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专利名称：光纤光谱仪的波长校准方法

技术领域：

： 本发明涉及一种光学仪器的校准方法，尤其涉及一种光纤光谱仪的波长校准方法。

背景技术：

光纤光谱仪是一种可用于紫外-可见-近红外光谱区光谱测量的仪器。 其测量波长范围一般为200-1100nm。 广泛应用于化学分析、工业检测、航天遥感等领域。 近年来，随着光纤、CCD和计算机技术的引入，光纤光谱仪技术得到迅速发展，可实现在线实时测量，具有信息采集、处理、存储等优点。 ，使光谱测量技术在工业、科研领域得到广泛应用。 由于被测样品吸收或发射的光强是光波波长的函数，因此在实际测量中，光纤光谱仪的波长校准结果必须准确——即对应于光波的波长光纤光谱仪中的每个CCD像素都必须准确测定，否则光谱测量的精度会降低。以下是关于

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校准光纤光谱仪波长的一些具体方法，其中光纤光谱仪目前最常用的是Quadratic（二次多项式）方法 Linear（线性方法） A, =^+^4, (1) Quadratic（二次多项式） Polynomial method) meaning, =^+—,+"(2) Cubic (三次多项式) A,=a!+a2A,+a,,2+a/,3(3) redundant Trigonmetricl (三角函数法1 ):的意思,.=a,++a3sin(丄)(4)Trigonmetric2(三角法2):&=q+a,,.+a3sin(丄)+a4cos("^)(5)中的意思上式为波长，单位为纳米（nm）； ", 为待定系数；g为像素数；w"为给定常数，与CCD像素数和光谱范围有关，通常=2048。 当采用线性法进行标定时，只需选择两条标准线性谱线进行标定。 虽然标定过程最简单，但标定结果误差较大。 这种方法很少用于光纤光谱仪的波长校准。 目前，几乎所有的光纤光谱仪都采用二次法进行波长校准。 标定过程比较简单，只需选择3条标准谱线进行标定，但标定结果误差较大，且误差与标定点的选择直接相关； 采用二次法标定时，标定所用的3条标准谱线对谱线跨度大、分布均匀的要求比较严格。 例如虽然在404.7nm808.0nm范围内，但误差很小； 在980.0nm处，在2.69nm处误差较大。

（其具体校准情况可参考后面提到的具体实现方式部分） Cubic法是在Quadratic法的基础上再增加一个高次项光纤光谱仪应用，可以有效降低波长校准误差，但在980.0nm处误差最大地方，是0.35nm。 使用Cubic法进行标定时，需要使用4条标准谱线进行标定，这在实际标定过程中是不可取的。 三角法中引入了 sin 函数。 sin函数展开后，缺少偶数项。 与Quadratic法一样，用于标定的3条标准谱线也有比较严格的要求（如跨度大、分布均匀），例如虽然在404.7nm808.0nm范围内，但误差很小； 在980.Onm处，误差很大，达到2.44nm； 另外，在三角函数公式中，对于给定的参数，取不同的值时，标定结果存在差异。 在Trigonmetric2方法中引入sin函数和cos函数，可以有效降低波长校准误差，误差在980.0nm处最大，为0.52nm； 但是使用Trigonmetric2方法进行标定时，需要用到4条标准谱线进行标定，而Trigonmetric1方法也存在同样的问题，即它是一个给定的参数，这在实际标定过程中是不可取的。 上述方法均存在波长校准误差较大的缺陷。 它们本质上都是多项式展开。 波长校准精度随扩展系列的增加而增加，但用于校准的标准谱线也相应增加，计算量也相应增加； 因此，如果仅靠多项式级数并不能从根本上解决目前光纤光谱仪波长校准误差大的问题。 虽然已经有将sin、cos函数引入多项式的方法，但本质上仍然是多项式展开，人为引入相关参数。 .

发明内容为了克服现有技术中光纤光谱仪的标定误差大，以及对标定所用的三条标准谱线的跨度大、分布均匀等要求高的问题，给出了一些参数是必须的，当给定的参数取值不同时，标定结果也会出现不同。 本发明提出了一种校准误差极小的光纤光谱仪校准方法，只需任意3根标准线即可准确校准，提高了校准的灵活性，使用起来更加方便简单。 根据本发明的校准方法，包括以下步骤A)使用标准光源，通过光谱仪采集标准光谱，确定标准光源的不同实际波长i，并对应像素数A光谱仪接收元件的线阵CCD； b)选择上述波长； 中任意三个实际波长公式，以及对应的像素数A分别代入下式，得到A，<2。 3的解，其中^为光谱仪中的光栅常数，i为自然数，/=1,2,3...； c) 根据^，在步骤B)中得到。 2、》3值，然后根据下式解出每个像素数A对应的校准计算波长值A：本发明的公式（解析法）方法与其他方法相比具有以下优点：1.波长校准的准确性有了很大的改善，标定误差可以控制在0.05nm以内；②可以任意选择用于标定的3条标准谱线，区别于二次法和三角法对标准谱线要求严格。③标定error不仅在404.7nm808.Onm范围内很小，在这个波长范围之外也很小，比如在980.Onm，只有0.05nm。总之，将校准结果与传统的进行对比校准方法。使用我们提出的方法来确定波长校准，最大校准误差不超过0.06nm，如果用于校准的标准线性光谱峰对应的CCD像素读数足够准确，校准误差可以达到0.01以下nm，远优于目前的校准方法，极大地提高了光谱测量的精度。 图1是光纤光谱仪的结构示意图； 图2为图1所示光纤光谱仪的等效光路图； 图3为校准装置校准过程示意图； 图4为光谱仪采集的标准线谱图； 图5是用本发明的方法和

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方法方法进行波长校准误差图对比（校准标准线性谱线跨度大，分布均匀）； 图6是用本发明的方法与目前常用的方法进行波长校准比较的误差图。 （用于校准的标准线性光谱跨度小，分布不均匀）； 具体实施方式下面结合附图对本发明的实施方式进行具体说明。 如图1所示，普通光纤光谱仪的结构由光纤1、FC耦合探头2、球面镜3、光栅4、CCD线阵5、计算机操作系统6组成； 光路采用水平对称光路，光栅中心位于水平对称光路的对称轴上，FC耦合探头2和CCD线阵5位于球面焦平面上镜子。 根据几何光学原理，光纤光谱仪的光路可简化为图2光路。实验中采用l阶衍射条纹，由光栅方程可知） = 意义 (6) 式中/—入射角，“一个衍射角，即波长(nm)/ 由图2可知，假设波长为意义的入射光被衍射光栅，汇聚在CCD线阵的P点，P点的像素数为h，根据几何原理，方程(7)/tana=&A+B(7) 式中，A—单像素线性度（mm）；/——球面镜的焦距（mm）；it——像素数；S——常数 将（6）式代入（7）式，得：/sin，单sin >5-4 为计算方便，令：化简为a1=7a,=7(8)"3=sin"；故(8)式可取0(3丄1-a3的意思，在(9)式中:,, "-待定常数" 1, " 2, " 3- 根据式（9)，本发明光栅光谱仪标定方法的步骤如下 a) 使用标准光源，通过光栅光谱仪采集光谱确定标准光源的不同实际波长公式对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像素数A； b) 选取上述波长中的任意三个实际波长公式和对应的像素数A，分别代入下式‘i.，(10)求“。

“2,”3的解，其中“为光谱仪中的光栅常数，z'为自然数，/=1,2,3……；C)根据步骤B)得到。A,” 3 值，然后根据下式计算每个像素编号A对应的校准计算波长值； 3只是一个固定值，不同波长的谱线会聚在相应的CCD像元上。 本发明实施例中，低压汞灯(波长为404.7nm、435.8nm、546.lnm、577.0nm、579.0nm)和激光器(波长为532.0nm、632.8nm、808.0nm) nm, 980.Onm)为标准线性谱线，通过计算机系统对应的像素可以准确读取每条标准线性谱线的峰值。 由式（10）可知，式中有3个未知数，只需在标准线性谱线中选取3条谱线并设定波长i即可。 将像素点A分别代入式（10），可得到的值（A、ct2计算值与真值的误差取决于光纤光谱仪的分辨能力和标准波长）线性谱线；，像素^读数精度）； 最后，将"、"2、"3的计算值代入式（11），即可得到每个像素点A对应的波长定义，即校准波长。本文将此方法定义为一种分析方法。

本实施例中，两个球面镜的焦距f约为100mm，CCD线阵为2048点线阵，单个像素的线维A约为14um，响应波长为200nm1100nm； 光栅常数d = 2.5um。 一般来说，用于标定的实验装置如图3所示，主要包括标准光谱线光源、光纤光谱仪和计算机。 利用计算机对光纤光谱仪的光谱信号进行分析，确定标准线性谱线的峰值与像素点的对应关系。 关系。 下面具体说明本发明实施例中校准的详细步骤和结果。 首先，使用标准线光源（低压汞灯和激光器），通过光纤光谱仪采集标准光源的光谱。 确定标准光源光谱的实际波长； 光谱仪接收元件线阵CCD对应的像素数A，得到的对应关系如表1所示。这里选取实际波长分别为404.7nm、632.8nm和808.0nm的3条标准谱线进行标定，将它们的波长i、像素数A分别代入式（10），得A=0.17377735a2=— O.0001274271"3=0.31743""2，将上述解得到的^值，代入式（11）计算出每个像素编号A对应的计算波长 即表2为A部分及其对应的计算波长A，值。

表2义,010365.5465989611020365.577065381950.70980,008952472048,201010.76556695030365.607532001950.80980.040543802048.301010.79706367040365.637998821950.90980.072135042048.401010.82856029050365.668465831951.00980.103726202048.501010.86005680060365.698933041951.10980,135317262048.601010.89155321070365.729400451951.20980.166908232048.701010.92304952080365.759868051951.30980.198499112048.801010.95454572090365.790335851951.40980.230089912048.901010.98604182100365.820803841951.50980. 261680612049.001011.01753781110365.851272031951.60980.293271222049.101011.04903370120365.881740421951.70980.324861742049.201011.08052948130365.912209001951.80980.356452182049.301011.11202516140365,942677781951.90980.388042522049.401011.14352074150365.973146761952.00980.419632772049.501011.17501621160366.003615931952.10980.451222942049.601011.20651157170see-034085301952.20980482813012049.701011.23800684180see.064554861952.30980514402992049.801011.26950199190366.095024631952.40980545992892049.901011.300997051952.ii50980577582692050001011.33249200在评价光纤光谱仪的校准误差时，通常采用预测标准误差（6^5）作为评价标准，如下式公式见原文第11页（12） 其中A，——计算波长； 公式 1 实际波长； n——标准谱线数，； p方程中的待定常数，本实施例中取n=7。为了本发明的校准方法和

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校准方法比较，表3给出了各种校准方法的校准波长和校准误差，误差图如图5所示。Table 3tableseeoriginaldocumentpage11 从上表可以看出，预测标准误差（5S）本发明的解析式法为0.05，线性法、二次多项式法、三次多项式法、三角法1、三角法2分别为1.55、1.36、0.21、1.25、0.30； 本发明的误差远低于

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错误。 为了充分说明本发明分析方法的优越性，特别是相对于目前通用的二次多项式方法，我们采用632.8nm、808.0nm、980.0nm三个标准线性谱线（分布不均匀，跨度小）进行标定光纤光谱仪应用，其标定结果如表4所示，根据表4绘制出的误差图，如图6所示： 由图6可知，如果使用的标准线性谱线跨度for calibration is less and distribution is uneven 平均时间对Formula法的标定结果没有影响，但对Quadratic法的标定结果有很大影响。 虽然在632.8nm980.0nm范围内误差很小，但在这个范围外误差急剧增大，达到404.7nm。 高达 4.33 纳米。 2. 一种光纤光谱仪波长校准方法，其特征在于包括以下步骤 a)使用标准光源，通过光谱仪采集标准光谱，确定光谱仪接收元件线阵CCD对应的像素数ki标准光源的不同实际波长b)选取上述实际波长中的任意三个波长和对应的像素数ki，分别代入下式2， 如权利要求1所述的光纤光谱仪波长校准方法，其特征在于因为所使用的标准光源可以是波长为404.7nm、435.8nm、546.lnm、577.Onm、579.Onm的低压光束灯，和/或波长为532.Onm、632.8nm、808.Onm的激光, 980.奥姆。

3.根据权利要求2所述的光纤光谱仪波长校准方法，其特征在于，采用标准光源实际波长为404.7nm、632.8nm和808.0nm的3条谱线计算校准参数。 4.根据权利要求2所述的光纤光谱仪波长校准方法，其特征在于，采用标准光源实际波长为632.8npi、808.0nm、980.0nm的3条谱线计算参数A、a2、A用于校准。 5.一种光纤光谱仪，采用权利要求1-4任一项所述的光纤光谱仪波长校准方法校准。 6.根据权利要求5所述的光纤光谱仪，其特征在于，所述光纤光谱仪的两个球面镜的焦距f约为100mm，CCD线阵为2048点线阵，单像素线性度A约为14um，响应波长为200nm1100nm，光栅常数d=2.5um。 全文摘要本发明公开了一种光纤光谱仪波长校准方法，包括以下步骤：a)使用标准光源，通过光谱仪采集标准光谱，确定其线阵CCD的像素数ki不同的标准光源实际波长λi对应的光谱仪接收元件； b)选取上述任意三个实际波长λi和对应的像素数ki，根据上式得到a1、a2、a3； c) 根据步骤B)得到a1、a2、a3的值，然后求解得到每个像素编号ki对应的标定计算波长值λi，这个λi就是标定波长值。

本发明提出的光纤光谱仪的校准方法，校准误差远小于现有技术，并且可以使用任意三根标准公共线进行精确校准，提高了校准的灵活性，更方便使用，简洁。 本发明还公开了一种用上述方法标定的光谱仪。 文献号：G01N21/01GK101158636SQ20071017794 公开日2008年4月9日 申请日2007年11月22日 优先权日2007年11月22日 发明人 彭志敏 杨干锁 朱乃义 申请人：力学研究所, 中国科学院