徐樂(lè)，董云輝，趙佳麒，何巍

基于CCD的近紅外光譜儀探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

徐樂(lè)，董云輝，趙佳麒，何巍

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192；北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192）

傳統(tǒng)的光柵光譜儀儀器箱普遍較大，這就使得其體積、質(zhì)量、功耗和造價(jià)都相對(duì)較大。通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使其與傳統(tǒng)光柵光譜儀相比質(zhì)量輕、體積小、功耗低、造價(jià)低，同時(shí)保留了其采樣速度快、操作簡(jiǎn)單、分析速度快、適合在線(xiàn)分析、測(cè)量方便、無(wú)損分析、無(wú)污染等特點(diǎn)。為進(jìn)一步探究光譜儀的光路結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證分光系統(tǒng)的可行性，用Zemax軟件進(jìn)行光學(xué)仿真，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了900～1 700 nm波段的微型近紅外光譜儀的寬光譜設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將實(shí)物連接后，通過(guò)G8160-03CCD作為探測(cè)器與上位機(jī)連接后，將各個(gè)器件的位置定位校正，最終通過(guò)PC端可看到波形的變化。

光譜儀；線(xiàn)陣CCD；反射型衍射光柵；Zemax

光譜分析儀通過(guò)測(cè)定被研究的光的光譜組成，將光按波長(zhǎng)或波數(shù)分解得到光能量的波長(zhǎng)分布關(guān)系，并顯示記錄得到光譜圖[1]。光柵具有很強(qiáng)的色散本領(lǐng)，可作為光譜儀系統(tǒng)中的關(guān)鍵分光原件[2]。CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，將信號(hào)采集后，將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成所采集數(shù)據(jù)處理[3]，是光譜儀的核心器件之一[4]。

本文通過(guò)包括了光柵與CCD的分光系統(tǒng)對(duì)光譜儀光路結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

本實(shí)驗(yàn)所用光譜儀由光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散分光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、接收系統(tǒng)組成，并且通過(guò)合理的系統(tǒng)一體化集成設(shè)計(jì)，將光學(xué)元器件、采集卡以及相應(yīng)接口有機(jī)地封裝在機(jī)殼中。基于CCD為探測(cè)器的光譜儀的光路結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 基于CCD的光譜儀光路結(jié)構(gòu)原理圖

狹縫是光柵光譜儀的入射孔徑，可同時(shí)控制入射光束和雜散光的強(qiáng)度。本文所述的準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡均為球面反射鏡。在近軸區(qū)，球面反射鏡的物像關(guān)系為：

式（1）中：'為像方截距；為物方截距；為曲率半徑。

衍射光柵是分光器件的一種，具有很強(qiáng)的色散功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用反射式閃耀光柵，反射式平面光柵的工作原理如圖2所示。

圖2 反射式平面光柵工作原理圖

光柵方程為：

（sin±sin）=，=0，±1，±2，… （2）

式（2）中：為光柵常數(shù)；為入射角；為衍射角；為衍射級(jí)次；為衍射波長(zhǎng)。

當(dāng)入射角一定時(shí)，由光柵方程可以得到：

由公式（3）可知，光柵將不同波長(zhǎng)的復(fù)合光色散分成單色光，這些單色光以不同的衍射角度經(jīng)過(guò)聚焦鏡依次被聚焦到CCD上的不同位置，CCD將這些不同波長(zhǎng)的單色光輸出的光信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)記錄[5]。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用光柵的分光本領(lǐng)使不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)照射在線(xiàn)陣CCD的不同位置上，CCD接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)數(shù)字化后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)[6]。寬帶光源通過(guò)Y形光纖的端口1照射到檢測(cè)光柵上，再?gòu)臋z測(cè)光柵反射到Y(jié)形光纖進(jìn)入端口2，再?gòu)腟MA905接口進(jìn)入光譜儀系統(tǒng)。光源進(jìn)入光譜儀系統(tǒng)后首先通過(guò)狹縫照射到準(zhǔn)直鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，反射到反射光柵上，通過(guò)反射光柵衍射，再通過(guò)聚焦鏡聚焦，照射到CCD線(xiàn)陣銦鎵砷探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)采集卡，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行處理。

2 仿真分析

使用Zemax光學(xué)系統(tǒng)分析軟件對(duì)近紅外光譜儀光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光線(xiàn)追跡，得到如圖3（a）所示的三維布局圖，通過(guò)仿真結(jié)果可以觀(guān)察出光柵的分光效果并得到各個(gè)器件位置。圖3（b）為近紅外光譜儀的點(diǎn)列圖，從圖中可以明顯看出，子波段中的光束按照波長(zhǎng)大小的順序依次入射至線(xiàn)陣CCD上，其中子波段的中心波長(zhǎng)都入射在像面的正中心。仿真結(jié)果也證實(shí)了此寬光譜光譜儀方案的可行性。圖3（c）為近紅外光譜儀的全視場(chǎng)點(diǎn)列圖，所有的點(diǎn)是關(guān)于相同的參考點(diǎn)畫(huà)出的，從圖中可以看出，像空間中兩個(gè)相鄰的點(diǎn)可以被分辨。圖 3（d）為調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線(xiàn)，從MTF曲線(xiàn)的變化情況，能夠看出不同頻率的對(duì)比度大小及對(duì)比度的變化情況，并能夠證明此系統(tǒng)在線(xiàn)對(duì)數(shù)較小的位置成像較好。

3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)光路結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）搭建光路系統(tǒng)，實(shí)物連接如圖4（a）所示，光路結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所能探測(cè)到的波段為900～1 700 nm，波段為360～ 2 600 nm寬帶光源通過(guò)芯徑為400 μmY形光纖的端口1照射到檢測(cè)光柵上，將端口2處SMA905接口接到已搭建好的光路結(jié)構(gòu)（圖3），光源通過(guò)此光路后照在G8160-03CCD上，觀(guān)察CCD上光信號(hào)的波形。水平移動(dòng)檢測(cè)光柵，重復(fù)上述操作，并觀(guān)察上位機(jī)光信號(hào)的波形變化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

寬帶光源照射到檢測(cè)光柵后只能反射出照射在檢測(cè)光柵響應(yīng)波段的光，此波段的光進(jìn)入光路結(jié)構(gòu)后，經(jīng)CCD收集的數(shù)據(jù)和電腦的數(shù)據(jù)分析，所呈現(xiàn)的圖是一段波峰。水平移動(dòng)檢測(cè)光柵，由于反射光的波長(zhǎng)不同，可以看到波峰在不同像素點(diǎn)上的變化。在水平移動(dòng)檢測(cè)光柵之前，在像素點(diǎn)為23左右時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度峰值為63 841；移動(dòng)檢測(cè)光柵后，在像素點(diǎn)為103時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度峰值為57 931，分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖4 光路結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖5 CCD接收光信號(hào)的波形變化

光譜儀所測(cè)得的光譜曲線(xiàn)是由光譜儀分光元件即光柵的特性與CCD陣列之間的相對(duì)位置決定的。光譜儀輸出的不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于CCD上不同的像素點(diǎn)，由CCD顯示的不同像素點(diǎn)的輻射功率值的變化即為不同波長(zhǎng)光譜強(qiáng)度的變化。

5 結(jié)論

本文通過(guò)已標(biāo)定的光譜儀與檢測(cè)光柵的連接和未標(biāo)定的CCD光路系統(tǒng)與檢測(cè)光柵的連接觀(guān)察光譜圖樣的變化。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得出經(jīng)衍射光柵分光以及CCD后的光譜圖像以及解調(diào)出相應(yīng)的波長(zhǎng)值與光強(qiáng)信息。當(dāng)檢測(cè)光柵水平單向移動(dòng)時(shí)，波峰從像素點(diǎn)為23的位置移動(dòng)至像素點(diǎn)為103的位置，峰值強(qiáng)度從63 841減小至57 931，通過(guò)對(duì)已標(biāo)定的光譜儀采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明本文所研究的基于CCD的衍射光柵光譜儀的波長(zhǎng)定標(biāo)是下一步可行的工作。本文所述的光路結(jié)構(gòu)對(duì)研究CCD各像元的輸出值與待測(cè)光源光譜的波長(zhǎng)、輻射通量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)光譜儀的光路設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，提供了一定的理論支撐。

［1］馬振予，齊向東，李曉天，等.基于傅里葉光學(xué)原理的新型凹面光柵衍射效率測(cè)量方法［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2017，37（4）：1279-1285.

［2］楊佳威，宣迪凱，夏雪琴.光柵光譜儀狹縫寬度對(duì)譜線(xiàn)圖樣影響的研究［J］.科技視界，2012（15）：40-41，39.

［3］謝印忠，莊松林，張保洲.基于線(xiàn)陣CCD的光譜儀定標(biāo)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（3）：546-550.

［4］楊明，孫杰，程海林.線(xiàn)陣CCD光譜儀設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（1）：38-42.

［5］郁道銀，談恒英.工程光學(xué)基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］李莉，牟同升.光纖光譜儀的波長(zhǎng)校正［J］.光學(xué)儀器，2008（3）：51-54.

［7］ AUSTIN D R，WITTING T，WALMSLEY I A.Broadband astigmatism-free czerny-turner imaging spectrometer using spherical mirrors［J］. Applied optics，2009，48（19）：3846-3853.

［8］CHANDLER G G.Optimization of a 4-m Asymmetric Czerny-Turner Spectrograph［J］. ［DB/OL］.［2021-02-04］. https://www.onacademic.com/detail/journal_1000035235403810_8caa.html.

［9］WEN Z Y，CHEN G，HUANG S L.Novel micro fiber spectrometer［C］// MOEMS and miniaturized systems III，2003：l59-166.

［10］UNNIKRISHNAN V K，ALTI K，NAYAK R，et al. Optimized LIBS setup with echelle spectrograph-ICCD system for multi-elemental analysis［J］. Journal of instrumentation，2010，5（4）：P04005.

2095－6835（2021）06－0043－03

TN253

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.014

徐樂(lè)（2000—），女，本科，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

〔編輯：王霞〕