焦成像作用。采用凹面衍射光栅作为色散元件，就使得仪器设计中省去了准直系 统和成像系统，这样就简化了系统结构。 凹面衍射光栅的方程与平场衍射光栅方程相同，为： (2.11)()sinsin +=id 式中，i和分别为凹面光栅主截面上的入射角和衍射角，d为光栅常数。如图 2.4 所示为凹面光栅 的聚焦条件。 在凹面衍射光栅设置中，自狭缝a点发出的波长为的光线，不论其入射角如何变化，都在同一 点a形成衍射极大。由该图可以得出： (2.12)rr=cos (2.13)rr=cos 上式(2.12)及(2.13)表明，当物点和像点离光栅的距离（r和r）满足某种关系时，从物点 a 发出的 光线不论落在光栅上什么位置，在衍射后都会到达像点a。式(2.12)和(2.13)被称为凹面衍射光栅的聚焦 条件。 能满足凹面光栅聚焦条件的所有物点和像点的轨迹是一个直径为r的圆周，该聚焦条件是罗兰在 1883 年证明得出的，因此通常称此圆为罗兰圆16。如果把曲率半径为r的凹面光栅的顶点o和入射狭 缝a都放置该罗兰圆（直径为r）的圆周上，则该凹面光栅可以将光全部清晰地聚焦到圆周上。若在该 罗兰圆圆周上放置摄谱感光胶片，则可以得到清晰的光谱图片。 河北工业大学硕士学位论文 11 图 2.4 凹面光栅的聚焦条件 fig. 2.4 focus condition of concave grating 2-3-4 全息光栅2-3-4 全息光栅 随着全息激光技术快速发展，出现了采用激光干涉照相法制作的衍射光栅，即称之为全息光栅17。 全息光栅的制作流程为：首先，在光栅毛坯件（一般选用玻璃）上涂抹一层光敏材料，且该坯件光学性 能必须稳定；然后，氦氖激光器发出的光经过分光板和全反射透镜后产生两束相干光束，使其在玻璃坯 件涂层上产生明暗相间的均匀干涉条纹；坯件上的感光材料由于干涉光照射而曝光；最后，采用特殊溶 液清洗掉被感光的部分，这样就在坯件上获得了与干涉条纹相当的槽线，即制造了一种具有干涉条纹全 息图像的衍射光栅。若在坯件背面真空镀上一层铝料反射膜则还可以制成反射式衍射光栅。如图 2.5 所 示为全息光栅的光路图： 图 2.5 全息光栅光路图 fig. 2.5 holographic grating optical path 全息光栅一经诞生就由其无鬼线、低杂散光、制造周期短和成本低的特点受到了用户的广泛好评。 目前，全息光栅广泛用于化学成分分析、颜色测定、血检等仪器中，还可用于食品有毒成分检测、环境 的监控以及高空地球物理勘测、气象资料搜集等高分辨率的图像光谱仪中。 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 12 2-4 传统可见光谱仪器 2-4-1 传统可见光谱仪的基本组成 2-4 传统可见光谱仪器 2-4-1 传统可见光谱仪的基本组成 传统可见光谱仪不论其型式如何，基本上都由四大部分组成，即光源、色散系统、样品池（吸收 池）和检测读数系统。如图 2.6 所示为传统可见光谱仪的基本结构： 12345 6 7 8 9 10 11 图 2.6 传统可见光谱仪的结构简图 fig. 2.6traditionalvisiblespectrometersketch map 图中 1 为系统光源，2 为聚光透镜，3 为入射狭缝，4 为准直物镜，5 为色散元件，6 为波长扫描机 构，7 为聚光透镜，8 为出射狭缝，9 为样品池，10 为光电接收器件，11 为信号检测读数系统。 光源系统 传统光谱仪选用的常用光源主要分为热光源和放电光源两大类18。其中钨丝灯是前者的主要代表， 氘灯是后一类的代表。 钨丝灯在可见光区有较强的连续辐射， 所以常被作为一般传统可见光谱仪的光源 。 色散系统 通常传统可见光谱仪的色散系统是一个单色器，并将其为整个系统的核心构件。单色器一般由以 下几部分构成：入射狭缝；准直物镜；色散元件；投影器（一般为聚光透镜） ；出射狭缝。 其中色散元件大多采用棱镜或光栅构成。 样品池 样品池是将被测试样送入光谱仪使之与光辐射相互作用而发生吸光过程的装置。最简单的样品池 是用于液体试样的液槽，一般可见光谱仪使用的样品池为玻璃比色皿。 检测读数系统 检测读数系统一般由光电接收器件及后续信号控制处理电路组成， 并通过一定的方式对结果进行谱 图显示或打印。 河北工业大学硕士学位论文 13 2-4-2 传统可见光谱仪原理2-4-2 传统可见光谱仪原理 传统可见光谱仪的工作原理为：光源发出的光由聚光系统会聚后射向入射狭缝；准直系统将来自 入射狭缝的光会聚为平行光后射向光栅，光栅将复合光色散（使不同波长的光按照不同的角度出射） ； 光谱聚焦系统将经光栅色散的光聚焦使之成为按波长排列的光谱带。波长扫描机构带动光栅转动，使从 出射狭缝射出的单色光波长线性变化。单色光经过样品池（样品池是标准的比色皿样品池，其中装有被 测样品）被其中的样品所吸收，最后到达光电倍增管（光电接收器） ，经过光电变换后输出电信号，电 信号经控制电路与信号处理电路后得到数字结果，数字结果经过串行通讯传送到计算机，由计算机对数 据进行处理得到光谱图或各种光谱数据。 2-4-3 传统可见光谱仪的缺点2-4-3 传统可见光谱仪的缺点 通过上述对传统可见光谱仪的基本组成与工作原理的介绍，可以得出其显著的特点有：仪器结构复 杂、占用空间大、组成配件多；由于光栅的局限性，每次只能测量一种单色光；结构中有步进电机组成 的波长扫描结构，加入了机械部件，使得仪器的稳定性和精度降低；被测样品置于光路结构中；完成全 谱扫描需要较长的测试时间；仪器成本较高，仅适用于实验室等固定场所。 通过传统可见光谱仪的这些特点，可以得出其只适合于将被测样品置于实验室环境下的测试。然而 随着社会发展的加快，像工业生产中急需对生产流程中的一些样品进行在线测试，以找出生产环节的纰 漏，更好的指导现场生产，还有医学及农业等等领域都急需可以进行现场测量的光谱仪。因此，便携式 光谱仪成为其最新的发展趋势。 2-5 本章小结2-5 本章小结 本章主要介绍了关于光谱仪的一些基本原理和知识， 为后续便携式可见光谱仪的关键技术研究及仪 器设计奠定了理论基础。本章主要完成了以下工作： 本课题的研究对象是可见光谱仪，因此从光谱范围划分对光谱仪进行了分类，并介绍了各种光 谱仪的应用领域。 介绍了光谱仪一般由光源、色散系统和接收、检测及显示系统组成，并指出色散系统是光谱仪 的核心部件。 介绍了光谱仪色散系统中常用的几种色散元件，为后续便携式光谱仪色散系统设计做准备。 介绍了传统可见光谱仪的基本组成及原理，并分析了目前其存在的缺点和不足，对其将来的发 展趋势做出了预测。 便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计 14 第三章 便携式可见光谱仪关键技术研究第三章 便携式可见光谱仪关键技术研究 可见光谱仪色散系统的小型化是其便携化的核心内容， 同时为了保证其在现场和野外工作环境中测 试结果的可靠性和准确度，还必须克服外界电磁干扰等问题。光谱仪的便携化是为了使其在各种环境中 实时和便捷工作，这样就便于指导现场工作和在线测量数据。本章就可见光谱仪便携化的关键技术进行 了一些研究，其中包括如下内容： 探测器件的选择； 色散系统小型化的研究； 小型化光源的选择； 光谱仪中光谱带宽与光源能量利用率之间相关问题的研究； 外界电磁干扰的研究。 3-1 探测器件的选择3-1 探测器件的选择 早期的可见光谱仪一般采用摄谱感光胶片作为探测器件。近年来，由于电子技术的迅猛发展，传统 的光谱仪器大都采用光电法进行光谱信号的采集。光电法中需要光电探测器件，其作用就是把光信号转 换成电信号（如电阻、电流、电压等） 。以下是对可见光谱仪中常用的光电探测器件进行了一些介绍。 3-1-1 探测器件介绍3-1-1 探测器件介绍 光电倍增管 图 3.1 光电倍增管工作原理图 fig. 3.1 photomultiplier working principle sketch 光电倍增管（pmt）是基于外光电效应和二次电子发射效应原理制成的电子真空器件，其广泛应 用于光子计数、分光光度计及生物化学分析仪器等设备中。光电倍增管主要由光阴极、聚焦电极、电子 倍增系统和电子接收集四部分组成。其中，光阴极也被称为光电发射阴极，电子接收集也被称为阳极， 其电子倍增系统主要由若干个电子倍增极（打拿极）组成。如图 3.1 所示为其工作原理图。首先，探测 光打到光电倍增管的光阴极，光阴极发射出光电子到真空管中；在聚焦极产生的电场作用下，这些光电 子加速进入其电子倍增系统；这些加速的光电子首先打到第一个电子倍增极上，电子倍增极发出倍增的 河北工业大学硕士学位论文 15 二次电子，随着电子倍增极各级电位逐级提高，这些倍增后的光电子逐次打到其余的电子倍增极上；经 过最后一个电子倍增极后，这些倍增的光电子最终到达电子接收集上，即被阳极收集作为信号输出。 光电倍增管透明真空壳体内部的特殊电极， 可以使光阴极产生的光电子在逐级到达打拿极时使其产 生更多的二次电子，最后这些光电子被阳极收集就达到了放大光电流的目的。因此，光电倍增管具有灵 敏度高、响应时间短、线性范围宽等优点，但在可见光谱仪的应用中，还必须注意以下几点： 暗电流影响19。在完全黑暗的环境下光电倍增管仍有微小的电流输出，所以在选用其作为光电 接收器件时必须选用暗电流小的型号。 磁场影响。磁场会使光电倍增管中的发射电子偏移造成其放大信号的损失，所以在应用时要注 意避免磁场的影响。 温度影响。在可见光区，光电倍增管的温度系数是负值，在长波截止波长附近则为正值，并且 在长波截止波长附近的温度系数很大，所以在应用时必须控制光电倍增管的环境温度。 “疲乏”现象。强光照射会导致光电倍增管的灵敏度降低，在停止照射后又部分地恢复，所以在 使用时应避免将其放置于强光中或长时间照射。 光电二极管阵列 光电二极管阵列(self scan photo diode array，sspda)，简称为 pda，其全称为自扫描光电二极管阵 列20。mos 图像传感器即为一款光电二极管阵列，其主要由光电二极管阵列与扫描电路两部分组成， 其光电二极管阵列为系统的感光单元。mos 图像传感器选用光电二极管作为图像传感器的光敏单元， 采用寻址读出方法读取信号，这就构成了自扫描光电二极管列阵。 sspda 的主要优点在于具有近于理想的光电传感器特性，量子效率高，像元形状和尺寸设计灵活， 可以适用于各种特殊的用途。但商品化的探测器型号较少并且价格昂贵，而且其暗电流大、信噪比小和 线性范围较窄等原因，使其使用受到了一定的限制。 电荷耦合器件 ccd（charge coupled devices） ，全称为电荷耦合器件，是一种新型的成像器件2124。ccd 最早 是由美国贝尔实验室（bell labs）的维拉博伊尔(willard s.boyle)和乔治史密斯（george e.smith） 在 1969 年发