基于线阵CCD的光谱仪定标研究

　　1 引 言

　　光谱仪是用来光谱检测和分析，以完成光成分的分析、材料光学属性及物质成分的鉴定等，是一种基本的光学检测仪器，广泛用于天文研究、生物化学分析、工业自动检测等领域。随着微电子技术和微加工的发展，微型光机电系统的制造技术日趋成熟，光谱仪器的微型化成为近来研究的一个热点[1-4]。

　　CCD( charge coupled device，电荷耦合器件) 是 20 世纪 70 年代由美国贝尔实验室提出，经 30 多年发展起来的新型半导体集成光电器件，CCD 是固态图像传感器的敏感器件，具有光电转换、信号储存、转移( 传输) 、输出、处理以及电子快门等多种独特功能[5-6]。由于 CCD 阵列是整个数据采集处理的核心，根据其工作特点设计电路及数据处理方法成为光学系统设计外的重点。

　　线阵 CCD 作为光探测核心与数字逻辑电路及微型计算机的结合是微型光谱仪的成功案例。

　　2 线阵 CCD 在微型光谱仪中应用

　　基于 CCD 为探测器的微型光谱仪的结构[7]示意简图如图 1 所示，光束由狭缝进入光谱仪，经平面镜反射到准直镜转变成平行光，照射到衍射光栅，衍射光被聚焦镜汇聚到线阵 CCD 感光面上。线阵 CCD 在驱动脉冲的驱动下，可以同时接收到不同波长的狭缝的像，成带状分布，转化成电荷信息，此信息送入数据采集系统，由电流信号转化为电压信号，经过放大、A/D 转换后被采集，由微计算机系统完成对所采集数据处理，最终结果输出到显示器和储存器件。

　　设计中采用的是 SONY 公司的线阵 CCDILX554B[8]，光谱范围:340 ～770 nm，波长重复性: ≤ ±1 nm，像元分辨率: ≤0.3 nm，2 048 像元，像元大小为14 μm ×56 μm，内置定时器和时钟驱动，具有采样和保持电路，典型的时钟脉冲频率为1 MHz。

　　3 光谱仪的波长定标

　　CCD 数据采集是以像元为接收单位，一个像元接收一个数据，对于光谱波长定标实质上就是波长对应 CCD序号像元之间的关系。

　　通常采用特征光谱标定法对光谱进行光谱标定，该方法的原理是: 采用具有特征光谱的光源( 如汞灯光谱)作为标定光源，找到特定谱线在 CCD 上对应像元点位置，通过三次多项式拟合等算法，实现 CCD 像元与波长的匹配。定标过程中要求定标用光源所含的已知光谱线数量要尽量多，且分布越均匀测算结果就越准确。

　　研究中使用低压汞灯的 6 条特征谱线: 366. 5 nm、404. 6 nm、435. 8 nm、546. 07 nm、576. 96 nm、579. 1 nm;其中后面 4 条谱线分布在可见光区，假设 6 条谱线分别为 y1、y2、y　　3、y4、y5、y6，将采集到的数据通过寻峰算法[9]得到 6 条谱线对应的像元序号 x1、x2、x3、x4、x5、x6。