微型CCD光谱仪器的光学结构设计
便携式光谱仪的CCD智能检测器设计
便携式光谱仪的CCD智能检测器设计
蔡志坚;韦晓茹;居戬之;吴建宏
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2010(032)002
【摘要】光谱仪是一种重要的检测仪器,CCD光谱仪正朝着小型化甚至微型化的方向发展.针对便携式光谱仪的特点及要求提出一种光谱仪CCD智能检测器设计方案,它结合了单片机智能化控制的特点和CPLD时序准确、可编程的优点.并且该检测器集成了USB数据接口,可通过计算机软件进行光谱采集,并能实时控制积分时间,实现了光谱仪CCD检测器的小型化、智能化和集成化.
【总页数】5页(P60-64)
【作者】蔡志坚;韦晓茹;居戬之;吴建宏
【作者单位】苏州大学,信息光学工程研究所,江苏,苏州,215006;苏州大学,信息光学工程研究所,江苏,苏州,215006;苏州大学,信息光学工程研究所,江苏,苏州,215006;苏州大学,信息光学工程研究所,江苏,苏州,215006
【正文语种】中文
【中图分类】TN386.5
【相关文献】
1.基于CCD的智能型拉线检测器 [J], 于险民
D检测器在ICP-AES中的应用:Ⅰ.CCD光谱仪的研制 [J], 刘志红;张展霞;李文冲;王庆有
3.基于CCD检测器的便携式液体阴极辉光放电光谱仪快速测定卤水中的锂 [J], 刘晓;杨啸涛;詹秀春;袁继海;樊兴涛;焦距
D智能化光谱仪的研制 [J], 刘金英;朱培元
5.便携式光谱仪的CCD智能检测器设计 [J], 蔡志坚;韦晓茹;居戬之;吴建宏
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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。
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微型CCD光谱仪器的光学结构设计
CCD光谱仪器是一种常见的光学测量设备，广泛用于光学实验、光谱分析、色彩测量等领域。
它主要由光学系统、CCD探测系统和光谱分析系统组成。
本文将详细介绍微型CCD光谱仪器的光学结构设计。
一、光学系统
光学系统是CCD光谱仪器的核心部分，主要负责光的收集、聚焦和分散。
光学系统一般由准直系统、色散系统和聚焦系统组成。
1.准直系统
准直系统主要用于调整入射光的方向和角度，使其与色散系统和CCD 探测器的光轴保持一致。
准直系统通常包括准直镜、透镜和光纤等元件。
其中准直镜的选取要考虑到光谱仪器的有效波长范围和分辨率等因素。
2.色散系统
色散系统是光学系统中的重要组成部分，主要负责将不同波长的光线分散开来，形成光谱。
常用的色散器件包括光栅和棱镜。
光栅的选择要考虑到分辨率、光谱范围和光效等因素。
色散系统通常由一个或多个光栅和聚焦透镜组成。
3.聚焦系统
聚焦系统主要用于将分散的光线重新聚焦到CCD探测器上。
聚焦系统通常由透镜组成，根据需求可以选择单透镜或多透镜组合。
透镜的选取要考虑到焦距、光学畸变和传输效率等因素。
此外，聚焦系统还需要考虑光斑的均匀性和稳定性问题。
二、CCD探测器
CCD探测器是CCD光谱仪器中的核心部分，负责将聚焦后的光线转换
为电信号，再经过处理得到光谱数据。
CCD探测器主要由CCD芯片、读出
电路和冷却系统组成。
D芯片
CCD芯片是CCD探测器的核心组成部分，负责将光线转换成电荷，并
将电荷转换成电压信号输出。
选取CCD芯片时需要考虑像素数、噪声水平、动态范围和响应速度等因素。
2.读出电路
读出电路主要负责将CCD芯片产生的电压信号放大并转换为数字信号。
读出电路的设计要考虑到信噪比、动态范围和精度等因素。
3.冷却系统
CCD探测器在工作过程中会产生大量热量，影响其性能。
因此，冷却
系统是必不可少的。
冷却系统主要负责降低CCD芯片的温度，减少暗电流
和噪声。
常见的冷却方式包括环境温度降低、Peltier效应和液氮制冷等。
三、光谱分析系统
光谱分析系统主要负责将CCD探测器输出的电信号转化为光谱数据，
并进行波长校准和数据处理。
光谱分析系统通常由光电转换器、A/D转换
器和计算机等组成。
1.光电转换器
光电转换器主要负责将CCD探测器输出的电信号转换为光强信号，通
常采用放大器和滤波器等电子元件。
2.A/D转换器
A/D转换器主要负责将光强信号转换为数字信号，以便计算机进行处理。
选取A/D转换器时需要考虑分辨率、采样率和信噪比等因素。
3.计算机
计算机主要负责光谱数据的处理、存储和显示等功能。
计算机可以使用相应的软件进行光谱分析和处理。
综上所述，微型CCD光谱仪器的光学结构设计包括光学系统、CCD探测系统和光谱分析系统等部分。
设计时需考虑准直系统、色散系统、聚焦系统、CCD探测器、冷却系统、光电转换器、A/D转换器和计算机等多个因素，并合理选择相应的元件和参数。
只有在不同部件和参数的协同作用下，才能实现准确、高效的光谱测量和分析。