CCD在便携式光谱分析仪中的应用

　　0　引　　言

　　随着光电子技术的持续发展,大量高性能线阵CCD不断出现。线阵CCD因具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、分辨率高等特点,已广泛应用于光谱分析领域[1-2]。可以说,基于线阵CCD的光谱分析仪已经成为目前市场上的新宠,其中较为典型的有美国海洋光学公司(OceanOptics)2001年推出的USB2000微型光度计和美国CID公司研制的CI700型光纤光度计。它们具有体积小、检测速度快、配置灵活等优点,但由于仪器本身不具备图谱显示功能,使得应用场合受到一定程度的限制。

　　便携式快速光谱分析仪采用CCD作为检测器,备有数据处理和输出单元,具有快速光谱扫描、光度测量、定量测定、峰值检出等功能,同时,自身配置液晶显示屏,采用电池供电,因此,适应于野外测量、应急检测、在线监测等特殊场合,可广泛应用于环保、农业、检验检疫等行业[3]。

　　1　基于CCD的光谱仪

　　自然界中,不同的物质具有各自独特的物质结构,也就是具有不同的特征光谱。光谱分析法就是一种通过分析物体的特征光谱来定性、定量确定物质组成的方法。进行光谱分析的仪器即光谱仪。

　　按照光谱范围的不同,光谱仪可大体分为X射线光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、以及近红外光谱仪等。按照光谱检测传感器的不同,光谱仪又可划分为光电倍增管型和CCD型。CCD型光谱分析仪,内部光学元件全部固定,克服了旧式光谱分析仪波长重复性差以及光谱扫描速度慢等弊端,同时,可以使分光系统的体积做得很小,有利于便携式光谱仪的开发。本文研究的便携式光谱分析仪为基于CCD的紫外可见分光光度计。

　　2　分光系统

　　分光系统是便携式CCD光谱分析仪的核心部分之一。本仪器采用了SM905型光纤接口、入射狭缝、准直物镜、600 L/mm光栅、成像物镜和ILX554B型CCD。分光系统的结构如图1所示。其中,入射狭缝起着限制杂散光进入的作用,一般置于准直物镜的焦点上。准直物镜一般正对分光系统的入光口,主要作用是将从入射狭缝进来的复合光变成平行光。光栅是整个分光系统中最核心的部件,它的主要作用是将接收到的复合平行光分解为单色光,并经成像物镜汇聚后送至CCD焦平面,仪器的主控单元通过对CCD进行时序控制,从而得到光谱测量信号[4]。

　　3　系统硬件结构

　　仪器的硬件部分以MCU为核心搭建而成,包括存储单元、人机交互单元、数据采集单元和其他单元模块。如图2所示。

　　MCU采用了Silicon Labs公司的混合信号系统级芯片C8051F124,其运行速度可达50 MIPS,内部资源丰富,包括12位A/D转换器(具有可编程增益放大功能)、I2C总线、SPI总线以及128 KB FLASH程序存储器等,系统设计简洁,信号处理能力强。