可见近红外线阵CCD光谱仪设计

　　1 引 言

　　光谱仪器是生物医学、 食品、 空间工程、 天文观测、 地质矿藏勘探、 工农业生产、 石油化工和国防等领域十分重要的测量分析设备， 在这引起领域得到了极其广泛的应用[1-2]。 传统可见近红外光谱仪采用单色仪进行波长扫描， 单通道光电接收器实现光电转换， 测量速度慢， 逐个波长串行输出工作模式， 完成一幅光谱图测量甚至需要花上几分钟时间， 不能满足现场实时快速测量要求。 仪器最大的不足是光栅的机械轴和传动机构长时间连续使用容易磨损， 影响波长的精度和重复性。 随着阵列探测器的性能不断提高和计算机技术的快速发展， 解决了瞬态光谱测量的难题， 使光谱技术得到迅速发展[3-10]。 由于它是多通道并行测量方式， 不需要机械扫描， 可靠性和测量速度大幅提高。 由于线阵列探测器的长度和像元面积的限制， 光谱仪的波长范围和分辨率受到一定限制。

　　2 主要性能指标

　　1. 会聚镜

　　会聚光路由两组相同望远物镜组成， F 数 3.3 ,与光谱仪相匹配。

　　2. 平像场

　　●光谱范围: 400～800 nm

　　● 分辨率 ： 0.4 nm ( 缝宽 15 μm， 缝高 5 mm，600 条线/mm 光栅)

　　●F 数： 3.3

　　●谱面长度： 30 mm

　　●杂散光: 优于 10-3

　　3. 探测器

　　●光谱范围： 400～1 100 nm

　　●探测器： 2 160 像元阵列探测器4. AD： 12 bit

　　3 仪器关键单元设计

　　3.1 仪器组成

　　光谱仪测量系统主要分为干涉型和分光型两大类。 干涉型光谱仪是通过傅立叶变换获得信号光的光谱信息， 特别适合对微弱光信号的探测， 但帧频相对较低。 分光型光谱仪基于棱镜或光栅分光原理， 把待测光按波长分开， 对不同波长的光信号进行探测， 获得信号光的光谱特征， 选择线阵 CCD 可进行瞬态光谱测量。

　　光谱仪的色散元件主要包括棱镜和光栅。 光栅分光的特点是对整个光谱范围可提供线性光谱色散，存在光谱级次重叠; 棱镜分光的特点是不存在光谱级相互重叠的问题， 光通量较高， 色散有很大的非线性。 根据实际要求， 可见近红外线阵 CCD 光谱仪采用平面闪耀光栅做为色散元件， 使所测波段范围光谱分辨率基本一致。可见近红外线阵 CCD 光谱仪系统由聚光系统、平像场光谱仪、 固态阵列探测器、 快速 A/ D 变换器及计算机数据处理等部分组成。 仪器组成原理框图见图 1.

　　3.2 聚光系统

　　聚光系统见图 2。 相对孔径 f/3.3,与平像场光谱仪相匹配。 为适应光源与光谱仪间不同距离的使用，会聚光路由两组相同望远物镜组成， 中间光线为平行光， 两组物镜之间的距离可任意调节， 而不影响物镜的相对孔径。 为保证在 400～800 nm 光谱范围　内消色差， 物镜采用 ZF6 和 K9 玻璃组合。 所设计的物镜点列图见图 3， 轴上点弥散斑半径为  μm。既可用物镜组直接对着光源等目标进行发射光谱测量， 也可在两个物镜之间加液体池进行吸收光谱测量。