第30卷,第5期 光谱学与光谱分析2010年5月 SpectroscopyandSpectralAnalysisVol130,No15,pp141721421 May,2010
宽谱段光纤光谱仪
郑宝华1,3,程德福1,郑志忠2,修连存2
1.吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 1300262.南京地质矿产研究所,江苏南京 2100163.吉林化工学院,吉林吉林 132024 摘 要 为满足野外现场矿物分析、400～
2500nm的宽谱段光纤光谱仪,介绍了仪器研制过程中的光学。光的水平反射式光路,对于不同的光谱探测谱段,个方向立体交错放置进行探测;用CPLD()驱动;采用14;1。仪器体积小、光谱分辨率高、信号质量,,仪器实现了宽谱测量,光谱数据理想。关键词;光栅;光谱;CPLD;USB210;CCD中图分类号:TH74411 文献标识码:A DOI:1013964/j1issn1100020593(2010)0521417205
引 言
400～2500nm光谱范围覆盖了可见至近红外的宽谱
段,采用光栅分光很难在宽谱段都有高的效率。在实验室使用的可见至近红外光谱仪都是采用多块光栅切换扫描和多个单点探测器进行光谱测量。随着CCD线阵、CMOS线阵等阵列器件的广泛应用,出现了基于线阵列探测器的光谱仪。如美国OceanOptics公司的USB2000型光纤光谱仪,其光谱范围覆盖在200～1100nm之间,且体积小测量速度快,很受市场欢迎[1]。为满足野外现场矿物、环境及土壤等测试及遥感地面验证仪器的需求,光谱范围需达到400～2500nm,同时要求仪器体积小、重量轻和测量速度快。目前,满足上述要求的只有美国ASD公司生产的FieldSpec23光谱仪,该谱仪采用一套摄谱仪和两套近红外扫描光栅光谱仪进行拼装实现宽谱段的测量,主要存在问题是多个谱仪拼装造成仪器笨重;输入光采用3根光纤分别导入,导致测量点的代表性差;光栅扫描方式导致测量速度较慢[2]。本文所述宽谱段光纤光谱仪是基于一套摄谱仪光路实现宽谱覆盖,测量代表性强。文中叙述了如何用一块光栅实现宽谱的高效率和探测器光谱响应不能宽谱覆盖的两个核心问题。 1 光机系统
仪器由光源系统、样品反射测量系统、分光系统、电路系统和计算机控制分析系统5部分组成[3]。其中反射样品光经过光纤耦合进入分光系统,分光系统采用平面光栅分光的摄谱方式。探测器采用Si线阵器件探测400～900nm范围的光谱,2个InGaAs线阵器件分别探测900～1700和1700～ 2500nm范围的光谱。分光系统中的光栅衍射效率选择在长
波近红外区域,在短波近红外及可见光区域由于采用高灵敏的Si线阵器件,从而弥补了光栅效率低的缺陷,另外,还可提高积分时间来增加信号强度和提高信噪比[4]。在光谱面上,采用探测器像面立体交错拼接的方法。 111 光学参数计算
光学设计要求指标:光谱范围为400～2500nm;相对孔径为f/4(焦距90mm);杂散光为小于011%;光栅为平面,刻线177;带宽优于7nm;光传输方式为光纤耦合。
根据应用要求,优先考虑1700～2500nm光谱区域的性能,选择1700～2500nm区域为设计初始基础,选择的InGaAs探测器像元个数256,像元大小50×50μm。则像面长度l等于256×50=1218mm。此区域对应的线色散 Δλ==6215nm?mm-1
Δl1218 (1)
收稿日期:2009211211,修订日期:2010202416
基金项目:中国地质调查局地质调查工作项目(1212011560704)资助
作者简介:郑宝华,1963年生,吉林化工学院副教授,吉林大学仪器科学与电器工程学院博士生 e2mail:jl7789006@126.com
1418光谱学与光谱分析 第30卷 优于5nm,在2500nm处分辨率达到6nm,达到了总体设计要求。112 像面拼接设计
在上述光学系统中要实现宽谱段瞬间测量,须对线阵探测器进行像面拼接。像面拼接有光学棱镜拼接、不同视场机械交错拼接和不同空间的立体交错拼接。本系统不涉及不同视场,所以只能选择光学棱镜拼接或不同空间的立体交错拼接。在本系统中,采用不同空间的立体交错拼接,采用的是全反射光学反光方法,将400～900
,900～1700和1700～2500nm三个光谱段的光谱面分为3个区域,分别反射到不同的3个立体面,可将器件分别布置在3个立体面上,设计方案如图4所示。 取此处分辨率为6nm,对于采用水平对称式光路,焦距 f1=f2,放大倍数γ=1,入射狭缝取s,则有s=6nm, Δl算得s=01096mm,可取011mm。 由色散公式[3]
(2)=dlkfb
其中:k为衍射级次(取1级),f为焦距,b为光栅每毫米刻 γ线数,γ为衍射角(角度较小,cos≈1)。取焦距f=90,则b ==177lines?mm-1。
90
(1)光路选型:光路采用水平对称光路,采用全息平面光栅作为分光元件。 (2)光学参数表(见表1)。 Table1 Opticalparameters
宽谱段光纤光谱仪解读
