第３６卷第６期 ２０１３年１２月 长春理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｔｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．６ Ｄｅｌ３．２０１３ 基于线阵ＣＣＤ的小型光谱仪研究 王远，张宁，耿振华，徐熙平 （长春理工大学光电工程学院，长春摘１３００２２） 要：提出一种用于ＣＣＤ光谱分析仪数据采集与分析的新方法。采用ＣＺｅｍｙ—Ｔｕｒｎｅｒ＃Ｌ￣６－减小系统结构尺寸。应用 ＦＰＧＡ对线阵ＣＣＤ及端口芯片进行控制，通过模拟前端简化ＣＣＤ电路，从而实现了采集方法优化。论文对采用的光学结 构、核心器件及外围电路搭建和ＦＰＧＡ硬件驱动设计进行了研究，并通过测试实验验证，结果说明方法有效、可行。 关键词：光谱仪；线阵ＣＣＤ；ＦＰＧＡ 中图分类号：ＴＰ３１７．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９８７０（２０１３）０６—００４２—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ ＷＡＮＧ Ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｎｉｎｇ，ＧＥＮＧ Ｚｈｅｎｈｕａ，ＸＵ Ｘｉｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＣＣＤ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＣＺｅｍｙ—Ｔｕｒｎｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ， ＦＰＧＡ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ ａｎｄ ｐｏｒｔ ｃｈｉｐ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｄｅ— ｖｉｃｅ，ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｈａｒｄｗａｒｅ—ｄｒｉｖｅｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；１ｉｎｅａｒ ＣＣＤ；ＦＰＧＡ 光谱仪是分析物质物理化学组成的重要分析仪 做既减小了整体尺寸又可以使光谱像面的位置与光 器。传统光谱仪由于在体积、重量、结构以及扫描时 栅、准直物镜及狭缝的位置在空间上不发生干涉。间上都无法达到现场和多波长的同时检测，仅仅适 线阵ＣＣＤ接收光学系统结构示意图如图１所示。 合在实验室做一些光谱分析的实验，工程应用价值 受限，因此光谱仪的小型化成了研究的主要方向，小 型光谱仪具有体积小、重量轻、数据采集和处理速度 快、光谱响应范围宽等优点，具有广泛的应用领域和 市场价值 ］。 本系统采用最新的半导体传感技术和现代可编 程控制技术进行了光谱数据采集系统的研究，对光 学系统、硬件电路与软件程序进行设计，结合光谱仪 系统的使用要求，实现光谱仪小型化的目的，主要技 光源 术指标为：测量范围４００￣８００ｎｍ，光谱分辨率０．２ｎｍ。 图１线阵ＣＣＤ接收光学系统结构示意图 １系统总体设计 采用这样对称的光路结构可提高整个光学系统 的分辨率和色散能力，在微型光谱仪小型化要求下 该结构可以保证光线在光栅 在设计光路方面，应用Ｃｚｅｍｙ－Ｔｕｒｎｅｒ结构，使 使得光程更长。同时，并且反射镜系统没有色差，便 成像光线和入射光线在空间内的路径上交叠，这样 的主截面内发生色散，收稿日期：２０１３—０７－２５ 作者简介：王远（１９８８一），男，硕士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｌｗａｎｇｙｕａｎ＠１６３．ｔｏｍ。 通讯作者：张宁（１９７９一），女，博士，讲师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｕｓｔｚｎ＠１２６．ｃｏｒｎ。 第６期 龋 王远，等：基于线阵ＣＣＤ的小型光谱仪研究 单馨 ４５ ３．５实验分析 ５７６．９６ｎｍ和５７９．０６ｒｉｍ，对应的像素分别是８８、１４７、 示。钠灯双黄线的波长是５８９．００ｎｍ、５８９．６０ｎｍ，对 用ＦＰＧＡ产生ＣＣＤ正常工作所需的时钟信号， 彻 嘞 蓦｝ 伽 蝴 珊 唧 ㈣ 嘲 ㈣ ｍ 啪 善｝ 彻 潮 瑚 哪 ６７３、２７４０、３３１９、和３３５８，光谱测试结果如图９所 在ＡＬＴＥＲＡ的ＱＵＡＲＴＵＳ ＩＩ开发环境中进行设 计验证，用Ｖｅｒｉｌｏｇ硬件语言对正常采集所需的时序 进行设计 ’ ，并利用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真软件对生成的波 形进行检测。 应的像素分别为３５４５和３５５６，钠灯双黄线光谱测试 结果如图１０所示。 通过对测得的低压汞灯、钠灯的光谱分析，说明 所搭建的光谱仪系统可以完成光谱信号的采集、处 理和传送。系统可以测出低压汞灯的特征谱线及钠 灯双黄线，使用该系统对多个不同波长激光器的光 Ｉ 删０‘５０ ０ ５∞Ｏ Ｓ轴０ ５∞Ｏ ８锄０ １００ Ｏ ０ ８∞Ｂ 图９低压汞灯光谱 图１ ０钠灯双黄线光谱实验结果 在实验室条件下，对设计完成的ＣＣＤ光谱分析 仪系统进行调试与实验，分别使用低压汞灯和钠灯 对光谱波长进行标定。低压汞灯光谱波长的特征谱 线分别是４０４．６６ｎｍ、４０７．７８ｎｍ、４３５．８４ｒｉｍ、５４６．０７ｎｍ、 谱及半宽反复测量，结果表明该系统可以完成光谱 范围为４００ｎｍ￣８００ｎｍ波长的测量，分辨率可达到 ０．２ｎｍ，满足设计指标要求。 ４结论 本文提出一种应用于ＣＣＤ光谱分析仪数据采 集系统研究的新方法，分光系统采用折叠Ｃｚ－ ｅｍｙ—Ｔｕｒｎｅｒ结构，光谱数据采集系统以ＴＣＤ１７０３Ｃ 线阵ＣＣＤ为核心，采用ＸＣ３Ｓ４００ＡＮ及ＡＤ９９４５为 驱动，光谱数据经ＵＳＢ接口传输至上位机进行图像 数据的分析处理和显示，极大的减小了光谱仪尺 寸。系统完成后，通过对低压汞灯光谱和钠灯光谱 进行测试，得到实验结果。该光谱仪的光谱范围为 ４００－－８００ｎｍ，分辨率达０．２ｎｍ。说明本文所述的设 计方案能够完成对波长的测量，可以用于微型化光 谱仪的设计。 参考文献 ［１］范世福．现代分析仪器发展的前沿技术和新思想［Ｊ］．现 代科学仪器，２０００（３）：１０－１３． ［２］高翔，林金朝，庞宇，等．一种二相线阵电荷耦合器件的 数据采集器设计［Ｊ］．河南科技大学学报：自然科学版， ２０１３，３４（３）：５３－５７． ［３］卿辉．用ＣＰＬＤ实现ＳＲＡＭ３２艺ＦＰＧＡ的安全应用［ＪＪ． 通信技术，２００３（１２）：１４６－１４８． ［４］ 李秀娟，方小红，徐晓为．一种ＣＣＤ驱动电路的设计方 法［Ｊ］＿中国仪器仪表，２００７（６）：４３－４５． ［５］石美红，房超，张卫军，等．基于ＦＰＧＡ的线阵ＣＣＤ图像 采集控制的实现［Ｊ］．微计算机信息，２００９，２５（５－２）： ］７７—１７９．
