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      光譜儀原理

      小型模塊化光譜儀原理

      更新時間:2021-12-15 09:12:39 點擊數:124

      小型模塊化光譜儀原理

      圖1  400——800nm波長小型模塊化光譜儀


      圖2  200——1000nm波長小型模塊化光譜儀


      1、小型模塊化光譜儀概述

      隨著現代科學技術的不斷發展,微機械技術的產生以及微小光學元器件的開發成功,如微型全息光柵,以及高像素的CCD探測器等,使得光譜儀的小型化成為可能。人們在設計小型化光譜儀時,也采用了多種方法和多種思路。從制作方法和工藝上,概括起來可以分為兩大類,一類是基于微機械技術和工藝的微型光譜儀,一類是采用微型元器件的小型化光譜儀。

      微機械技術是在微電子的平面硅工藝基礎上發展起來的,主要包括硅加工技術、表面硅加工技術、高深寬比加工技術以及鍵合封裝技術等。利用微機械技術可以制作各種不同的三維微結構, 如微光柵、 微透鏡、反射鏡及光電接收單元等, 同時因為集成電路也是在硅材料上制作的, 這樣就可以在同一片硅襯底上實現完整的微型光譜儀器的制作。各國在開發新的微型光譜儀過程中, 幾乎采用了所有大型光譜儀的原理、技術和方法,主要有 Febry-per ot 干涉儀原理、光柵光譜儀、二元光學技術、微濾光片技術、傅里葉變換調制技術等。

      傳統的光譜儀器一般都包括入射狹縫、 準直鏡、 色散元件、 聚焦光學系統和探測器。在單色儀中還要加上出射狹縫, 讓整個光譜中一個很窄的部分照射到單像元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調, 通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。隨著新的光學器件和技術不斷地產生和發展, 使光譜技術產生了一次飛躍:采用全息光柵, 可以制作出微型平像場光譜儀;應用低噪聲、 高靈敏度的硅CCD線列陣接收器, 在毫秒量級可以掃描一個相當寬的光譜區,而不必移動光柵;最后運用計算機處理和顯示實驗數據,更加快捷。通過采用這些先進的技術,就可以不用掃描機構和傳統的光電倍增管及其高壓電路, 大大減小光譜儀的體積, 同時還可使整個光譜儀固定在一起, 使其堅固、 耐沖擊、 便于攜帶, 進而很方便地搭建起由光源、 取樣附件和光譜儀組成的測量系統。這種光譜儀是小型化了的光譜儀, 是小型模塊化光譜儀發展的一個主要方向 。

      2、Czerny-Turner光學系統

      Czerny-Turner光學系統[ 12] 是從 Ebert-Fastie 光柵光譜儀的基礎上改進的,它采用平面光柵,用兩塊相同的小凹面反射鏡分別作準直物鏡和成像物鏡,Czerny-Turner 光學系統分對稱型和非對稱型,在實際應用中也往往根據情況和要求做相應的改變。在高光譜分辨率微小型光譜儀和微弱光譜探測中, 多采用這種類型。

      我司在設計光譜儀的光學系統中,根據光的傳播具有互不相干性,改變光路結構,采用交叉式Czerny-Turner結構設計,信號光由一個標準的SMA905接口進入光室內,經一個球面反射鏡準直,然后由一塊全息光柵分光,經由第二塊球面反射鏡聚焦到線陣探測器陣列上。這種結構的使用,使得我司的小型模塊化光譜儀可以更進一步的壓縮光譜儀的體積,使其更加小巧,并且儀器的精度和性能能夠達到很高,可以達到很多大型光譜儀的性能指標。


      圖3 200——1000nm小型模塊化光譜儀積分時間1ms汞燈采集譜圖


      圖4  400——800nm小型模塊化光譜儀積分時間1ms汞燈采集譜圖


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