光学多通道分析仪的分辨率分析

　　1　概　述

　　在光学探测中,一项重要的内容是光谱探测。光学多通道分析仪(Optic Multichannel Analyzer,OMA)是光谱探测仪器家族中最新颖、自动化程度最高、技术成果含量最高的一类现代分析仪器,是光、机、电、算一体化的产物。该设备克 服了以往纯光学光谱仪不能实时记录实验结果或记录、获得谱图过程繁琐、时间长等缺点,集成各学科领域的先进技术成果,例如光刻技术、微电机控制技术、微通 道板技术、高效光敏材料、光纤面板与CCD耦合技术、半导体制冷技术、高速A/D转换技术、计算机控制技术和高速电子集成电路技术等,具有单次采集谱线范 围宽、响应速度快、灵敏度高、数据采集处理快捷方便等特点,是现代光谱探测领域中必不可少的专用仪器。

　　2　OMA系统的基本构成和工作原理

　　OMA系统是光、机、电、算一体化的光电探测系统。按工作模块可分成四部分:第一部分是光学分光部分,主要通过分光器件将入射光在空间上分离 开,遵循光色散原理;第二部分是光电转换和放大部分,以光电效应原理为基础,将空间上分开的光信号转变成电信号;第三部分是数据采集、记录部分,该部分完 成电信号的采集、A/D转换、传输和存储;第四部分是控制部分,主要负责光电信号采集过程中的时序控制。以下用光谱仪色散器件为光栅的OMA系统说明其组 成和功能。

　　2.1　系统构成

　　OMA系统主体一般由光谱仪、像增强器、CCD器件、控制器和计算机组成;主要辅助器件有采集光纤、光耦合器、脉冲延时发生器、制冷设备及光电 触发器等。系统的基本组成如图1所示,其中M1为反射镜,M2为准直镜,M3为会聚镜,G是光栅,制冷设备和光电触发器没有画出。在某些应用场合,不需要 用采集光纤,这时光信号可直接用光学系统耦合入光谱仪。

　　2.2　与分辨率有关的部件及参数

　　光谱仪是OMA系统中的分光设备,它将狭缝入射的光信号通过色散系统,按波长由小到大(或由大到小)的顺序沿垂直于狭缝的方向分开,并将色散后 的光线聚焦到输出焦平面上。主要部件有狭缝、色散系统(以光栅为例)和聚焦成像系统。描述光谱仪特性的主要参数有狭缝宽度、物方焦距、像方焦距、角色散 率、光栅分辨率、工作光谱范围和光栅效率等,其中前5个参数将影响系统的分辨率。

　　2.2.1　狭缝宽度

　　狭缝的几何宽度影响光谱仪的实际分辨率,这是因为光谱仪也是一个光学系统,狭缝处于物方焦平面和狭缝的像在像方焦平面上的缘故。狭缝的几何像宽可由成像公式求出:

　　式中,a,a1分别是狭缝宽度和狭缝像宽度;α为与波长有关的宽度系数,在光谱仪中心波长处为1;f1,f2分别为光谱仪物方焦距和像方焦距。由于成像系统存在衍射效应,因此要考虑衍射宽度的影响。衍射宽度用下式计算: