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蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diodearrayspectromete


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蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diode?array?spectrometer?module)?
发展外况 由于光学技术、材料技术、电子技术、计算机技术的迅速发展,蔡司于十年已开始光 电二极管阵列光谱仪模块的生产及应用推广。现今这类产品已成为测量和分析的

基本单 元。只要在进行系统设计的基础上,配以相应的辅助部件、电路、计算机、软件等,能 够研制出满足各种需求的精密仪器设备。 以光電二极管阵列光谱仪模块为核心的设备能够测量的参数:发光辐射度、荧光发射 度、波长测量、颜色测量、膜层厚度测量、温度测量、浓度测量、气体成分测量等;能 够测量的光谱达到的范围:紫外、可见、近红外和红外波段;能够测量的对象:激光、 照明光源、发光管、液体、织物、宝石等;模块广泛应用于环境监测、工业分析、缺陷 检测、化学分析、食品品质检测、材料分析、医学诊断、临床检验、航空航天、遥感等 领域。 模块结构 光電二极管阵列光谱仪模块,具有一个设计极佳的结构组成,主体机壳全封闭式的将 传送光的光纤(OPTICAL?FIBRE)、光纤截面转换器(CROSS?SECTION?CONVERTER)、凹面成像光 栅(CONCAVE?GRATING)、二极管阵列紧凑(DIODE?ARRAY)、永久的粘在一起,并有相应的电 路(CIRCUIT?BOARD),构成尽可能小的单元模块。两种模块形式如图 1、图 2 所示。 模块的集成和微型是随着光纤技术、光栅技术、二极管阵列检测技术、电子元器件技 术、材料技术的进步和发展而来,更多地成为现场检测和实时监控仪器的首选单元。

图 1 光電二极管阵列光谱仪模块(微型,内置控制电路和前置放大器)

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图 2 光电二极管阵列光谱仪模块(分辨率高,外置控制电路和前置放大器) 产品特点 1. 工艺先进:紧凑的机械结构;全封闭;光学部件永久定位;没有机械调整;具有对机 械冲击高度的非敏感性;从而导致非常高的可靠性。 2. 仅需要成像光栅,省掉了常规光谱仪中的透镜、凹面镜、平面镜等多个部件。 3. 体积小;结构完全免维护;不需重新校正;结实耐用;热稳定性好。 4. 可以选择较宽的动态范围和波长范围。 5. 高感旋光性;高光谱分辨率;高灵敏度;高效率。 6. 良好的波长重复性和波长准确性,结果完全可信。 7. 用于各种测量目的,同时多波长测量;完整的多成分分析;测量简单可靠。 8. 技术先进:能够连续、稳定、快速的采集光谱数据;测量速度之快,可以用于在线 分析。 单元模块 单元模块的大小是由光纤狭缝、成像光栅、检测器件等部件尺寸决定的。参见图 1、 图 2。从物理光学的角度看,部件尺寸仅由所需要的分辨率决定。由于在许多应用中只需 很高的重现性,因此在满足一定分辨率的情况下,采用尽量小的部件。 光电二极管阵列光谱仪模块系列的设计理念是:在硬件上尽量简化光、机结构设计, 在尽量减少部件数量的同时,不同型号的模块中尽量使用相同部件。 模块主体 在光电二极管阵列光谱仪模块内部, 主体是由 UBK7 玻璃制成, 成像光栅直接贴在玻璃 体上,这样光栅是完全固定的,能够理想地防止灰尘和气体的侵蚀。使用高光学密度的 材料以及更大的光学孔径,可以使用很小的光栅,从而达到更小的失真。 为了达到更好的传输效果,对于紫外波段的模块,固体玻璃主体被换为中空主体并与
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光栅和前板胶接在一起,形成完全稳定的显像管设计,可以很好的减弱由于环境温度改 变引起的波长漂移。 成像光栅 光电二极管阵列光谱仪模块成像光栅的选择是基于光谱范围(WAVE LENGTH)和分辨率 (RESOLUTION)的要求。成像光栅在对入射光波进行色散的同时,还要成像到二极管阵列 的窗口上。为了有较高的光谱分辨率,模块最低选用 366 l/mm(每毫米 366 线)的光栅。 成像光栅被称为“全息闪耀平面场光栅” ,即设定适宜的闪耀角对入射光波进行效率优 化;通过改变光栅刻痕密度并采用弯曲刻痕,校正了彗星像差,使焦点曲线得以展平形 成平面场;使用了光栅驻波技术,对于非偏振光与正弦光栅相比,可以显着提高光强效 率;形成的平面场与平面结构的光检测部件进行优化匹配。在短焦距情况下,可以获得 大于 6 毫米长度的平面光谱。 光纤截面转换器 做为引导光源输入的光纤,经过光纤截面转换器后,可以进一步优化模块的光接收灵 敏度。光纤截面转换器使圆形结构的多束光纤转为线性结构的单束光纤,形成入口狭缝。 光纤截面转换示意图如图 3 所示。狭缝高度 h 由单根光纤的数量决定,狭缝宽度 b 即为 单根光纤的直径。由于单根光纤的直径与二极管阵列检测器件的像素尺寸以及平面场光 栅成像和色散性质进行了优化匹配,因此可以获得接近理论极限的光强度。

图 3 光纤截面转换示意图

二极管阵列检测器件 二极管阵列检测器件的作用是把接收到的光强度信号转换为电荷信号。不同的光波段 使用不同性质的检测器件,紫外、可见波长一般使用硅检测器件,近红外、红外波长一
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般使用铟-镓-砷化物检测器件。 二极管阵列检测器件放置在一个特别设计的矩形小腔内,并引入一个微小的偏角,使 检测器件具有最佳接收光强信号的角度。这个偏角和约 6 毫米长度的光谱是必须的。 为了抑制光栅的二级衍射,二极管阵列检测器件表面直接镀有截止介质膜以滤除掉二 级衍射波。 控制和前置放大器部分 为了适用不同的应用目的,模块的控制和前置放大器部分置于模块内部或模块外部。 所有光電二极管阵列光谱仪模块都配有相应的控制和前置放大器,控制电路将二极管 阵列上每个像素的电荷信号逐一顺序读出,送到前置放大器进行放大输出。前置放大器 可以保证将信号无噪声地放大到 3-4 伏。 模块包装 钛金属主体机壳将粘在一起的成像光栅、二极管阵列检测器件、光纤,和相应的控制 和前置放大器(有些模块不包括此电路)全封闭式的包装成一个模块。接口分别是光纤输 入接口、电信号输出接口、电路控制接口,并有良好的接地端子。 整体模块高质量的设计结构和专门的粘接技术,使模块对机械震动和挑剔的温度变化 毫无感觉,波长精度随温度的变化非常小,电信号的温度漂移极低。

光電二极管阵列光谱仪模块 ――――――光谱特性与光强特性

在选择光電二极管阵列光谱仪模块时,最重要的标准是其所覆盖的光谱范围,大多 数情况下这个范围有清楚的定义。然而光谱的其它标准—光谱分辨率、相对光谱分辨强 度等则需要阐述。 1 光谱分辨率 光谱分辨率是指把光谱特征峰分辨和分离的能力。需要采用什么样的光谱分辨率是 由使用者根据实际应用目的决定。 经常用下述四个方面来描述光谱分辨率: 1. 2. 3. 瑞利标准 ΔλRayleigh(DIN 标准); 谱线宽度 通常是光强最大值一半的宽度:ΔλFWHM;

亚像素分辨率(也称:软件分辨率,使用多次采样、数据拟合等,使测量 精度达到更高, 此时的分辨率称为亚像素分辨率) ;
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4.

像素色散

Δλ/Pixel。

光谱分辨率在实际应用中是十分有用的,作为光谱仪的应用,主要有三个不同的用 途(有些应用可以相互结合) : 1. 2. 3. 在混合物的光谱分析中,分解两个或多个谱线; 决定谱线的形状, 更主要的是决定谱线或谱带的宽度 (FWHM 或 1/e2 带宽) ; 测量光谱线峰值的波长和谱线最大值的光谱强度。

1.1 光谱分辨能力 根据 DIN 感光度标准,瑞利标准用于决定光谱仪分辨两个靠近波长的本领。标准Δ λRayleigh 表明两条谱线可以被识别为真实分离谱线的最小光谱间距,即可识别的分离谱线 的光谱间距≥ΔλRayleigh。这里,单独谱线的宽度Δλline 必须显著地比谱线间的光谱间距 小。 下面给出实际意义上的光谱分辨能力的定义: 两条靠近谱线具有同样强度和形状,一条谱线的极小值与相邻谱线极小值重合,两 谱线间极小值小于或等于峰值的 80%时,这两条谱线完全能分辨。 据此定义,如图 4 所示的两条谱线形状相同,且 Imax,1=Imax,2,两条谱线间极小值明 显小于峰值的 80%,约为 60%,是可分离谱线。

图 4 两条可分离谱线示意图 1.2 光谱线宽度 这是一个比较直接的光谱分辨能力的描述,如图 5 所示。 光谱线宽度ΔλFWHM 定义: 单个谱线光强最大值的一半(即光谱强度为 50%)所对应的两个波长点之间的波长 宽度为谱线宽度。 谱线宽度特性与瑞利标准相关:
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ΔλFWHM=λ2(Imax/2)-λ1(Imax/2) ΔλFWHM=0.8*ΔλRayleigh

图 5 光谱线宽度示意图

2 模块光谱特性 由于光電二极管阵列光谱仪模块的光检测器件与其它光谱仪的光检测器件不同,所 以光谱特性有其特点。 2.1 像素色散 光学色散的定义:复色光分解为单色光而形成光谱的现象。 这里像素色散是指光 谱 成 像 在 二极管阵列上,每个像素接收的波长数:Δλ 像素色散与光谱分辨率没什么直接关系, 它仅仅是二极管阵列光谱仪 /Pixel(=ΔλPixel)。 的线性色散。 像素色散和光谱分辨率通过输入狭缝的宽度和光谱仪的成像性质相关联,光谱分辨 率ΔλRayleigh 大约是像素色散ΔλPixel 的三倍。 例如; 一种光電二极管阵列光谱仪模块, 光谱范围: 190nm-720nm,二极管阵列数 (像 素) :256 个,光通过输入狭缝经光栅分光,成像在阵列的 256 个像素上,则像素色散Δ λPixel 约为 2.1nm,光谱分辨率ΔλRayleigh 约为 6nm。 2.2 光谱分辨率 对于光電二极管阵列光谱仪模块来讲,波长所对应的像素的位置是固定的,它的光 谱分辨率也就不同于传统单色仪或分光计(有移动部件)的分辨率。 定义为“两个相邻谱线的分离”的光谱分辨率依赖于光谱线所相应像素的相对位置。 如果两个相邻谱线成像在像素上的方式如图 6 所示, 极小值落在中心像素(I2) ,最
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大值落在相邻像素(I1、I3) ,如果强度显示是 I2≤0.80×I1(I3) ,则两条光谱线就可以 被分离。在这种情况下,总计 3 个像素的估值就完全足够。最大值的位置几乎严格地对 应于显示像素的中心波长。

图 6 两条光谱线分离需要 3 个像素 如果两个相邻谱线的最大值成像在两个像素(I1,I2)的分离线上(图 6 平移Δλ
Pixel/2

即可得到) ,那么在像素上检测到一个清楚的强度下降,就需要 4 个像素。两个像

素纪录大约相同的强度,作为结果直到下一个像素(I3)下降到 80%才显示,这里两条 谱线的最大值被两个像素分离。由于二极管阵列仅能检测离散值,模块显示的光谱带宽 为 3×Δλpixel。在数据处理中总共 4 个像素是必须的。 2.3 亚像素分辨率或抛物线拟合 为了检测波长峰λmax(或峰强度 Imax), 所测量的光谱线至少成像于 3 个像素上。 三对 检测值(每个像素的强度 I1,2,3 和与之相对应的中心波长λ1,2,3)允许简单的拟合一条 相关的抛物线如图 7 所示。抛物线方程: I(λ)=aλ2+bλ+c

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图7

亚像素分辨率拟合图

根据所对应的曲线峰点给出峰的波长和峰的强度。这种方法的精确度大致上依赖于 中心波长的绝对精确度。 在光電二极管阵列的光谱仪模块中,这个波长原则上可以在任意精度下加以确定。 利用相关参数进行数学拟合得到波长的绝对精度。 如果需要,每一个像素都能独立的校正。然而这仅仅在模块具有相应的稳定条件下 才有意义。即像素的波长特性仅在条件稳定下保持有效,它将随下一次振动或温度变化 而改变。 2.4 检测半峰宽 抛物曲线拟合也提供半峰宽的定性数据。为此只需将 Imax/2 代入抛物线方程 I(λ) =aλ2+bλ+c 即可。 从抛物曲线拟合得到的半峰宽与从高斯曲线拟合得到的半峰宽稍有不 同。光電二极管阵列光谱仪模块的半峰宽同样依赖于成像在像素点上谱线的相对位置。 对于最差的情况说明书会给出。 实际上,将谱线拟合为高斯或洛伦兹曲线更为恰当,但也更复杂。因为它们会更加 准确地符合实际光谱的分布情况。与抛物曲线不同,这两种谱线拟合还有一个优点:根 据它们计算出的半峰宽不依赖成像在像素点上谱线的相对位置: λFWHM=2[(b/2a)2-(c-Imax)/a]1/2

3 光谱强度分辨率 为了测量光谱强度分辨率,需要清楚几个相对特性:可测量的最小变化量,信号的 稳定性,可检测的动态范围,光谱的线性范围。需要明确一个绝对的特性:可检测的最 低光通量或检测灵敏度 3.1 光强精度 光强精度即可测量的光强最小变化量。其与系统的稳定性相互依存。因为光電二极 管阵列光谱仪模块的光路系统稳定性是有保证的,故可测量的最小变化量主要由电子线 路噪声限定。 例如,某光電二极管阵列光谱仪模块,积分时间设为 10ms,使用 20 个记录值计算 出标准偏差Δσ。 这就提供了一个确定光强度数值时如何测量光强精度ΔI 的方法: ΔI =Inoise=Δσ
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3.2 动态范围 动态范围被定义为饱和度值 Isat 和噪声 Inoise (Δσ)的比率,即对应的信号与噪声 之比 S/N。S/N 不仅依赖于检测器件,也依赖于被测量的信号在数字化的过程中可确定的 最小步长,由于暗电流的作用,实际可用的动态范围值要小些。当然在这一系列影响动 态响应的因素中,最弱的因素决定了可达到的最佳信噪比: 动态范围=S/N=Isat/ Inoise 例如:对于 14 位模数转换器,其具有 16384(214)步计数,噪声Δσ=1 个计数,则 满量程信号能真正分成 16384 份。因此可测量的最小变化是满量程信号的 1/16384。如果 有 4 个计数的噪声,则存在着 4 个计数的不确定量。可以定量测量的最小变化仅为满度 信号的 4/16384,或满量程信号最多可分为 4096 份。 由上可知,仅在光电二极管阵列检测器件处于近饱和极限状态时才可获得宽的动态 范围。因此在测量时我们的目标总是尽量达到高的光强度,从这一点讲,二极管阵列光 谱仪模块系列所具有的高灵敏是有益的。 动态范围=模数转换的满度 ADC/Δσ范围 3.3 线性范围 只有当二极管阵列检测器件和后续的检测电路是理想线性时,上述讨论才是完全准 确的。为了达到量化的目的,必须指定可以接受的偏差。现代半导体检测器件在很宽的 范围内几乎是完全线性的。然而,在达到饱和状态,即特别严重的非线性状态时,检测 器件提供的带有光强度信息的光电流不再与感光材料所接收的光子的数量成线性关系。 由此原因,线性范围比动态范围小。 3.4 环境影响 对于硅二极管阵列,温度的变化不会引起硅灵敏度的任何变化。实际上,当温度上 升时,在达到 1100nm 的光谱范围内时灵敏度有轻微上升。 对于铟-镓-砷化物二极管阵列,温度在-50 到+50℃,波长在 1 到 1.5μm 的变化范 围内,灵敏度变化同样小于 1%。 除上述指定变化范围之外,不同的镀膜会导致温度影响增加,温度下降会导致在波 段边缘灵敏度降低。 另外,所用的光电二极管阵列的信噪比不会随着温度的升高而下降。仅是随着温度 上升,暗电流 Idark 上升,造成动态范围减少。 还应提到,不稳定的光源会使被测量的光通量产生波动,也是影响光强度测量的限
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制因素之一。 3.5 检测灵敏度 检测灵敏度定义为:可检测的最低光通量,即需要多少光子照到光敏材料上检测 电路才能记录到一个变化。 这个值是较难确定的,困难来自于如何确定光源的光强度以及耦合效率。与此相 关的所有参数都与波长相关,所有耦合部件的效率都与波长相关,存在着与波长直接 的依赖关系。另一方面,由于在灵敏度检测中带宽具有决定性的极端重要性,同样与 波长存在依赖关系。 最简单的情况是光源具有非常窄的带宽,如大部分激光器的情况。如果所用光源的 带宽明显地比光谱仪的带宽小,情况就变得简单明了。 例如:红色氦氖激光器,波长 632.8nm,在 14 位模数变换的情况下,硅二极管阵列 光谱仪模块可以测到大于 1013 计数/Ws 的灵敏度; 4 散射光 散射光会减少动态范围,使满度动态范围不真实。散射光的数据特性仅在与测量设 备连接时有用。可以使用几种不同的光源测量不同光谱部分的散射光数据,紫外波段用 氘灯,可见波段用氙灯,可见/近红外波段用卤素灯。 在特定的短波长范围,对最大有用信号使用 OG570 或 KG3 滤波器, 结果显示紫外、 可见波长段模块的散射光的主要成分来自于近红外、红外波长段范围,远离感兴趣的光 谱范围, 因此散射光的主要成分可以用近红外、红外滤光器件滤掉。另外,使用卤素灯 光源,在 1450nm 波长下,光经过 10mm 厚的水后,近红外、红外波长段模块散射光的值 减少到 0.1% 然而,所用的光辐射的变化对动态范围的影响仅与散射光成比例。例如:如果光辐 射的散射光是 0.1%,则光辐射的 10%的变化只引起 10-4 散射光的变化。如果产生散射 光的光辐射没被使用,可以使用滤光片滤掉有关的光辐射能进一步减少散射光。 在以上情况下,103 的滤光效率仅产生 10-7 的变化。由于在大多数情况下噪声是更大 的问题,因此最小变化量的测量仅局限于非常有限的范围。另外,如果由散射光引起的 信号是已知的,则散射光所对应的散射光信号是可以由计算消除。 5 光学接口 光電二极管阵列光谱仪模块使用的接口是以机械和光学定义的。 它是光学系统中非常 有用的机械接口——SMA 联接器, 再结合光纤束良好的导光性, 构成模块独特的光学接口。
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5.1 光导因子 光导因子 G 是光入口面积 S 和光束发散角Ω的乘积,材料的折射率也被计算在内。 这里第一个因子相应于光纤束横截面,而第二个因子由数值孔径 NA 导出。对于集成微型 二极管阵列光谱仪模块系列,光导因子=0.157mm2sr。 为了优化已知光源的耦合情况(不论是光纤、发光物体、成像系统) ,最好确定各自 的光导因子。将光源的光导因子与光電二极管阵列光谱仪模块的光导因子相比较,可以 估算出耦合效率。另外 4%的菲涅尔损耗,即由光纤端口的介质突变引起的损耗也必须加 以考虑。 5.2 增加光通量 如果光斑为圆形,相比于传统狭缝,使用光截面转换器 CSC 将增加通光率。所增加 的通光率可以使用光截面转换器 CSC 的光通量与矩形的狭缝的光通量的比值ηFF,CSC/η
FF,slit 计算出来。光通量由填充因子给出。

填充因子定义:光学有效截面积 Aeff 与全部受光面积 Aapt 的比值。 5.2.1 光截面转换器 CSC 有效截面积 Aeff = π×(光纤芯直径 dfiber/2)2×光纤数量 N 全部受光面积 Aapt = π×(光纤直径 dApt /2)2 光截面转换器填充因子 Aeff/Aapt =N × dfiber2/dApt2 5.2.2 矩形狭缝 有效截面积 Aeff = 狭缝宽度 b×狭缝高度 h 全部受光面积 Aapt = π×(受光面积直径 dslit/2)2=π×(狭缝高度 h /2)2 矩形狭缝填充因子 Aeff/Aapt =4 b /(π× h) 5.2.3 增加的通光率 ηFF,CSC/ηFF,slit =(π× h)(N × dfiber2/dApt2)/4 b 通常情况ηFF,CSC 与ηFF,slit 之比约为十多倍。 6 模块优化 除了拥有尽可能高效率的部件光纤、截面转换器、闪耀光栅、敏感的二极管阵列之 外,色散、成像的性质,入口狭缝以及二极管阵列的像素尺寸必须相互匹配。为了获得 最大的光灵敏度,下述原则非常重要: 对于单色光,如果二极管阵列上只能有比二个像素稍多的像素被照到,这就对光谱 分辨率提出要求,在一级近似下,光栅提供 1:1 的成像比例,就是说,入口狭缝宽度只 相当于 2 到 3 个像素的宽度。
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对于单色光,如果二极管阵列上有更多的像素被照到,检测信噪比和灵敏度都将变 差,因为一个像素不足以覆盖最佳谱线宽。如果小于 3 个像素被照到,波长的精确度将 变差。 例如:集成微型二极管阵列光谱仪模块,对应于像素宽度为 25μm 的二极管阵列, 截面转换器 CSC 选用 70μm 的单独光纤(有效狭缝宽度 60μm)将会非常理想。而光纤的 数量可由二极管阵列高度除以光纤出口外径得到。

光電二极管阵列光谱仪模块 ――――――控制与应用 1 模块控制 随着电子技术的进步,使得二极管阵列光谱仪的控制方式简单而精确。在电路方面 利用弱信号放大、信号积分和模数转换技术,使用微处理器进行控制和数据处理,以二 极管阵列光谱仪模块为核心的技术有了更广泛的应用。 1.1 二极管阵列器件 通常的二极管阵列光谱仪模块使用的是硅二极管阵列器件,这些器件具有的像素数 目从 256、512 到 1024。特殊设计的短腔体检测器件使其可以安装于非常靠近光入口的地 方,由此产生的小检测偏角会提高光栅使用效率。 一个具有 N 个像素的二极管阵列器件可等价为一列 N 个电容器,器件接受光强照射 后,电容器充电,充电电荷对时间的积分正比于光强度,当电荷信号转为电信号一个一 个被输出时,外部时钟电路的频率 f 就决定了每个像素占用的时间 tpixel。以这种方式, 可以确定可能的最小积分时间 tint,min。 tpixel=1/f, tint,min=(N+1)* tpixel

当时钟的最高频率 fmax=2MHz 时,对于 256 个二极管阵列器件的模块,积分时间 tint ≥128μs 。

积分时间的选择通过序列的启动脉冲时间间隔确定。从技术角度讲,积分时间是 启动脉冲触发二极管阵列器件充电过程,从启动脉冲开始,直到下一个启动脉冲触发到 来的这段时间。 二极管阵列的电子控制参数在其相应的模块说明书里有详细描述。 1.2 控制电路和前置放大器 在二极管阵列器件充电完成后,转换开关、移位寄存器、前置放大器完成把电荷信 号转为电信号并将电信号放大输出的过程。如图 8 所示,外部产生的 START、CLOCK 信号
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送到移位寄存器,控制移位寄存器逐一打开转换开关,将二极管阵列上的反映光强度的 电荷信号顺序取出, 经过放大器后输出, 电信号全部送出后, 移位寄存器发出 EOS (End Of Scan)信号通知外部电路一次扫描完成,可以进行下一次扫描。

Start Clock Transfer Switch Photodiode Capacitor Start Clock Video EOS
T0 D0 C0 T1 D1

Shift-Register

EOS
OPAMP

Video

R
T2 C1 D2 C2 T255 D255 C255

图8 1.3 模数转换电路与光强度分辨率

电信号放大输出过程

转换电路将经过前置放大器放大的信号从模拟量转换为数字量。 电路系统的关键因素是光强度分辨率。如果转换电路中提供 12、14、16 位的采样分 辨率,以测量中使用最高的 16 位的采样分辨率为例,可将测量量程分为 65535(216)份, 测量精度可达到满量程的 1/65536(216), 即可测量的光强度分辨率小于 10-4。 2 应用论述 由于光電二极管阵列光谱仪模块带来的方便性,使得适合于应用很多场合。根据应 用的测量原理或所分析的物质,它们可归类于许多不同的应用领域。 在绝大多数光源照明情况下,圆形光输入口具有明显优点。模块最重要的特性在于 其紧凑的结构,光输入口 SMA 连接器,信号输出口 MB(凸缘轴套)插座,二极管阵列扫 描控制的连接器 MICS-D10,高的感光灵敏度以及对外部影响的不敏感性,使得模块的实 际应用简单便利。 从五个方面叙述应用测量原理: 发光辐射,漫反射,反射,透射-吸收,干涉光谱。 2.1 发光辐射
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为了确定一个光源的辐射光谱,部分光被直接引入光電二极管阵列光谱仪模块。从 模块所具有的高感光灵敏度的角度看,多数情况下应将光纤端口尽量靠近光源焦点。可 以使用聚光镜以优化入射光强度。 2.1.1 应用举例 检查照明光源寿命 确定发光二极管或可调激光器的辐射波长 分析发射光谱和荧光光谱 监测太阳光谱,监测燃烧以及等离子体放电光谱 根据维恩(Wien)位移定律确定温度: λ(nm)T=b, 2.1.2 必要条件 当严格测定单辐射光源的波长时 (例如: 发光二极管波长校正) 考虑到模块的大小, , 采用亚像素分辨数据处理后,模块的波长精度是相当高的。光電二极管阵列光谱仪模块 不适用于对含有二条相邻光谱线靠得太近的辐射光源进行分析。 维恩常量 b = 2.8978 × 106 nm K。

2.2 漫反射 来自于粗糙表面的散射光的漫反射,给出关于表面颜色的信息。这个测量的重点在 于照明光源以及检测器的位置,即相对于曲面法线的角度。 大多数情况下,要求使用具 有宽带辐射的光源(例如:卤素灯) ,同时要求光電二极管阵列光谱仪模块的光纤端口尽 量靠近所测颜色表面,一般不必使用其它附加光学元件。 2.2.1 应用举例 测量不同表面或不同材料的颜色 检测镀膜 分析纸张质量 测定肉类或香肠脂肪含量 测定谷物、食物以及纤维的水分 2.2.2 必要条件 光電二极管阵列光谱仪模块具有高的测量重复性,高的感光灵敏度,适中的光谱分 辨率,非常适合进行在颜色测量领域的应用。

2.3 反射
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反射光来自于低散射表面的特定方向的反射光。测量时除了光電二极管阵列光谱仪 模块,光源也是必须的。应该注意,光反射强度依赖于反射角度α。最简单的方法是在 α=0o 的条件下进行测量。利用特殊的光学方法,将反射光导入模块的光纤端口。 2.3.1 应用举例 测量金属或介质的一般表面镀膜或表面增透镀膜的反射率 测量椭圆对称分布 鉴定回收塑料的处理 2.3.2 必要条件 许多反射光谱并不具有显著的光谱结构。因此,在大多数反射测量应用中,主要是 测量波长精度,波长的重要性大于光谱分辨率的重要性。

2.4 透射-吸收 使用光電二极管阵列光谱仪模块构成液体浓度测量系统。基于测量原理是朗伯-比尔
(Lambert-Beer)定律:

A=lgI0 /It =kcL
方程式中 A:物质吸光度, I0:入射光强度,It:透射光强度,c:液体浓度,L: 光程(液体被光照的厚度) ,k:吸光系数,吸光系数的定义:吸 光 物 质 在 单 位 浓 度 及 单 位 厚 度 时的吸光度。它与入射光的波长、物质的本性及溶液的温度等有关。 即当一定波长的单色光照射一固定浓度的溶液时,其吸光度与透过的液体厚度成正 比,与溶液浓度成正比。溶液所吸收光的强度越大,透过光的强度就越小,则吸光度 A 就越大。图 9 为示意图。

图 9 透射与吸收示意图
测量时应对光路进行校准, 并且将光電二极管阵列光谱仪模块的光纤端口直接与被
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测物体相接触。 2.4.1 应用举例 测量滤波片,彩色玻璃滤光片,干涉滤光片等 测量液体浓度 测量厚度(如果吸收系数ε是常数) 确定饮料中的酒精和糖分含量 控制石油化学工业中的质量 2.4.2 必要条件 进行透射测量时,光電二极管阵列光谱仪模块提供较高的波长精度和动态光谱强度 分辨是非常重要的。与之相比,高的光谱分辨率并不那么重要。 2.5 干涉光谱 当白光入射到光学半透明薄层时,由于特定波长间的光程差正好是光学薄层物理厚 度的整数倍 n×d,从而发生光的干涉。如图 10 所示,λ1、λ2 是相间 1 个干涉环的干涉 级数所对应的波长。

图 10 干涉光谱示意图

如果折射率 n 已知,则光学薄层的几何厚度 d 就可以计算出来。如果光学薄层的几 何厚度 d 已知,则可以确定色散函数 n(λ)。 光纤端口可以很容易地耦合到显微镜上或通过法兰与镀膜系统耦合。 2.5.1 应用举例 各种光学薄层,光阻材料,薄膜,光学介质镀层的几何厚度测量。 2.5.2 必要条件 为了保证厚度的精确测量,测量波长的高精度是必须的。可测量的最大厚度取决于
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可分辨的光谱强度,即相邻的二个干涉极大值的分辨。可测量的最小厚度取决于测量光 谱的波长范围,测量时需要最少要记录 1 个半干涉环。对于更薄的少于半个干涉环的厚 度测量,则需要已知绝对光强。

3 产品指标简介

4 结束语 本文较全面的介绍了光電二极管阵列光谱仪模块,但是每部分介绍均较肤浅,并且阐 述不是很严格。愿与同行交流,也请专业人士提出批评指正。

参考文献
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〔1〕 zeiss__pr_mms_engl.pdf,www.zeiss.com. 2004. 〔2〕 单块小型阵列光谱仪,www.spectralsensor.cn 2009.

如果有同行希望交流,请将我的邮箱告知: 周淑芳:高级工程师, E-mail:zhoushufang@163.com

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