基于FPGA的小型光纤光谱仪系统设计

　　1引言

　　光谱仪器是利用光的色散、吸收、散射等现象得到与被分析物质有关的光谱,从而对物质成分、结构进行分析、测量的物理光学仪器,广泛应用于光辐射能量、幅频特性及其变化规律的研究。传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足,不能满足现场检测、实时监测的要求。随着大规模集成电路的发展,新材料的应用,仪器设备在保证测量精度要求的前提下,便携性成为了发展的必然趋势。面对这一趋势,国外一些知名仪器厂家推出了性能好、体积小、质量轻、稳定性强的光纤光谱仪,但这些光谱仪往往价格昂贵、实行技术保护。而国内相关产品在性能、稳定性等方面均远落后于国外厂家,因此对小型光纤光谱仪的研究就有着重要的意义和必要性。

　　本文以FPGA作为主控芯片实现对CCD扫描控制、USB 传输控制及ADC转换控制,采用C++ Builder设计光谱仪扫描控制软件,用低压汞灯光谱对软件进行标定,同时对光纤光谱仪的主要性能参数进行了测试。为了实现光谱仪的小型化,使用光纤作为光源与光谱仪之间的信号传输耦合介质,整机采用全固态设计提高了仪器的抗振性,内部选用折叠Czerny-Turner光路,以CCD作为光电传感器件、USB作为光谱仪与计算机的通讯接口和对光谱仪的供电接口。

　　所设计的光谱仪具有体积小、质量轻、精度高、稳定性好等优点。

　　2光纤光谱仪的基本理论及系统构成

　　光纤光谱仪主要是根据光的色散原理,根据光栅的色散方程:

　　式中:d—光栅常数,i'—衍射角,i—入射角,i与i'均取正值,k—衍射的级次,λ—波长。当 i 与 i' 位于法线同侧时,括号内取加号;当i与i'位于法线两侧时,括号内取减号。由公式(1)可看出,当某确定光束以一固定入射角射向光栅时,在某确定的光谱级次中,光的波长越长其衍射角越大,此时光束按照波长产生间排列,从而实现对光束的分光。

　　假设入射角i不变,公式(1)两端同时进行微分可以得到角色散率为:

　　由公式(2)可以看出,当i'较小时,角色散率 常数与波长λ无关,即衍射角的变化与波长变化成线性关系,这方便于波长的标定;光栅的角色散率与光谱级次成正比,级次越高角色散率越大,由于k为整数,因此不同级次光谱的角色散率是成倍地增减。

　　每个光栅均存在一个不受其它级次光谱重叠的波长区,这个区称为光栅的自由色散区。自由色散区也就是同一波长的相邻光谱级次的波长间距。设该自由色散区的长波为λ_max,短波为λ_min,则自由色散区为:

　　由公式(3)可知,光谱级次越高,则自由色散区越小,即光谱越密集。若入射光为单色时,设k取不同整数值,则可获得一系列波长相同的光谱线。