光譜測量具有測量范圍大、測量速度快、分析精度高等特點，可對不同的吸收光譜、反射和輻射光譜等多種光譜進(jìn)行定性定量分析。微型光纖光譜儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點，如重量輕、體積小、探測速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，這使得微型光譜儀在各領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

精度始終是決定測量儀器的關(guān)鍵，對于光譜儀來說，我們所分析的是被測樣品在各光波波長下吸收或反射的光強大小。而在實際光譜儀設(shè)計制造中會存在一定的誤差，這就很難用簡單的光柵公式直接預(yù)測波長的具體位置。

在實際微型光纖光譜儀中，光波波長是由CCD像素所反映的，因此在實際測量中由于環(huán)境和時間的影響會引起光波波長與像素之間的變化，光譜儀中各CCD像素所對應(yīng)的實際光波波長必須準(zhǔn)確確定，否則測量的準(zhǔn)確度就會降低。所以，為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，光譜儀在使用前必須進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，確定CCD像素和光波波長的對應(yīng)關(guān)系。

1.光譜儀標(biāo)定技術(shù)

CCD采集數(shù)據(jù)是以通道為接受單位的，一個通道接受一個數(shù)據(jù)，即CCD采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)是一一對應(yīng)通道序號的。對于光譜測量來說，我們需要得到是相對能量與波長的對應(yīng)關(guān)系圖，因此根據(jù)CCD像素編號確定對應(yīng)的波長是一項必不可少的工作，即在光譜儀的日常使用中，要定期進(jìn)行標(biāo)定，以達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。

由于選擇線性標(biāo)定算法作為波長標(biāo)定方法會造成較大的誤差，所以根據(jù)經(jīng)驗采用高階擬合算法，用3階擬合就可以達(dá)到光譜測量的精度要求。光譜儀中CCD陣列各像素有其確定的編號，如果從0開始到n結(jié)束，那么標(biāo)定方程即任意X編號的CCD陣列像素與其所對應(yīng)的波長λ之間關(guān)系如下:

λ(X)=C0+C1X+C2X2+C3X3

式中:C0是當(dāng)X=0時，即編號為0位置的CCD像素所對應(yīng)的波長;C1、C2、C3分別為一次系數(shù)、二次系數(shù)和三次系數(shù)。由于標(biāo)準(zhǔn)光源能發(fā)出有確定波長的標(biāo)準(zhǔn)線狀譜，所以利用標(biāo)準(zhǔn)光源的標(biāo)準(zhǔn)線狀譜線，可測得對應(yīng)數(shù)組[X，λ(X)]，根據(jù)上式可建立像素與波長的對應(yīng)關(guān)系，即可確定C0、C1、C2、C3各系數(shù)的值，從而實現(xiàn)CCD像素與波長的匹配，得到標(biāo)定方程和擬合曲線。

2.標(biāo)定與實驗分析

常用的光譜儀波長標(biāo)定是采用特征光譜在 CCD 對應(yīng)的像素點上找到相應(yīng)的位置，并采用多項式擬合等方法來實現(xiàn)波長的標(biāo)定。目前采用較多的方法是Z小二乘法三階多項式擬合，該方法的目的是得到Z小的偏差平方和。

式中 a0，a1，a2，a3 為擬合系數(shù)，x1，x2，…，x6 為實測像素數(shù)，y1，y2，…，y6 為擬合后的波長。利用 Matlab 軟件進(jìn)行編程求解得到 y=a0 +a1x+a2x2 +a3x3 中的擬合系數(shù)。采用美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的 HG-1 汞-氬校準(zhǔn)光源(光譜圖如圖一所示)對該光譜儀進(jìn)行波長校正，波長校正中用到和擬合后得到并比較的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖一HG-1 光譜圖

表 2 波長校正數(shù)據(jù)

該光譜儀進(jìn)行波長標(biāo)定后與美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn) USB4000 光纖光譜儀進(jìn)行對比，各自實測光譜圖如圖四所示，與標(biāo)準(zhǔn)波長對比的數(shù)據(jù)如表 3 所示。

表 3 實測波長對比數(shù)據(jù)

圖四實測光譜圖

從表 2 中可以看出該光譜儀經(jīng)波長校正后具有很好的效果，與標(biāo)準(zhǔn)波長對比其波長相對誤差控制在0.05 nm 以內(nèi)。與美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的 USB4000 光纖光譜儀進(jìn)行比較，從表 3 中可以看出波長的相對誤差要高出一個數(shù)量級，但是分析圖四發(fā)現(xiàn)，自行設(shè)計的光纖光譜儀在紫外探測方面較弱，主要原因在于東芝公司生產(chǎn)的 TCD1304AP 在紫外波段的敏感性較弱(圖五)，因此需要在 CCD 表面粘貼或涂覆紫外感光膜。

圖五TCD1304AP 感光曲線圖

3.標(biāo)定結(jié)果驗證

為了能夠驗證Z終標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對由實驗結(jié)果重新標(biāo)定的AvaSpec-2048型微型光纖光譜儀進(jìn)行了驗證實驗，即測量標(biāo)準(zhǔn)氦氖激光器(632.80nm)的光譜曲線，將得到的實測譜線與標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行對比，從而驗證標(biāo)定實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.驗證實驗組成及流程

驗證實驗裝置及其組成如圖六所示，其組成主要包括氦氖激光器(632.80nm)、衰減片、光纖、光譜儀(AvaSpec-2048)和計算機(jī)等。

圖六驗證實驗裝置示意圖

實驗流程如下:

首先，根據(jù)實驗裝置搭建實驗，完成激光衰減線接收、光譜儀與計算機(jī)連接。打開AvaSoft720USB2 軟件，使光譜儀能夠?qū)崟r采集光譜信同時調(diào)整光譜儀積分時間，使得由標(biāo)定實驗結(jié)果重新標(biāo)定的光譜儀能夠準(zhǔn)確測得氦氖激光器的光譜譜線。然后使用 AvaSoft720USB2 軟件中的快捷鍵尋找譜線峰值處所對應(yīng)的光波波長，即氦氖激光器的實測波長。Z后得到由表7所示的實測波長。

5.標(biāo)定結(jié)果精度比較

由以上驗證實驗結(jié)果得到的波長標(biāo)定結(jié)果的比較表如表7所示。

表7波長標(biāo)定結(jié)果比較表

結(jié) 論

由驗證實驗結(jié)果可以看出，設(shè)計搭建的光纖光譜儀標(biāo)定實驗系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)光譜儀的波長標(biāo)定工作，確定 CCD 像素與光波波長的對應(yīng)關(guān)系。利用兩種不同的數(shù)據(jù)處理方法得到不同的標(biāo)定方程，通過對比驗證實驗誤差得到Z佳標(biāo)定方程，完成了對光譜儀的準(zhǔn)確標(biāo)定，保證了光譜儀在使用過程中對測量精度的要求。