微型CCD光谱仪器的光学结构设计

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基于线阵CCD的小型光谱仪研究

Ｖｏ１．３６Ｎｏ．６Ｄｅｌ３．２０１３
基于线阵ＣＣＤ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
１３００２２）
Hale Waihona Puke 要：提出一种用于ＣＣＤ光谱分析仪数据采集与分析的新方法。采用ＣＺｅｍｙ —Ｔｕｒｎｅｒ＃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
ＷＡＮＧＹｕａｎ，ＺＨＡＮＧＮｉｎｇ，ＧＥＮＧＺｈｅｎｈｕａ，ＸＵＸｉｐｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２）
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ＣＣＤ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

ａａｙｉｆｈｏｓｕｔｎａｄｐｉｃｐｅｏｅｔｍｅｅ．ｉｈｃｍｂｎｓｅｅｈｏｏｙｏｎｌｓｓｏｅｃｎｔｃｉｎｒｉｌｆｐｃｏｔｒｔｒｏｎｓｒｗｈｃｏｉｅｃｎｌｇｆｈｔｔＣＣＤｔｅｔｃｎｌｇｗｉｔｈｏｏｈｈｅｙｏｍｐｔｒＴｅｓｅｔｍａｇｆｈｐｃｏｅｅｏ４０ｔ６ｎｉｐｃａｅｏｕｉｎｉａｏｔ．ｎ． — ｆｃｏｕｅ．ｈｐｃｒｕｒｅｏｅｓｅｔｍｔｒｓｆｍ０７０ｍ．ｔｓｅｔｌｓｌｔｂｕ９ｍＢｅｎｔｒｉｒｏｓｒｒｏｓ３
ｃｕｅｔｅｓｓｅｒａｈｓｉｈｒｅｔｇｓｅｄｔａｅｃｎｉｏａｅｔｏｔｒ，ｏｓｌｎｎａｒａｅｅｔｒｓｅ — ａｓｙｔｍｃｅｇｅｓｎｐｅｎｔｏｄｔｎｌｐｃｍｅｅｓｃｎｕｔｇｌｅｒｒｙｄｔｃｏｓｈｅｈｔｉｈｈｉｓｒｉｉａｉｔ
光谱分辨率３９ｍ。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ＣＤ探测器Ｃ
Ａｂｔｃ：ｅｔｅｒｑｉｍｅｔｆｉｈｔｓｉｇｓｅｄａｍｕｔｃａｎｌｐｃｒｍｅｅｅｉｎｄｏｅｂｓｓｆｅｐｙｓｒｔａＤｕｔｕｒｏｈｅｅｎｇｔｐｅ，ｌ —ｈｎｅｅｔｏｈｅｎｉｓｏｔｒｉｄｓｇｅｎｔａｉｏｅｌｓｈｄ

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。

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。

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。

便携式光谱仪的CCD智能检测器设计

中图分类号：８．文献标识码：ＴＮ３６５Ａｄｉ１．９９ｊｉｎ１０ —６０２１．２０３ｏ：０３６／．ｓ．０５５３．０００．１ｓ
ＩｔｌｉｅｔＣＣＤｅｅｔｒｄｓｇｏｒａｌｐｃｒｍｅｅｓｎｅｌｇｎｄｔｃｏｅｉｎｆｒｐｏｔｂｅｓｅｔｏｔｒ
＊
蔡志坚，晓茹，韦居戬之，吴建宏
（苏州大学信息光学工程研究所，江苏苏州２５０）１０６
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ＣＤ智能检测器设计方案，Ｃ它结合了单片机智能
ｒａｉｅｉｉｔｒｚｄｎｅｌｅｔａｄｉｔｇａｅｐｃｒｍｅｅｅｌｄａｍｎａｕｉｅ，ｉｔｌｇｎｎｎｅｒｔｄｓｅｔｏｔｒＣＣＤｅｅｔｒｚｉｄｔｃｏ．
ＫｅｒｓｏｔｂｅｓｅｔｏｔｒＣＤｅｅｔｒｉｈｎｅｒｌｔｙｗｏｄ：ｐｒａｌｐｃｒｍｅｅ；Ｃｄｔｃｏ；ｌｔｉｔｇａ—ｉ；ＵＳｄｔｎｅｆｃｇｍｅＢａａｉｔｒａｅ
的光学结构更加紧凑，小型化甚至微型化的趋势更加明朗［。一些国内外厂商推出的手持式光谱仪产品３］
的性能已经能够与传统的台式单色仪／多色仪相媲美。通常一台光谱仪包含两个主要的单元，即光学单元和光电信号检测单元。光谱仪的小型化趋势不仅

超高分辨力微型光谱仪的光学系统设计

Opto-Electronic Engineering光电工程DOI: 10.12086/oee.2018.180228Article2018 年，第 45 卷，第 10 期超高分辨力微型光谱仪的光学系统设计王贤俊，龙亚雪，郑海燕，郭汉明*上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093CCDCylindrical lensFocusing mirror Grating Collimating mirror Silt摘要：由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于 0.1 nm。

而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。

本文基于 Zemax 光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及 CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达 0.05 nm，尺寸为 90 mm×130 mm×40 mm 的 Czerny-Turner 结构微型光谱仪。

在此基础上优化出 8 个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于 0.05 nm 的同时，波段范围达到了 820 nm∼980 nm。

所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。

关键词：微型光谱仪；光谱分辨力；Czerny-Turner 结构；Zemax 中图分类号：TN202 文献标志码：A 引用格式：王贤俊，龙亚雪，郑海燕，等. 超高分辨力微型光谱仪的光学系统设计[J]. 光电工程， 2018， 45(10): 180228Design of optical system of miniature spectrometer for ultrahigh-resolutionWang Xianjun, Long Yaxue, Zheng Haiyan, Guo Hanming*School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China Abstract: Because of the size limit of the spectrometer, the resolution of the micro-spectrometer is usually difficultly less than 0.1 nm when it meets certain spectral range. While some special applications require that the spectrometer not only has small size, but also requires extremely high spectral resolution. We used Zemax (optical design software) to choose the initial structure parameters and evaluation function to automatically optimize angle and distance of focus lens, cylindrical lens and CCD to design an optical system of spectrometer of Czerny-Turner structure. Its resolution is better than 0.05 nm, and the volume of the system is 90 mm×130 mm×40 mm. On this basis, eight grating slanting angles were optimized, and the spectral resolution of the micro-spectrometer is better than 0.05 nm, while the band range reaches 820 nm∼980 nm. So the spectrometer has the characteristics of high resolution, wide spectrum and small volume. Keywords: micro-spectrometer; resolution; Czerny-Turner structure; Zemax Citation: Wang X J, Long Y X, Zheng H Y, et al. Design of optical system of miniature spectrometer for ultrahigh-resolution[J]. Opto-Electronic Engineering, 2018, 45(10): 180228—————————————————— 收稿日期：2018-04-26；收到修改稿日期：2018-07-03 基金项目：国家重点研发计划(2016YFF0101603) 作者简介：王贤俊(1993-)，男，硕士研究生，主要从事光学设计的研究。

基于面阵CCD的高灵敏度微型光谱仪的设计与实现

基于面阵CCD的高灵敏度微型光谱仪的设计与实现徐丹阳;杜春年【摘要】面阵CCD具有灵敏度高、动态范围大的优点,适用于荧光测量、DNA测序、拉曼光谱分析和低光度检测,因此,研制基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实际价值.光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner 结构,并获得了1 nm的光学分辨率.结合DC-DC和LDO的设计方法,通过USB供电实现了6路电压输出的复杂电源系统设计;通过Verilog HDL完成了CCD驱动时序设计;采用Altera公司的EPM7064芯片实现了驱动信号输出.CCD输出的视频信号经双相关采样的高速16位AD芯片AD9826转换后存储在独立的静态RAM中,使得数据的采集和读取分离.所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD的微型光谱仪的11倍左右,动态范围20000:1,信噪比达到500:1,很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2018(045)011【总页数】11页(P30-40)【关键词】光谱仪;面阵CCD;高灵敏度;CPLD;双相关采样【作者】徐丹阳;杜春年【作者单位】浙江工业大学理学院,浙江杭州 310023;浙江工业大学理学院,浙江杭州 310023【正文语种】中文【中图分类】TH741光谱仪是光谱检测的重要仪器，通过对光谱的测量分析来完成对物质成分和结构等的测量，具有测量速度快、精度高、无损测量等优点，已经广泛应用于材料化学、石油化工、光学检测、天文研究、环境检测及航空航天等领域[1-3]。

传统的光谱仪器，其庞大的体积，高昂的价格几乎将此类仪器设备限制在实验室中。

近年来，一方面生物医学、科技农业等应用领域的迫切需求，要求分析仪器向着小型化、智能化的方向发展；另一方面得益于微型光机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)的发展和光纤器件的大批量生产，以及微型光电探测器件的出现，使得光谱仪的微型化成为了可能[4-6]。

光谱仪光路结构

光谱仪光路结构
光谱仪的光路结构因型号和用途而异，但通常包括以下组成部分：
1.入射狭缝：将入射光信号导入光谱仪内部。

2.准直镜：使平行光学信号的光平行，通常采用透镜、反射镜或色散元件的部分功能。

3.色散部分：通常采用光栅，将平行光行色散进入空间。

4.聚焦部分：收集色散光学信号，使入射狭缝的大部分单色图像聚焦在焦平面上。

5.阵列检测器（如CCD阵列）：将其放置在焦平面上，以检测大多数单色图像的光强。

探测器可以是CCD阵列或其他光检测阵列。

有些光谱仪中还采用复式分光装置，将两个或多个分光器串联起来，以实现更高的分辨率和更宽的工作波长范围。

例如，在日立306型顺序扫描ICP光谱仪中，采用两块光栅分光器并联，其中一块具有高刻线密度用于高分辨率和较窄工作波长范围，另一块具有较低刻线密度用于宽波长范围。

请注意，这只是一般的光谱仪光路结构，实际的光路结构可能因具体型号和用途而有所不同。

如果您需要了解特定型号的光谱仪光路结构，建议查阅相关用户手册或联系制造商获取详细信息。

CCD光电直读光谱仪原理及技术

CCD光电直读光谱仪原理及技术CCD光电直读光谱仪是一种常用的光学仪器,用于测量物质的光谱。

它利用光的波长与色散原理，将光分散成不同波长的光，并利用光电二极管（CCD）进行信号检测和转换。

下面我们将具体介绍CCD光电直读光谱仪的工作原理和相关技术。

CCD光电直读光谱仪的原理是利用玻璃棱镜或光栅对入射光进行色散，将入射光按照波长排序，然后通过光电二极管（CCD）进行光信号的检测和转换。

具体来说，光学信号首先通过入射光狭缝，进入光栅或玻璃棱镜。

光栅或玻璃棱镜对光进行色散，将不同波长的光分散成不同的角度，然后通过焦点之后的成像透镜，将色散后的光线聚焦在CCD上。

CCD是一种半导体材料，具有光电转换功能。

在CCD上，有一系列的光敏电荷位，当光射到CCD上时，会产生电子-空穴对，使得光的能量转化为电能。

这些光敏电荷位上的电荷通过电路传输到电荷耦合器件（CCD），然后通过模数转换器转换为数字信号。

最后，这些数字信号被发送到计算机或其他数据采集系统进行数据处理和光谱图像的生成。

CCD光电直读光谱仪的技术主要包括光源、光栅、透射图形、控制和信号处理等方面。

光源是光谱仪的关键部分，常用的光源包括氘灯、氙灯、钨灯等。

光栅是实现光的色散的重要元件，其线密度和光谱分辨率直接影响光谱仪的性能。

透射图形是光谱的图形展示，可以根据实际需要选择不同的透射图形，如线状、柱状、曲线状等。

控制和信号处理方面的技术包括仪器的控制系统、数据采集和处理软件等，它们能够实现光谱仪的自动化、高效化和精确度的提高。

总之，CCD光电直读光谱仪通过光学原理和CCD技术实现光信号的检测和转换，可以用于测量不同波长的光谱。

它具有快速、高分辨率、高灵敏度和可靠性的优势，在生物医学、环境监测、材料分析等领域有广泛的应用。

希望以上的介绍能够帮助大家更好地了解CCD光电直读光谱仪的原理及技术。

微型ccd光谱仪在光谱分析中的应用

微型ccd光谱仪在光谱分析中的应用微型CCD（chargecoupleddevice）光谱仪是一种结构简单、性能可靠、性价比高的光谱仪器。

它利用一个可以把散射光转换成电信号的CCD探测器，可以实现对物体表面反射内部结构以及液体中化学成分的分析研究。

微型CCD光谱仪主要应用于环境检测、可见拉曼光谱分析、原位生物分析、材料科学研究、空间环境科学、流体记录分析等领域。

微型CCD光谱仪在环境检测领域的应用微型CCD光谱仪可以用来检测空气、水和土壤中的有害物质含量，帮助监测环境中污染物的增长程度，科学地对环境中的污染物进行控制，为环境保护提供参考数据。

微型CCD光谱仪由光源、光学系统、探测器、控制电路和计算机等组成，能够获得大量比较准确的测量结果，从而有助于研究有害物质的分布情况，判断受污染的物种是否存在危害，同时也是判断有害物质污染是否可能对人体健康造成危害的重要办法之一。

微型CCD光谱仪在可见拉曼光谱分析领域的应用拉曼光谱分析是一种以传统拉曼光谱仪为基础的新型分析仪器，微型CCD光谱仪作为一种可见光拉曼光谱仪，在可见拉曼光谱分析领域可以进行更广阔范围的研究。

特别是对于对气体分析，微型CCD光谱仪的应用可以大大提高分析的精确度和准确性，从而能更有效地检测出气体中的有害物质含量，此外，微型CCD光谱仪还可以用来分析液体，为科学家们提供了更详细的分析数据，以便更好地控制和管理气体和液体的污染。

微型CCD光谱仪在原位生物分析领域的应用微型CCD光谱仪的应用可以取代传统的原位生物实验方法，以达到更高的准确性和效率，可以用来检测生物体内的化学成分，如蛋白质、糖类、脂肪、维生素和果糖等，从而为研究生物体内各种有害物质的分布和浓度提供参考。

微型CCD光谱仪在材料科学研究领域的应用材料科学研究是科学家们经常使用的一个研究方法，可以用来研究材料的性质、结构、组成以及表面形状等，可以帮助研究人员在研究新型材料的时候更好地掌握研究内容。

CCD在便携式光谱分析仪中的应用_石宝松

光电测试技术电子测量技术ELECTRONIC MEA SUREM ENT T ECH NOLOGY 第33卷第11期2010年11月CCD在便携式光谱分析仪中的应用石宝松孙守红张伟(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033)摘要:为适应野外测量、应急检测以及在线监测的需要,开发了便携式快速光谱分析仪。

该仪器采用线阵CCD作为检测器,可进行多光谱同时测量;采用触摸屏作为人机交互接口,可进行图谱显示和触控操作;采用电池组供电,增加了仪器使用的灵活性。

文中对该仪器的分光系统作了介绍,并着重说明了光谱分析仪中CCD的时序控制方法以及其他一些注意事项。

基于CCD的便携式光谱分析仪是紫外可见分光光度计的发展方向,该仪器可以实现快速光谱扫描、光度测量、时间扫描等功能,具有体积小巧、检测速度快、操作简便等优点。

关键词:光谱分析仪;分光系统;线阵CCD中图分类号:T P216文献标识码:AApplication of CC D in the portable spectrometerShi Baoso ng Sun Shouho ng Zhang W ei(Ch angchun Institute of Optics,Fine M echanics and Ph ysics,Chin es e Acad emy of Sciences,Changchu n130033)Abstract:To meet the application of measurement in the field,emergency detection and mo nitoring o f online,the portable rapid-measure spectrometer is develo ped.In the spectrometer,the linear CCD-ar ray is used as detector,so multispectr al images can be measured at the same time;Touching screen is used for spectrum diag ram display and touch-control o peration;U sing battery power,increase the flexibility of the instrument.In this paper,spectr oscopy sy stem is introduced.Especially,it is mostly introduced the controlling approach of CCD and some notes of the application of CCD.Po rtable spectrum analyzer based o n CCD is the development direction of U V-V is spectro photometer.T he spectrophotometer can achieve rapid spectral scanning,photometric measurement,time scanning and other functions,which has many advantages,such as compact size, fast detection speed,easy operation and co nvenience.Keywords:spectro meter;optical splitting sy stem;linear CCD-ar ray0引言随着光电子技术的持续发展,大量高性能线阵CCD不断出现。

微型CCD光谱仪器的光学结构设计

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ＣＣＤ接受器件的表硅‘，光学结构大大简化，仪器整体尺寸缩小，精度有一定提高，较为先进。
关键词：光谱仪ＣＣＤ光栅光纤
中图分类号：Ｏ６
文献标识码：Ａ
内。球面镜的球差产生的波像差记为嚣，则
矿ｓ（ｍａｘ）２等…）
按照瑞利准则，球差产生的波像差应小于五／４，则有
矿ｓ》ｋ，Ａｉ（１２）
其中，厂为球面镜的曲率半径，等于２厂’，儿懈为最大球面镜孔径的一半，为
岛，２·允为闪耀波长。根据设计数据带入
式（１２），得到
矿。：７８．１２５删＜１２５舢ｌ（１３）
栅，Ｗ为光栅的边长，ｆ’：，’’：ｆ，为两镜的
焦距，Ｈｌ和Ｈ２分别是入射狭缝ｓｌ和出射
狭缝ｓ２的中心对中轴线的垂直距离。由于标
准对称式车尼尔一特纳系统是由艾尔伯特一
法斯梯系统演变而来的，它们的计算方法相
似，ｊ：确定球面反射镜的各项参数以及狭缝
的大小，所以可以做如下分析。
已知选择了边长为Ｗ＝６ｍｍ，６００线／
统问题所导致的可怕后果是难以想象的。另外，不同于手工条件下由多个业务岗
位和多个责任人独立操作所形成的明确责任分工情况，在电算化条件下，全部责任高度集中于同一电脑系统（或网络系统），高度集中于同一电算化软件系统。这种特点使系统数据和信息处理资料面临被不留痕迹非法洲览、修改、拷贝乃至毁损的巨大系统问题风险。因而数据与责任高度集中的内部控制是电算化后会计系统面临的一系歹Ⅱ重要的内部控制问题。
由上可知，设计参数符合瑞利准则的要求。
从慧差分析，由于在车尼尔一特纳系统中，任意波长的垂轴慧差公式为