光纤光谱仪的波长校正

　　1　引　言

　　在20世纪90年代,微电子领域中的多像元光学探测器迅猛发展,如CCD(charge-coupled device,电荷耦合器件)阵列、PD(photoelectric diode,光电二极管)阵列等,CCD线阵传感器灵敏度高、噪声低,探测光谱范围可以从紫外到红外波段[1]。光纤光谱仪中采用的就是CCD线阵传感器,与传统的分光扫描式光谱仪相比,它具有体积小、耗电小(可通过USB接口直接供电)、效率高、光谱范围宽等诸多显著的优点,在

　　当今科研、生产及教学等各个领域得到了广泛的应用[2]。光纤光谱仪的基本原理就是以光纤导入待测光,线阵CCD光电传感器接收光信号并转换成电信号,最后经过数字化后输给计算机,也称为CCD光谱仪。

　　CCD光谱仪的光谱仪器波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差,是衡量光谱仪器性能的一项重要指标。因此,对光纤光谱仪进行波长校正是非常必要的。

　　2　校正原理及装置

　　实验装置如图1所示,卤钨灯发出的光经过积分球内壁漫反射后,出射的均匀光由光纤导入手摇式单色仪进行分光(精度为0.1nm),出射的单色光直接进入CCD光纤光谱仪,光谱仪通过USB接口将数据传送到计算机,所有操作由计算机执行。

　　选用的CCD光谱仪指标:2048单元线阵CCD传感器; 12位A/D转换器;测量光谱范围:380~1100nm;光谱分辨力:380~600nm时优于0.5nm,600~800nm时优于1.0nm,800~110nm时优于2.0nm。

　　波长校正原理:光源发出的光在积分球内壁谩反射后出射均匀光,经光纤传输至单色仪,手摇式单色仪每转过0.1nm的波长,CCD光谱仪测量一次。由于单色仪分出的光有一定的带宽,故线阵探测器探测到该单色光的能量分布在0~2047单元格中的某些单元格内,从中找出分布能量值较大的单元格,并观察其能量值。单色仪转过另外一波段后再测量一次,若在一个波长范围内对应同一个单元格,则选取能量值最大的那个波长与该单元格相对应,继续旋转单色仪并测量,建立起单元格与波长这种一一对应的关系后,就可以完成波长校正[3]。

　　此过程中应注意,因为采样的A/D芯片为12位,能量值最大是4095(即212-1),所以,为避免光谱测量时信号溢出,根据能量信号大小应实时调节CCD光谱仪的曝光时间,使能量峰值在3500左右。实际分析中,CCD测量波长范围并不能覆盖0~2047所有单元格,其它可通过Microsoft Excel拟合得到。分析结果如图2所示[4]。

　　3　实验结果分析

　　将上述分析结果载入CCD光谱仪测量软件中,即完成了波长校正,波长的特性指标有:准确度、重复性、最大偏差等。

　　计算公式为: