一种高分辨率的CCD直读型光谱仪研究

发布时间：2020-03-28 04:02

【摘要】：CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)直读式光谱分析仪在环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用,现有的基于线阵CCD的光谱分析仪的分辨率不够高,而基于面阵CCD的光谱分析仪的成本较高,本文提出一种新型的线阵CCD直读式光谱仪结构,可以在控制成本的前提下提高波长分辨率。本文的主要研究工作如下:基于光谱的波段分割和光栅的空分复用技术,提出了一种新型的线阵CCD直读式光谱仪结构,可以大幅提高波长分辨率。在CCD传感器前设置贴有两片不同波段滤光片的转轮,将工作波段分为两个子波段依次由CCD感应并接收,实现波段分割;于光栅前设置滤光片阵列,各滤光片按一定角度、一定距离排列,使不同子波段的中心波长在光栅上的入射角不同而衍射角相同,从而实现光栅的空分复用。基于M型Czerny-Turner光路结构,结合光谱的波段分割和光栅的空分复用技术,设计了一台CCD直读式光谱仪,光谱测量范围为450-850nm,以650nm为中心分为450-650nm和650-850nm两个子波段。考虑系统的球差、慧差、像散和宽波段、大视场像差的矫正,设计了光学系统的结构参数及狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜和CCD传感器等光学元件的参数。基于ZEMAX软件建模,对光学系统进行了仿真验证,并搭建实验平台,对所设计光谱仪的可行性进行验证。以波长650nm的红色激光作为光路调试光源,以低压汞氩光源对光谱仪进行波长标定,最后对波长532nm的绿色激光和波长650nm的红色激光进行测试,波长误差分别为0.879nm和1.26nm。实验结果验证了技术方案的可行性,但有待进一步研究和优化。
【图文】：

色散光谱,棱镜,工作原理图

按照光谱仪的工作原理，将其大致分成两种类型：经典色散型光谱仪和调制光谱仪[14]。.1 经典色散型光谱仪经典色散型光谱仪中具体分成棱镜色散光谱仪和光栅色散光谱仪两种。两者致相同，只是分光元件有所区别，一个利用的是棱镜，一个利用的是光栅，，之集并分析待分析光束色散后的光信号。(1)棱镜色散光谱仪如图 1-1 所示是棱镜色散光谱仪的工作原理图[15]。待分析光线由入射狭缝进仪系统，准直镜将光束变成平行光，之后平行光入射在棱镜一端面上，入射角为过棱镜两个表面的折射，以出射角θ出射，再经过聚焦镜聚焦后被图像传感器所接收。

表面形状,水平对称,谱仪

散光谱仪作为如今最受欢迎的色散型光谱仪[18]，其色散元件采用学平面或凹面上刻划出平行的等宽且互相间距相等的狭缝而做成射光栅有很多种类，也有许多种的分类方式：按照衍射光的方向和反射型，按照调制光波的方法不同可以分成振幅型和相位型。射式光栅由于同样会存在的材料色散而基本不会被商用光谱仪所式光栅性能的优秀，相比之下更受欢迎。散光谱仪根据其色散元件光栅表面形状的不同又可以分成平面光光谱仪[19]。其中，平面光栅多用于平行光束的衍射，所以在整加准直系统将入射光准直为平行光；而凹面光栅多用于发散光束额外设计准直系统和聚焦系统，光路结构更加简单，但高级次衍色散光谱仪发展至今也有着几种比较常用的光学结构： Ebert-Frner 结构，Littrow 结构等[20]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN386.5;TH744.1

【参考文献】