CCD光栅光谱仪与光谱分析.pdf

2004第1期安徽电子信息职业技术学院学报No.12004
第3卷(总第10期)JOURNALOFANHUIVOCATIONALCOLLEGEOFELECTRONICSINFORMATIONTECHNOLOGYGEnEraINo.10VoI.3

[文章编号]1671-802X(2004)01-0001-02
CCD光栅光谱仪与光谱分析

王兴莲,汪尊伟
（浙江科技学院物理系,浙江杭州310023）

[摘要]介绍了光栅光谱仪的工作原理及线阵CCD在光谱测量中的应用；举例说明了学习一种光谱分析的方法。
[关键词]CCD；光谱仪；光谱分析
[中图分类号]!433.1[文献标识码]A

0引言
光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各种原子的光谱研究。通过光谱
研究，可以得到所研究物质中所含元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面的信息。在光谱分析中，用于分光的
光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构有决定性作用。
1.光栅光谱仪的工作原理

光栅光谱仪结构见图1。入射光经狭缝S1通过M1成平行光后入射到光栅G，衍射光经成像物镜M2会聚于出口狭缝S2、S3
和光探测器单元上，光栅光谱仪的色散元件为光栅。
光栅方程为
c(Sini1SinB)=mA（1）
c为光栅常数，i为入射角，B为衍射角。在讨论光栅分辨率问题时，为简单起见，
常设入射光为垂直光栅入射，即入射角i=0，此时单缝宽度为a的衍射光程差为aS-
，相位差———2Tc，间距为的相邻二缝的衍射光程差为，相位差为
inBS1=SinBccSinB
2TUA
2=———Sin；令
SAB

（2）

由N条光栅刻线得到衍射光强为

（3）

I0为入射光强，由此式可分析光谱仪的主要性能。
光栅的角色散和线色散
2.DBDI
对于一定波长差的两条谱线，经光栅后分开的角间隔和在光谱仪谱面上的距离，定义SB——。设光谱SL
SASBSIDB=,DL=
仪的聚焦透镜焦距为，则，因此。从光谱方程可得光栅的角色散、线色散SASA
fSL=fSBDI=fDB

（4）

L

结果表明，光栅的色散本领与光栅常数c成反比，与级次m成正比，DL还与焦距f成正比。但色散本领与光栅中刻线总
线数N无关。
通常分光仪器的分辨本领定义为
R=—A
SA
SA为可分辨的最小波长差，对于每个光栅，其可分辨的最小波长差SA可由其角色散和最小分辨角来决定。从光栅衍射的
A
光强公式（3），可得谱线极大与极小之间的半角宽度为AB=——————（5）
NccoSB
AB即可认为是最小可分辨角SB。因此
SBAccoSBA
SA=—=——————————=———
DBNccoSBmmN
(6)
A
R=—=mN
SA

＊[收稿日期]2003-12-05
[作者简介]王兴莲（1954-），女，安徽芜湖市人，浙江科技学院副教授。
1
2004.2.20XUEBAO
《电子信息技术的发展、理论与应用》征文王兴莲汪尊伟＊CCD光栅光谱仪与光谱分析第1期

此式表明，光栅的分辨本领正比于参与衍射的总刻线数N和光谱的级次m，与光栅常数d无关。实际的光路安排中，总是
要尽量增加光栅的照亮面积，使N足够大，得到极高的分辨本领。
3.线阵CCD（ChargeCoupiedDevices）光探测器的性能
光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCD等多种。CCD是电荷耦合器件的简称，是一
种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理元件。对光敏感的CCD常用作图象传感和光学测量，应
用十分广泛。探测光栅光谱的线阵CCD因为能在曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广
泛的应用。通常把同时获取光谱仪上各个波长的光谱探测器称为多道探测器。由多道探测器、计算机及传统的光谱仪构成的
新型光谱仪器称为光学多道分析仪（OpticaiMuiti-channeiAnaiyzer，简记为OMA）。
CCD器件的主要性能指标为：
①分辨率：用作测量的器件最重要的参数是空间分辨率。CCD的分辨率主要与像元的尺寸有关，也与传输过程中的电荷
损失有关。目前CCD的像元尺寸一般为10卜m左右。
②灵敏度与动态范围。理想的CCD要求有高灵敏度和宽动态范围。灵敏度主要与器件光照的响应度（V/LX·sec）和各种
噪声如光子噪声、暗电流和电路噪声等有关。动态范围指对于光照度有较大变化时，器件仍能保持线性响应的范围。它的上限
由最大存储电荷容量决定，下限由噪声所限制。如TCD1206UD的动态范围约为1500。
③光谱响应：指CCD光谱响应的范围，目前硅材料的CCD光谱响应范围约400-1100nm。
4.光谱分析
光谱分析中，对分析结果有决定意义的几个量是：