微型测色分光光谱仪的总体设计及数据采集系统研究

　　0　引　言

　　颜色可以作为评定许多产品质量的重要指标,所以相应的颜色测量仪器也广泛地应用于诸多领域。但传统的仪器由于体积庞大、造价昂贵,因此研制一种测量精度高、速度快、便携的颜色测量仪器是其发展的必然趋势。

　　颜色测量方法有目视法、光电积分法和分光光度法3种[1,2]。分光光度法分为光电扫描法和光电摄谱法。光电摄谱法通过分光系统,用多通道光电 探测器同时探测全波段光谱,是目前最先进的测色方法[3]。随着光谱仪器的发展,在颜色测量中可以使用光谱仪替代复杂的分光光度仪器系统,同样能够保证较 高的精度。本文采用光电摄谱法设计了一种微型测色分光光谱仪,它是通过比较标准白板和样品在相同波长上反射的辐射功率,得出样品的光谱反射比,并由此计算 出颜色参数。在保证较高测量精度的同时,大大简化了传统的基于大型分光光度计或光谱仪的此类系统的结构,降低了颜色测量对测量硬件的要求,且提高了测量灵 活度。

　　1　微型测色分光光谱仪总体设计

　　仪器主要由光学系统、电路部分和计算机软件三部分组成。物体的光线进入光栅,经分光并反射聚焦后,进入线阵CCD。CCD由ARM处理器获得驱 动时序,通过光电转换得到相应的电信号;模拟信号通过放大后再进行A/D转换,将转换后的结果通过USB传送给计算机;最后由计算机对数据进行进一步的分 析。图1是仪器整体设计框图。

　　1.1　光学系统设计

　　由于特殊的微型化设计要求,在微型测色分光光谱仪的设计中,使用了反射式平面衍射光栅,并与凹面反射镜相结合,一个凹面镜起到了准直聚焦双重作用。这种结构使得仪器的体积大大减小。

　　该仪器的光路结构如图2所示,采用D/O照明条件,在积分球后加聚焦透镜,可使样品的光能会聚到狭缝上。用平面反射镜做第一次光反射,光线反射 到凹面镜上,此时凹面镜起到准直作用,然后准直光线入射到平面反射光栅上发生衍射,分光后再次反射到凹面镜上,凹面镜再次对光线进行会聚,最终使光线成像 于接收器处。其中,光源部分采用2个6V,10W卤钨灯。为了使光源更加稳定,给光源提供单独的恒流源供电。另外,由于钨丝灯的蓝光响应较低,试验中采用 了加滤色片的方法。

　　1.2　电路设计

　　电路原理框图如图3所示。

　　1.2.1　CCD的选择

　　在选择CCD器件时,主要注意以下几方面的参数:像元数、光谱响应范围、灵敏度、动态范围、不均匀性等。对于同样的视场,CCD像元数越多,系 统像方的分辨率越高,但同时CCD的电荷转移效率却会下降;选用的CCD器件的光谱响应范围应覆盖仪器要求的光谱范围;器件灵敏度的选择应当综合考虑动态 范围的选择,动态范围较低的器件即使具有很高的灵敏度也无法发挥其优势,同时太高的灵敏度也会使噪声水平很高,不利于谱线分析[4];CCD的像元是由光 敏材料制成,由于材料本身性能所限,在光电转换时,CCD的各像元存在响应非均匀性及单个像元响应的非线性问题,这些都将对测量精度产生影响[5],选择 器件时,应选用响应非均匀性低、线性度好的器件。在选择CCD器件时,价格也是必须考虑的因素。专门做光谱分析用的CCD器件价格昂贵,会导致仪器成本太 高,制约其推广应用。因此要求的器件应当在完成所需功能的基础上具有适中的价格。