专利名称：：光纤光谱仪波长标定方法
技术领域：
：本发明涉及一种光学仪器的标定方法，特别涉及一种光纤光谱仪波长的标定方法.
背景技术：
光纤光谱仪是一种可用于紫外—可见—近红外光谱区的光谱测量的仪器，其测量波长范围一般在2001100nm，广泛应用于化学分析、工业检测以及航空航天遥感等领域。近年来，随着光纤、CCD以及计算机技术的引入，光纤光谱仪的技术得到迅速的发展，可实现在线实时测量，更兼有信息采集、处理、存储等优点，从而使光谱测量技术在工业、科研领域中得到了广泛的应用。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，光纤光谱仪的波长标定结果必须精确一即光纤光谱仪中各CCD像元所对应的光波波长必须精确确定，否则光谱测量的精确度就会降低。下面是有关
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中的对光纤光谱仪波长进行标定的一些具体的方法，其中光纤光谱仪是目前最常用的是Quadratic(二次多项式)方法Linear(线性法)A,=^+^4,(1)Quadratic(二次多项式法)义,=^+—,+"(2)Cubic(三次多项式法)A,=a!+a2A,+a,,2+a/,3(3)冗Trigonmetricl(三角法1):义,.=a,++a3sin(丄)(4)Trigonmetric2(三角法2):&=q+a,,.+a3sin(丄)+a4cos("^)(5)上式中义,为波长，单位为纳米(nm);",为待定系数；g为像元编号；w"为给定常数，其与CCD像元个数及光谱范围有关，通常可取=2048。采用Linear方法标定时，仅需要选取两条标准线状谱线来进行标定，虽然标定过程最简单，但标定结果误差很大，该方法目前在光纤光谱仪波长标定时很少采用。目前光纤光谱仪几乎都采用Quadratic方法来进行波长标定，其标定过程比较简单，只需要选取三条标准谱线来进行标定，但标定结果误差较大，且误差大小与标定点的选择有直接关系；采用Quadratic方法标定时，用于标定的三条标准谱线有比较严格的要求谱线跨度较大、且分布均匀，例如虽然在404.7nm808.0nm范围内，误差较小；但在这个波长范围外，如在980.0nm处，误差很大，达到2.69nm。(其具体标定情况可参见后述的具体实施方式部分)Cubic方法是在Quadratic方法基础上再增加一项高次项，可以有效的减小波长标定误差，但在980.Onm处误差最大，为0.35nm。采用Cubic方法标定时，需要采取四条标准谱线来进行标定，这在实际的标定过程中并不可取。Trigonmetricl方法中引入一个sin函数，sin函数展开后，缺少偶次项。和Quadratic方法一样，用于标定的三条标准谱线也有比较严格的要求(如跨度大、需分布均匀)，例如虽然在404.7nm808.0nm范围内，误差较小；但在这个波长范围外，如在980.Onm处，误差很大，达到2.44nm;另外，在Trigonmetricl公式中，为给定的参数，当取不同值时，标定结果存在差异。Trigonmetric2方法中分别引入sin函数和cos函数，可以有效的减小波长标定误差，在980.0nm处误差最大，为0.52nm;但采用Trigonmetric2方法标定时，需要采取四条标准谱线来进行标定，并且和Trigonmetricl方法存在相同的问题，即为给定的参数，这在实际的标定过程中并不可取。上述这些方法都存在着波长标定误差较大的缺陷。它们在其本质上都是多项式展开，波长标定的精确度随着展开级数的提高而提高，但用于标定的标准谱线也相应增多，计算量也相应增大；因此，如果只是提高多项式的级数并不能从根本上解决当前光纤光谱仪波长标定误差较大的问题，虽然曾有在多项式中引入sin、cos函数的方法，但其本质上仍然是多项式展开，并且人为的引入了相关参数。
发明内容为了克服现有技术中对光纤光谱仪标定误差大，且用于标定的三条标准谱线要求高，如需跨度大、分布均匀等，而且需要一些给定的参数，并当给定参数取不同值时，标定结果也出现差异的问题。本发明提出一种标定误差非常小的光纤光谱仪标定方法，只需任意三条标准普线，就可以精确标定的方法，其提高了标定的灵活性，使用时更加方便、简洁。根据本发明的标定方法，其包括以下步骤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,对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像元编号A;B)选取上述波长；,中的任意三个实际波长式以及对应的像元编号A，分别代入下式求出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)根据步骤B)中得出的^、。2、"3值，再根据下式求解出对应于每个像元编号A的标定计算波长值A,:本发明的Formula(解析式法)方法相比于其他方法的优点有:①波长标定精度得到极大的提高，标定误差可以控制在0.05nm以内；②用于标定的三条标准谱线可以任意选择，不同于Quadratic、Trigonmetricl方法对标准谱线有比较严格的要求。③标定误差不仅在404.7nm808.Onm范围内非常小，在这个波长范围外也非常小，如在980.Onm处，仅为0.05nm。总之，与传统标定方法的标定结果进行比较。采用我们提出的方法来进行波长标定，其标定误差最大不超过0.06nm，如果用于标定的标准线状谱线峰值所对应的CCD像元读数足够精确，标定误差可以达到0.01nm以下，远远优于当前的标定方法，极大的提高了光谱测量的精确性。图1是光纤光谱仪构造原理图；图2是图1所示光纤光谱仪的等效光路图；图3是标定装置标定过程的示意图；图4是光谱仪采集的标准线状谱线图；图5是用本发明的方法和
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的方法进行波长标定比较的误差图(用于标定的标准线状谱线跨度大、分布均匀)；图6是用本发明的方法和当前常用的方法进行波长标定比较的误差图。(用于标定的标准线状谱线跨度小、分布不均匀)；具体实施方式下面参考附图，具体描述本发明的实施例。如图l所示，为普通光纤光谱仪的构造由光纤l、FC耦合探头2、球面反射镜3、光栅4、CCD线阵5、计算机操作系统6构成；光路采用水平对称式光路，光栅中心位于水平对称式光路的对称轴上，FC耦合探头2、CCD线阵5位于球面镜的焦平面上。根据几何光学原理，可把光纤光谱仪光路简化为光路图2，在试验中，采用的是l级衍射条纹，故由光栅方程可知)=义(6)式中/—入射角，"一衍射角，义一波长(nm)/由图2可知，假设波长为义的入射光经光栅衍射后，汇聚于CCD线阵P点上，P点的像元编号为h根据几何原理，可以得到方程(7)/tana=&A+B(7)式中A—单个像元线度(mm);/—球面反射镜的焦距(mm);it—像元编号；S—常数将(6)式代入(7)式，得:/sin,丄sin>5-4为了方便计算，令:化简为a1=7a，=7(8)"3=sin〃；故(8)式可0(3丄1-a3义、(9)式中:，、《-待定常数"1、"2、"3—根据公式(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标准光源的光谱，确定标准光源的不同实际波长式对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像元编号A;B)选取上述波长中的任意三个实际波长式以及对应的像元编号A，分别代入下式'i.、(10)求出"。"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)中得出的"。A、"3值，再根据下式求解出对应于每个像元编号A的标定计算波长值;i,:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>从上述步骤可以看出，光纤光谱仪一旦组装完毕，fl,、。2、"3就均为定值，不同波长的光谱谱线汇聚在与其相对应的CCD像元上，在本发明的该实施例中，可采用低压汞灯(其波长为404.7nm、435.8nm、546.lnm、577.0nm、579.Onm，)和激光器(其波长为532.0nm、632.8nm、808.0nm、980.Onm)为标准线状谱线，可通过计算机系统准确读出各标准线状谱线峰值所对应的像元。由方程(10)可知，方程中有三个未知数，只需要选择标准线状谱线中的三条谱线，将波长i。像元A分别代入方程(10)中，即可求出的值(A、ct2、^的计算值与真值的误差取决于光纤光谱仪的分辨本领以及标准线状谱线波长；,、像元^读数的准确性)；最后，将",、"2、"3的计算值代入公式(11)中，可以求出各个像元A所对应的波长义,.，即为标定波长，本文将该方法定义为解析式法。本实施例中，两个球面反射镜的焦距f约为lOOmm，CCD线阵为2048点线阵，单个像元线度A约为14um，响应波长为200nm1100nm;光栅常数d二2.5um。一般来讲，用于标定的实验装置如图3所示，主要包括标准谱线光源、光纤光谱仪和计算机,计算机用来分析光纤光谱仪的光谱信号，确定标准线状谱线峰值与像元的对应关系。下面具体描述本发明实施例中标定的详细步骤和结果。首先使用标准谱线光源(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；,对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像元编号A，得到的对应关系如表1所示表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>选取上述波长中的任意三个实际波长4以及对应的像元编号"求解常数^、a2、a。这里选取实际波长为404.7nm、632.8nm、808.0nm的三条标准谱线来进行标定，分别将其波长i,、像元编号A代入公式(10)中，得到A=0.17377735a2=—O.0001274271"3=0.31743根据上面求解出的"。"2、^值，再将其代入公式(11)中，就计算出每个像元编号A对应的计算波长义,，表2显示了部分A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在评价光纤光谱仪标定误差时，通常采用预测标准误差(6^5)作为评价标准，如下式所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(12)其中A,—计算波长；式一实际波长；n—标准谱线的个数，；p一方程中待定常数，本实施例中取n二7。为了对本发明的标定方法与
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的标定方法进行比较，表3给出了各种标定方法的标定波长以及标定误差，其误差图如图5所示。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>从上表可以看出，本发明的解析式法的预测标准误差(5S)为0.05，而线性法、二次多项式法、三次多项式法、三角法l、三角法2分别为1.55、1.36、0.21、1.25、0.30;本发明的误差远远低于
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的误差。为了充分说明本发明解析式法的优越性，尤其是相对于当前通用的二次多项式法方法，我们采取632.8nm、808.0nm、980.0nm(分布不均、跨度小)三条标准线状谱线来进行标定，其标定结果如表4所示，根据表4绘制出的误差图，梦图6所示:表4<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>由图6可知，如果用于标定的标准线状谱线跨度较小且分布不均时，对Formula法标定结果没有影响，而对Quadratic法标定结果影响很大，虽然在632.8nm980.0nm范围内误差较小，但在这个范围之外，误差急剧增大，在404.7nm处达到了4.33nm。权利要求1、一种光纤光谱仪波长标定方法，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，确定标准光源的不同实际波长对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像元编号ki；B)选取上述实际波长中的任意三个波长以及对应的像元编号ki，分别代入下式2、如权利要求l所述的光纤光谱仪波长标定方法，其特征在于使用的标准光源可以是波长为404.7nm、435.8nm、546.lnm、577.Onm、579.Onm的低压束灯，和/或波长为532.Onm、632.8nm、808.Onm、980.Onm的激光器。3、如权利要求2所述的光纤光谱仪波长标定方法，其特征在于使用标准光源的三个实际波长为404.7nm、632.8nm、808.0nm的谱线，计算参数来进行标定。4、如权利要求2所述的光纤光谱仪波长标定方法，其特征在于使用标准光源的三个实际波长为632.8npi、808.0nm、980.0nm的谱线，计算参数A、a2、A来进行标定。5、采用如权利要求1-4中任意一项所述的光纤光谱仪波长标定方法进行标定的光纤光谱仪。6.如权利要求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反射镜的焦距f约为100mm，CCD线阵为2048点线阵，单个像元线度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一种光纤光谱仪波长标定方法，其包括以下步骤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λ<sub>i</sub>对应的光谱仪接收元件线阵CCD的像元编号k<sub>i</sub>；B)选取上述任意三个实际波长λ<sub>i</sub>以及对应的像元编号k<sub>i</sub>，根据上式，求出a<sub>1</sub>、a<sub>2</sub>、a<sub>3</sub>；C)根据步骤B)中得出的a<sub>1</sub>、a<sub>2</sub>、a<sub>3</sub>值，再求解出对应于每个像元编号k<sub>i</sub>的标定计算波长值λ<sub>i</sub>，此λ<sub>i</sub>即为标定的波长值。本发明提出的光纤光谱仪的标定方法，其标定误差远远小于现有技术中的标定误差，而且可以使用任意三条标准普线，就可以进行精确标定，提高了标定的灵活性，使用时更加方便、简洁。本发明同时公开了采用上述方法标定的光谱仪。文档编号G01N21/01GK101158636SQ20071017794公开日2008年4月9日申请日期2007年11月22日优先权日2007年11月22日发明者彭志敏,杨乾锁,竺乃宜申请人:中国科学院力学研究所