謝 煒，裘燕青

（中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江，杭州，310018）

光譜測量是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強(qiáng)度的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如顏色測量、化學(xué)成分的濃度測量或輻射度學(xué)分析、膜厚測量、氣體成分分析等.普通的機(jī)械式光譜儀，為了讓其達(dá)到高靈敏度和高分辨率的要求，通常使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)對待測光掃描，采用光電倍增管作為探測器接收不同波長，進(jìn)而得到其光譜功率分布.因此需要較大的工作箱來滿足驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的需要，這就使得光譜儀的體積、重量及功耗較大.同時(shí)，機(jī)械式的光譜儀掃描時(shí)間一般大于30s，很難應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的場合.因此，為了克服這些缺點(diǎn)，研制實(shí)時(shí)性強(qiáng)、攜帶方便的微型光纖光譜儀具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

本文主要介紹一種自制的微型光纖光譜儀，對其光學(xué)結(jié)構(gòu)及硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹.同時(shí)，利用常用的光學(xué)特征光源汞燈作為性能測試設(shè)備，對所制備的光譜儀進(jìn)行了光學(xué)性能測試，獲得了較好的結(jié)果.

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 光路的設(shè)計(jì)

光纖光譜儀的核心是光柵色散光譜系統(tǒng)，分為光學(xué)系統(tǒng)和光電信號處理系統(tǒng)兩部分.光學(xué)系統(tǒng)基于交叉非對稱Czerny－Turner成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用交叉非對稱Czerny－Turner有利于消除系統(tǒng)雜散光，并且有效地減小了系統(tǒng)體積，有利于系統(tǒng)微型化的實(shí)現(xiàn)［1］.

光學(xué)系統(tǒng)主要由入射光纖、光纖耦合器、狹縫、準(zhǔn)直鏡、平面衍射光柵、聚焦鏡和探測器等組成，如圖1，其中光電探測器選用價(jià)格低廉、量子效率較高SONY公司線陣CCD產(chǎn)品，其型號為ILX554B.

圖1 CCD光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic configuration of the CCD spectrometer

待測光由光纖通過光纖耦合器導(dǎo)入光纖光譜儀中，由于狹縫的寬度小于光纖直徑，入射光束寬度等于狹縫的寬度.經(jīng)狹縫限束后的光束經(jīng)凹面準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后反射到衍射光柵表面上（本系統(tǒng)采用600線／mm的光柵作為衍射光柵，光柵的刻槽密度越低光譜儀可檢測的光譜范圍越大）.光柵通過色散將待測光按波長的不同在空間分離開來，并投射到凹面收集鏡的表面上，收集鏡將色散光譜反射聚焦到CCD探測器表面轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出［2，3］.各光學(xué)元件均固定在采用LY12鋁材制成的鋁發(fā)黑盒內(nèi)，減少雜散光反射的同時(shí)，元件之間的位置也得到精密控制，從而保證了收集鏡反射光的焦平面落在CCD的入射窗口上.同時(shí)在CCD探測器的前端添加一濾光片，可以有效地消除可見光及近紅外波段的二級衍射.

1.2 狹縫的制作和裝配

狹縫是光纖光譜儀的基本組成部分之一，狹縫的寬度直接影響光纖光譜儀系統(tǒng)的分辨率與靈敏度.較窄的狹縫可以提高分辨率，但光通量較?。涣硪环矫?，較寬的狹縫可以增加靈敏度，但會(huì)損失掉分辨率.在不同的應(yīng)用要求中，選擇合適的狹縫寬度以便優(yōu)化整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果.通常，狹縫的寬度不能太寬，在5～400μm之間，否則會(huì)產(chǎn)生干涉且光譜分辨率下降.

光譜分辨率（R）是指能被光譜儀分辨開的最小波長差值，狹縫與光譜分辨率的關(guān)系為：

式中：DL為光譜覆蓋范圍，n為檢測器像元數(shù)，Ws為狹縫寬度，Wd為檢測器寬度，RF為分辨率因子.

傳統(tǒng)的光纖光譜儀狹縫采用機(jī)械方法加工，具有加工困難、體積大、裝配調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)，隨之帶來的是光纖光譜儀的體積增大，裝配復(fù)雜度增加，很難達(dá)到便攜性的要求.本系統(tǒng)采用鍍膜方法制作狹縫，實(shí)現(xiàn)了加工簡便、體積小、裝配調(diào)試簡便等優(yōu)點(diǎn)［4］.圖2為狹縫安裝示意圖，通過在矩形石英玻璃基片上鍍膜，制作一定縫寬的狹縫，并將玻璃通過光學(xué)膠固定在圓形銅座上，保證了狹縫與線陣CCD的垂直，使CCD探測器像元能很好的感應(yīng)不同波長處光強(qiáng).

圖2 狹縫安裝示意圖Figure 2 Schematic configuration of the slit installation

2 電路及CCD陣列

索尼公司生產(chǎn)的ILX554BCCD線性傳感器專門用于手提式POS條形碼掃描儀和光學(xué)測量設(shè)備的使用.有如下特點(diǎn)：有效像素?cái)?shù)2048個(gè)；像素大小14μm×56μm；單5V電源；超高靈敏度；內(nèi)置定時(shí)產(chǎn)生程序和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器；內(nèi)置采樣保持電路；最大時(shí)鐘頻率2MHz.

ILX554B的內(nèi)部原理框圖如圖3.從圖3可以看出從第5腳輸入的時(shí)鐘信號φCLK經(jīng)內(nèi)部電路的分頻產(chǎn)生各種脈沖，如采樣保持脈沖、復(fù)位脈沖、兩相轉(zhuǎn)移脈沖等，配合第11腳輸入的φROG使CCD開始工作.

圖3 ILX554B內(nèi)部電路框圖Figure 3 Circuit diagram of ILX554B

CCD將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，每個(gè)像素產(chǎn)生1個(gè)電信號，電信號的電壓值表征光強(qiáng)的幅值.這樣CCD每進(jìn)行1次光電轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生2048個(gè)有效電信號；同時(shí)，它將這2048個(gè)像素按位序串行地“封裝”成1個(gè)有效數(shù)據(jù)字段，可以在外加時(shí)鐘同步信號φCLK和芯片使讀端φROG作用下，從CCD中輸出結(jié)果Vout［5］.外加的同步時(shí)鐘信號由2087個(gè)時(shí)鐘脈沖組成，在1個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，1個(gè)電信號被讀出.這2087個(gè)數(shù)據(jù)由以下幾個(gè)部分：首部偽數(shù)據(jù)字段（33個(gè)數(shù)據(jù)）、有效數(shù)據(jù)字段（2048個(gè)數(shù)據(jù)）、尾部偽數(shù)據(jù)字段（6個(gè)數(shù)據(jù)），如圖4.

圖4 ILX554B時(shí)序圖Figure 4 Timing diagram of ILX554B

光纖光譜儀電路硬件包括感光元件、信號調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)和控制電路、USB 2.0接口.電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5，CCD將待測光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電信號，經(jīng)16位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給FPGA（采用Lattice公司生產(chǎn)的FPGA芯片），F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖并處理后通過USB 2.0接口（采用Cypress半導(dǎo)體公司的USB控制芯片CY7C68013A）傳遞給PC機(jī)進(jìn)行處理顯示光譜分布和數(shù)據(jù)；同時(shí)，在PC機(jī)上端可對積分時(shí)間進(jìn)行設(shè)置后傳遞給FPGA，從而完成對CCD積分時(shí)間的修改［6］.系統(tǒng)中16位AD采用芯片AD9826前端處理芯片來實(shí)現(xiàn)，AD9826是一款適合成像應(yīng)用的完整模擬信號處理器，采用三通道架構(gòu)，設(shè)計(jì)用于對三線彩色CCD陣列的輸出進(jìn)行采樣和調(diào)理，每個(gè)通道均由輸入箝位電路、相關(guān)雙采樣器（CDS）、偏移DAC和可編程增益放大器（PGA）組成，并通過多路復(fù)用方式接入一個(gè)高性能16位ADC.本系統(tǒng)由于采用黑白線陣CCD，故只使用了AD9826的一個(gè)通道.

圖5 CCD光譜儀電路結(jié)構(gòu)框圖Figure 5 Frame diagram of CCD spectrometer circuit

3 測試軟件

本系統(tǒng)采用Delphi作為軟件開發(fā)工具，開發(fā)出光纖光譜儀的光譜測試軟件，測試界面如圖6.

圖6 光纖光譜儀測試界面Figure 6 Testing interface of fiber spectrometer

該軟件不僅能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣和處理，還能控制硬件的調(diào)整，軟件流程圖如圖7［7］.

圖7 光纖光譜儀軟件流程圖Figure 7 Flowcharts of fiber spectrometer software

軟件包括數(shù)據(jù)處理和圖形顯示兩個(gè)模塊.在數(shù)據(jù)處理模塊，除具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)打印等基本功能外，還能實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間可調(diào)［8］.測試數(shù)據(jù)平均處理及boxcar、吸收率、透射率和顏色的測量.圖形顯示模塊對采集數(shù)據(jù)分析處理，在屏幕上顯示發(fā)射光譜、吸收光譜或者透射光譜，并能將光譜的變化實(shí)時(shí)地反映顯示出來.

4 測試與分析

4.1 光譜測試

在本測試中采用SMA905接口的多模光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光纖的一端對準(zhǔn)待測光源，另一端連接在光纖光譜儀的SMA905接口上，光纖光譜儀通過USB接口將采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和顯示.測試中使用汞燈作為待測光源，其特征譜線為365.48nm，404.66nm，407.78nm，435.83nm，546.07nm，576.96nm 和579.07nm［9］.測得汞燈光譜圖如圖8.

圖8 汞燈光譜圖Figure 8 Spectrogram of mercury lamp

將測試波長與實(shí)際波長對比，對比結(jié)果如表1.

表1 汞燈光譜測試波長與實(shí)際波長對比Table 1 Comparison of mercury lamp spectrum between test wavelength and actual wavelength

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過對測得數(shù)據(jù)的處理和分析，得到光纖光譜儀的性能參數(shù).

4.2.1 波長準(zhǔn)確度

波長準(zhǔn)確度是光譜儀中的重要參數(shù)，保證波長準(zhǔn)確度不僅是光纖光譜儀能夠準(zhǔn)確測試樣品的前提，也是保證分析結(jié)果準(zhǔn)確的前提，更是保證模型能夠準(zhǔn)確傳遞的前提.如果儀器的波長準(zhǔn)確度不能保證，則不同測定光譜就會(huì)因儀器波長的移動(dòng)（即X軸發(fā)生了平移），而使整組光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏移，進(jìn)而造成分析結(jié)果的誤差.一般用波長誤差，即測定時(shí)儀器顯示的波長值和分光系統(tǒng)實(shí)際輸出的單色光的波長值之差來表示：

測試結(jié)果如表1，從表中可看出其最大波長誤差為0.26nm，從已獲得的測試結(jié)果來看，波長準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5nm.

4.2.2 像元分辨率

像元分辨率是指光譜儀探測器單個(gè)像元所代表的光譜范圍，表征了儀器所能提供的最小采樣間隔.光纖光譜儀中光譜在CCD探測器上是均勻分布的，光譜范圍除以像元位數(shù)即可得像元分辨率.

本光纖光譜儀測試可見光光譜范圍為365～780nm，對應(yīng)像元數(shù)為1117位，由此得到光譜儀像元分辨率為

4.2.3 光譜帶寬

光譜帶寬是指譜線的空間寬度（即線色散）所對應(yīng)的光譜寬度，表征了儀器分辨光譜的能力.目前國際上采用的光譜帶寬測量方法主要為“譜線輪廓法”，即對待測光進(jìn)行光譜掃描，繪出該光譜的輪廓，光譜線強(qiáng)度輪廓曲線的二分之一高度處的譜帶寬度為光譜帶寬.用于光譜帶寬測試的光源一般要求為線性光源，或者在離所測譜線20nm范圍內(nèi)最好無其他譜線.基于這個(gè)原則，選用546.07nm處的光譜帶寬作為光纖光譜儀的光譜帶寬.通過對數(shù)據(jù)的分析得到光譜帶寬為546.52nm－545.42nm＝1.10nm＜2nm，能滿足我國藥典規(guī)定的藥品質(zhì)控光譜帶寬要求［10］.

5 結(jié) 語

通過對光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)介紹和數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，該光譜儀系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便、造價(jià)低以及可以在多種環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值.目前，該光纖光譜儀已實(shí)現(xiàn)小批量的生產(chǎn).

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