CCD型光学多通道分析仪波长的标定

　　1　引　言

　　线阵CCD[1]是阵列型的光电传感器。用CCD作为光谱仪的光检测器,再用计算机来控制和采集数据就组成了光学多通道分析仪(optical multichannel analyzer,OMA)。光学多通道分析仪可以在同一时刻测量整个光谱,然后输出给计算机进行分析和处理,实现光谱的快速分析。CCD是近年来光学多通道分析仪[2]中采用的检测器。

　　将CCD用于光学多通道分析仪中时,必须对仪器进行波长的标定。目前常用的标定方法是将波长和CCD像元序数(对应于各个感光像元)之间的关系作线性近似,也就是认为光谱仪器的线色散率是线性的,但是这种线性近似会降低测量结果的准确性[3~5]。针对上述情况,现采用最小二乘法的二阶拟合来对波长进行标定,把原来测量得到的一幅光强I(x)与CCD像元序数x对应的光谱图转化为光强I(λ)与波长λ对应的光谱图。结果证明采用最小二乘法的二阶拟合来对波长进行标定可有效提高测量结果精确度。有关标定的数据处理通过计算机来完成,方便快捷,波长误差<0.1nm。

　　2　标定的原理

　　在光学多通道分析仪中,采用的色散元件绝大多数是反射型的光栅,光栅方程为:

d为光栅的刻槽间距,通常称为光栅常数,i为入射角,θ为衍射角,m为衍射光谱级次,为整数。式中“+”号表示衍射光和入射光在光栅法线同一侧,“-”号表示衍射光和入射光在光栅法线的异侧。

　　表征光栅色散能力的参数叫做光栅的角色散率。角色散率是指波长差为Δλ的两条光谱线被分开的角距离的大小。将式(1)的衍射角θ对波长λ求微分,即可得到光栅的角色散率的表达式:

　　通常,在光谱仪器中用线色散率来表征仪器的色散性能。线色散率是表示波长差为Δλ的两条光谱线在仪器成像焦面上被分开的线距离。当焦面垂直于仪器的光轴时,线色散率的表达式为:

式(3)中f为仪器聚焦成像系统的焦距。可以看出线色散率正比于f和角色散率的大小。

　　从式(3)的表达式可以看出,对于特定的某一级光谱,线色散率与衍射角θ有关系,即线色散率并不是线性的。但是,如果衍射角θ比较小或者在所测量的光谱范围内θ变化很小,cosθ几乎不随θ而变换,可以认为色散是均匀的[6]。但实际这只是一种近似线性。在对测量结果精度要求高的场合,不能简单的认为色散是线性的。在以CCD为探测器的光学多通道分析仪中,CCD是放置在聚焦成像系统的焦平面上的,当对其进行波长标定的时候,就要涉及到线色散率的问题。若对测量结果精度要求高,则不能将CCD像元序数和波长之间的关系作线性近似,也就是不能将系统的线色散率作线性近似,要采取一定的方法对其进行校正。简述如下: