微型CCD光谱仪器的总体结构设计

　　1前言

　　在一次性全光谱测量中，传统的光谱仪器大多以感光乳胶作为接受光谱的介质，显著缺点是探测灵敏度低，信号较弱时需较长的曝光时间，不能动态连续地检测光谱信号，并且体积大，自动化程度低，难以完成诸如在线测量、空间测量等工程任务。随着 20 世纪下半叶航空航天、遥感遥测、生物医学等领域突破性的发展，计算机技术的成熟及普及，激光、光纤、固态探测器等技术的出现和发展，不但对光谱分析、光谱检测提出了更高分辨率、更高灵敏度等要求，而且为新型光谱仪器的发展提供了原理上、工艺上的有利条件。在此设计的微型光谱仪器，利用线阵型 CCD作为接收器件，使用特殊的光栅分光光学结构，检测区间为可见光部分(400~760nm)，测量时间短、效率高。在待测光源检测中，采用多通道光谱仪结构设计，可以迅速检测待测光源的合格性。

　　2新型CCD光谱仪器总体结构设计

　　2.1 微型 CCD 光谱仪器的结构

　　微型 CCD 光谱仪器的总体结构如图 1 所示。由于特殊的小型化设计要求，在微型 CCD 光谱仪器的设计中，使用了反射式平面衍射光栅，采用车尼尔-特纳的变形结构由两个球面反射镜组成成像系统，这种结构比较容易通过内部光阑来抑制杂散光，避免从入缝看到第二反射镜面。使用多模光纤将待测量光导入，取代了普通光谱仪器的入射狭缝，可以在光纤的纤径范围内，调节狭缝高度的大小。引入线阵型 CCD 取代老式的感光板，可以直接高速地采集图象数据，再送交计算机进行快速分析，基本上可以做到在线分析，仪器的体积也将大大减小。

　　在上述系统中，光由光纤入射，经过球面反射镜2 进行准直，反射光入射到光栅表面发生衍射，色散后的光线经过反射镜 4，由其聚光后形成光谱面投射到线阵 CCD 的表面进行接收，同时进行光电转换产生相应的电信号，经数据采集卡采集并将其转化为数字信号，交计算机分析处理，然后显示结果。由于 CCD可以对光谱进行高频扫描，而且计算机的处理速度极快，整个采集分析的周期大大缩短，理论上可以做到在线测量，保留实时的测量数据。

　　2.2 微型 CCD 光谱仪器的光学结构设计

　　光路设计中采用了车尼尔-特纳系统的变形结构，它是由艾尔伯特-法斯梯系统演变而来的，如图 2 所示。用两块小的凹面反射镜代替了一块大的反射镜构成，两镜中间分开，曲率中心重合。即可避免二次衍射与多次衍射，同时方便反射镜的加工与调试。图中F 为多模渐变光纤，S 为光纤出口处的出射狭缝;D 为线阵型 CCD 传感器，MM 分别为凹球面反射镜，G 为光栅，A 为光栅中心，C 为 MM 的曲率中心。