1 引 言
一个世纪以来,光谱分析技术已变得多样化,除了发射、吸收、反射、荧光、散射光谱方法外,还发展出了微分光谱、调制光谱、傅里叶变换、干涉分光仪等。随着光谱仪器硬件的发展,可测量的波长范围也相应扩展,长波到毫米波,短波与软X射线(10 nm)相连[1]。上世纪90年代以来,一种微型结构的光纤光谱仪[2]引起了诸多人士的关注,并在各种光谱测量及相关领域得到了广泛应用。与传统的大型光谱仪相比,微型光纤光谱仪有很多优点,如重量轻、体积小、探测速度快、可集成化等。目前,微型光谱仪的实现可以有多种技术,常用的方法包括:采用新型滤光技术,如可调谐光纤法2珀腔(F-P);利用光纤的化学传感特性制作光纤探针;使用微细加工结合集成光学介质光波导技术;等等,其中光纤光谱仪是微型光谱仪器的重要发展方向。
低损耗石英光纤的研制和光纤技术的引入,改变了传统光谱仪的采光技术,使光谱探测脱离了样品池。利用光纤探头,可以方便地将远距离现场样品的光谱信号导入光谱仪器,通过将光纤探头与光学平台、数据采集、计算机等部件相结合,能够形成结构较为紧凑的新型光谱仪器。90年代以来,微电子领域中的多像元光学探测器发展迅猛,如CCD阵列、光电二极管阵列等,使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。使用CCD作为光谱接收器件,可以进行瞬态和弱光光谱的采集,而且不必转动光色散元件,使仪器更加经久耐用。
光纤光谱仪系统具有模块化和灵活性的特点。其中单通道微型光纤光谱仪测量速度非常快,可用于在线分析。根据使用对象的不同,通过采用不同的光纤探头改变光谱测量方式,可实现一机多用。而且由于它选用了低成本的通用探测器,使得光谱仪的成本也大大降低,进一步扩展了它的应用领域[3]。现今的光谱仪主要测量紫外、可见、近红外、红外波段的光谱强度,应用领域主要有颜色测量、化学成份的浓度测量、电磁辐射光谱分析、吸收和发射光谱测量、物质成分测量等。目前国外单通道光纤光谱仪的发展非常快,美国Ocean Optics公司和荷兰Avantes公司已经推出多种型号的产品。
在光谱探测的应用研究中,特别是在生物医疗方面,经常需要对多组光谱同时进行测量,以比较相互之间的瞬态光谱变化特性。如果使用多台光谱仪同时工作,不仅给操作带来困难,而且会提高测量系统成本。本文研究的多通道光纤光谱仪,采用了多路光谱分光系统结合单一电子信号处理模块技术,既具有单通道光谱仪结构紧凑的优点,又能实现各路光谱信号之间的实时、同步采样处理,具有明显的技术优势,可望在实际生产领域获得各种应用。
2 系统设计与分析
多路光纤光谱仪系统主要由以下各部分组成:导光光纤、光学平台、CCD探测器、数据采集和控制电路、计算机等,系统框图如图1。其基本工作原理为:利用光纤将信号光导入,通过光学平台分光后聚焦于CCD探测器的感光面上;CCD将光谱信号转换为电信号输出,通过滤波放大、A/D转换及采集存储,输入计算机中显示光谱图形;所获得的光谱数据可用于各种后续的分析、处理和控制。
2.1 光学平台
系统每一个通道都采用对称式Czerny2Turner光学平台设计(如图2所示),八路光纤同时采光入射到八个狭缝处,这种结构比较容易通过内部集成光阑来抑制杂散光,并使结构比较紧凑[4]。图中,S1为入射狭缝,G为闪耀光栅,M1、M2为凹面反射镜。光源发出的光经过光纤直接照射光谱仪的入射狭缝S1,经过M1准直后由闪耀光栅G分光,并最终由M2成像于CCD的感光面上。两个凹面反射镜M1、M2的使用既可以避免额外的吸收和散射,又可以缩短装置的长度。采用CCD作为探测器,可以通过一次曝光获得光谱图,具有测量的实时性。
入射狭缝S1的宽度按系统需要进行选择,狭缝越细,得到的光谱分辨率就越高,但光灵敏度相对降低。闪耀光栅G实现色散分光,可以根据需要选择合适的闪耀波长和光栅密度。通过调节光栅G选择一级衍射光谱成像于CCD的感光区域,同时利用适当的结构可以将其他不需要的各级光谱挡掉,通过M2的调节可以使光谱很好地成像于CCD的光敏面上。
2.2 线阵CCD
本系统采用日本SONY公司生产的ILX511线阵CCD传感器,其像元个数为2 048,像元尺寸为14μm×56μm,作为光积分形式的传感器,主要通过ROG和CLK两个脉冲时序信号来控制CCD的曝光时间和模拟信号的输出。CCD内部有2 048个光学传感器,对应2 048组暂存器。在2 048组之前有32组无效单元(包括18个哑元),之后有6组无效单元,一共2 086组暂存器,成为一串移位暂存器。在ORG低电平的时候,将CCD传感器所积分获得的光学信号转换成电荷信号存入对应的移位暂存器。当ORG为高时,内部计数器归零,此时CLK时序触发移位暂存器。经2 086个周期后,可以将所有信号串行移位至VOUT。
2.3 数据采集和控制电路
多路型光纤光谱仪系统的数据采集和控制电路结构框图如图3(以八通道为例),由CCD器件采集的八路光谱信号分别通过滤波放大电路,经由八选一模拟开关合并成一路信号,经由FPGA的FIFO输入DSP中,最后通过DSP的USB接口传给计算机。光谱数据的稳定取决于CCD供电电压的稳定和滤波放大电路参数的合理选择。设计过程中,采用了精密稳压芯片REF194ES和高性能集成运放AD8027。
整个系统的时序都由FPGA产生,在设计中选用了XILINX公司的Spartan2II系列的XC2S15芯片[5]。驱动时序分为四个功能模块:GCLK模块、CCD模块、MYFIFO模块、ROGCTL模块,每个模块都由Verilog硬件描述语言编写。GCLK模块产生系统所需的所有基频时钟;CCD模块产生CCD的移位时钟(CLK)、FIFO写时钟(FIFO_WR)、A/D转换时钟(AD_CLK)以及模拟开关的控制时钟(CH_OE);MY2FIFO模块将A/D送入的数据传送给DSP;ROGCTL模块根据DSP发送的积分时间产生CCD的ROG脉冲[6]。
根据所选CCD的要求,ORG的低电平脉冲宽度为8μs脉宽。为了方便信号的采集处理,各个通道间信号的同步非常重要,本文设计是使每个通道CCD的曝光时间在同一时刻结束。
由于各通道信号在模拟开关和A/D转换器上形成了通道的共用,为了减少通道之间的相互串扰,特别设计了在每两路信号之间插入地,以隔绝模拟开关带来的电容效应。同时编程使得CLK信号相互错开1/16 MHz,这样每个通道的每个像元信号依次经过滤波放大,送进模拟开关。模拟开关的三个控制时序脉冲,可以使得第一通道第一像元信号到达时,选择一通道打开。依次打开十六个通道开关,进入A/D的信号如图5一样排列。
系统电路中,设计使A/D的片选脚始终接地,且从开始就送A/D的时钟信号,使A/D一直工作。通过控制往FIFO写数据的FIFO_WR信号与时钟信号的同步,可以将A/D转换过来的光谱数据写进FIFO,而将作为屏蔽信号的地信号抛弃。
本系统选用了美国TI公司的TMS320VC5509芯片作为DSP处理器件,其主要功能如图3所示,包括存储FPGA的应用程序,在上电之后通过GPIO口将程序灌进FPGA运行;光谱信号的滤波与运算处理;通过USB协议与计算机相互通信,从计算机接受指令,将光谱数据送入计算机[7]。
TMS320VC5509有三个多通道缓存串口(MCBSP),0号口外挂FLASH作为程序存储器,1号口接FPGA传输积分时间。外部存储器接口(EMIF),CE1空间接FPGA的FIFO空间,配置为异步存储器;CE2空间接SDRAM,作为数据存储器,配置为同步存储器。USB模块与计算机相连,配置为USB2.0协议。DSP程序主要用C语言进行编程。
3 系统测试实验结果
采用所研制的多路光纤光谱仪系统测试了不同光源的光谱,获得了非常满意的测试结果。图6为多路光纤光谱仪第一通道测试的汞灯的光谱,图7为第二通道测定的宽带白炽灯的光谱,可以发现光谱信号稳定,信噪比高,且相邻两个通道之间没有相互串扰。
4 结 论
通过设计一个具有并行CCD信号处理能力的DSP系统,实现了多路式光纤光谱仪的实时可靠运作。系统通过FPGA产生控制时序信号,利用DSP处理数据并与PC机相互联系,具有速度快、功能强、适合多点同时测量的优点。该系统目前已通过实验室考核并开始商品化,预期该系统能广泛应用于生物、环保、制药、冶金和光学等相关领域。
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Texas Instruments Incorporated.CPUand External Equipments of TMS320VC55X[M]. Beijing: Press of Tsing2hua University. (in Chinese)
作者简介:姜培培(1983-),男,浙江大学光电系博士研究生,主要从事光纤光谱仪方面的研究。E2mail: feiafei@126.com
沈永行(1965-),浙江大学光电系博士生导师。E2mail: physyh@zju.edu.cn
