蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diodearrayspectromete

蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diode array spectrometer module)发展外况由于光学技术、材料技术、电子技术、计算机技术的迅速发展，蔡司于十年已开始光电二极管阵列光谱仪模块的生产及应用推广。

现今这类产品已成为测量和分析的基本单元。

只要在进行系统设计的基础上，配以相应的辅助部件、电路、计算机、软件等，能够研制出满足各种需求的精密仪器设备。

以光電二极管阵列光谱仪模块为核心的设备能够测量的参数：发光辐射度、荧光发射度、波长测量、颜色测量、膜层厚度测量、温度测量、浓度测量、气体成分测量等；能够测量的光谱达到的范围：紫外、可见、近红外和红外波段；能够测量的对象：激光、照明光源、发光管、液体、织物、宝石等；模块广泛应用于环境监测、工业分析、缺陷检测、化学分析、食品品质检测、材料分析、医学诊断、临床检验、航空航天、遥感等领域。

模块结构光電二极管阵列光谱仪模块，具有一个设计极佳的结构组成，主体机壳全封闭式的将传送光的光纤(OPTICAL FIBRE)、光纤截面转换器(CROSS SECTION CONVERTER)、凹面成像光栅(CONCAVE GRATING)、二极管阵列紧凑(DIODE ARRAY)、永久的粘在一起，并有相应的电路(CIRCUIT BOARD)，构成尽可能小的单元模块。

两种模块形式如图1、图2所示。

模块的集成和微型是随着光纤技术、光栅技术、二极管阵列检测技术、电子元器件技术、材料技术的进步和发展而来，更多地成为现场检测和实时监控仪器的首选单元。

图1 光電二极管阵列光谱仪模块(微型，内置控制电路和前置放大器)图2 光电二极管阵列光谱仪模块(分辨率高，外置控制电路和前置放大器)产品特点1.工艺先进：紧凑的机械结构；全封闭；光学部件永久定位；没有机械调整；具有对机械冲击高度的非敏感性；从而导致非常高的可靠性。

2.仅需要成像光栅，省掉了常规光谱仪中的透镜、凹面镜、平面镜等多个部件。

3.体积小；结构完全免维护；不需重新校正；结实耐用；热稳定性好。

4.可以选择较宽的动态范围和波长范围。

5.高感旋光性；高光谱分辨率；高灵敏度；高效率。

6.良好的波长重复性和波长准确性，结果完全可信。

7.用于各种测量目的，同时多波长测量；完整的多成分分析；测量简单可靠。

8.技术先进：能够连续、稳定、快速的采集光谱数据；测量速度之快，可以用于在线分析。

单元模块单元模块的大小是由光纤狭缝、成像光栅、检测器件等部件尺寸决定的。

参见图1、图2。

从物理光学的角度看，部件尺寸仅由所需要的分辨率决定。

由于在许多应用中只需很高的重现性，因此在满足一定分辨率的情况下，采用尽量小的部件。

光电二极管阵列光谱仪模块系列的设计理念是：在硬件上尽量简化光、机结构设计，在尽量减少部件数量的同时，不同型号的模块中尽量使用相同部件。

模块主体在光电二极管阵列光谱仪模块内部，主体是由UBK7玻璃制成，成像光栅直接贴在玻璃体上，这样光栅是完全固定的，能够理想地防止灰尘和气体的侵蚀。

使用高光学密度的材料以及更大的光学孔径，可以使用很小的光栅，从而达到更小的失真。

为了达到更好的传输效果，对于紫外波段的模块，固体玻璃主体被换为中空主体并与光栅和前板胶接在一起，形成完全稳定的显像管设计，可以很好的减弱由于环境温度改变引起的波长漂移。

成像光栅光电二极管阵列光谱仪模块成像光栅的选择是基于光谱范围(WAVE LENGTH)和分辨率(RESOLUTION)的要求。

成像光栅在对入射光波进行色散的同时，还要成像到二极管阵列的窗口上。

为了有较高的光谱分辨率，模块最低选用366 l/mm（每毫米366线）的光栅。

成像光栅被称为“全息闪耀平面场光栅”，即设定适宜的闪耀角对入射光波进行效率优化；通过改变光栅刻痕密度并采用弯曲刻痕，校正了彗星像差，使焦点曲线得以展平形成平面场；使用了光栅驻波技术，对于非偏振光与正弦光栅相比，可以显着提高光强效率；形成的平面场与平面结构的光检测部件进行优化匹配。

在短焦距情况下，可以获得大于6毫米长度的平面光谱。

光纤截面转换器做为引导光源输入的光纤，经过光纤截面转换器后，可以进一步优化模块的光接收灵敏度。

光纤截面转换器使圆形结构的多束光纤转为线性结构的单束光纤，形成入口狭缝。

光纤截面转换示意图如图3所示。

狭缝高度h由单根光纤的数量决定，狭缝宽度b即为单根光纤的直径。

由于单根光纤的直径与二极管阵列检测器件的像素尺寸以及平面场光栅成像和色散性质进行了优化匹配，因此可以获得接近理论极限的光强度。

图3 光纤截面转换示意图二极管阵列检测器件二极管阵列检测器件的作用是把接收到的光强度信号转换为电荷信号。

不同的光波段使用不同性质的检测器件，紫外、可见波长一般使用硅检测器件，近红外、红外波长一般使用铟-镓-砷化物检测器件。

二极管阵列检测器件放置在一个特别设计的矩形小腔内，并引入一个微小的偏角，使检测器件具有最佳接收光强信号的角度。

这个偏角和约6毫米长度的光谱是必须的。

为了抑制光栅的二级衍射，二极管阵列检测器件表面直接镀有截止介质膜以滤除掉二级衍射波。

控制和前置放大器部分为了适用不同的应用目的，模块的控制和前置放大器部分置于模块内部或模块外部。

所有光電二极管阵列光谱仪模块都配有相应的控制和前置放大器，控制电路将二极管阵列上每个像素的电荷信号逐一顺序读出，送到前置放大器进行放大输出。

前置放大器可以保证将信号无噪声地放大到3－4伏。

模块包装钛金属主体机壳将粘在一起的成像光栅、二极管阵列检测器件、光纤，和相应的控制和前置放大器(有些模块不包括此电路)全封闭式的包装成一个模块。

接口分别是光纤输入接口、电信号输出接口、电路控制接口，并有良好的接地端子。

整体模块高质量的设计结构和专门的粘接技术，使模块对机械震动和挑剔的温度变化毫无感觉，波长精度随温度的变化非常小，电信号的温度漂移极低。

光電二极管阵列光谱仪模块――――――光谱特性与光强特性在选择光電二极管阵列光谱仪模块时，最重要的标准是其所覆盖的光谱范围，大多数情况下这个范围有清楚的定义。

然而光谱的其它标准—光谱分辨率、相对光谱分辨强度等则需要阐述。

1 光谱分辨率光谱分辨率是指把光谱特征峰分辨和分离的能力。

需要采用什么样的光谱分辨率是由使用者根据实际应用目的决定。

经常用下述四个方面来描述光谱分辨率：1．瑞利标准 ΔλRayleigh(DIN标准)；2．谱线宽度 通常是光强最大值一半的宽度：ΔλFWHM；3．亚像素分辨率（也称：软件分辨率，使用多次采样、数据拟合等，使测量精度达到更高， 此时的分辨率称为亚像素分辨率）；4．像素色散 Δλ/Pixel。

光谱分辨率在实际应用中是十分有用的，作为光谱仪的应用，主要有三个不同的用途（有些应用可以相互结合）：1．在混合物的光谱分析中，分解两个或多个谱线；2．决定谱线的形状，更主要的是决定谱线或谱带的宽度（FWHM或1/e2带宽）；3．测量光谱线峰值的波长和谱线最大值的光谱强度。

1.1光谱分辨能力根据DIN感光度标准，瑞利标准用于决定光谱仪分辨两个靠近波长的本领。

标准ΔλRayleigh表明两条谱线可以被识别为真实分离谱线的最小光谱间距，即可识别的分离谱线的光谱间距≥ΔλRayleigh。

这里，单独谱线的宽度Δλline必须显著地比谱线间的光谱间距小。

下面给出实际意义上的光谱分辨能力的定义：两条靠近谱线具有同样强度和形状，一条谱线的极小值与相邻谱线极小值重合，两谱线间极小值小于或等于峰值的80％时，这两条谱线完全能分辨。

据此定义，如图4所示的两条谱线形状相同，且I max,1=I max,2，两条谱线间极小值明显小于峰值的80％，约为60％，是可分离谱线。

图4 两条可分离谱线示意图1.2 光谱线宽度这是一个比较直接的光谱分辨能力的描述，如图5所示。

光谱线宽度ΔλFWHM定义：单个谱线光强最大值的一半（即光谱强度为50％）所对应的两个波长点之间的波长宽度为谱线宽度。

谱线宽度特性与瑞利标准相关:ΔλFWHM=λ2（I max/2）-λ1(I max/2)ΔλFWHM=0.8*ΔλRayleigh图5 光谱线宽度示意图2 模块光谱特性由于光電二极管阵列光谱仪模块的光检测器件与其它光谱仪的光检测器件不同，所以光谱特性有其特点。

2.1像素色散光学色散的定义：复色光分解为单色光而形成光谱的现象。

这里像素色散是指光谱成像在二极管阵列上，每个像素接收的波长数：Δλ/Pixel(=ΔλPixel)。

像素色散与光谱分辨率没什么直接关系，它仅仅是二极管阵列光谱仪的线性色散。

像素色散和光谱分辨率通过输入狭缝的宽度和光谱仪的成像性质相关联，光谱分辨率ΔλRayleigh大约是像素色散ΔλPixel的三倍。

例如；一种光電二极管阵列光谱仪模块，光谱范围：190nm-720nm,二极管阵列数（像素）：256个，光通过输入狭缝经光栅分光，成像在阵列的256个像素上，则像素色散ΔλPixel约为2.1nm，光谱分辨率ΔλRayleigh约为6nm。

2.2光谱分辨率对于光電二极管阵列光谱仪模块来讲，波长所对应的像素的位置是固定的，它的光谱分辨率也就不同于传统单色仪或分光计（有移动部件）的分辨率。

定义为“两个相邻谱线的分离”的光谱分辨率依赖于光谱线所相应像素的相对位置。

如果两个相邻谱线成像在像素上的方式如图6所示, 极小值落在中心像素（I2），最大值落在相邻像素（I1、I3），如果强度显示是I2≤0.80×I1（I3），则两条光谱线就可以被分离。

在这种情况下，总计3个像素的估值就完全足够。

最大值的位置几乎严格地对应于显示像素的中心波长。

图6 两条光谱线分离需要3个像素如果两个相邻谱线的最大值成像在两个像素（I1，I2）的分离线上（图6平移ΔλPixel/2即可得到），那么在像素上检测到一个清楚的强度下降，就需要4个像素。

两个像素纪录大约相同的强度，作为结果直到下一个像素（I3）下降到80%才显示，这里两条谱线的最大值被两个像素分离。

由于二极管阵列仅能检测离散值，模块显示的光谱带宽为3×Δλpixel。

在数据处理中总共4个像素是必须的。

2.3 亚像素分辨率或抛物线拟合为了检测波长峰λmax(或峰强度I max)，所测量的光谱线至少成像于3个像素上。

三对检测值（每个像素的强度I1，2，3和与之相对应的中心波长λ1，2，3）允许简单的拟合一条相关的抛物线如图7所示。

抛物线方程：I（λ）=aλ2+bλ+c图7 亚像素分辨率拟合图根据所对应的曲线峰点给出峰的波长和峰的强度。

这种方法的精确度大致上依赖于中心波长的绝对精确度。

在光電二极管阵列的光谱仪模块中，这个波长原则上可以在任意精度下加以确定。

利用相关参数进行数学拟合得到波长的绝对精度。

如果需要，每一个像素都能独立的校正。