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摘要：一种自行研制的微型光纤光谱仪及其性能测试结果。基于C-T(czerny-turner)成像系统，将通过光纤导入的待测光进行分光后成像于线阵CCD(chargecoupleddevice)探测器上。采用FPGA(field-pro-grammablegatearray)作为主处理器实现CCD的驱动、数据采集与处理，通过USB2.0接口将数据传送至上位机。根据USB的接口协议及数据格式，编写了一套光谱仪测试软件。利用汞灯作为测试光源，对自制的光纤光谱仪性能进行了仔细分析。结果表明，当采用缝宽为30um的狭缝时，仪器的波长准确度小于0.3nm，光谱分辨率可达1.1nm。
关键词：微型;光纤光谱仪;光谱
引用：光谱测量是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术，被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成分的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等，为了让其达到高灵敏度和高分辨率的要求，通常使用步进电机带动光栅的转动对待测光扫描，采用光电倍增管作为探测器接收不同波长，进而得到其光谱功率分布。因此需要较大的工作箱来满足驱动和传动的需要，这就使得光谱仪的体积、重量及功耗较大。同时，机械式的光谱仪扫描时间一般大于30s，很难应用于实时性要求高的场合。因此，为了克服这些缺点，研制实时性强、携带方便的微型光纤光谱仪具有重要的实际应用价值。
本文主要介绍一种自制的微型光纤光谱仪，对其光学结构及硬件实现进行介绍。同时，利用常用的光学特征光源汞灯作为性能测试设备，对所制备的光谱仪进行了光学性能测试，获得了较好的结果。
一、结构和原理
1.1光路的设计
光纤光谱仪的核心是光栅色散光谱系统，分为光学系统和光电信号处理系统两部分。光学系统基于交叉非对称Czerny-Turner成像系统设计，采用交叉非对称Czerny-Turner有利于消除系统杂散光，并且有效地减小了系统体积，有利于系统微型化的实现。
光学系统主要由入射光纤、光纤耦合器、狭缝、准直镜、平面衍射光栅、聚焦镜和探测器等组成，如图1，其中光电探测器选用价格低廉、量子效率较高SONY公司线阵CCD产品，其型号为ILX554B。
待测光由光纤通过光纤耦合器导入光纤光谱仪中，由于狭缝的宽度小于光纤直径，入射光束宽度等于狭缝的宽度。经狭缝限束后的光束经凹面准直镜准直后反射到衍射光栅表面上(本系统采用600线/mm的光栅作为衍射光栅，光栅的刻槽密度越低光谱仪可检测的光谱范围越大)。光栅通过色散将待测光按波长的不同在空间分离开来，并投射到凹面收集镜的表面上，收集镜将色散光谱反射聚焦到CCD探测器表面转换成相应的电信号输出。各光学元件均固定在采用LY12铝材制成的铝发黑盒内，减少杂散光反射的同时，元件之间的位置也得到精密控制，从而保证了收集镜反射光的焦平面落在CCD的入射窗口上。同时在CCD探测器的前端添加一滤光片，可以有效地消除可见光及近红外波段的二级衍射。
1.2狭缝的制作和装配
狭缝是光纤光谱仪的基本组成部分之一，狭缝的宽度直接影响光纤光谱仪系统的分辨率与灵敏度。较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小;另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中，选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。通常，狭缝的宽度不能太宽，在5~400um之间，否则会产生干涉且光谱分辨率下降。
光谱分辨率(R)是指能被光谱仪分辨开的最小波长差值，狭缝与光谱分辨率的关系为:
式中:DL为光谱覆盖范围，n为检测器像元数，wd为狭缝宽度，wd为检测器宽度，RF为分辨率因子。
传统的光纤光谱仪狭缝采用机械方法加工，具有加工困难、体积大、装配调试困难等缺点，随之带来的是光纤光谱仪的体积增大，装配复杂度增加，很难达到便携性的要求。本系统采用镀膜方法制作狭缝，实现了加工简便、体积小、装配调试简便等优点里。图2为狭缝安装示意图，通过在矩形石英玻璃基片上镀膜，制作一定缝宽的狭缝，并将玻璃通过光学胶固定在圆形铜座上，保证了狭缝与线阵CCD的垂直，使CCD探测器像元能很好的感应不同波长处光强。
二、测试软件
本系统采用Delphi作为软件开发工具，开发出光纤光谱仪的光谱测试软件，测试界面如图3
软件包括数据处理和图形显示两个模块。在数据处理模块，除具有数据采集、数据处理、数据存储及数据打印等基本功能外，还能实现积分时间可调。测试数据平均处理及boxcar、吸收率、透射率和颜色的测量。图形显示模块对采集数据分析处理，在屏幕上显示发射光谱、吸收光谱或者透射光谱，并能将光谱的变化实时地反映显示出来。
三、测试与分析
3.1光谱测试
在本测试中采用SMA905接口的多模光纤进行实验，光纤的一端对准待测光源，另一端连接在光纤光谱仪的SMA905接口上，光纤光谱仪通过USB接口将采集的数据传送到PC机实现数据的处理和显示。测试中使用汞灯作为待测光源，其特征谱线为365.48nm，404.66nm，407。78nm，435.83nm，546.07nm，576.96nm和579.07nn。
3.2数据分析
通过对测得数据的处理和分析，得到光纤光谱仪的性能参数。
3.2.1波长准确度
波长准确度是光谱仪中的重要参数，保证波长准确度不仅是光纤光谱仪能够准确测试样品的前提，也是保证分析结果准确的前提，更是保证模型能够准确传递的前提。如果仪器的波长准确度不能保证，则不同测定光谱就会因仪器波长的移动(即X轴发生了平移)，而使整组光谱数据产生偏移，进而造成分析结果的误差。一般用波长误差，即测定时仪器显示的波长值和分光系统实际输出的单色光的波长值之差来表示:
3.2.2?像元分辨率
像元分辨率是指光谱仪探测器单个像元所代表的光谱范围，表征了仪器所能提供的最小采样间隔。光纤光谱仪中光谱在CCD探测器上是均匀分布的，光谱范围除以像元位数即可得像元分辨率。
本光纤光谱仪测试可见光光谱范围为365~780nm，对应像元数为1117位，由此得到光谱仪像元分辨率为
3.2.3光谱带宽
光谱带宽是指谱线的空间宽度(即线色散)所对应的光谱宽度，表征了仪器分辨光谱的能力。目前国际上采用的光谱带宽测量方法主要为“谱线轮廓法”，即对待测光进行光谱扫描，绘出该光谱的轮廓，光谱线强度轮廓曲线的二分之一高度处的谱带宽度为光谱带宽。用于光谱带宽测试的光源一般要求为线性光源，或者在离所测谱线20nm范围内最好无其他谱线。基于这个原则，选用546.07nm处的光谱带宽作为光纤光谱仪的光谱带宽。通过对数据的分析得到光谱带宽为546.52nm一545.42nm=1.10nm<2nm，能满足我国药典规定的药品质控光谱带宽要求。
结束语：
通过对光纤光谱仪的结构介绍和数据计算分析可知，该光谱仪系统具有体积小、质量轻、携带方便、造价低以及可以在多种环境下使用等优点，具有很高的应用价值。目前，该光纤光谱仪已实现小批量的生产。
参考文献：
[1]陈吉武，汪伟。?一种新型测色仪2016。9
[2]王英。?微型光谱仪光学结构研究2017。4
论文作者:蔡晓东
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/15
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