超薄型光谱仪的设计与应用

　　光谱仪是测量光强度的一种仪器。依据尺寸大致可分为大型光谱仪、小型光谱仪和微型光谱仪。

　　微型光谱仪的测量速度非常快，可用于在线分析，具有现场应用价值;微型化使得结构紧凑，抗震动，非专业人员易于掌握;选用通用探测器，成本也大大降低;其另一个优点在于系统的模块化和灵活性。

　　现代仪器设计通常将微型光谱仪直接集成到整机中，市售微型光谱仪均采用立体光电隔离式设计，厚度通常较大，集成的结果经常使仪器整机相应增大。超薄型光谱仪的引入，则可以大幅减小厚度;同时驱动电路板可以根据仪器构造整合到其他位置，只需设置接口即可，使整机更加统一。

　　1 微型光谱仪的应用举例

　　微型光谱仪可以测量紫外、可见、近红外、红外波段的光强度。可进行吸收光谱测量、发射光谱测量、荧光测量、拉曼光谱测量等[1]。

　　微型光谱仪对吸收光谱进行测量，从而鉴定物质的典型应用如图 1 所示。

　　光谱仪还可对发射光谱进行测量，从而鉴定物质，典型应用如图 2 所示。

　　光谱仪还可对反射光谱进行测量，从而鉴定物质，典型应用如图 3 所示。

　　2 超薄型光谱仪的设计

　　2.1 光学元件的选择

　　光纤选取 SMA 905 接头标准光纤。

　　准直镜和聚焦镜选用国产 K9 光学玻璃，真空镀铝反射膜和氟化镁保护膜。

　　色散元件选择反射光栅。

　　探测器选用 TCD1304AP。

　　2.2 光路的设计与计算

　　光谱仪采用对称式 Czerny-Turner 光学平台设计，采用OSLO 进行光路仿真。信号光由光纤通过一个标准接口经由狭缝进入光学平台，经一个球面镜准直，然后由一块平面反射光栅分光，经由第二块球面镜聚焦到一块线阵 CCD 探测器上(如图 4 所示)。

　　根据光谱仪的检测光谱范围，选用带通滤光片：最大待测波长 λM= 800 nm，最小待测波长 λm= 410 nm，根据自由光谱范围，对于一级光谱，要求 λm>λM/ 2，不会发生光谱重叠。

　　由于衍射角最大不超过 90°，根据光栅公式 dsinθ = kλ，一级谱线中光栅常数 d>λM，得出光栅刻线 1 / d<1 / λM=1250 g / mm，选用光栅刻线 1200 g / mm。根据光栅应用范围：0.67λp- 2λp，λp为闪耀波长，选择 λp= 500 nm，则光栅应用范围 335 nm~1 000 nm，满足预期检测光谱范围。根据光栅公式，对于一级谱线，闪耀角 θp= [sin-1(λp/d)] / 2= 8.729°。

　　根据光栅公式，对于一级谱线的，最小衍射角 θm= sin-1(λm/ d)= 14.241°，最大衍射角 θM= sin-1(λM/d)= 28.685°两衍射线夹角 δω = θM-θm= 14.444°，线阵 CCD 有效长度为 H =29.1 mm，H/2 = f2·tg(δω / 2)，聚焦镜 M2最大焦距 f2M= H / 2 tg(δω / 2)= 116.40 mm，为避免边缘效应，选用聚焦镜焦距 f2=100.2 mm，则线阵 CCD 光照长度为 f2·2 tg(δω / 2)= 25.05 mm。