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小型光纤光谱仪的研制
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  • Design of miniature fiber optic spectrometerYU Ai hua,GAo Hong liang(School of Automation and Electrical Engineering,Zhej iang University ofScience and Technology,Hangzhou 310023,China)Abstract:The methods of implement miniature fiber optic at spectrometer is based on CPLDand USB 2.0 interface to get on high speed CCD driving and transmitting by opticaloptimization of ZEM AX. After the optical fiber beam bounding the light and the planediffraction grating for dispersing the light in different wave length,the line array CCD is usedfor photoelectric conversion. The method of least squares is used for the spectrometercalibration.The research results show that the accuracy of spectrometer wavelength is betterthan lnm ,and the repeatability error is less than 0.2 nm。

    Key words: small-sized fiber optic spectrometer; optical design; eletrical design; CSD;calibration;data analylis传统光谱仪 由于其体积大、价格昂贵 ,以及对工作环境要求苛刻和难以实现实时监控等缺点,以致限制了其使用范围。小型光纤光谱仪虽然分辨率有所下降,但是 由于其体积小 、成本低、使用灵活等特点,收稿 日期 :2012 11-19基金项 目:浙江势技计划项 目(2011C37032)作者简 介 :于爱华(1975- ),男 ,江苏剩安人 ,工 程师 ,博士研究生 ,主要从事光 电信号处理研究 。

    440 浙江科技学院学报 第 24卷却广泛应用于食品检测、半导体 、I ED测试 、医疗 、生物 、航天、环境监测等众多科研和生产领域。 目前微小型光谱仪的实现可以应用多种技术,如细微加工 、应用二元光学、集成光学波导等制造技术。其工作模式主要有利用新型滤光技术、调制技术、二元 光学、集成光学波导、光栅技术等 。从 目前发展现状来看 ,国外已有部分小型光纤光谱仪的产品,但价格昂贵;国内各类小型光纤光谱仪性能较低 ,还处于研制阶段 。

    由于制作工艺因素及光纤传导技术的发展 ,实用化的小型光纤光谱仪大都是无透镜系统并且和光纤探头联合使用,可以很方便地搭建起由光源 、采样附件和光纤光谱仪组成的拈化测量系统 。因此 ,对采用光纤传导信号光的小型光纤光谱仪的研制 ,可以拓展光谱仪的应用范围,使之能更灵活方便地在不同的环境下使用,提高其实时监控能力 ,有广泛的市场潜力和科学意义口]。

    1 小型光纤光谱仪的光学设计1.1 测量原 理光纤光谱仪是测量紫外 、可见 、近红外和红外波段光强度 的-种设备。光谱仪器-般都包括入射狭缝 、准直镜 、色散元件(光栅或棱镜 )、聚焦光学系统和探测器 。其 中色散元件-般是衍射光栅 ,它是平行 、等宽而又等间距的多缝装置,是利用光的衍射和干涉现象进行分光的-种色散元件 。衍射光栅有透射式和反射式两种,光谱仪常用的是反射光栅 、凹面光栅 和阶梯光栅 。采用平面光栅制作小型光谱仪器时主要有 :切 尼 -黏 纳 (Czerny-Turner)、艾 伯 特 -法 斯 梯(Ebert-Fastie)、李特洛(I ittrow)自准直 、夏帕-格兰茨(Chupp-Gtantz)系统 四种 形式[2]。本系统采 用如 图 1所示 的非对称交叉 式切尔 尼 -特纳结构 。光 源 出射的光进 入 光 纤 ,经 过 准 直 ,光 栅 反 射 聚 到线 阵 CCD上,线阵 CCD将光信号变为电信号并传输到计算机中。这样可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅 ,同时由于光纤 的耦 合非常容 易 ,可 以很 方便地搭建起 由光源、采样 附件和光纤光谱仪组成 的拈化测量系统 。

    1.2 光学设计光源 0图 1 光纤光谱仪原理图Fig.1 Principle diagram of fiber optic spectrometer本系统采用非对称交叉式切尔尼~特纳结构 ,光通过耦合透镜进入光纤中,出射端连接到 SMA接头上 ,在 SMA接头的出射端 留-个宽度可调的狭缝(根据分辨率调节)。光束经过狭缝后照射到准直反射镜 ,变成平行光照在光栅上 。光栅将不 同频率的光衍射出来经过搜集镜投射到 CCD不同位置。

    反计S2别构谱600 g/mm,长度 -3 cm,闪耀波长 450 nm。凹面球镜焦距 l厂-f -f2-60 mm,凹面球镜曲率半径 120 mm。相对孔径 NA : 1/10。准 直 球 镜 口径 6 mm,入 射 缝 宽 度50 m,光纤芯径 200 m,参数 -z-51 iTlm、H112 mm、H -17 mm,具体值在系统调试 中调整。

    图 2 光纤光谱仪的结构参数Fig.2 Structure parameters of fiberoptic spectrometer第 6期 于爱华 ,等 :小型光纤光谱仪 的研制 4412 小 型光纤光谱仪的 电学设计2.1 电路 系统 结构为了使 CCD探测系统 能检测 到较高 的分辩率 ,选 择 2 048个像 素 的 TCDl209D作为探 测器件 。

    CPLD产生驱动脉冲驱动 CCD输出像元信号 ,为消除其 中直流分量 ,提高其输 出阻抗,CCD输出信号经过差分放大 ,然后采用 CCD专用 16位 A/D转换信号处理器 AD9826对 CCD输 出信号进行 相关及模数转换 处理 。转换后的数 字信号储存在 CY68013的 FIFO 中,经处理后通过 USB总线传送到上位机 ,由应用软件完成光谱数据进-步的分析、处理和显示 。电路系统如图 3所示。

    2.2 CPLD驱动设计线阵CCD差分放大CPLD(EPM7128) l l汁算机A/D 转换 USB2.0接u芯片(Cy68013)图3 光纤光谱仪电路系统Fig.3 Circuit system of fiber optic spectrometerCCD驱动方式很多 ,可以是专用芯片、单 片机 或可编程器件等。系统采用 Ahera公 司 MAX7000系列的芯片 EPM7128,不但可 以为 CCD提供驱动 ,也可以为光谱信号的采集提供时钟及其他 电路的脉冲。CCD采用 日本东芝的 TCD1209D,光谱响应范 围为 (300~1 000 nm)2 048个像元 ,像元 大小是 14/,mX 14/,m;相 邻 像 元 中心 距 也 是 14 ptm;像 元 总 长 是 28.672 mm,其 暗 电流 输 出 电压 1 mV。

    TCD1209D共有 5个相位不 同的驱动脉冲,分别为 SH、FIB、F2B、RS和 CP,如图 4所示 。其中 SH 为光电荷转移脉冲;FIB、F2B是两个相互反相的模拟移位寄存器转移脉冲,RS为输出极复位脉 冲;CP为箝位脉冲。CCD在 5个驱动脉冲共 同作用下输 出视 频信 号OS。根据 CCD驱动时序要求 ,本 系统采用 80MHz晶振 ,4分频后得到 20MHz。这样可以以1/4的 CLK(主时钟周期)精确地调节时序的延时。

    2.3 信号采集0 pl辅6s ,㈣ 嚣 6lus,, , 《..[爿:爿 爿J-1L J Ilnn九.nflf1nf1nnnnnn九九九九九n订nnnnn九n九f1九n几nnnl;n九nnf1门n门九nnnf1n九f1nnn-九nn九n九n九nn几nn九九n圈 4 TCD1209D驱动 时序仿真结果Simulation results of TCD1209D drive timingCCD信号输出视频信号除有用信号外,还有许 多噪声信号 ,如光子噪声 、暗电流噪声 、散粒噪声、复位噪声等。其 中复位噪声影响较大,通过相关采样技术可以有效消除复位噪声。由于 CCD输 出信号 中有-个直流分量 ,很容易引起放大器饱和和共模效应,必须经过-级差分放 大∮着进行相关双采样(CDS),然后进行箝位 和增 益放大 ,最后送入 ADC进行数字量化 。采用 CCD专用 16位 A/D转换信号处理器 AD9826,如图 5所 示。CDSCLK1和CDSCI K2分别用来对参考电平和数据电平进行采样 ,ADCCLK为 ADC的采样 时钟 ,SLOAD是移位寄存器使能端,SDATA 向移位寄存器写 数据,SCLK 为写数 据的 时钟。

    CDSCI K1、CD6CI K2、ADCCLK 均 由CPLD实现驱动时序。要使 AD9826正常工作 ,还得为其提供初始化设置。初始化设置通过单片机配置 SLOAD、SDATA、SCLK三线串行接 口来实现。

    3 光纤光谱仪的固件设计AVDD AVSS CML CAPTCAPB AVDD AVSS DRVDD DRVSS图 5 AD9826功能框 图Fig.5 Function block diagram of AD9826USB设备的工作流程 如图 6所示 :设备连接-上电-复位-分配地址-配置操作-执行 固件代码,6个工作状态 。这些状态在 USB主机的控制下实现状态间的转换和总线的访问。USB设备随时根据总线活442 浙江科技学院学报 第 24卷动情况判断是否进入或退出挂起状态。为了简化固件开发,利用 EZ-USB FX2软件开发包里提供的固件架构来修改 USB描述符表(dscr.a51)及实现外围功能的程序代码(periph.c),完成了 USB设备的固件开发。

    图 6 USB工作流程图Fig.6 USB work flow3.1 系统初始化固件程序首先初始化所有的内部状态变量 ,然后调用 TD-Init函数进行初始化 ,初始化主要包括 :1)使 CY7C68013工作于异步从 FIFO模式IFCONFIG-0xCB:2)将 4 KB的 FIFO对应到两个端点(EndPoint),即 EndPoint2和 EndPoint6分别配置为 OUT型和 IN 型EP2OUTCFG- 0XA0,EP6INCFG-0xE2:3)对 FIF0进行配置将 FIFO2,FIFO6设置成 自动方式EP2FIF()CFG- 0xl 1,EP6FIF0CFG- 0x0D。

    3.2 任务调度初始化完成后打开中断,固件程序开始枚举 USB设备,直至端点0上接收到通信建立包。-旦收到此包,将重复执行下面任务。

    2)判断是否有 USB设 备请求 ,如果有,则调用 Parse Con-trol Transfer()函数进行相应 的处理 ,如 图 7所示 ,主要是 USB设备与主机之间通信处理。当主机发送传输-帧数据请求时,USB响应查看 EP2端点 ,此时 CPLD没有 向端点 FIFO写数据为空 ,引发中断 IBN(INBULK NAK),在 中断响应 中将 PA7置高,通知 CPLD采样数据 ,-帧数据传完后 ,引发外部 中断 ,PA7置低 ,初始化缓冲区。如果没有 ,则继续向下执行。

    3)检测 USB总线是否空闲。若空闲,则调用 TDSuspend()函数 ,由用户处理。在 TDSuspend返回真值后,8051处于空闲状态。

    图 7 EZ-USB固件流程 图Fig.7 EZ-USB firmware program flow第 6期 于爱华 ,等 :小型光纤光谱仪 的研制 4434)8051被激活后 ,固件程序将首先调用 TD-Resume()函数 ,以使 8051从空闲状态中恢复 出来 ,再执行用户任务。

    4 实验与分析4.1 光纤光谱仪的标定小型光纤光谱仪的标定在暗室中进行,当光谱均匀分布时,光谱波长和 CCD像素位置有如下关系(P)-C。 C1P C2P C3P。

    其中 ,P为归-化像素 ,P-像素位置/总像素(TCD1209D总像素 2 O48)。

    利用美国海洋光学 USB2000微型光纤 光谱仪对低压录灯光谱进行测量。该光谱仪 的测量 波长范围 200~850 nm,测得低压汞灯 5条-级普线波长位置 ,以及本系统中对应像素位置,如表 1所示。

    CCD采用最小二乘法7],利用 matlab软件计算可得 :(P)- 26O.816 5 732.728 0P 392.348 5P -689.307 8P。经过标定后的低压汞灯光谱如图 8所示。

    4.2 数据分析经过标定后 ,对低压汞灯光谱进行 1O次测量 ,其数据最大偏差为 0.18 nm~实际波长作平均处理与理论波长和进行对比,对 比结果如表 2所示 ,理论波长和实际波长最大偏差为 0.82 nm。

    表 1 低压汞灯与对应像素位置Table 1 Low pressure mercury lampwith corresponding pixel波长/nm图 8 波长标定后 的低压汞灯光谱 图Fig.8 Spectrogram of low pressure mercurylamp after wavelength calibration表 2 最小二乘法拟合结果和实际测量结果 比较Table 2 Comparison of fitting results by method of leastsquares and results of measurement5 结 语采用 CPLD和 USB2.0技术,实现非对称交叉式切尔尼-特纳结构的光栅型小型光纤光谱 仪 CCD驱动和数据的高速传输 ,并成功应用于系统测试 。利用 ZEMAX软件 ,对系统进行光路 的优化设计 ,应用ADI公司 CCD专用处理芯片,实现相关双采样技术,极大提高其信噪比和分辨率。实验结果证明该光谱仪具有较高的测量精度 ,为其在实际工业 中的应用打下基础 。

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