[发明专利]背照式CCD阵列光谱仪标准具效应的校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及光谱仪校正方法，尤其是背照式CCD阵列光谱仪标准具效应(Etaloning effect)的校正方法。

背景技术

光谱仪是一种用于检测电磁谱中特定区域的光特性的仪器。它将收集的光进行光谱色散，最后将光信号重构为一系列的单色影像，从而对其进行检测。通过光谱仪对光信息获取、然后进行分析，可以得到和物质组成相关的信息。这种技术被广泛的应用于工业领域。

光谱仪通常有色散型和傅立叶变换型两大类。采用光栅进行色散的原理使得色散型光谱仪获取数据的时间远小于FT-Raman。目前色散型光谱仪一般采用CCD阵列作为检测器。色散型CCD阵列光谱仪根据入射光进入CCD检测器方向的不同，可分为前照式CCD阵列光谱仪和背照式CCD阵列光谱仪。前照式CCD阵列光谱仪在感光时，入射光从MOS结构的正面进入，即由带有复杂的电极结构的SiO₂层射入，其厚度一般在600微米左右，光通过时损失较大。背照式CCD阵列光谱仪与此相反，光子由MOS结构的背面Si层射入。由于器件的背面没有复杂的电极结构，通常只有10～20微米厚度，故能获得较高的量子效率，提高了CCD器件感光的灵敏度。因此，背照式CCD阵列光谱仪在应用中能获得更高的精度，同时缩短检测时间。

然而由于背照式CCD阵列的薄型设计，其对近红外波长段的光呈现半透明状态，光在平行的前后表面多次反射，产生标准具效应。标准具效应导致光谱产生类似正弦函数的畸变，通常其畸变幅度达到光谱强度的20％，周期为5纳米左右。这对光谱的分析造成极大困难。

为减小标准具效应的影响，仪器生产商通常采用增加CCD硅层厚度和使用抗反射膜的方法。第一种方法中，将CCD硅层厚度增加至40～50微米，可以使近红外光更多地被吸收，从而减少反射光路中的干涉光，减小标准具效应的影响。但是，当硅层增加到一定厚度，其对光的吸收减少，导致量子效率下降。第二种方法中，使用抗反射膜降低了光的反射，但是通常抗反射膜只能降低反射率而不能完全消除反射，并且其反射率受环境影响。因此，以上方法并没有完全消除背照式CCD阵列光谱仪中标准具效应的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种背照式CCD阵列光谱仪标准具效应的校正方法，以实现光谱仪的准确测量。

本发明的背照式CCD阵列光谱仪标准具效应的校正方法，包括如下步骤：

1)用钨卤光源或荧光物质测取光谱仪标准具效应光谱A；

2)用最小二乘法对光谱仪标准具效应特征光谱A进行多项式拟合，得到光谱仪标准具效应光谱基线B；

3)根据步骤1)得到的光谱仪标准具效应光谱和步骤2)中的光谱基线，按式(1)计算光谱仪标准具效应特征曲线T；

T＝(A-B)/B    ---------(1)

4)测量待测物质光谱S；

5)根据待测物质光谱S和标准具效应特征曲线T计算补偿光谱曲线P；

设：Si、Ti、Pi分别为S、T、P在第i个像素点的值，根据算式Ci＝Si*Ti/(1+Ti)计算C。选取一段无尖锐信号区域作为参考区，在参考区内，对S和C分别进行一阶最小二乘拟合，各自减去拟合值，计算S和C各自减去拟合值之后的方差之比k，补偿光谱曲线P＝k*C；

6)从待测物质光谱S中减去补偿光谱曲线P得到校正后光谱。

本发明中，用钨卤光源测取光谱仪标准具效应光谱的方法是，钨卤光源发出的光经过光纤或者不经光纤直接进入光谱仪入射狭缝，光谱仪设定合适的积分时间测取光源光谱。然后关闭钨卤光源，使用相同积分时间采集背景光谱。将光源光谱减去背景光谱得到光谱仪标准具效应光谱。

本发明中，用荧光物质测取光谱仪标准具效应光谱的方法是，光源激发荧光物质使其发出荧光，使用探头收集荧光并经由光纤至光谱仪入射狭缝，光谱仪设定合适的积分时间采集荧光光谱。然后关闭光源，使用相同的积分时间采集背景光谱。将荧光光谱减去背景光谱得到光谱仪标准具效应光谱。

本发明的有益效果在于：

由于标准具效应是背照式CCD阵列光谱仪的固有缺陷，在硬件上解决该问题存在较大的技术困难，且成本较高。本发明从光谱软处理的角度对光谱进行校正，在不降低光谱仪量子效率的情况下，完全消除了标准具效应的影响，提高了该类型光谱仪的准确性。可用于实验室光谱仪日常校正，也可用于在线光谱仪的校正。这对基于背照式光谱仪的实验室光谱分析和工业生产在线光谱分析有着重要意义。

附图说明

图1为背照式CCD阵列光谱仪测得的钨卤光源光谱(实线)及其拟合基线(虚线)。