平板式光谱仪的结构设计

    光谱仪是测量紫外、可见、近红外、红外波段“光强～波长”规律的一种仪器。光谱测量的应用范围非常广泛，如紫外 / 可见吸收光谱测量、发射光谱测量、荧光测量、拉曼光谱测量等^[1]。根据光谱仪的尺寸大致可分为落地式光谱仪、台式光谱仪和便携式光谱仪。   

    基于 CCD 的便携式光谱仪可以实时显示光谱分析结果，结构小巧，使用方便，获得了广泛应用。但在实际应用中也存在一些问题，由于常规便携式光谱仪均采用垂直光电隔离式设计，厚度通常较大。在一些应用场合，如作为仪器部件使用，可能对便携式光谱仪的厚度有严格的限制，这时采用平面光电隔离式设计则可以解决这一难题，光电分离结构则可以提供更大的适应性。

    1　光学元件的选择

    光纤选取 SMA 905 接头标准光纤，保证光纤对准光谱仪的入射狭缝。

    准直镜和聚焦镜选用国产 K9 光学玻璃，进行真空镀铝反射膜和氟化镁保护膜处理，以增加反射效率。

    色散元件选择反射光栅，因为与其他分光元件相比有许多优点：光栅的角色散率几乎和波长无关，对光谱的波长测量有利；光栅的体积小、重量轻，有利于微型化；反射光栅不受材料透过率的限制，可以在整个光谱范围中应用。

    探测器选用 TCD1304AP，它是一种高灵敏度、低暗电流的 3648 像元线阵图像传感器。像素尺寸8μm×200μm，有效长度 29.1mm，内置 CCD 驱动电路，最小 3V 电压驱动，具有电子快门和采样保持电路。

    2　光路的设计与计算

    便携式光谱仪采用对称式 C-T 结构设计，应用OSLO 进行光路追迹。检测信号光由光纤拾取，通过标准接口经由狭缝进入光学平台，先经球面镜准直，然后由平面反射光栅分光，再经由另一球面镜聚焦到线阵 CCD 上。光路如图 1 所示。

    根据便携式光谱仪的预期检测光谱范围选用 带 通 滤 光 片：410 ～ 800nm，得出最大待测波λ_M=800 nm，最小待测波长λ_m=410 nm根据由光谱范围对于一级光谱，要 求λ_m>λ_M410nm>800/2=400nm，因此不会发生光谱重叠。

    由于衍射角最大不超过 90°，根据光栅公式dsinθ=kλ，一级谱线中光栅常数 d ＞ λ_M，得出光栅刻 线 1/d ＜ 1/λ_M=1/800×10^-6=1250g/mm，选 用光栅刻线 600 g/mm。根据光栅应用范围：0.67λ_p-2λ_p，λ_p为闪耀波长，选择 λ_p=500nm，则光栅应用范围 335 nm ～ 1000nm，满足预期检测光谱范围：410 ～ 800nm。根据光栅公式，对于一级谱线，闪耀 波 长 λ_p=500nm，闪 耀 角 θ_p=[sin^-1（λ_p/d）]/2=[sin^-1(500×600×10-6)]/2=8.729°。