基于CCD的近紅外光譜儀探測系統設計與分析

徐樂，董云輝，趙佳麒，何巍

基于CCD的近紅外光譜儀探測系統設計與分析

徐樂，董云輝，趙佳麒，何巍

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192；北京信息科技大學光電測試技術及儀器教育部重點實驗室，北京 100192）

傳統的光柵光譜儀儀器箱普遍較大，這就使得其體積、質量、功耗和造價都相對較大。通過對整體結構的調整，使其與傳統光柵光譜儀相比質量輕、體積小、功耗低、造價低，同時保留了其采樣速度快、操作簡單、分析速度快、適合在線分析、測量方便、無損分析、無污染等特點。為進一步探究光譜儀的光路結構并驗證分光系統的可行性，用Zemax軟件進行光學仿真，進行光學系統優化設計，實現了900～1 700 nm波段的微型近紅外光譜儀的寬光譜設計。通過實驗將實物連接后，通過G8160-03CCD作為探測器與上位機連接后，將各個器件的位置定位校正，最終通過PC端可看到波形的變化。

光譜儀；線陣CCD；反射型衍射光柵；Zemax

光譜分析儀通過測定被研究的光的光譜組成，將光按波長或波數分解得到光能量的波長分布關系，并顯示記錄得到光譜圖[1]。光柵具有很強的色散本領，可作為光譜儀系統中的關鍵分光原件[2]。CCD作為一種光電轉換器件，將信號采集后，將數據送入計算機系統完成所采集數據處理[3]，是光譜儀的核心器件之一[4]。

本文通過包括了光柵與CCD的分光系統對光譜儀光路結構的可行性進行了驗證。

1 基本結構與工作原理

本實驗所用光譜儀由光源、準直系統、色散分光系統、成像系統、接收系統組成，并且通過合理的系統一體化集成設計，將光學元器件、采集卡以及相應接口有機地封裝在機殼中。基于CCD為探測器的光譜儀的光路結構原理如圖1所示。

圖1 基于CCD的光譜儀光路結構原理圖

狹縫是光柵光譜儀的入射孔徑，可同時控制入射光束和雜散光的強度。本文所述的準直鏡和聚焦鏡均為球面反射鏡。在近軸區，球面反射鏡的物像關系為：

式（1）中：'為像方截距；為物方截距；為曲率半徑。

衍射光柵是分光器件的一種，具有很強的色散功能。本文所設計的系統采用反射式閃耀光柵，反射式平面光柵的工作原理如圖2所示。

圖2 反射式平面光柵工作原理圖

光柵方程為：

（sin±sin）=，=0，±1，±2，… （2）

式（2）中：為光柵常數；為入射角；為衍射角；為衍射級次；為衍射波長。

當入射角一定時，由光柵方程可以得到：

由公式（3）可知，光柵將不同波長的復合光色散分成單色光，這些單色光以不同的衍射角度經過聚焦鏡依次被聚焦到CCD上的不同位置，CCD將這些不同波長的單色光輸出的光信號強度實現記錄[5]。

本文所設計的系統利用光柵的分光本領使不同波長的光線照射在線陣CCD的不同位置上，CCD接收光信號并轉換成電信號，最后經過數字化后傳輸到計算機[6]。寬帶光源通過Y形光纖的端口1照射到檢測光柵上，再從檢測光柵反射到Y形光纖進入端口2，再從SMA905接口進入光譜儀系統。光源進入光譜儀系統后首先通過狹縫照射到準直鏡進行準直，反射到反射光柵上，通過反射光柵衍射，再通過聚焦鏡聚焦，照射到CCD線陣銦鎵砷探測器上，經過采集卡，將采集到的數據通過軟件進行處理。

2 仿真分析

使用Zemax光學系統分析軟件對近紅外光譜儀光學系統進行光線追跡，得到如圖3（a）所示的三維布局圖，通過仿真結果可以觀察出光柵的分光效果并得到各個器件位置。圖3（b）為近紅外光譜儀的點列圖，從圖中可以明顯看出，子波段中的光束按照波長大小的順序依次入射至線陣CCD上，其中子波段的中心波長都入射在像面的正中心。仿真結果也證實了此寬光譜光譜儀方案的可行性。圖3（c）為近紅外光譜儀的全視場點列圖，所有的點是關于相同的參考點畫出的，從圖中可以看出，像空間中兩個相鄰的點可以被分辨。圖 3（d）為調制傳遞函數MTF曲線，從MTF曲線的變化情況，能夠看出不同頻率的對比度大小及對比度的變化情況，并能夠證明此系統在線對數較小的位置成像較好。

3 實驗方案

根據光路結構示意圖（圖1）搭建光路系統，實物連接如圖4（a）所示，光路結構如圖4（b）所示。本文所設計的系統所能探測到的波段為900～1 700 nm，波段為360～ 2 600 nm寬帶光源通過芯徑為400 μmY形光纖的端口1照射到檢測光柵上，將端口2處SMA905接口接到已搭建好的光路結構（圖3），光源通過此光路后照在G8160-03CCD上，觀察CCD上光信號的波形。水平移動檢測光柵，重復上述操作，并觀察上位機光信號的波形變化。

4 實驗結果與分析

寬帶光源照射到檢測光柵后只能反射出照射在檢測光柵響應波段的光，此波段的光進入光路結構后，經CCD收集的數據和電腦的數據分析，所呈現的圖是一段波峰。水平移動檢測光柵，由于反射光的波長不同，可以看到波峰在不同像素點上的變化。在水平移動檢測光柵之前，在像素點為23左右時的信號強度峰值為63 841；移動檢測光柵后，在像素點為103時的信號強度峰值為57 931，分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖4 光路結構實物圖

圖5 CCD接收光信號的波形變化

光譜儀所測得的光譜曲線是由光譜儀分光元件即光柵的特性與CCD陣列之間的相對位置決定的。光譜儀輸出的不同波長對應于CCD上不同的像素點，由CCD顯示的不同像素點的輻射功率值的變化即為不同波長光譜強度的變化。

5 結論

本文通過已標定的光譜儀與檢測光柵的連接和未標定的CCD光路系統與檢測光柵的連接觀察光譜圖樣的變化。經過對實驗數據的分析，可得出經衍射光柵分光以及CCD后的光譜圖像以及解調出相應的波長值與光強信息。當檢測光柵水平單向移動時，波峰從像素點為23的位置移動至像素點為103的位置，峰值強度從63 841減小至57 931，通過對已標定的光譜儀采集數據進行分析，表明本文所研究的基于CCD的衍射光柵光譜儀的波長定標是下一步可行的工作。本文所述的光路結構對研究CCD各像元的輸出值與待測光源光譜的波長、輻射通量的對應關系，對光譜儀的光路設計具有參考價值，提供了一定的理論支撐。

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2095－6835（2021）06－0043－03

TN253

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.014

徐樂（2000—），女，本科，主要研究方向為測控技術與儀器。

〔編輯：王霞〕