摘要：微型光谱仪是近年来光谱仪发展的主要方向。针对微型光谱仪数据采集系统的设计需求,应用TCD1304DG线阵CCD完成了以FPGA(EP4CE15)为控制核心的高分辨率数据采集系统设计,系统使用了集成Programmable Gain Amplifier(PGA)、16位模数转换功能的Analog Front End(AFE)芯片,开发了USB2.0高速数据传输电路并完成了光谱采集上位机软件的设计,实现了对光谱数据的实时处理。小型集成的电路设计方案满足了光谱仪对小型化、便携使用的特点和要求。

摘要：研究了应用于微型光谱仪的平场全息凹面光栅的设计方法,提出了全局优化和反向优化的设计思想.利用全局优化算法求解了用于设计平场全息凹面光栅的非线性方程组,可以通过调整某些像差项的优化权重,快速有效地完成设计;同时利用反向优化算法对设计的中间结果进行工作位置的微量调节,进一步提高了光栅的光学性能,并阐述了平场全息凹面光栅可以具有多工作位置的原因.以遗传算法为例实现了上述优化思想,并基于TCD1304AP线阵CCD探测器,设计了适用于工作波长为380-780 nm的微型光谱仪系统的平场全息凹面光栅.实际系统经测试得到了良好的成像效果,光谱分辨率可达0.8 nm（50μm狭缝）.

摘要：基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案。采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析。最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率<10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81 mm×22 mm。

摘要：针对基于固定光栅和阵列探测器的常规微型近红外光谱仪成本高、光谱范围窄等问题,提出了一种基于集成扫描光栅微镜的双探测器微型近红外光谱仪。该系统采用自制的集成扫描光栅微镜作为核心分光部件,可同时实现扫描与分光功能,光学系统设计利用两个聚焦镜和两个InGaAs单管探测器的空间布局避免不同光路之间的相互干扰,可实现双通道同时、独立工作,此外双通道探测器前内置不同截止波长的带通滤色片消除光谱重叠。采用光线追迹法建立了理论模型计算光学系统的初始结构参数;利用ZEMAX完成了光学系统的优化设计并给出优化结构参数。测试结果表明,该仪器工作波长范围:800~2532 nm,分辨率:小于12 nm(800~1600 nm)、小于17 nm(1600~2532 nm),整体尺寸:145 mm×135 mm×75 mm,具有宽光谱、小体积、低成本等优势。

摘要：针对目前多采用CCD作为微型光谱仪的光电探测,文中介绍了使用高性能线性CMOS图像传感器S11639-01设计的一款微型光谱仪。图像传感器的驱动及光谱仪数据采集系统控制均采用ARM Cortex-M7内核的32位处理器STM32H743芯片。系统硬件电路结构紧凑、数据采集分辨率高、传输实时性好。光谱仪的光路结构由入射狭缝、平场凹面光栅、线阵CMOS探测器组成,该结构相对简单,有利于光谱仪的微型化。采用美国海洋光学标准低压汞灯和卤钨灯对光谱仪进行实验测试,实验所得数据通过波长标定、光谱自动寻峰等技术进行处理,可以得到该系统光谱响应范围220 nm~950 nm,光谱波长标定误差低于0.05 nm,系统最小分辨率1.153 nm,线性度在99.898%以上。

摘要：结合微型光谱仪体积小、测量速度快的特点和双光路光谱仪的光束结构,基于双芯光纤和面阵探测器Czerny-Turner光学结构设计并研制成功一种微型双光束光谱检测系统——一双光束微型光谱仪.系统中第一根双芯光纤将光源光强均分成两路,一路作为参考光路,另一路作为检测样品的样品光路.参考光和被测样品光通过第二根双芯光纤传输并同时照明微型光谱仪的入射狭缝,两个纤芯沿狭缝长度(非色散)方向排列.为保证两路光的成像光谱不会发生重叠和串扰,在交叉对称Czerny-Turner光学结构中加入消像散柱面镜元件,运用光学设计软件对光谱仪系统进行了优化设计.光线追迹结果显示,双芯光纤传输参考光路与被测样品光路光束的成像光谱可以在300～800nm范围内分离.依据设计结果加工并装调成功双光束微型光谱仪系统实验样机,实现了参考光谱和被测样品光谱在光谱仪上的同时显示与测量.实验表明,所设计的双光束光谱仪不仅具有双光路的光束结构,而且充分利用微型光纤光谱仪接口及配置灵活的特点,实现了真正意义上具有双光束光路结构的微型光谱仪系统.

摘要：因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

摘要：介绍了一种相位调制阵列结构微型光谱仪。光谱仪的核心部件为构建在CCD或CMOS上的微型干涉仪二维阵列,阵列中的各个微型干涉仪由不同高度的PMMA台阶组成。待测光入射后,会在各个微型干涉仪下方形成不同的干涉光强分布。通过CCD或CMOS的像素元测量每个微型干涉仪下方的干涉光功率,所得数据可组成一个线性方程组,由Tikhonov正则化方法解此方程组可复原光谱。仿真实验结果显示,光谱仪的光谱测量波长范围至少覆盖从300nm到1 100nm的波段,光谱测量的波长分辨率达到皮米量级。与传统光谱仪相比,该光谱仪具有体积小、成本低、分辨率高、光谱测量范围宽、测量时振动因素影响较小和可实时测量等优点。可以预计它将在航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测和生物细胞检测等领域有着广阔的应用前景。

摘要：针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。

摘要：提出了一种微型光谱仪,该微型光谱仪基于法布里-珀罗腔滤波性的阵列式微型光谱仪。其基本结构是在硅基底上实现多个不同腔长的阵列,从而实现对多个波长的监测。探测单元即为一个法布里-珀罗腔,由硅基底-金属薄膜-二氧化硅层-金属薄膜构成。进行了相应的模拟计算,结果表明在基本结构为铝膜(14nm)-SiO2-银膜(39 nm)的情况下,通带半宽度可达到15 nm,单个探测单元面积仅为0.14 mm×0.14 mm即可达到微型光栅式光谱仪(最小体积在cm量级)的光通量,整个光谱探测部分体积仅在mm量级。该微型光谱仪设计尺寸在几个mm的量级、无活动部件,可以同时对多个波长进行检测,并可望利用现有IC加工手段实现光谱仪传感器化。