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摘要:研制了一种基于线阵ccd的多通道光谱仪.该光谱仪以ccd为光谱探测器,取代了过去常用的光电倍增管,通过与光栅的结合实现了多通道光谱的同时测量.本光谱仪的光谱测量范围为400~700 nm,光谱分辨率达到1.6 nm(在波长为546.1 nm处).由于采用了一维线阵探测器,与传统扫描式光谱仪相比,本光谱仪的检测速度得到了极大的提高.实验结果证明,本系统基本达到了预期的设计目标.

曾作为主要检测器沿用了数十年的光电倍增管(pmt)虽然具有很高的灵敏度和宽的光谱响应范围,但是单个pmt的致命缺点是不具备多道同时检测信号能力,因而也不能一次同时获得分析线.而ccd与可以提供二维光谱且分辨率很高的中阶梯光栅结合,能够同时采集到分布在空间的多个信号,突破了pmt的局限,大大地提高了全光谱的检测效率.将ccd与计算机相结合,把同时获得的各波长点的数据串行输入给计算机进行处理,几乎实时地得到全部光谱的光强分布图.基于ccd的突出优势,ccd多通道光谱仪已经成为光谱仪的一个重要的发展方向.为此,本文研制了一种基于线阵ccd的多通道光谱仪.

1 系统原理

1.1 光学结构

光学原理为:光束从光源发出,经聚光镜f1变成平行光,再由聚光镜f2汇聚到入射狭缝处;聚光镜f1与聚光镜f2间之间为样品池,放置待测滤光片;通过狭缝进入多色仪的光束经准直物镜f3再次变成平行光束,到达分光用的光栅,由光栅的色散作用将不同波长的光束沿不同方向射出,再经成像物镜f4汇聚到焦面上,成为一条连续的光谱,用ccd探测器在此处接收.

1.2 系统结构

本系统原理框图如图2所示.该系统包括三个大块:光源、待测滤光片和单色仪构成光学部分;线阵ccd和a/d转换卡是数据采集部分;cpu及其外围设备是该系统的数据处理块.

光学部分完成准直、色散、会聚和成像;数据采集和处理部分完成光电信号转换和数据的采集与处理.ccd把目标的入射能量的强度按波长分布转换成电信号,将此电信号传送到a/d转换卡进行模数转换,计算机读取采样到的数据,一方面可绘制出光谱曲线并显示.另一方面可将这些光谱数据存入计算机进行永久性保存[1].

2 系统实现

2.1 光谱带宽

光谱仪的工作原理就是把由复合光照明的狭缝经过分光系统分解为若干个单色的狭缝像,这单色的狭缝像即为通常所说的谱线,它的空间宽度δl所对应的光谱宽度为δλ,即光谱带宽.光谱带宽意味着光谱仪分辨光谱的能力,光谱带宽越窄,说明仪器的分辨率越高[2].

在理想情况下,光谱带宽与入射狭缝的宽度a1及光栅常数d成正比;与准直透镜的焦距f1及光谱级次m成反比;并且光谱带宽与成像物镜的焦距f2无关,成像焦距的大小只影响线色散率,对焦面上光斑的光谱带宽并无影响,即有式中i为光线对光栅的入射角.

按瑞利准则所决定的理论分辨率与实际上测得的实际分辨率之间存在着很大的差异.实际分辨率总比理论分辨率小,两谱线轮廓的不同、光学系统像差的存在等因素都会严重地影响实际分辨率.

2.2 系统参数的确定

要实现光谱快速测量,要求系统有尽可能低的检测限和尽可能宽的光谱区域.对于特定系统而言,参数的选取和工作条件的确定,主要围绕提高光谱分辨率的目标进行确定.

tcd142d型2048像元阵列探测器:响应面长32 mm,整个光谱范围利用中间的25 mm,动态范围为1 500∶1,最小照度即灵敏度为6.0 v/(lx·s)(对于2 854 k的钨丝灯测得),传输效率大于92 %.光源:采用卤钨灯(24 v,150 w);光栅:600条/mm,闪耀波长500 nm.入射狭缝调节范围:1 mm~0.02 mm,调节精度0.01 mm.聚光镜焦距:聚光镜的焦距决定与光源物方孔径角及样品池中被测物体的大小,根据能量要求光源的物方孔径角2ω不应小于10°,由f=h/(2tanω)最后确定的焦距大小为70 mm;多色仪物镜焦距和口径:综合分辨率和仪器的体积因素,物镜焦距确定为500 mm,从满足能量要求角度考虑,相对孔径确定为1/7,则物镜的口径大小约为70 mm.

2.3 ccd的数据采集

采用最常用的总线接口方式,即将数据采集电路做成采集卡,直接插在计算机总线的扩展槽内.由于采集速度要求不是特别高,因此采用了isa总线.

考虑ccd输出的数据块大小固定不变,传送方向也不变,传送端口可通过译码电路确定,因此计算机与外设之间的数据交换采用了端口传送方式,不但保留了指令i/o传送方式编程简便的特点,而且传送速度几乎可以与dma相比较

2.4 软件设计

采用vc++作为软件开发工具,在前端pc机上开发一个软件平台,能够按照要求取得或存储所需要的采集数据,并以图形方式直观显示,实时地反映采集数据的动态变化.系统软件包括两个部分:测量软件和波长定标软件.其中测量软件具有数据采集、数据存储、数据处理、绘制曲线、结果打印等完善功能.此外在软件中还实现了对采集数据的滤波处理,降低或者消除在测量时外界各种因素可能带来的误差.

2.5 系统波长定标

根据ccd像元序号确定对应的波长是一项必不可少的工作.定标软件对ccd各像元进行对应中心波长的转换工作.波长定标是真实反映光谱特性所必须的.

3 实验结果

3.1 对某块通绿滤光片进行光谱测试

首先将此滤光片在perkinelmer公司生产的lambda900型光谱仪上进行测试.lambda900是扫描式高精度光谱仪,其波长精度为0.08 nm;稳定性在紫外和可见区小于0.02 nm;光谱带宽从0.05~5 nm,以0.01 nm的宽度增加;透射率误差0.08 %.对于本课题所研制的光谱仪来说,lambda900所测得的曲线可以作为标准曲线.lambda900测得的标准曲线如图3(a)所示.本光谱仪对同一滤光片进行测试得到的曲线(狭缝宽度为0.2 mm时)如图3(b)所示.

利用测试软件中坐标查询功能,查得几处波长对应的透射率,并将其与标准曲线进行比较,结果表明,在纵坐标方向上的平均误差大约为2 %,符合测试要求.

3.2 光谱分辨率

光谱仪器对单色光响应的半高宽度表征了光谱仪的实际分辨率.测量汞灯的发射特征光谱(狭缝宽度为0.2 mm时),着重分析汞灯在400 nm~700 nm的主要谱线,分析结果为:绿色546.1 nm和黄色577/579.1 nm.图4为这三根谱线归一化后的放大图.分析汞灯在546.1 nm附近的特征峰,可粗略估计特征峰的半高宽度为:λmax-λmin=547.48 nm-545.88 nm=1.60 nm;加上测量过程中的各种误差,光谱仪的实际分辨率应略高于1.6 nm(λ=546.1 nm处).同时还可以观察到577/579.1 nm两根黄色谱线两个特征峰是可分辨的.

3.3 讨论

本文研制的线阵ccd多通道光谱仪系统主要应用于滤光片的测量.通过本论文的论述及最终所得的实验结果来看,运用ccd技术进行快速而准确的光谱测量具有传统光谱仪不可比拟的速度优势.通过实验观察和分析,可作讨论如下:

a.由于ccd阵列在短波波长上的光谱响应较低以及光谱响应率的非线性,影响系统在短波波段的测量精度;其次成像物镜的口径不够大也造成了所测光谱范围两端的能量有部分损失,使得紫外这端的信噪比非常低,紫外区的毛刺现象严重.因此在选择ccd器件时应选择性能更为优越的器件,尤其是在短波波段的光谱响应度高灵敏度高,在设计多色仪时应选择口径充分大的成像物镜.

b.为进一步提高系统光谱分辨率,可以考虑增加探测器像元数,或采取多片ccd拼接的探测方式,使光谱取样间隔变窄,增多有用信息量,提高光谱分辨率.

c.在电路中可以增加“相关取样”电路抑制ccd输出信号中的复位噪声和时钟串扰,尽量提高ccd的信噪比,提高系统精度.

d.由于光源(卤钨灯)的光强度随波长变化而变化,且ccd的灵敏度亦随波长变化而不同,导致光谱仪在近紫外域的灵敏度较低,控制精度略不足.对此可在光路中装上波长补偿滤光片,以提高近紫外域光的相对透过率,使光强的分布平坦.同时为了消除光源不稳定带来的影响,应采用高精度直流电压供电.