便携式可见光谱仪关键技术研究及仪器设计

摘要

光谱仪器是光学仪器重要的组成部分，广泛应用于生物、医学、石油、化工、天文、工农业生产等领域，极大地促进了经济发展和社会进步。传统的可见光谱仪组成结构复杂，价格昂贵，仅局限于实验室使用。随着科学技术的发展，便携式光谱仪成为其发展方向。
　　 本文就光谱仪便携化的几个关键技术问题进行了研究，包括：探测器件的选择，色散系统小型化的研究，小型化光源的选择，光谱仪中光谱带宽与光源能量利用率之间的关系研究以及外界电磁对系统干扰的研究。
　　 在这些关键技术的研究基础之上，提出了解决方案：
　　 ①在对比分析了几种探测器件后，本课题选择了SONY 公司的ILX511CCD作为探测器件，并采用C8051F020 单片机作为其驱动及信号采集芯片。
　　 ②传统光谱仪的色散结构复杂，而且还需配合一些机械结构来实现运行，这就对仪器的可靠性提出了更高的要求。本课题在配合CCD 器件使用的前提下，选用了JY 公司的一款平场凹面全息光栅共同设计色散结构。
　　 ③传统光谱仪中的光源不仅体积较大，而且正常工作还需要驱动电路及散热器件等外围部件。随着光纤技术的发展，本课题选用了一款小型集成光纤光源作为光谱仪的光源。
　　 ④光谱仪中入射狭缝设置较大会造成光谱带宽减小，而入射狭缝设置较小则会使光源能量利用率降低。本课题采用设置多股光纤出射口形状来解决这个问题。
　　 ⑤便携化的光谱仪要在野外进行作业必须考虑到外界电磁对测试的影响。本课题采用将仪器主要电路放置在铝制小盒内来避免外界的电磁干扰。
　　 基于以上研究基础，本课题设计完成了一台便携式可见光谱仪，并完成了该仪器的硬件设计及软件编程。其中，上位机的光谱处理软件采用LabVIEW 模块化设计实现。经测试，该仪器达到了预期的设计要求。