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微型光纤光谱仪的波长定标分析武传龙;冯国英;韩旭;姜海涛;欧群飞;王建军;李密【摘要】为了提高光纤光谱仪的测量精度,采用标准汞氩灯谱线和最小二乘法的3阶线性拟合,取得了完整的波长定标方案.结果表明,算术平均误差小于0.167nm,标准差小于0.217nm,波长与像素的拟合相关程度较高;定标后波长不确定度优于0.11nm,误差小于0.15nm,波长重复性可达0.01nm.这一结果对提高光谱仪实际应用中的测量精度是非常有益的.%In order to improve the measurement accuracy of the miniature fiber spectrometer, a complete calibration scheme was obtained based on the standard emission spectrum of mercury and argon lamp and three-order linear fitting of the least squares. Calibration results show that the arithmetic mean error is less than 0.167nm, standard deviation is less than 0. 217nm and the fitting related degree is high. Test results show that after calibration the wavelength uncertainty is better than the 0. 11nm, the error is less than 0. 15nm, and the wavelength repeatability can reach 0.01nm. This result is beneficial for improving the measurement precision of spectrometers in the practical applications.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】4页(P682-685)【关键词】光谱学;波长定标;最小二乘;光纤光谱仪【作者】武传龙;冯国英;韩旭;姜海涛;欧群飞;王建军;李密【作者单位】四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;四川大学电子信息学院,成都610064;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳621900;中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TH744.1引言近年来，伴随着光纤技术、电荷耦合器件CCD及个人数字助理阵列器件和计算机技术的迅速发展，微型光纤光谱仪成为现代光谱测量中的核心元件[1-3]。
基于面阵CCD的高灵敏度微型光谱仪的设计与实现徐丹阳;杜春年【摘要】面阵CCD具有灵敏度高、动态范围大的优点,适用于荧光测量、DNA测序、拉曼光谱分析和低光度检测,因此,研制基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实际价值.光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner 结构,并获得了1 nm的光学分辨率.结合DC-DC和LDO的设计方法,通过USB供电实现了6路电压输出的复杂电源系统设计;通过Verilog HDL完成了CCD驱动时序设计;采用Altera公司的EPM7064芯片实现了驱动信号输出.CCD输出的视频信号经双相关采样的高速16位AD芯片AD9826转换后存储在独立的静态RAM中,使得数据的采集和读取分离.所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD的微型光谱仪的11倍左右,动态范围20000:1,信噪比达到500:1,很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2018(045)011【总页数】11页(P30-40)【关键词】光谱仪;面阵CCD;高灵敏度;CPLD;双相关采样【作者】徐丹阳;杜春年【作者单位】浙江工业大学理学院,浙江杭州 310023;浙江工业大学理学院,浙江杭州 310023【正文语种】中文【中图分类】TH741光谱仪是光谱检测的重要仪器，通过对光谱的测量分析来完成对物质成分和结构等的测量，具有测量速度快、精度高、无损测量等优点，已经广泛应用于材料化学、石油化工、光学检测、天文研究、环境检测及航空航天等领域[1-3]。
传统的光谱仪器，其庞大的体积，高昂的价格几乎将此类仪器设备限制在实验室中。
近年来，一方面生物医学、科技农业等应用领域的迫切需求，要求分析仪器向着小型化、智能化的方向发展；另一方面得益于微型光机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)的发展和光纤器件的大批量生产，以及微型光电探测器件的出现，使得光谱仪的微型化成为了可能[4-6]。
光纤光谱仪的波长标定
李树荣;付敬业;蔡小舒;张玉荣
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2002(000)010
【摘要】光纤光谱仪是光谱测量中的核心部件,它将光信号经分光系统和CCD阵列转换为各光波长的电信号,再通过计算机处理,以获得光谱信号曲线.为了得到准确的测量结果,光谱仪在使用前必须对光波长进行严格的标定,确定CCD象素和光波波长的对应关系.
【总页数】2页(P14-15)
【作者】李树荣;付敬业;蔡小舒;张玉荣
【作者单位】上海理工大学动力学院,200093;上海理工大学动力学院,200093;上海理工大学动力学院,200093;上海理工大学动力学院,200093
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
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用Ca/Mg灯校正波长的方法当遇到以下情况时就可能需要进行波长校正：1、当分析时仪器实际找到的波长（就是光谱仪状态栏中显示的波长值）与方法中设定的波长相差0.2nm以上。
2、当执行分析或者执行调整光路功能时，出现2070、3030等类似于找不到波长的错误代码时。
用Ca/Mg灯校正波长的步骤：1、打开光谱仪主机电源。
2、打开电脑，双击进入分析软件，待仪器自检完以后。
3、点击，进入后选择6号灯座如图：4、此时将准备好的Ca/Mg复合灯放入6号灯座，并关上灯座门。
5、点亮氘灯，即在Deuterium Lamp On 前面打勾√。
确定氘灯工作正常。
6、关闭退出整个Solaar分析软件7、如果是M6将自动进样器卸下放到旁边，并将石墨炉的炉头移出光路（即向外搁置）。
如果是S4或者S2则需将GFS97放到傍边，并将燃烧头置于雾化室上。
7、等待半个小时，以稳定仪器。
8、半小时后，取出随仪器带来的软件光盘，并放入电脑光驱。
此时，可能会出现以下图面9、点击下方的EXIT选项。
10、利用资源管理器进入光盘，双击SOLAAR文件夹，随后双击solaarm文件夹，进入solaarm文件夹后再双击service文件夹，进入后双击Runcalib文件。
11、在随后出现的对话框中，将Burner High Calibrate选项前面的√去掉，如图12、点击Start，开始波长校正。
如果程序不能执行下去，出现类似与以下提示：The spectrometer is not switched on or connected-Check that the spectromter is switch on and that the RS232 cable is connected correctly. If the error persists run the User’s Diagnostic Test，则将上面图示中RS232的选项中选择COM2。
第42卷第5期2015年5月Vol.42,No.5May,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 光纤光谱仪光路模拟优化及波长标定徐丹阳1童建平1高建勋1汪飞21浙江工业大学理学院,浙江杭州3100232杭州博源光电科技有限公司,浙江杭州310023摘要光学系统是光谱仪的核心部件，决定了整个仪器的基本性能与体积。
因此分析了几种光学系统的利弊，最终确定采用交叉非对称切尔尼-特纳系统，并用Zemax 软件对光路进行了优化设计，确定整体分辨率为1.8nm ，测量范围为200~900nm 。
利用Matlab 软件求解最小二乘法三阶多项式的拟合系数，采用HG-1汞-氩校准光源对波长进行三阶曲线拟合校正，使其相对波长误差控制在0.05nm 以内。
与USB4000光纤光谱仪进行了数据对比分析，表明该设计思路及方法切实可行。
关键词光学设计;光路;模拟优化;波长标定中图分类号O433.1;O435文献标识码Adoi:10.3788/CJL201542.0516003Fiber Spectrometer Optical Simulation Optimization and CalibrationXu Danyang 1Tong Jianping 1Gao Jianxun 1Wang Fei 21College of Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang 310023,China 2Brolight Technology (Hangzhou)Co.,Ltd,Hangzhou,Zhejiang 310023,ChinaAbstract The optical system is the core part of a spectrometer,and it determines the basic properties and thevolume of the entire instrument.Advantages and disadvantages of several optical systems are analyzed,and theasymmetric Czerny-Turner system is adopted.The resulting optical path optimized with Zemax has an overallresolution of 1.8nm,and a measurement range of 200~900nm.Relative error of wavelength is controlled to bebelow 0.05nm,with cubic spline interporlation coefficients obtained from Matlab and HG-1mercury-argonused as the calibration light source.Analyses on data for comparision with the USB4000fiber spectrometershow that both of the design and implementation are feasible.Key words optical design;optical path;simulation optimization;wavelength calibrationOCIS codes 220.4830;080.4295;060.2370收稿日期:2014-11-14;收到修改稿日期:2014-12-30基金项目:浙江省教育厅科研项目(Y201329607)作者简介:徐丹阳(1983—)，男，硕士，实验师，主要从事光电探测技术方面的研究。
E-mail:xudanyang@1引言光谱仪是现代光学仪器的重要组成部分，是对物质成分、结构进行观测、分析和处理的基本设备之一[1-2]。
它将不同频率的光辐射按照一定的物理规律(光的色散、衍射原理)分解开来，形成相应的光谱，并结合计算机技术、电子技术和精密机械实现对该光谱波长、强度的测量与研究[3-5]。
准直、分光和聚焦成像系统构成了仪器的光学系统，是整个光谱仪的核心部件，并决定了整台仪器的基本性能与体积。
李特洛光学系统由于使用一面反射镜作为准直和聚焦镜，因此必将存在二次和多次衍射，造成系统的杂散光过大；夏帕-格兰茨系统由于离轴抛物面反射镜加工难度大，因此系统成本高，同时装配和调试难度也大；伯特-法斯梯系统也存在着二次和多次衍射，且采用一面反射镜，自由度较小，装调较为复杂[6-12]。
本文采用的非对称式切尔尼-特纳系统不仅可避免二次和多次衍射，而且方便了反射镜的加工和装调，同时可保证系统的分辨率。
使用Zemax 软件进行光路设计并优化后得到整机体积为91mm×60mm×34.5mm 、波长范围为200~900nm 、分辨率为1.8nm 的微型光纤光谱仪。
采用特征光谱定标法对光谱仪进行波长标定[13-14]，通过三阶多项式拟合的方法实现电荷耦合元件(CCD)像素与波长的匹配，使最终实测误差控制在0.05nm 以内。
中国激光2模拟优化设计2.1光路选择与设计微型光纤光谱仪的光学系统设计目的是依据像差的要求选择合适的系统，并对各光学元件与整体结构进行设计优化，使系统的性能和体积达到设计要求。
光学系统决定着整台仪器的光学性能与体积大小，因此在光学系统微型化设计过程中，不仅要尽可能地减小光学系统的体积，同时又必须合理地控制系统像差和杂散光，以确保设计的光学系统性能满足自身要求，并且还应考虑仪器的整体结构简单、可靠及价格低廉。
因此选择了在切尔尼-特纳系统[15]基础上改进的交叉非对称切尔尼-特纳系统(图1)，系统初始参数如表1所示。
该光学系统使用两块小反射镜，不仅可以消除二次和多次衍射，还可以有效抑制系统的杂散光，使该光学系统具有质量轻、结构紧凑的优点。
图1交叉非对称切尔尼-特纳光学系统Fig.1Cross-asymmetric Czerny-Turner optical system 表1系统初始结构参数Table 1Initial parameters of the system structureCollimation lens Focal length 62mm Aperture 10.3mm Grating Line density 0.6line /m m Blaze wavelength 430nm Focus lens Focal length 70mm Aperture 17.5mm Incident angle i-28.7°Diffraction angle θ13.9°2.2模拟优化利用Zemax 软件进行光学系统的模拟分析。
初始光学系统的平面图如图2所示，从图中可知，光敏器件CCD 不在聚焦成像物镜的焦平面上，因此需要调整CCD 与聚焦成像物镜之间的距离和角度。
加大聚焦成像物镜的孔径，使入射光束充分聚焦到CCD 上，同时也减少了杂散光。
以CCD 与光轴的夹角和CCD 到聚焦成像物镜的距离为变量，改变聚焦成像物镜孔径的大小，利用Zemax 软件的默认优化函数进行优化，优化后得到的平面图如图3所示，最终聚焦成像的孔径为25mm ，CCD 与物镜之间的距离由59.5mm 调整为53.6mm 。
分别用200、300、550、800、900nm 处的点列图(图4)，用以判断整个系统的分辨率是否达到设计要求，从图中可以看出其分辨率为1.5、1.2、1.0、1.8、1.8nm 。
因此该光学系统在有效波长范围内基本满足设计要求。
图3优化后系统平面图Fig.3Optical system plan afteroptimization图2优化前系统平面图Fig.2Optical system plan beforeoptimization图4点列图。
(a)200nm;(b)300nm;(c)550nm;(d)800nm;(e)900nmFig.4Spot diagrams.(a)200nm;(b)300nm;(c)550nm;(d)800nm;(e)900nm3标定与实验分析常用的光谱仪波长标定是采用特征光谱在CCD 对应的像素点上找到相应的位置，并采用多项式拟合等方法来实现波长的标定。
目前采用较多的方法是最小二乘法三阶多项式拟合，该方法的目的是得到最小的偏差平方和。
Φ=éëêêêêêêùûúúúúúú1x 1x 21x 311x 2x 22x 32............1x 6x 26x 36,(1)Θ=éëêêêùûúúúa 0a 1a 2a 3,(2)Y =éëêêêùûúúúy 1y 2…y ６,(3)式中a 0，a 1，a 2，a 3为拟合系数，x 1，x 2，…，x 6为实测像素数，y 1，y 2，…，y 6为拟合后的波长。
利用Matlab 软件进行编程求解得到y =a 0+a 1x +a 2x 2+a 3x 3中的拟合系数。
采用美国海洋光学公司生产的HG-1汞-氩校准光源(光谱图如图5所示)对该光谱仪进行波长校正，波长校正中用到和拟合后得到并比较的数据如表2所示。
图5HG-1光谱图Fig.5HG-1spectra该光谱仪进行波长标定后与美国海洋光学公司生产USB4000光纤光谱仪进行对比，各自实测光谱图如图6所示，与标准波长对比的数据如表3所示。
表2波长校正数据Table 2Wavelength calibration data Fitting coefficient 178.691360.194937.87126×10-77.37×10-10Theoreticalpixel number 95311701311185820092019Measured pixel number94911641304184719972007Standard wavelength /nm 365.015407.783435.833546.074576.96579.066Calibration wavelength /nm 365.023407.824435.859546.064576.984579.054Relative error /nm0.0080.0410.026-0.0100.024-0.012图6实测光谱图Fig.6Measured spectra 表3实测波长对比数据Table 3Measured wavelength data for comparisonStandard wavelength /nm365.015407.783435.833546.074576.96579.066Ocean Optics Wavelength /nm 364.690407.240435.370545.520576.490578.460Relative error /nm -0.325-0.543-0.463-0.554-0.470-0.606Independent design Wavelength /nm 365.023407.824435.859546.064576.984579.054Relative error /nm 0.0080.0410.026-0.0100.024-0.012从表2中可以看出该光谱仪经波长校正后具有很好的效果，与标准波长对比其波长相对误差控制在0.05nm 以内。
