基于线阵CCD的微型光谱仪的研制
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。
紫外线阵传感器(CCD)进行光谱测量的研究
摘要直读光谱仪在冶金行业中有着重要的应用，可以确定钢铁中不同成份元素的含量。
直读光谱仪要求可以测定紫外波段的光谱，它可以采用光电倍增管和电荷耦合器件（CCD）两种探测器。
采用CCD作为探测器件可以减小整个仪器的体积，并且线阵CCD传感器能在一次曝光时间内探测一段波长范围内的所有谱线，这样就提高了便携性能，减少了探测时间，具有重要的意义。
本文采用CCD作为光谱仪的接受器件，其中光谱仪光路为对称CT结构，对氘灯、汞灯紫外光谱区进行了测量，得到了光谱图像，并采用最小二乘法对汞灯光谱图像进行了定标，定标后的谱线与标准汞灯谱线进行对比，两光谱图像基本吻合,证明了此系统的可行性。
关键词：紫外光谱测量；CCD；对称CT结构；最小二乘法；汞灯ABSTRACTDirect-reading spectrometer have important applications in the metallurgy industry, it can detect the content of different chemical element in the steel. Direct-reading spectrometer should be able to detect the ultraviolet spectrum, for this, it can use two sensors, photomultiplier and CCD. If CCD is used for the sensor, the entire instrument will be smaller. And linear CCD sensor can detect a spectrum range in a single exposure. So the instrument becomes portable, the detecting time is shortened. It is of great significance. In this paper, CCD, as the receiving device of the spectrometer which is symmetrical CT structure, was used to detect the ultraviolet spectral region of deuterium lamp and mercury lamp. The calibration of the achieved mercury lamp spectral image was by the least square method. Through contrasting the calibrated mercury lamp spectral image and the standard mercury lamp spectral image, the measuring method was proved to be available.Key Words:Ultraviolet Spectrum Measurement; CCD; Symmetrical CT Structure; Least Square Method; Mercury Lamp目录摘要 (I)ABSTRACT ....................................................................................... I I 第一章绪论 (1)（一）引言 (1)（二）文献综述 (2)（三）课题目的及意义 (4)第二章材料与方法 (5)（一）光谱仪 (5)（二）CCD (6)（三）最小二乘法 (9)第三章结果 (10)第四章讨论与结论 (12)（一）讨论与分析 (12)（二）结论 (14)参考文献 (15)致谢 (16)第一章绪论（一）引言在过去的一个世纪里，伴随着新的技术及科学知识的发展，分析仪器得到了前所未有的发展，分析仪器诞生后，随着人们要求不断的提高和科学技术不断的发展，由简单的仪器逐渐发展为复杂的仪器，由常量的分析发展为快速、高灵敏、痕量和超痕量的分析，从手动分析转变为自动分析，以及由单一分析方法发展到多种方法联用使用的多维方法。
微型CCD光谱仪器的光学结构设计
Ｓ ｌｎ ６ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｃｏ ｓ ｌ ｎ Ｈ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｎ Ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｕｔ ｇ ｅ 日ｄ ｝
学 术 论 坛
微型Ｃ Ｏ光谱仪器的光学结构设计 Ｃ
王晗’ 杜宇上’ · ２ （． ， 广东工业大学实验教学部： ２ 厦门大学机电 ． 工程系） 摘 要： 光谱仪器是光学仪器一个重要组成部分，同时它也是光谱学和光谱技术中最基本的分析设备之一。而仪器的小型化，对 于提高仪器使用范围 有很大的帮助。本文研究的主要内容是设计一种微型可见光的Ｃ Ｄ摄像光 Ｃ 谱仪的光学结构。在设计中， 通过理论 计算， 选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜，将光纤、平面定向光栅和凹面反射镜等合理组合，采用聚焦反射、分光的方法， 将待测光进行色散，直接投射到 Ｃ Ｄ接受器件的表履，光学结构大大简化，仪器整体尺寸缩小， Ｃ 精度有一定提高，较为先进。 关键词： 光谱仪 Ｃ Ｄ 光栅 光纤 Ｃ 中图分类号： ０６ 文献标识码： Ａ 文章编号： ６３ ０３（０７ ４ ）０７一 ２ １７一 ５４２０） （ 一 １８ ０ ０ｃ
廓和相对位置等，均会造成仪器实际分辨率 的下降 。 光谱仪是测量光源和物质光谱特性的重 ２２光路的设计 ． 要装置，它在颜色显示、视觉效果比对和生 ２２ １ ． ． 基本设计思路 物化学领域有着 广泛的 应用。 近年来， 荷祸 电 光路设计中采用了了车尼尔 一 特纳系统 合器件 Ｃ Ｄ取得了飞速的发展， Ｃ 工艺日 趋完 善，已能批量制造完全没有缺陷的高可靠性、 的变形结构。它是由艾尔伯特 一法斯梯系统 低成大的Ｃ Ｄ芯片， Ｃ 这种器件有很宽的光谱 演变而来的。用两块小的凹面反射镜代替了 响应特性， 完全可以代替感光乳剂， 应用在光 一块大的反射镜构成，两镜中间分开，曲率 中心重合。即可避免二次衍射与多次衍射， 谱测量上川。因此，设计出配合 ＣＣ Ｄ光谱 同时方便反射镜的加工与调试。 仪器使用的光学结构对于仪器的小型化有着 重大的意义。 ２２２ ．． 反射元件及狭缝参数的计算 根据基本设计思路和像差理论，可以展 开元件参数的计算。由于设计中采用的光路 ２ 型ｃ 光 仪的 学 构 计 微 ｃ 谱 光 结 设 ｏ 属干对称式车尼尔一 特纳系统，其基本思路 ２１ ． 光栅的选择与设计 是一致的。 在光谱仪核心元件分光器件的发展历程 实际图形中可以看出，其基本思路相 中，经历了色散棱镜到衍射光栅到采用干涉 调制元件和信息变换技术的演化。近年来声 同。由于原理的一致性，可以使用标准形式 球面反射 光调谐器件Ａ Ｔ Ｏ Ｆ的技术和应用也有了 很大 的计算方法进行分析计算。Ｃ为两 和ＭＺ 的共同曲率中心，Ｇ为闪耀光 发展， 没有机械活动件、全固态、电 子调谐、 镜Ｍｌ 结构小而牢固、可承受震动冲击等一系列优 栅 ｗ为 栅 边 ， ＝ ＝ 为 镜 ， 光 的 长厂 ， 厂 两 的 ’ ｚ 和ＨＺ 分别是入射狭缝５ 和出射 １ 点，使其具有明显的技术和应用竟争力１ ３ 焦距，Ｈｌ ， ２ · ２ 心对中 轴线的 垂直距离。由 于标 ‘ ］ 。本设计中选择闪耀光栅。因为光栅与其 狭缝５ 的中 准对称式车尼尔一 特纳系统是由艾尔伯特一 他分光元件相比较， 有许多优点。 首先， 光栅 的角色散率几乎和波长无关，这对光谱的波 法斯禅系统演变而来的，它们的计算方法相 长测量很有利。其二，光栅的分辨率比棱镜 似，女确定球面反射镜的各项参数以及狭缝 大， 价格也较低。 其三， 光栅不受材料透过率 的大小，所以可以做如下分析。 已 边长为Ｗ二 ｍ 知选择了 ６ ｍ， ０ 线／ ６０ 的限制，它可以在整个光学光谱区中应用。 由 于分析光谱范围 ｏ一 ｏｍ， 为４０ ７ ｎ 使用 ｍｍ的正方形闪耀光栅。由于选择了直径为 ６ ．ｍｍ的光纤， 狭缝高度应满足条件 的光栅参数为：闪耀角ａ．９ ， ０ 断面长ｂ、 １３ １ ７ｘｌ 一 ｍ，闪耀方向６ｂ＝３ ． ｏ３ ｍ 。。 ｈ＜１３ ．ｍｍ （） ３ 已知此种光栅使用时的全部参数， 实际使用中 设计采用面积６ ｍ ｘ６ ｍ ｍ ｍ 的闪耀光栅，对于 功二１ 级次的光谱，理论 详＝６ 肤 ＝１ ，夕 了 １ ５ ＝ 闪耀波长为 脚 ０ 上， 其基本特性值计算如下：
微型CCD光谱仪器的光学结构设计
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。
微型CCD光谱仪器的光学结构设计
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。
基于线阵CCD的光谱信号高速数据采集系统设计
Ｗ ＡＮＧ Ｗｅ — ｎ Ｔ ｕ， ＡＮＧ Ｌ ｉ Ｇ ｉ ａ ， ＡＮ Ｔ Ｗ ｌ ｅ ， ＡＯ ａ － ｎ Ｘｉｏ ｍｉ ｇ
（ ａ ｏａｏｙｏ ｎ ｉ ｎ ｎａ ｐｃｒ ｓｏ ｙ Ａ ｈ ｉ ｎｔ ｕｅｏ ｔ ｓａ ｄＦｎ ｃ ａ ｉ ， Ｌ ｂ ｒｔｒ ｆ ｖ ｏ ｍｅ ｔｌ ｅｔｏｃｐ ， ｎ ｕ ｓ ｔｔ ｆ ｉ ｎ ｉｅＭｅｈ ｎｃ Ｅ ｒ Ｓ Ｉ ｉ Ｏｐ ｃ ｓ Ｃ ｉｅｅＡｃｄ ｍｙｏ ｃ ｎ ｅ ， ｆｉ ３ ０ １ Ｃｈｎ ） ｈｎ ｓ ａ ｅ ｆ ｉ ｃｓＨｅｅ ２ ０３ ， ｉａ Ｓｅ
度、 高密度 和高性 能 的可 编程 逻辑器 件 。Ｆ Ｇ Ｐ Ａ最大 的优点 是
使用 非常灵活 ， 在不 改变 外 围电路 的情况 下 ， 设计 不 同的 片 内 逻辑 就能实现不 同 的电路 功能 ， 而缩短 了系统 的开 发周 期 ， 从
令 ，Ｓ Ｕ Ｂ设备按照该命令完成 对 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ数据采 集参数 的初始 化
ＬＢ 光谱 、 ＩＳ 荧光光谱 等技 术相结合 ， 在化 工 、 农业等 领域得 到了
广泛 的应 用 ， 为成 分快 速分析和生产 过程 的实时监控 提供 了很
好 的测 量 手 段 。光 电管 、 电 倍 增 管 、 光 电 管 、 释 电 器 件 和 光 硅 热
Ｃ Ｄ等元 件都可 以作为 光谱仪 的光 探测 元件 ， 电管 、 电 Ｃ 光 光
ｔ ｍ ｎ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ ｃ ｓ ， ｐ ｃ ｒｌｓｇ ａ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔ ｎ ｓ ｓｅ ｏ ｎ ａ Ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ Ａ ｎ Ｂ ２ ０ ｗ ｓｄ － ｅ ａ ｄ ｒ ｄ ｃ ｈ ｏ ｔ ａ ｓ ｅ ｔａ ｉｎ ｌｈ ｇ － ｐ ｅ ａ ａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｙ ｔ ｍ ｆ ｉ ｅ ｒＣＣ ａ ｅ ｎ Ｆ Ｇ ａ ｄ ＵＳ ． ａ ｅ ｉ ｌ
基于线阵CCD的小型光谱仪光度特性研究
ａ ｃ ｄ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ａ ｔ ｎｄ ｒ ｎ ＵＶ ／ ｓ Ｉ ｃ ｏｒ ｉ ｏ ｔ ｅ ｒ ｌ ｖ ｎｔｓ ａ ａ ｄｓ ｉ ＼ ｉ， Ｒ ｐ ｔ ０ １ ｏｍｅ ｅ ． Ｔｈｅ ｅ ｕｌｓ ｓ ｗ ｝ａ Ｎ ｒ ｐｌ ｏｔ ｔｒ ｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ，ｔ ｔ ｐｈ ｏｍｅ ｒｃ ｅ ｒ ｈｅ ｏｔ ｔ ｉ ｒ ｐ ｏｄｕ ｉ ｌ ｙ ｃｂｉｉ ｏｆ ｈｅ ｐｅ ｔ ｏ ｅ ｅ ｉ ｂ ｔｅ ｔ ａ －．０ ｔ ｔ ｓ ｃ ｒ ｍ ｔ ｒ ｓ ｅ ｔ ｒ ｈ ｎ ．０４ Ａ ｂ Ｉ － ｓ・ ａ ｔ ｅ ｎｄ ｈ ｐｈｏ ｏ ｔ ｉ ａ ｃ ｒ ｃ ｉ ± ０ ４ Ａｂｓ （ ） １ ｔ ｍｅ ｒｃ ｃ ｕ ａ ｙ ｓ ．０ （～ ｂ ． Ｍ ｏ ｅ ｅ ， ｔ ｉ ｌ ｅ ｃ ｏ ｓ ｒ ｙ ｉ ｈｔ ｓ） ｒ ｏｖ ｒ ｈｅ ｎｆＨ ｎ ｅ ｆ ｔ ａ ｌｇ ，
用 线 阵 Ｃ Ｄ 作 为 探 测 器 。该 光 谱 仪 光 度 特 性 的 实验 检 测 结 果证 明 ： Ｃ 实验 样 机 的 光 度 精 密 度 优 于 ±
０ ０ ｓ 光度 准确度 为 ０ ０ ｓ ０Ａｂ ～ ｌＡｂ ） 实验 分 析 了光 谱仪 的杂散 光 、 ． ４Ａｂ ． ． ４Ａｂ （ ｓ ｓ 。 光度 噪 声和 基 线平 直度等 指 标 对仪 器 光度准 确度 的影 响 最后 针 对 小型 光谱仪 的特 点提 出改善 其 光度特性 的
ｓ ｅ ｔ ｏ ｔ ｒ ｗａ ｎ ｒ ｕ ｅ ｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｉ ｔ ｏｄ ｃ ｄ．ｗ ｈ ｃ ｎｃ ｒ ｏｒ ｔ （ ｉｈｉ ｏ ｐ ａｅ１ ｈ。（ ｚ ｒ ｙ— 、ｅ ｎ Ｔｕｒ ｒｏｐｔｃ １ｓ ｔ ｍ ｒｄ ａ ｌｎｅ ｅ ｎｅ ｉ ａ ｙｓｅ ａｔ ｉ ａ ｒ
一种微型光纤光谱仪的研制及测试
一种微型光纤光谱仪的研制及测试摘要：一种自行研制的微型光纤光谱仪及其性能测试结果。
基于C-T(czerny-turner)成像系统，将通过光纤导入的待测光进行分光后成像于线阵CCD(chargecoupleddevice)探测器上。
采用FPGA(field-pro-grammablegatearray)作为主处理器实现CCD的驱动、数据采集与处理，通过USB2.0接口将数据传送至上位机。
根据USB的接口协议及数据格式，编写了一套光谱仪测试软件。
利用汞灯作为测试光源，对自制的光纤光谱仪性能进行了仔细分析。
结果表明，当采用缝宽为30um的狭缝时，仪器的波长准确度小于0.3nm，光谱分辨率可达1.1nm。
关键词：微型;光纤光谱仪;光谱引用：光谱测量是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术，被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成分的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等，为了让其达到高灵敏度和高分辨率的要求，通常使用步进电机带动光栅的转动对待测光扫描，采用光电倍增管作为探测器接收不同波长，进而得到其光谱功率分布。
因此需要较大的工作箱来满足驱动和传动的需要，这就使得光谱仪的体积、重量及功耗较大。
同时，机械式的光谱仪扫描时间一般大于30s，很难应用于实时性要求高的场合。
因此，为了克服这些缺点，研制实时性强、携带方便的微型光纤光谱仪具有重要的实际应用价值。
本文主要介绍一种自制的微型光纤光谱仪，对其光学结构及硬件实现进行介绍。
同时，利用常用的光学特征光源汞灯作为性能测试设备，对所制备的光谱仪进行了光学性能测试，获得了较好的结果。
一、结构和原理1.1光路的设计光纤光谱仪的核心是光栅色散光谱系统，分为光学系统和光电信号处理系统两部分。
光学系统基于交叉非对称Czerny-Turner成像系统设计，采用交叉非对称Czerny-Turner有利于消除系统杂散光，并且有效地减小了系统体积，有利于系统微型化的实现。
基于线阵CCD的光谱检测系统设计
接 电路 ， 由于 Ｆ Ｐ ＧＡ 工 作 频 率 较 高 ， 所 以 对 电 源 的 要 求 比 较高， 需 要 加 上 电容 进 行 滤波 。
２ ． ２ 全 局 时钟 发 生 电路
入射 光 的 光 谱 。同 样 的让 光 源 发 出来 的 光 先 通 过 狭 缝 ， 出
来 的光经过凸透镜在用 三棱镜 对测量 光进行 分光 ， 三 棱 镜 分 出来 的 光 谱 照 在 待 测 物 上 ， 让 被 吸 收 后 光 通 过 狭 缝 照 在
感 和 信 息 处 理 。 因为 Ｃ Ｃ Ｄ 传 感 器 的 工 作 方 式 是 以 时 间 积 分的方式工作 ， 光 积分 时 间调 节宽 度 比较宽 ， 所 以 采 用 线 阵Ｃ Ｃ Ｄ图像传感器对光谱进行检测 ｏ ［ １ １ ６ ９
１ 系统 光 路 的 设计
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 系统 一 般 都 要 多 电 源 供 电 。 以 本 系 统 所 用 的 Ｃ ｙ ｃ ｌ ｏ ｎ ｅ Ｉ Ｉ Ｉ 系列的 Ｅ Ｐ ３ Ｃ １ ６ Ｑ ２ ４ ０的 芯 片 构 成 的 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的 核 心板为例 ： 外 围输 出／ 输 入 电压 为 ３ ． ３ Ｖ， 内核 电压 为 １ ． ２ Ｖ， 辅助电压为 ２ ． ５ Ｖ。 本 系 统 中 使 用 ５ Ｖ 电 源输 入 ， 采 用 Ｌ Ｔ１ Ｏ ８ ５ —３ ． ３ 、 Ｌ Ｍ１ １ １ ７ —２ ． ５和 Ｌ Ｍ１ １ １ ７ —１ ． ２分 别 来 提 供 ３ ． ３ Ｖ、 ２ ． ５ Ｖ、 １ ． ２ Ｖ的直 流电压 。 ［ Ｊ ２ ３ 电 源 电 路 的部 分 连
下载 ｏ Ｃ ６ ］ ￣ ３
２ ． ４ 系 统 电 源 电 路 的 设 计
硬 件 电路 的设 计 包 括 以 下 ５个 模 块 。 （ １ ） 控制模 块 ： 控 制 模 块 是 用 于 对 系 统 其 他 所 必 须 要 求 的模 块 进 行 控 制 和 调 度 ， 以实 现 系统所 要求 的 功能 ， 这 里 用 到 的是 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ作为控制芯 片。 Ｅ ３ ］ （ ２ ） 电源模块 ： 给予整机 系统提 供稳定 的 电源 ， 包 括 控 制模块所 需 的 正 电源 ５ Ｖ 电压 和 Ｃ Ｃ Ｄ所 需 的 正 １ ２ Ｖ电
采用线阵CCD的便携式光谱采集系统设计
采用线阵CCD的便携式光谱采集系统设计微量物质成分及含量分析在科研、安检等领域发挥着重要的作用。
目前，微量成分分析常用的方式是使用分光光度计，其原理是利用物质对光的吸收特性，测量其吸光度，通过吸收峰的位置估计物质的成分，并利用峰的高度来估计成分的含量。
传统的分光光度计主要应用在物质的分析与检测上，功能比较单一。
随着芯片集成技术的发展和光栅技术的进步，现在的分光光度计在功能、体积、检测速度上发生了革命性的改变。
例如，利用分光光度计来组成田野土壤监测网络，可以实时检测土壤的物质含量，使得农业生产者能有效的针对某块区域进行土壤的改良从而提高产率。
分光光度计的核心部分是光谱采集和处理系统，其通过光电转换器件把经过物质吸收后的光谱信号采集进来，并通过显示器件实时显示。
传统的分光光度计通常采用光电管来实现这一转换，由于光电管的体积较大，而且需要复杂的机械装置把光谱投射到光电管上，因此传统的分光光度计体积非常笨重，而且价格也十分昂贵。
CCD技术的发展使得分光光度计发生了革命性的变化，由于CCD技术的易集成、采集速度快等优点使得分光光度计逐渐朝着微型化和便携性方面发展。
本文提出的分光光度计的光谱采集系统通过使用CCD与微处理器件的协调工作，可以用来测试可见光波段的吸收强度并能初步的估计吸收量的大小，从而为物质分析提供参考。
1 CCD驱动及噪声处理技术研究1．1 CCD驱动时序研究CCD作为光电转换的理想器件是因为其较低的噪声、较高的转移效率和较快的光谱响应，其采用交替变换的脉冲来移出储存在其中的光信号并以电压输出的方式表示。
由于转移效率较高，因此其工作频率一般在MHz标准。
本文采用的CCD器件则是最高转移频率在1 MHz的东芝公司生产的TCD1208AP线阵CCD器件。
TCD1208AP由2 212个基本像元组成，其中可用来进行光谱数据转换的像元只有2 160个，其他的像元用来控制噪声和填充数据帧。
TCD1208AP每个像元的尺寸为14m14m，所以对色散器件的色散能力要求不是很高，同时其拥有较高的光灵敏度以及较高的工作频率使得其光谱采集的速度非常快，达。
基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术的开题报告
基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术的开题报告一、研究背景随着人们对质量、环境、安全等因素的关注度日益提高，人们对物质检测精度和速度有着更高的要求。
其中，光谱分析技术（Spectroscopic analysis）作为一种广泛应用于化学、物理、材料科学等领域的分析技术，具有分析速度快、准确性高等优点，得到了广泛的应用和研究。
目前市场上的光谱分析仪器大多体积较大、价格昂贵，难以满足小型化、便携化和实时检测的需要。
而基于CCD（Charge-coupled device）的小型光谱分析仪器则具有小型化、可携带性强、成本低等优势，适用于野外、实地等场合的物质检测。
同时，化学发光新技术（Chemiluminescence）是近年来发展起来的一种新型分析技术，其原理是利用化学反应中放热产生的激发态分子发生衰减，从而发射光子。
该技术具有高灵敏度、高选择性、分析速度快等优点，得到了广泛的应用和研究。
因此，本文研究基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术的结合应用，旨在开发一种小型、便携、实时检测的分析仪器，实现对物质的高精度、高速度、高效率的检测。
二、研究内容本文主要研究内容包括以下三方面：1. 基于CCD的小型光谱分析仪器的设计与制作。
首先，将研究光谱分析的理论基础及其在实际应用中的方法与技术，设计一款小型化、便携化、高精度的CCD光谱分析仪器。
其中，要选用合适的光谱探测器、高精度的信号采集器等器材，实现对各种波段的光谱探测。
然后，根据设计方案制作仪器，进行实验测试，验证仪器的检测精度和效率。
2. 化学发光新技术的研究与应用。
研究化学发光新技术的原理和应用，分析其在分析技术中的优势和局限性。
同时，结合小型光谱分析仪器的特点，探索化学发光技术与CCD光谱分析技术的结合应用，验证其在检测精度和速度方面的成效。
3. 光谱分析仪器与化学发光技术的结合应用研究。
最后，将基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术相结合，实现小型、便携、实时检测的分析仪器。
一种基于线阵CCD的一米光栅光谱分析仪
一种基于线阵CCD的一米光栅光谱分析仪陈嵩;周洪生【摘要】介绍一种基于线阵CCD(电荷耦合器件)的一米光栅光谱分析仪.光电器件CCD的引入提高了对光谱信息采样的速度和精度,并通过模数转换单元将采集数据传输至计算机,从而提高了对光谱信息的存储、传输和分析处理效率.【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(031)004【总页数】3页(P55-57)【关键词】线阵CCD;一米光栅;光谱分析仪;图像处理;矿物分析【作者】陈嵩;周洪生【作者单位】齐齐哈尔矿产勘查开发总院测试中心,黑龙江齐齐哈尔161006;齐齐哈尔矿产勘查开发总院测试中心,黑龙江齐齐哈尔161006【正文语种】中文【中图分类】TH744.1原子发射光谱分析法具有多种元素同时检测、分析速度快和准确度高等优点，因为这些独特的优点，使其成为地质矿产等部门重要的测试手段之一[1］，并在矿物试样的金属含量的分析中起着重要作用。
随着工业技术的发展和信息化技术的普及，对光谱分析中实时测量的精度和速度，以及数据处理方法等方面的要求也越来越高。
光谱分析的方法主要有两种：照相法和光电法。
照相法是指用感光板和胶片的照相处理数据的方法，其缺点主要有非线性响应结果不准确、处理过程比较复杂等[2］。
光电法是指利用CCD作为图像接收器件，利用模数转换单元将光谱信息传输至计算机，并利用计算机软件进行数据分析和处理的方法。
本文将介绍一种基于CCD的一米光栅光谱分析仪，主要工作是搭建光源发生和光栅色散，以及利用CCD做为光谱采集器件并完成图像采集、存储、传输的硬件平台，然后利用计算机设计软件进行图像数据处理，从而实现一个数字化的光谱分析系统。
光谱分析仪是利用原子特征光谱产生的基本原理，结合光学成像技术，对物质的结构和成分等进行测量。
基于CCD的一米光栅光谱分析仪的基本组成有：电弧发生器（光源）、准直单元、色散单元（光栅）、CCD成像单元、模数转换单元以及计算机数据处理单元。
光谱仪信号采集系统设计方案
光谱仪信号采集处理系统方案设计一、整体方案设计本设计采用的是基于东芝的线阵CCD模块TCD1304DG的光谱仪信号采集系统的设计方案。
按照信号流可以分为三个大的模块，既CCD驱动模块，CCD信号处理模块，数据处理（存储和传输）模块。
系统核心是一片ATMEGA32L单片机，它不仅负责产生CCD驱动的三个基准信号，同时还负责与上位机的交互，控制CCD的数据存储和数据传输。
CCD驱动模块向线阵CCD模块芯片提供符合时序要求的脉冲信号并且产生其它模块（ADC）需要的逻辑电平控制信号。
CCD信号处理模块负责对线阵CCD输出的模拟信号进行缓冲、放大、滤波，然后转换为12位数字信号。
数据模块则把转换好的12位数字信号按CCD的单帧格式进行存储，并通过USB 桥接接口向上位机逐帧传输。
上位机可以通过USB接口向ATMEGA32L单片机发送指令控制光谱测量数据的采集，还可以发送指令实现积分时间的实时调整。
整个方案各个模块用5V和4V直流供电，电源从USB口获得，这使得系统设计更紧凑、更简洁。
下面分别介绍各模块的设计。
二、电源和地线设计由于此采集系统同时存在模拟和数字混合信号，所以恰当合理的设计模拟部分和数字部分的的电源和地平面是保证测量精度、系统灵敏度和抗干扰性的必要条件。
根据每个芯片和模块的电源要求，此系统采用+5V、+4V的设计，这些直流电源从USB的电源取电和生成。
由于此系统是数模混合信号系统，所以合理和准确的地线的设计对减少数字信号对模拟信号的干扰、数字地平面的高频噪声对模拟信号的干扰和RF 信号对模拟信号的干扰起到很好的作用，具体的地线设计要在PCB设计当中体现。
三、CCD驱动模块的设计TCDl304DG是一款灵敏度高、暗电流小的线阵CCD，具有3648个有效像素，每个像素大小为8umX200um，由于以上优点，它比较适合作为光谱仪信号检测元件。
它的驱动波形的时序要求如下图。
CCD TCD1304DG驱动时序图CCD TCD1304DG内部结构图从上面时序图中可以看出，该CCD需要三个驱动信号：转移脉冲SH、光积分控制脉冲ICG和主时钟MCLK。
基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统研究的开题报告
基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统研究的开题报告一、选题背景拉曼光谱技术是一种非常重要的分析技术，广泛应用于材料科学、化学、生物学、药学等领域。
由于其实验条件简单，无需样品处理，能够对材料的结构和构成进行非常准确的分析，因此成为了材料研究和分析的主要手段之一。
便携式拉曼光谱仪的问世，使得实验可以在实验室之外、野外等多种环境下完成，对于生物物理、荧光光谱、表面等领域的研究也带来了很大的便利性。
本文拟以基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统研究为课题，对此进行深入探究。
二、研究目的和意义目的：设计一种基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统，实现对光谱数据的自主采集、处理和分析。
意义：开发便携式拉曼光谱仪的控制系统能够解决传统实验室仪器的体积庞大、运输困难等问题，使实验室仪器能够更好地适应野外或移动环境下的研究。
此外，该系统的研究也可以为研究拉曼光谱的相关领域提供技术支持和实验数据，并有望在农业、食品安全检测和新药开发等方面得到广泛应用。
三、主要内容1.拉曼光谱原理和仪器构造的介绍2.光路设计，包括激光输出、采样光的收集和检测等3.控制系统设计，核心控制器的选择和控制模块的实现4.基于面阵CCD的数据采集和处理算法的研究5.系统实现及实验测试四、研究方法1.文献资料调研法查阅大量学术和技术资料，研究拉曼光谱仪器及其控制系统的原理和技术细节，对比不同品牌及型号的仪器的技术参数，分析其差异。
2.仪器组装法根据光谱仪的原理搭建实验装置，在实验室使用，进行基础实验和技术应用的测试。
3.编程设计法借助MATLAB等软件，通过程序设计和数学模型建立，对系统算法和控制模块进行模拟和调试。
4.数据分析法利用多元分析、数据挖掘、图像处理、计算机视觉等技术，对实验数据进行处理和提取出分析结果。
五、进度安排1.文献调研及问题定义：1周2.仪器构建及调试：2周3.控制系统编程及调试：3周4.数据采集、处理及分析：2周5.测试及论文写作：2周六、预期成果1.实现样品光谱的采集和处理2.完成对基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统的设计和实现3.获得一定的研究成果和相关技术方案，为相关领域的研究提供一定的参考价值七、参考文献1.于旭，珂尔庚，基于CCD的便携式农药残留检测系统[J]. 仪器仪表学报，2013,34(12):2897-2901.2.陈琦，任云，吴军波，基于图像视觉的声纳数据自动分割方法研究[J]. 物理学报，2016,65(18):187804.3.徐娟，刘潇洋，魏佳溪，基于拉曼光谱技术的皮肤采样系统研究[J].光学仪器，2018,40(8):15-22.4.Wu Q， Lv C，Xie X，et al. Analysis of laser confocal Raman spectroscopy with a multivariate statistical method for discrimination of tea samples[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2020,237:118376.。