线阵CCD多通道光谱仪及其应用

　　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

　　光谱仪前端光路示意图如图1所示.

　　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.