多道实验预习报告.doc

光学多道测量光谱【摘要】本预习报告主要介绍了利用OMA系统测定谱线的波长，并对该仪器主要的使用方法和原理进行了简要的介绍，提出了一个通过已知光谱定标再测定未知光谱的实验方案。【关键词】电耦合器件（CCD）,光学多道，OMA，谱线引言：电荷耦合器件是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件。她具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。自1970年问世以来，发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光就可获得整个光谱，并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫星遥感器。实验原理：一、光学多通道分析器（OMA）图1是利用现代电子技术接收和处理某一波长范围（12）内光谱信息的光学多通道检测系统的基本框图。 图1光学多通道检测系统的基本框图入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成12的谱带。位于出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D变换后存贮并显示在计算机上。OMA的优点是所有的像元（N个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道光谱系统检测同一段光谱的总时间快N倍。在摄取一段光谱的过程中不需要光谱仪进行机械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差；减少了光源强度不稳定引起的谱线相对强度误差；可测量光谱变化的动态过程。图2是多色仪及光源部分的光路。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向90，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G。衍射光经球面镜M3和M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长0为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长0的波长计。转开平面镜M4可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。图2多色仪及光源部分的光路图二定标以及测量光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射。衍射时，遵循光栅方程：dsin=k k=0,1,2 （1）式中d是光栅常数，是入射光波长，k是衍射级次，为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、锐的亮线。由dsin=k可知，级次间距对应的，当角度较小的时候，角度间隔最小，当角度增加时，角度间隔增加。所以光谱排列并非按角度线性分布。我们在测量未知波长时是同过已知的两个或多个（本实验仪器最多允许选择5个已知波长做四次定标）波长。当角度较小时，我们可以简化为线性，可以采用线性定标。更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标。定标完毕后，可以将结果保存为文件。但我们需要明白定标文件的使用：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次），我们采集到已知谱线，对已知谱线定标，将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。实验步骤一定标 （a）检索起始波长到400nm（主要目的是400nm以上的波长是可见光，可以通过观察窗观察）。需要注意，检索起始波长（或中心波长）时一定要注意，观察窗的转换开关要处于CCD的位置，即衍射光线要投影到CCD上供计算机采集数据，而不是投影到观察窗供用户眼睛观察。否则计算机将不动作。（b）检索到相应位置后，计算机一般会提示“检索完毕”，同时计算机转动的“嘎吱”声停止。检索完毕后，关灯，然后采集背景光。（c）背景采集完毕后，可以对已知光谱进行实时采集。（d）停止采集后，对谱线进行定标。在定标之前，对谱线的波长进行确认。需要特别注意，当转化开关没有扳向观察窗而又打开了CCD的遮光盖，将容易使CCD饱和而损坏。定标的步骤是：先停止谱线采集选择“手动定标” 选定第一个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”按钮选定第二个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”按钮点击定标按钮，计算机弹出定标对话框选择适合的定标（线性、一次、二次、三次或四次定标）定标完成后，计算机横坐标换成波长显示。（e）采集谱线后，为了减少定标误差，相距较近的407.78nm，不用来定标。因此可以选择404.66nm、435.84nm和546.07nm进行2次定标。二测量未知谱线（a）获取波长坐标，一方面可以通过定标来获取；另一方面也可以通过打开保存的已经定标