基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究
中国海洋大学
硕士学位论文
基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究
姓名：褚建平
申请学位级别：硕士
专业：光学工程
指导教师：亓夫军
20070601
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口，可以与任何接【］为ＳＭＡ９０５的光源连接使用。它的关键优点是结实耐用（因为没有可动部件）、便携、紧凑、成本较低。采用ＵＳＢ通讯方式，可以方便地与笔记本电脑或掌上电脑连接，携带至任何地方进行测量。１５１
图ｌ，ｌ美国Ｏｃｅａｎ０＿ｐｔｉｃｓ公司的ＵＳＢ２０００光纤光谱仪
②美国ＰｈｏｔｏＲｅｓｅａｒｃｈ公司的ＰＲ－６５０型光谱光度，色度计
ＰＲ－６５０光谱光度／色度计是ＰｈｏｔｏＲｅｓｅａｒｃｈ公司生产的一种便携、非接触式测量光谱光亮度的光度／色度计。它使用特殊的Ｐｒｉｔｅｈａｒｄ型观测光路、采用凹面全息衍射光栅作为分光元件、线阵光电二极管阵列作为光电探测器，同时ＣＭＯＳ微处理器几乎可进行实时控制。易于操作，ＩＣＭ卡可存储所有的操作程序和１５０次的测量文件，ＲＳ．２３２接口可用于数据传输和远距离遥控。测量范围：３８０，－－７８０ｎｍ，测量精度：：Ｖ．２ｎｍ。即１
⑤牛津仪器公司的Ｈｏｒｉｚｏｎ６００型便携式光谱仪
如图１．２所示，Ｈｏｒｉｚｏｎ６００是牛津仪器公司推出便携式光谱仪，一种新型手持ｘ射线荧光光谱仪，应用于现场元素分析。处理器采用的是ＤＳＰ（数字信号处理器），能够对信号进行快速的分析，实时显示测量结果，具有很大的分析灵活性。该仪器显示屏采用的是触摸式液晶屏，具有操作安全、简便的优点。ｆ６】
图１－２Ｈｏｒｉｚｏｎ６００便携式光谱仪
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国内，小型化、适合现场工作的光谱仪的研究刚刚起步，正处于研究阶段，商品化的仪器不多。浙江大学、重庆大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、天津大学等一些高校和研究所在微小型光谱仪研制方面做了大量工作，并相继研制出小型光谱仪样机。国内一些仪器公司也相继丌发并研制出小型化、现场应用的光谱仪器。ｌ７１
１９９９年，浙江大学李博等人研制出一种小型实时光谱辐射测量仪。仪器采用日本滨松公司生产的ＭＯＳ线阵图像探测器￥３９０１－２５６作为光谱探测器，ＣＣＤ的驱动／放大电路是滨松公司的Ｃ４０７０。仪器主体尺寸１２Ｘ７．９×３．２（ｃｍ３），分辨率１．５ｎｍ／像元。【４３】
２０００年，重庆大学温志渝等人研制了一种微型光谱仪。通过以固态介质为基底，利用固态介质的材料色散及结构尺寸的合理匹配，对系统的子午场曲进行补偿，获得谱面平直的小型光谱仪。该光谱仪采用透射光栅色散，并利用透镜成像。接收器件采用线阵ＣＣＤ，其计算得到的色散率约为１．２４ｎｎ∥像元。嘲
图１．３重庆大学研制的微型光谱仪
２００２年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立鼎，鞠挥等人研制成功了一种用于生化分析的小型多通道光纤光谱仪。仪器使用线阵ＣＣＤＴＣＤｌ５００Ｃ作为光电检测器，ＣＣＤ的驱动器采用天津耀辉光电技术有限公司制作的ＴＣＤｌ５００Ｃ专用驱动器。光学系统采用折叠Ｃｚｅｍｙ－Ｔｕｍｅｒ结构，在光栅的一侧加设渐晕光阑，去掉像差较大的一部分光束，在子午像面上得到比较理想的光谱像。光学系统的外形尺寸为３９×３４×１２（ｔｏｍｂ。在５７８ｎｍ处光谱分辨能力为２ｒｉｍ。【１ｏ】
２００４年，天津大学范世福，万峰等人研制成功了一种多通道凹面光栅紫外可见分光光度计。光电接收元件是日本滨松公司生产的专门用于光谱测量的￥３９２４．１０２４Ｑ型ＣＣＤ。采用平场凹面全息光栅作为色散元件，触摸屏作为输入设备，内部集成光源，测量范围：２００～８００ｎｍ，仪器体积仅有１９０×１７０Ｘ１００（ｍｍ～。【‘２】
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图ｌ＿４Ｐｏｔｓ．１５系列紫外／可见分光光度计
图１．４是北京普析通用仪器有限公司生产的Ｐｏｒｓ．１５系列紫外／可见分光光度计的外形图。该仪器体积小巧，便于携带，是适用于野外测量、应急检测、在线监测的快速便携式分析仪。可广泛应用于环保、农业、检验检疫等行业。仪器采用全息平场凹面光栅，保证良好的谱线质量；采用ＮＭＯＳＰＤＡ接收器，快速测定光谱；功能齐全，具有光谱扫描、光度测量、定量测定等功能；具有四项水质测量专用软件模块（ＣＯＤＣｒ、氨氮、氰化物、六价铬）：可独立操作，也可使用ＲＳ２３２接口通过ＰＣ进行数据处理。【９】
１．４研究小型光谱仪的意义和必要性
传统的光谱仪器采用光电倍增管作为光电接收器件，配以波长扫描机构实现波长扫描，该类仪器结构复杂、体积大、光谱扫描时间长，不能做多波长的同时检测及野外检测，只适合在实验室条件下使用。采用现代科学最新技术和工艺设计的小型光谱仪器具有体积小、重量轻、便于携带、使用方便、单次采集光谱范围宽、响应速度快、数据采集处理快捷方便等特点，因而有广泛的应用领域和市场前景。
根据前面章节的叙述可以知道国内外对于小型光谱仪的研究有很多，研究小型光谱仪的意义可以归纳为以下几点：ｐｏ］
①小型光谱仪由于采用新颖光电接收器件，测量速度快，可以进行实时及多通道分析，因而具有现场应用价值。
②小型的光谱仪结构紧凑，易于校准，抗振动，操作简单，对于非专业人员来说易于掌握。
③小型光谱仪易于实现模块化。如果便携式的光谱分析仪可以达到在实验室内使用仪器的性能，则其应用潜力巨大。