微型CCD光谱仪器的光学结构设计
基于线阵CCD的小型光谱仪研究
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． ６ Ｄｅ ｌ ３ ． ２ ０ １ ３
基于线 阵 ＣＣ Ｄ的小型光谱仪研 究
王远 ，张 宁 ，耿 振 华 ，徐 熙平
（ 长春理工大学 光 电工程学院 ，长春
摘
１ ３ ０ ０ ２ ２ ）
Hale Waihona Puke 要 ：提 出一种 用于 Ｃ Ｃ Ｄ光谱 分析仪 数据 采集 与分析 的新 方法 。采 用 Ｃ Ｚ ｅ ｍｙ —Ｔ ｕ ｒ ｎ ｅ ｒ ＃ Ｌ ￣ ６ － 减 小 系统 结构尺 寸 。应用
合在实验室做一些光谱分析的实验 ， 工程应用价值 受限 ， 因此光谱仪的小型化成 了研究 的主要方 向， 小 型光谱仪具有体积小 、 重量轻 、 数据采集和处理速度 快、 光谱响应范围宽等优点 ， 具有广泛的应用领域和 市场价值 ］ 。 本 系统 采用 最新 的半 导体传 感技术 和 现代可 编 程控制技术进行了光谱数据采集系统的研究 ， 对光 学系统、 硬件电路与软件程序进行设计 ， 结合光谱仪
Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ ａ ｎ， Ｚ ＨＡＮＧ Ｎｉ ｎ ｇ， ＧＥ ＮＧ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｈ ｕ ａ ， ＸＵ Ｘｉ ｐ ｉ ｎ ｇ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｏｐ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ２ ２ ）
光谱 仪是 分析 物质 物理化 学组 成 的重 要分 析仪 做既减小了整体尺寸又可以使光谱像面的位置与光 准 直 物 镜 及 狭 缝 的位 置在 空 间上 不 发 生 干 涉 。 器 。传统光谱仪由于在体积 、 重量 、 结构以及扫描时 栅 、 间上都无法达到现场和多波长的同时检测 ， 仅仅适 线阵 Ｃ Ｃ Ｄ接 收光学 系统结 构示 意 图如 图 １ 所示 。
微型CCD光谱仪器的总体结构设计
ｃ ｕ ｅｔｅｓ ｓｅ ｒ ａ ｈ ｓ ｉｈ ｒ ｅｔ ｇ ｓｅ ｄｔ ａ ｅｃ ｎ ｉ ｏ ａ ｅ ｔｏ ｔｒ， ｏ ｓ ｌ ｎ ｎ ａ ｒａ ｅｅ ｔｒ ｓ ｅ — ａ ｓ ｙ ｔｍ ｃ ｅ ｇ ｅ ｓ ｎ ｐ ｅ ｎ ｔ ｏ ｄｔ ｎ ｌ ｐ ｃ ｍｅｅｓ ｃ ｎ ｕｔ ｇｌ ｅ ｒ ｒｙｄ ｔｃｏ ｓ ｈ ｅ ｈ ｔ ｉ ｈ ｈ ｉ ｓ ｒ ｉ ｉ ａ ｉｔ
光谱 分 辨 率 ３９ ｍ。 由 于采 用一 维 线 阵探 测 器 ， ．ｎ 与传 统 扫描 式光谱 仪 相 比 ， 光谱 仪 的检 测速 度得 到 本 极 大 的提 高。
关键词 ： 光谱 仪 Ｃ Ｄ 探 测 器 Ｃ
Ａｂ ｔ ｃ ： ｅｔ ｅｒｑ ｉ ｍ ｅ ｔ ｆ ｉｈｔｓｉｇｓ ｅ ｄ ａｍｕｔ ｃ ａ ｎ ｌ ｐ ｃｒｍｅｅ ｅ ｉｎ ｄｏ ｅｂ ｓｓ ｆ ｅ ｐｙ ｓｒ ｔ ａ Ｄｕ ｔ ｕｒ ｏｈ ｅ ｅ ｎ ｇ ｔ ｐ ｅ ， ｌ —ｈ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏｈ ｅ ｎ ｉ ｓ ｏ ｔｒｉ ｄ ｓｇ ｅ ｎｔ ａ ｉ ｏ ｅ ｌ ｓ ｈ ｄ
基于CCD 的近红外光谱仪探测系统设计与分析
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2021年第06期·43·文章编号：2095－6835（2021）06－0043－03基于CCD 的近红外光谱仪探测系统设计与分析徐乐，董云辉，赵佳麒，何巍（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192；北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京100192）摘要：传统的光栅光谱仪仪器箱普遍较大，这就使得其体积、质量、功耗和造价都相对较大。
通过对整体结构的调整，使其与传统光栅光谱仪相比质量轻、体积小、功耗低、造价低，同时保留了其采样速度快、操作简单、分析速度快、适合在线分析、测量方便、无损分析、无污染等特点。
为进一步探究光谱仪的光路结构并验证分光系统的可行性，用Zemax 软件进行光学仿真，进行光学系统优化设计，实现了900～1700nm 波段的微型近红外光谱仪的宽光谱设计。
通过实验将实物连接后，通过G8160-03CCD 作为探测器与上位机连接后，将各个器件的位置定位校正，最终通过PC 端可看到波形的变化。
关键词：光谱仪；线阵CCD ；反射型衍射光栅；Zemax 中图分类号：TN253文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2021.06.014光谱分析仪通过测定被研究的光的光谱组成，将光按波长或波数分解得到光能量的波长分布关系，并显示记录得到光谱图[1]。
光栅具有很强的色散本领，可作为光谱仪系统中的关键分光原件[2]。
CCD 作为一种光电转换器件，将信号采集后，将数据送入计算机系统完成所采集数据处理[3]，是光谱仪的核心器件之一[4]。
本文通过包括了光栅与CCD 的分光系统对光谱仪光路结构的可行性进行了验证。
1基本结构与工作原理本实验所用光谱仪由光源、准直系统、色散分光系统、成像系统、接收系统组成，并且通过合理的系统一体化集成设计，将光学元器件、采集卡以及相应接口有机地封装在机壳中。
微型光谱仪分光结构
微型光谱仪分光结构
微型光谱仪是一种能够测量物质光谱特性的仪器，它通常由光源、样品接口、光栅或其他光学元件、光电探测器和数据处理单元
等部分组成。
首先，光源发出光线，经过样品接口进入样品。
样品与光发生
相互作用，吸收或散射部分特定波长的光。
接着，光线通过光栅或
其他光学元件进行分光，将不同波长的光分开，然后被光电探测器
接收。
光电探测器将光信号转换为电信号，经数据处理单元处理和
分析，最终得到样品的光谱特性信息。
在微型光谱仪的分光结构中，光栅起到了关键作用，它能够将
入射光线按照波长进行分离，使得不同波长的光线能够被准确检测
和记录。
此外，光学元件的设计和排列也对光谱仪的性能有着重要
影响，如透镜、光纤等元件的选择和布局都会影响到光路的稳定性
和光谱分辨率。
光电探测器的选择和灵敏度也是影响光谱仪性能的
重要因素之一。
除了硬件部分，数据处理单元也是微型光谱仪分光结构中不可
或缺的一部分。
它能够对从光电探测器得到的信号进行处理和分析，
提取出样品的光谱特性信息，并进行数据的存储和输出。
总的来说，微型光谱仪的分光结构涉及到光源、样品接口、光学元件、光电探测器和数据处理单元等多个方面，它们共同协作完成了光谱测量和分析的任务。
这些部分的设计和性能都会直接影响到光谱仪的灵敏度、分辨率和稳定性。
微型宽波段光谱仪光学系统设计
微型宽波段光谱仪光学系统设计尤泽樟;王先培;田猛;胡明宇;沈斌【摘要】Aiming at the situation that there have been less researches on the wide-band micro-spectrometer based on the M type Czerny-Turner structure, the wide-band micro-spectrometer was designed and the complete design flow was put forward.According to the principle of geometrical optics,the constraint relations among the parameters of optics system were analyzed,then the main parameters were obtained through design and calculation, and simulation was conducted by using Zemax.The measurement results for actual production of the spectrometer show that the resolution reaches 1.5 nm in 200 nm～1100 nm full band and 1 nm in mid,which meets the demands of the design.%针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况,对微型宽波段光谱仪进行了设计,并提出了完整的设计流程.根据几何光学原理,分析了光学系统各个参数之间的约束关系,据此设计、计算得到了光学系统的基本参数,并使用Zemax进行仿真.为了提高仪器的紫外响应,在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片.实际制做的光谱仪测量结果表明:光谱仪的分辨率在200 nm～1100 nm全波段范围内达到 1.5 nm,中心分辨率达到1 nm,满足设计需求.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P740-745)【关键词】微型光谱仪;宽波段;紫外增强;设计流程【作者】尤泽樟;王先培;田猛;胡明宇;沈斌【作者单位】武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】TN206;TH703Abstract:Aiming at the situation that there have been less researches onthe wide-band micro-spectrometer based on the M type Czerny-Turner structure, the wide-band micro-spectrometer was designed and the complete design flow was put forward. According to the principle of geometrical optics,the constraint relations among the parameters of optics system were analyzed,then the main parameters were obtained through design and calculation, and simulation was conducted by using Zemax.The measurement results for actual production of the spectrometer show that the resolution reaches 1.5 nm in 200 nm～1100 nm full band and 1 nm in mid,which meets the demands of the design.Key words:micro spectrometer;broad band;UV-enhanced;design flow光谱仪是一种测量并研究光辐射的频率、强度及其特性变化规律的光学仪器[1]。
基于ccd的便携式近红外光谱仪器总体设计
基于CCD的便携式近红外光谱仪器总体设计摘要现代近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，被誉为分析巨人。
由于近红外光谱技术具有分析速度快、成本低、无损无污染等优点，因而得到广泛应用。
近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子特征的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量分析的物理方法。
主要用于有机物质定性和定量分析的一种分析技术，特别是对于丰富的含氢基团（C-H、O-H、S-H、N-H等）有明显的光谱信息。
近红外光谱分析技术综合了光谱学、化学计量学、计算机应用和基础测试技术等多学科知识，从而实现了近红外光谱仪的光、机、电、算一体化设计。
电荷耦合器件简称CCD，它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD是一种光电转换器件。
它以电荷包的形式储存和传送信息，主要由光敏单元，输入结构和输出结构等部份组成。
CCD工作过程包括电荷的产生、存储、转移和读出四个环节。
本文主要从工作原理和系统设计（包括确定仪器的工作原理、标准量的选择、信号转换与传输原理/方式的选择）、仪器的主要结构方案、主要参数和技术指标、系统简图、总体布局和总体精度分配来讲述了基于CCD的近红外光谱仪器的总体设计。
关键词：近红外、CCD、总体设计1. 工作原理的选择近红外光谱仪器提供准确反映被测样品物质成分及含量的吸收光谱。
其基本组成结构包括：光源系统、分光系统、检测系统、控制及数据处理分析系统。
NIRS仪器，按应用场合，分为实验室仪器、现场仪器和在线仪器等；按测样方式分有透射、漫反射、光纤测量等三种仪器。
按分光方式分为：（1）滤光片型：第一台近红外光谱仪的分光系统（20世纪50年代后期）是滤光片分光系统。
此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。
“滤光片”被称为第一代分光技术。
（2）光栅型：20世纪70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在扫描速度慢、波长重现性差、内部移动部件多的不足。
ccd在光谱仪器的应用原理
CCD在光谱仪器的应用原理1. 简介CCD（Charge-Coupled Device）是一种被广泛应用在光谱仪器中的光敏器件。
其结构由多个电荷传输单元组成，可以将光信号转化为电荷信号，并通过传输线将电荷信号输出，是数字成像的重要组成部分。
本文将介绍CCD在光谱仪器中的应用原理，包括CCD的工作原理、光谱仪器中CCD的应用等内容。
2. CCD的工作原理CCD采用的是光电转换原理，其工作基于光感电荷耦合器件，主要包括电荷感应、电荷储存、电荷移位和电荷读取等过程。
•电荷感应：当光照射在CCD的感光面上时，光子被感光层吸收并转化为电子，这些电子被收集并储存在感光层的势阱中。
•电荷储存：感光层中的电子通过电势差被储存在势阱中，势阱的深度和尺寸决定了电荷的容量和储存时间。
•电荷移位：感光层中的电荷通过传输线逐个移动，经过电势差的作用来传输到CCD单元的输出端。
•电荷读取：CCD的输出端连接到放大器，电荷被读出并转化为电压信号，进一步处理。
3. CCD在光谱仪器中的应用CCD作为一种高灵敏度、低噪声、快速响应的光敏器件，被广泛应用在光谱仪器中。
3.1 光谱仪器中的CCD光谱成像CCD可以将光信号转化为电荷信号，在光谱仪器中用于获取光的光谱信息。
•点阵成像：CCD通过感光层的排列，可以获取整个光谱的信息，实现对多个波长的监测和分析。
•高分辨率：CCD具有高像素密度，可以提供高分辨率的光谱图像，对于微弱信号的捕获具有重要意义。
•光谱成像速度快：CCD的高感光度和高读出速度，使得光谱成像可以实时进行，适用于快速光谱分析和实时监测。
3.2 CCD在光谱仪器中的信号采集和处理CCD不仅仅作为光敏器件，还在光谱仪器中起到信号采集和处理的作用。
•信号采集：CCD能够将光信号转化为电荷信号，通过AD转换将电荷信号转化为数字信号，实现信号的量化和采集。
•信号处理：CCD在光谱仪器中一般搭配数据采集卡和计算机进行数据处理和分析，可通过软件对光谱进行峰值分析、波长校正等处理。
光谱仪内部结构
光谱仪内部结构：
光谱仪的内部结构因具体设计和应用而异，但通常包括以下几个主要部分：
1. 入射狭缝：入射狭缝是将入射的光学信号构建成一个明确的物像。
2. 准直元件：准直元件使狭缝发出的光线变为平行光。
该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜，或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅的部分功能。
3. 色散元件：通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。
4. 聚焦元件：聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。
5. 探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。
该探测器阵列可以是CCD阵列或其他种类的光探测器阵列。
光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。
拓展资料
光谱仪是一种非常重要的科学仪器，能够将复杂的光分解为光谱线，并测量这些光谱线的波长和强度。
它广泛应用于各个领域，包括光学、光电、化学、物理等。
光谱仪的主要作用包括：
1. 分析物质的光谱特征：光谱仪可以用于分析物质的光谱特征，从而了解物质的成分、结构和性质。
2. 检测样品中的元素和化合物：光谱仪可以用于检测样品中的元素和化合物，通过分析光谱线来确定样品的成分。
3. 研究天体的化学组成：光谱仪可以用于研究天体的化学组成，通过分析星系、恒星、行星等天体的光谱线来确定其化学成分。
4. 应用于环境监测：光谱仪还可以应用于环境监测，通过对空气、水、土壤等环境样品的光谱分析，了解环境的污染状况和变化趋势。
总之，光谱仪是一种非常重要的科学仪器，在各个领域都有广泛的应用，为科学研究提供了重要的支持和帮助。
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微型CCD光谱仪器的光学结构设计
微型CCD光谱仪器是一种用于测量光谱的小型仪器，其主要由光学结构、光散射系统和光电转换系统组成。
在设计光学结构时，需要考虑的因素包括光路的精密度、紧凑性、抗振动和抗干扰等。
下面将详细介绍微型CCD光谱仪器的光学结构设计。
首先，光学结构设计需要确定的是入口光路和出口光路。
入口光路主要包括光源和样品之间的光路，而出口光路则是CCD探测器和光谱仪器的输出端之间的光路。
对于入口光路，光源的选取要考虑到仪器的应用场景和测量需求。
常见的光源有激光器、白光源、光纤等。
在选择光源时，需要考虑光源的稳定性、光强度等参数。
光源与样品之间的光路径可以通过光纤或透镜组来实现光束的聚焦和传输。
对于出口光路，需要考虑如何将样品上的光分离并聚焦到CCD探测器上。
可以采用透镜组或光纤来实现光的收集和聚焦。
透镜组的选择要考虑到仪器的分辨率和灵敏度需求，并进行光学设计和优化。
同时，还需要考虑光谱仪器的输出接口，如USB接口或其他数字接口。
其次，光散射系统是微型CCD光谱仪器中的另一个重要组成部分。
光散射系统主要包括光栅、色散棱镜等。
光栅是用于分光的元件，它可以将入射光按照波长进行分散。
在进行光栅设计时，需要考虑分辨率、抗干扰性等因素。
色散棱镜可以用于调节光栅的光谱分辨率和散射角度。
最后，光电转换系统是微型CCD光谱仪器中的核心部分。
光电转换系统主要包括CCD探测器和信号放大电路。
CCD探测器是一种半导体器件，可以将光信号转换为电信号。
在设计CCD探测器时，需要考虑探测器的灵
敏度、响应速度、噪声和动态范围等参数。
信号放大电路可以将CCD探测器输出的微弱信号进行放大和处理。
总之，微型CCD光谱仪器的光学结构设计是一项复杂而关键的工作。
在设计过程中，需要考虑光源的选取、入口光路和出口光路的设计、光散射系统的设计和光电转换系统的设计。
通过合理的光学结构设计，可以提高光谱仪器的分辨率、灵敏度和稳定性，满足不同应用场景的需求。