新型面阵式CCD探测器型多光栅单色仪

引言

在超大容量信息高速传播和应用的信息化时代，将克服电子瓶颈，采用光子作为信息的载体，这需要在很宽的波长和能量范围内，实现对各种光谱信号进行快速和可靠的分析.光学领域已发展了许多种光谱分析法，主要是采用如棱镜和光栅等色散元件，但受色散元件非线性效应和探测器光谱响应特性的影响，通常的光谱测量被限制在一定的光谱区范围，并需采用机械装置对色散元件进行位移和旋转控制，这样势必会造成测量速度慢，效率低，可靠性差等缺点.人们已作出了许多努力来改善光谱分析系统，如采用一维的二极管探测器阵列的方法来提高光谱的测量效率，但一块光栅难以覆盖全光谱范围，在光谱的长波和短波端测量效率仍比较低.文献「1」中提到的光谱仪虽然在体积和精度上有所改进，但其测量时间一般需要5min，快速可靠的光谱成像分析越来越成为科技工作者进行光谱学研究和应用的重要技术手段.本文给出的新型面阵式CCD探测器型多光栅单色仪将很好地解决这个问题，具有凝视式光谱的特点.在本设计中采用3块光栅组合成一个新的光栅平面，每个光栅具有特定地光栅槽间距，当光人射到光栅上时，其衍射光将在二维空间具有不同的光谱分布.

在水平方向，各光栅在相同的衍射张角内形成不同的光谱色散区;在垂直方向，不同的光谱对应于不同的光栅.由二维光栅出射的光经过一个光学系统，被聚焦在高分辨率的二维CCD阵列式探测器的焦平面上，对光信号进行采样后得到一个具有分布特性的全光谱图像，其中每一个探测器象素具有14bits的灰度分辨等级，其光谱覆盖的范围可达200一1100nm.

1实验原理

1.1闪耀光栅

对于普通的光栅，其衍射光能量的很大部分集中在无色散的零级主极大位置.通常在实验中利用的是光栅产生的一级衍射光谱，实现对光的波长和能量进行选择，并且设计合理的光栅槽小平面角度，能使某一波长的衍射光强度为最大，这一波长被称为闪耀波长，这种光栅也被称为闪耀光栅.如图1所示，若i是人射线与光栅法线所夹的人射角，则对所有的方向O方向衍射光来说，所满足的光栅光谱色散方程为[2]

式中N为光栅的刻槽总数，m为衍射光谱的级数，d为光栅槽间距，a为系统的孔径，即a=NDcosθ实际上，由于受光栅表面的光学质量和槽间距不均匀性等因素的影响，在正常狭缝宽度时，一级衍射光谱的实际波长分辨率至多达理论值的70%一80%.从式(2)和(3)可以得出，光栅常数d越小，干涉级次。越高，角色散越大.

1·2CCD探测器

CCD即为电荷藕合器件，是一种新型的半导体光电探测器件. 由于它具有独特的性能和可方便地借助于当今成熟的IC工艺制造，使其在信号处理、数据存储、光电传感、光电探测和成像等领域获得了日益广泛的应用，尤其在光电传感和光电成像等方面的发展和应用极为迅速，成为现代光电子和测控技术领域中被极广泛研究和应用的新技术.