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

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）

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900～1 700 nm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。

光谱仪；线阵CCD；反射型衍射光栅；Zemax

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。基于CCD为探测器的光谱仪的光路结构原理如图1所示。

图1 基于CCD的光谱仪光路结构原理图

狭缝是光栅光谱仪的入射孔径，可同时控制入射光束和杂散光的强度。本文所述的准直镜和聚焦镜均为球面反射镜。在近轴区，球面反射镜的物像关系为：

式（1）中：'为像方截距；为物方截距；为曲率半径。

衍射光栅是分光器件的一种，具有很强的色散功能。本文所设计的系统采用反射式闪耀光栅，反射式平面光栅的工作原理如图2所示。

图2 反射式平面光栅工作原理图

光栅方程为：

（sin±sin）=，=0，±1，±2，… （2）

式（2）中：为光栅常数；为入射角；为衍射角；为衍射级次；为衍射波长。

当入射角一定时，由光栅方程可以得到：

由公式（3）可知，光栅将不同波长的复合光色散分成单色光，这些单色光以不同的衍射角度经过聚焦镜依次被聚焦到CCD上的不同位置，CCD将这些不同波长的单色光输出的光信号强度实现记录[5]。

本文所设计的系统利用光栅的分光本领使不同波长的光线照射在线阵CCD的不同位置上，CCD接收光信号并转换成电信号，最后经过数字化后传输到计算机[6]。宽带光源通过Y形光纤的端口1照射到检测光栅上，再从检测光栅反射到Y形光纤进入端口2，再从SMA905接口进入光谱仪系统。光源进入光谱仪系统后首先通过狭缝照射到准直镜进行准直，反射到反射光栅上，通过反射光栅衍射，再通过聚焦镜聚焦，照射到CCD线阵铟镓砷探测器上，经过采集卡，将采集到的数据通过软件进行处理。

2 仿真分析

使用Zemax光学系统分析软件对近红外光谱仪光学系统进行光线追迹，得到如图3（a）所示的三维布局图，通过仿真结果可以观察出光栅的分光效果并得到各个器件位置。图3（b）为近红外光谱仪的点列图，从图中可以明显看出，子波段中的光束按照波长大小的顺序依次入射至线阵CCD上，其中子波段的中心波长都入射在像面的正中心。仿真结果也证实了此宽光谱光谱仪方案的可行性。图3（c）为近红外光谱仪的全视场点列图，所有的点是关于相同的参考点画出的，从图中可以看出，像空间中两个相邻的点可以被分辨。图 3（d）为调制传递函数MTF曲线，从MTF曲线的变化情况，能够看出不同频率的对比度大小及对比度的变化情况，并能够证明此系统在线对数较小的位置成像较好。

3 实验方案

根据光路结构示意图（图1）搭建光路系统，实物连接如图4（a）所示，光路结构如图4（b）所示。本文所设计的系统所能探测到的波段为900～1 700 nm，波段为360～ 2 600 nm宽带光源通过芯径为400 µmY形光纤的端口1照射到检测光栅上，将端口2处SMA905接口接到已搭建好的光路结构（图3），光源通过此光路后照在G8160-03CCD上，观察CCD上光信号的波形。水平移动检测光栅，重复上述操作，并观察上位机光信号的波形变化。

4 实验结果与分析

宽带光源照射到检测光栅后只能反射出照射在检测光栅响应波段的光，此波段的光进入光路结构后，经CCD收集的数据和电脑的数据分析，所呈现的图是一段波峰。水平移动检测光栅，由于反射光的波长不同，可以看到波峰在不同像素点上的变化。在水平移动检测光栅之前，在像素点为23左右时的信号强度峰值为63 841；移动检测光栅后，在像素点为103时的信号强度峰值为57 931，分别如图5（a）和图5（b）所示。

图4 光路结构实物图

图5 CCD接收光信号的波形变化

光谱仪所测得的光谱曲线是由光谱仪分光元件即光栅的特性与CCD阵列之间的相对位置决定的。光谱仪输出的不同波长对应于CCD上不同的像素点，由CCD显示的不同像素点的辐射功率值的变化即为不同波长光谱强度的变化。

5 结论

本文通过已标定的光谱仪与检测光栅的连接和未标定的CCD光路系统与检测光栅的连接观察光谱图样的变化。经过对实验数据的分析，可得出经衍射光栅分光以及CCD后的光谱图像以及解调出相应的波长值与光强信息。当检测光栅水平单向移动时，波峰从像素点为23的位置移动至像素点为103的位置，峰值强度从63 841减小至57 931，通过对已标定的光谱仪采集数据进行分析，表明本文所研究的基于CCD的衍射光栅光谱仪的波长定标是下一步可行的工作。本文所述的光路结构对研究CCD各像元的输出值与待测光源光谱的波长、辐射通量的对应关系，对光谱仪的光路设计具有参考价值，提供了一定的理论支撑。

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2095－6835（2021）06－0043－03

TN253

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.014

徐乐（2000—），女，本科，主要研究方向为测控技术与仪器。

〔编辑：王霞〕