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宽谱段光纤光谱仪解读
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 132022
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:
2010202216
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@
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
surf1OBJSTO3
23IMA
Radius/mmInifinity-
-180Inifinity
Thickness/mm
Glass
89
-MIRRORMIRROR
150lines・mm-1,
firstorder
60
-890
(
3)光路效果图(见图1)。
Fig14 Structuralpictureoftheintercrossingprisms
为消除光栅衍射的二级光谱,在CCD1上粘贴起始波长为400nm的长波通滤光片,CCD2上粘贴起始波长为900
nm的长波通滤光片,CCD3上粘贴起始波长为1700nm的
长波通滤光片。
2 电子学系统
仪器电子学系统由前置放大、CPLD时序发生、ADC和基于CY7C68013单片机的USB210数据传输4部分组成。
以
CY7C68013单片机为中心,通过该器件向CPLD发送启动和
Fig11 Modelpictureofthelightroute
积分时间脉冲,CPLD器件发出探测器所需的时序信号并同时提供前置放大器的采样时钟和ADC时钟,ADC输出的数字信号通过CY7C68013单片机内部的FIFO进行数据交换,在CY7C68013单片机内部的USB210控制器自动将FIFO中
的数据通过数据线和上位机进行通讯,实现数据传输。
211 探测器时序发生与ADC
(4)
光学系统优化后计算机仿真结果
900和905nm处分辨的点阵列图如图2所示。
Fig12 Pixelarrayat900and905nm
整个时序是由CPLD产生,在设计中选用Altera公司的EPM7128E,时序驱动分3个模块。
(1)时序分频模块,将晶体产生4MHz时钟进行分配,其中一路作为ADC的采样脉冲,另一路输入可控计数器进行分频,由单片机控制获得2,
(2)一帧周1,015和0125MHz的时钟,作为读出速率控制。
2494和2500nm处的分辨图如图3所示。
Fig13 Pixelarrayat2494and2500nm期计数模块。
采用两个双8位计数器,当计数到512时计数结束。
同时采用该计数器计数产生512个16bit的FIFO所
需的地址选择信号ADR0和ADR1。
(3)探测器所需的驱动
从图2和图3可以看出,光学系统在900nm处分辨率
第5期 光谱学与光谱分析信号<1,<2, ADC采用AD公司推出的AD9243,AD9243是单电源供电、3MHz采样率、14位分辨率的模数转换器,作为探测器光谱数据采集,其采样速率和动态范围都能满足要求。 由于ADC采集速度快,合理的布线尤其地线电平面对采集精度影响较大。 212 测控通讯系统及上位机驱动程序的编写 测控通讯以CY7C68013A单片机为核心,它既负责USB事务处理也兼具微处理器的控制功能,可作为USB外部芯片的主控芯片。 系统将ADC变换过来的数据导入CY7C68013A的内部FIFO中,通过对CY7C68013A的固件编程,将FIFO的数据实时传到上位机[5]。 USB总线设备驱动程序使用标准Windows系统USB类驱动程序访问USBDI(USB驱动程序接口)。 编制的驱动程序功能模块有5个部分组成: 入口例程,即插即用例程,分发例程,电源管理例程和卸载例程,另外还有一个1inf用于驱动程序的安装。 用户使用I/O控制代码( )O1419 IOCTL放在IRP的Parameters1DeviceIoControl1IoControlCode域中,在功能驱动程序中由IoControl例程使用该参数 执行该功能。 3 仪器系统测试 谱仪重量为2kg,体积240mm×160mm×110mm,一次全谱数据测量时间小于10ms。 311 仪器分辨率测试 目前,国际上一般采用谱线轮廓法对光谱带宽进行测试,选用某些光源的特征谱线,对它进行光谱测量 绘出光谱线的轮廓,再测出该谱线的半峰高的光谱宽度即为光谱带宽,光谱带宽等效于光谱分辨率[6]。 400~2,7 700,,,900~1700和1700~2500nm。 测试的结果如图5。 Fig15 Testofwidth (a): 700nm;(b): 1200nm;(c): 2000nm 从测试图可看出测试的结果接近了设计的要求。 需要说 明的是,测量长波近红外区域InGaAs器件,受目前材料的限制,暗电流较大,这点可以从图5(c)的基线看出。 312 常见矿物光谱测试 试到的光谱如图6和图7。 与标准图谱一致。 选择具有代表性的矿物叶蜡石和滑石进行光谱测试,测 Fig17 Testoftalcumspectrumin1700~2500nm313 太阳光谱测试 Fig16 Testofpyrophyllitespectrumin900~1700nm 将太阳光耦合入仪器,测量光谱,如图8,吸收峰与标 准太阳光谱基本一致[7]。 1420光谱学与光谱分析 第30卷 Fig19 Fouroverlappingspectraofdolomite Fig18 Testofsunspectruminthefull rangeoftheinstrument 314 光谱数据重复性测试 in1700~2500nm 光谱数据精度是仪器性能的重要指标,一个样品(白云母)的反射光谱,,() 图中A为,受热辐射的影响,,A处恰为的吸收位置[8],所以随着温度升高此处峰位发生漂移。 从图中可以看出,数据完全棕叠,体现了仪器有较高的数据质量。 至于后部的尖峰,是由于探测器像元的非均匀性所致,可以经过数据处理或校正消除 。 参 考 3个探测器拼接实现400~2500nm光谱范围的测量,测量速度快、体积小、重量轻和代表性好。 从测试结果分析,光谱分辨率达到9nm,局部可达到6nm,仪器数据稳定。 由于光栅炫耀波长选择在2000nm,导致900~1100nm区域效率盲区,因此需要选择适合的光栅,适当将炫耀波长前移来避免该缺陷。 另外,线阵InGaAs探测器像元响应的不均匀性需要校正,这些都是仪器下一步需要改进的地方。 文 献 [1] LUWan2zhen,YUANHong2fu,XUGuang2tong,etal(陆婉珍,袁洪福,徐广通,等).ModernAnalysisTechniqueofNIR(现代近红外 光谱分析技术).Beijing: ChinaPetrochemicalPress(北京: 中国石化出版社),2000. [2] SONGQiong,MAGuo2xin(宋 琼,马国欣).Infrared(红外),2006,27(11): 31. [3] LIChang2hou(李昌厚).InstrumentTheoryandPractice(仪器学理论与实践).Beijing: SciencePress(北京: 科学出版社),2008.[4] CHUXiao2li,YUANHong2fu,LUWan2zhen(褚小立,袁洪福,陆婉珍).ProgressinChemistry(化学进展),2004,16(4): 528.[5] ZHANGXi2kang,ZHENGZhi2zhong,XIULian2cun,etal(张熙康,郑志忠,修连存,等).ModernScientificInstruments(现代科学仪 器),2009, (1): 12. [6] CHUXiao2li,YUANHong2fu,LUWan2zhen(褚小立,袁洪福,陆婉珍).ModernScientificInstruments(现代科学仪器),2005,(4): 18. [7] WENZhi2yu,CHENGang,WENZhong2quan,etal(温志渝,陈 刚,温中泉,等).ActaOpticaSinica(光学学报),2003,23(6): 740.[8] XIULian2cun,ZHENGZhi2zhong,YUZheng2kui,etal(修连存,郑志忠,俞正奎,等).GeologicalSinica(地质学报),2007,81(11): 1584. Wide2RangeFiberSpectralInstrumentCovering ZHENGBao2hua1,3,CHENGDe2fu1,ZHENGZhi2zhong2,XIULian2cun2 1.CollegeofInstrumentScienceandElectronicEngineering,JilinUniversity,Changchun 130026,China2.NanjingInstituteofGeologyandMineralResources,Nanjing 210016,China3.JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin 132022,China Abstract Tomeettherequirementsofoutdoorfieldmineralanalysisandremotesensinggroundverificationspectralanalysis,thewide2rangefiberspectralinstrumentcovering400nm22500nmwasdeveloped.Thepresentarticleillustratesthedesignof 第5期 光谱学与光谱分析1421theoptical,mechanicalandelectricalpartsoftheinstrument.Theopticalsystemutilizesgratinghorizontal2reflectinglightroutetoimplementthefullcoverageofthespectrum.Threeline2arraysensorsareintercrossedinthreedirectionsonthespectrumsur2facetosensedifferentspectrumranges.CPLDdevicegeneratesthesamplinganddrivingtemporallogicsignalstothethreeline2arrayphotoelectricaldevices.FourteenbitshighspeedADconvertstheanalogsignalsintodigitalones.USB210isusedforcommunication.Thefinalresultsdemonstratethatwhileimplementingthemeasurementofwidespectrum,theinstrumentisim2provedinsize,spectrumresolvingpower,signalqualityandmeasuringspeed.Idealspectrumdatawereacquired. Keywords Fiberspectruminstrument;Grating;Spectrum;CPLD;USB210;CCD (ReceivedNov.11,2009;acceptedFeb.16,2010)
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