微型光譜儀的結構解析

　　光譜儀究其實質是一個「分光」儀器，現在有幾種方式來實現分光功能。主流的方式是用光柵作為色散部件，將不同波長的光在空間上分開，用陣列探測器接收並輸出光譜。另一種方式是用幹涉儀調製入射光，用單元探測器接收被調製了的光，並輸出光強隨時間變化的曲線，再用傅立葉變換還原光譜，這就是傅立葉光譜儀。

　　由於在UV-VIS-NIR波段，矽CCD, CMOS陣列的工藝成熟，性價比好，再加上無移動部件，可靠性好，因此，幾乎無一例外地使用光柵色散，陣列探測器檢測的方式。只是在波長大於900nm的近紅外波段，矽材料實在無法勝任，才採用InGaAs線列探測器，但是，至少在現階段InGaAs線列探測器還是太貴，於是才有人嘗試採用傅立葉光譜技術，轉動光柵技術，美國德州儀器公司的DLP(Digital Light Procession)技術，其核心是用MEMS技術製造一個微鏡陳列，可以用集成電路晶片組驅動每一個微鏡的方向，這樣就可以用單元InGaAs探測器，使近紅外波段的微型光譜儀成本下降。另一種思路是怎麼把光譜儀做得更小，更便宜，乾脆不用光柵分光，雖然性能不一定那麼好，但是對於有些應用也許就足夠了，這基本上就是用濾光片加線列探測器的方法。

　　就採用光柵分光技術的微型光譜儀而言，其性能主要決定於三個方面，光學設計，光柵的選擇，探測器的選用。

　　光學設計又與採用的光柵種類有關，現用的光柵有反射光柵和透射全息光柵兩大類，採用不同光柵的光譜儀光學設計方案有所不同。現在的主流是反射光柵，這是由於製造工藝相對成熟，因此價格也相對低一些的原因，採用反射光柵，又要做得體積小，採用摺疊光路的設計就很自然了，因此，交叉光路Czerny-Turner 結構(Crossed Czerny-Turner)成為市場最流行的設計;另一類是透射全息光柵，它的主要優點是光柵效率高，導致光學系統的光通量大，對於一些測量比較微弱的光的應用，或者快速動態過程分析，不允許長的積分時間，就傾向於選擇透射光柵，當然，價格相對會貴一些。

　　以下我們就分析典型的交叉光路的Czerny-Turner 結構光譜儀(如圖所示)。

圖 典型的交叉光路Czerny-Turner光譜儀結構。1為SMA 905接頭，2為入射狹縫，3為長通濾光片(可選)，4為準直反射鏡，5為反射光柵，6為匯聚反射鏡，7為柱形匯聚透鏡(可選)，8陣列探測器，9為線性可變濾光片阻擋高階衍射光進入探測器，10為探測器的石英玻璃窗口，取代普通BK7玻璃窗口，用於工作在小於340nm的紫外波段光譜儀(可選)

　　-用光纖將待測光束通過標準的SMA905接頭接入光譜儀。

　　-待測光束通過狹縫進入光譜儀，狹縫就是成像系統中的「物」，通常為矩形，根據應用的要求，狹縫的寬度可選，較寬的狹縫允許更多的光子進入光學系統，即系統的光通量較大，但這是以損失解析度為代價。典型的狹縫寬度在5um-200um之間，高度為1mm。

　　-從狹縫出射的光是發散的，我們希望入射光束的傳播方向是可控的，不要散射到不該去的地方，導致雜散光太大，通過準直光學部件，通常是反射鏡，將其變為平行光束。

　　-光柵作為色散元件：這是對光譜儀性能有決定性影響的元件，不同波長的光被衍射到空間不同的方向。光柵的參數包括刻線密度，閃耀角度等，都會影響到光譜儀的性能指標，包括解析度，波長範圍，光柵效率曲線等。

　　-反射鏡作為光束匯聚器件，將光柵分光後不同波長狹縫的「像」匯聚到陣列探測器不同的像元上。每個像元會接收到波長範圍很窄的光子(15 nm to 0.02 nm，取決於光譜儀的結構)

　　眾所周知，狹縫的寬度會影響到光譜儀的解析度和響應率，

　　-探測器陣列：探測器是實現光電轉換的重要器件。線陣探測器上的每一個象元的讀出數據對應於一個特定的波長範圍，在紫外，可見光，短波近紅外波段，矽CCD是目前使用最多的探測器，其性價比最好，探測器本身的噪聲對光譜儀信噪比的影響。只有在900nm-2500nm的近紅外波段才使用InGaAs線列探測器。

　　-模-數轉換電路ADC (Analog-to-Digital Converter):探測器讀出電路給出的是電壓模擬信號，通過ADC把模擬信號轉換為數位訊號，將每個像元輸出的電壓轉換為一個特定的數字，這個讀數被稱為「counts」

　　ADC器件性能的重要指標是它輸出的數字是用多少位二進位數字來表示。一個12位的模數轉換電路可以將滿量程光強度用0-4096(212)個counts來表示。相應的，同樣的滿量程光強度，如果用16位的模數轉換電路其輸出則是用0-65535(216)個counts來表示。由此可見ADC器件的位數反映了光譜儀在垂直方向的「解析度「。(如圖xxx所示)ADC的位數越高其輸出的讀數就可以越」準確「地描述光譜的強度。

　　因此，對於一個採用2048個像元的線列探測器和12位模數轉換器件的光譜儀，每條光譜曲線會輸出2048個波長和對應光強的數據對，每個光強的數據用一個12位數字表示。這些數據是光譜的原始數據。

圖 ADC的位數和垂直方向「解析度「的關係示意圖

　　-光譜儀內還包括以微處理器為中心的一些電路，主要包含兩部分功能。一方面，產生光譜儀CCD或CMOS探測器所需的控制時序，使探測器按用戶設定的工作模式工作;另一方面，實現與PC機的通信，如從探測器中讀出數據並傳送到PC端。這些電路的性能，譬如，模擬電路的噪聲水平、處理器的主頻、緩存的大小和通信接口的速度，都會對光譜儀的整體性能有重要影響。