專利名稱：光柵光譜儀器高級次疊加光譜的分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜儀器與光譜測量領(lǐng)域，涉及在光柵光譜儀器長波光譜中疊加高級次短波光譜的分離方法。
背景技術(shù)：
各類光柵光譜儀器(分光光度計、單色儀、光譜輻射計，利用線陣列探測器的多通道光譜儀…等)都存在其工作波長的長波光譜信號中疊加短波高級次光譜信號的問題。如果在光譜儀及其測量中不采取措施，在這一長波疊加區(qū)獲得的光譜信號是混合光譜。必須從這一混合光譜中分離短波高級次光譜才能獲得長波光譜。現(xiàn)在通常的解決方法都是在這一疊加光譜區(qū)加一前截止濾光片阻止高級次光譜的疊加。
以使用衍射光柵一級光譜，工作波長在340nm～1100nm的光譜儀為例，它在680nm～1100nm譜段就依次疊加了340nm～550nm的二級光譜。因此，在這個疊加光譜區(qū)就加一個550nm前截止濾光片，阻止340nm～550nm的光譜信號來獲得680nm～1100nm的光譜信號。
波長掃描型光譜儀器中，為了不使高級次光譜疊加，波長掃描到光譜疊加區(qū)，就由轉(zhuǎn)盤插入前截止濾光片來阻止短波高級次光譜加進到長波光譜信號中。使用陣列探測器的光譜儀器中，解決的方法是在陣列器件光譜疊加區(qū)的相應(yīng)像元上添加濾光片。這些方法都增加了儀器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對有些應(yīng)用來說，這些結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。例如，使用面陣探測器的成像光譜儀，將濾光片精確安裝在面陣探測器光敏面的確定光譜疊加波長的像元上是相當(dāng)困難的。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容本發(fā)明針對上述背景技術(shù)在疊加光譜區(qū)加前截止濾光片阻止高級次光譜疊加，使儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本發(fā)明的目的是要提供一種光柵光譜儀器高級次疊加光譜的分離方法。
本發(fā)明的分離步驟如下對測得的自由光譜區(qū)短波光譜信號I(λj)＝I1(λj)(j＝0，1，2，…，n)和疊加光譜區(qū)的混合光譜信號I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)(i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n)的光譜數(shù)據(jù)進行計算處理，就能夠從I1+2(λi)混合光譜信號中分離短波二級光譜信號I2(λi)，從而獲得長波一級光譜信號I1(λj)。
a.首先測量基于光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)的短波二級光譜信號和短波一級光譜信號的比值，得到異級光譜信號比γ2/1(λi)I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)=η2(λi)η1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>b.再將基于光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)的自由光譜區(qū)的短波一級光譜信號數(shù)據(jù)相鄰項中間插值處理，得到插值短波一級光譜信號I1(λi)I1(λ1)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)i＝0，1，2，…，2n [7]c.將異級光譜信號比γ2/1(λi)和插值短波一級光譜信號I1(λi)相乘，得到疊加光譜區(qū)的短波二級光譜信號I2(λi)I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)i＝0，1，2，…，2n [6]d.測量疊加光譜區(qū)的混合光譜信號I1+2(λi)I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]e.從疊加光譜信號I1+2(λi)中減去I2(λi)，就得到了長波一級光譜信號I1(λj)I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[10]
這樣，就完成了光柵光譜儀器疊加的二級光譜的分離，疊加的其它高級次光譜可按上述步驟進行分離。
計算分離方法的優(yōu)點本發(fā)明光柵光譜儀器高級次疊加光譜的計算分離方法，不需要任何硬件措施，可在紫外、可見光、紅外任意光譜范圍分離光柵的高級次光譜。通過本發(fā)明就擺脫了分離高級次光譜對截止濾光片的依賴，只經(jīng)光譜儀器測得光譜信號數(shù)據(jù)的計算處理，就能夠從疊加光譜區(qū)混合光譜中分離高級次光譜而獲得長波光譜信號，并且可以減小光柵光譜儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性。特別對于使用面陣探測器的光柵光譜儀器，可使其結(jié)構(gòu)設(shè)計更加容易。


圖1是背景技術(shù)前截止濾光片光譜透過率圖2是本發(fā)明一級、二級光譜和混合光譜信號分布示意圖
具體實施例方式如圖2所示，本發(fā)明在對基于光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)的二級光譜效率和一級次光譜效率比的儀器參數(shù)進行測量的基礎(chǔ)上，并對自由光譜區(qū)的一級光譜信號進行測量，由此確定疊加光譜區(qū)的二級光譜信號，進而從疊加光譜區(qū)的混合信號中分離出二級光譜信號而得到長波一級光譜信號。
現(xiàn)以340nm～1100nm波長工作的光柵光譜儀器(簡稱光譜儀)中二級光譜疊加一級光譜的情況為例，用典型的光譜分析和測量情況說明，從長波一級光譜中疊加短波二級光譜的混合光譜信號中分離二級光譜，從而獲得長波本身的光譜信號。把340nm～1100nm波長區(qū)域劃分為目由光譜區(qū)340nm～680nm范圍只有一級光譜；疊加光譜區(qū)680nm～1100nm范圍疊加了340nm～550nm的二級光譜。
設(shè)光譜儀上輸入的光通量為E(λ)，τ0(λ)——光譜儀系統(tǒng)透過率； I1(λ)——一級光譜探測器信號輸出；R(λ)——探測器光譜響應(yīng)度；I2(λ)——二級光譜探測器信號輸出；η1(λ)——一級光譜光柵效率； I1+2(λ)——混合光譜探測器信號輸出；η2(λ)——二級光譜光柵效率； γ2/1(λi)——異級光譜信號比α——自由光譜區(qū)； β——疊加光譜區(qū)；一級光譜λ0，λ1，…，λn，…，λm，λm+1，λm+2，…，λm+2n，j＝0，…，n，…，m，…，m+2n，m＞n；短波一級光譜λ0～λn相鄰項中間插值，共獲得2n+1項數(shù)據(jù)；即λ0，λ1/2，λ1，…，λn-1/2，λn或者表示為λ0，λ1，λ2，…，λ2n-1，λ2n，i＝0，1，2，…，2n；長波一級光譜λm＝2λ0，λm+1＝2λ1，…，λm+2n＝2λ2n，j＝m，m+1，…，m+2n；短波二級光譜λ0，λ1，λ2，…，λ2n-1，λ2n，i＝0，1，2，…，2n。
工作在一級光譜的情況下I1(λ)＝E(λ)η1(λ)τ0(λ)R(λ) [1]而相應(yīng)的二級光譜，由于它的色散比一級光譜高一倍，采樣數(shù)也多一倍。
I2(λ)＝E(λ)η2(λ)τ0(λ)R(λ) [2]在自由光譜區(qū)，只有一級光譜。因此，測得總的光譜信號輸出I(λ)＝I1(λ)，即在340nm～680nm的自由光譜范圍I(λ)＝I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝0，1，…，n，…，m [3]在680nm～1100nm疊加光譜區(qū)，則有一級光譜I1(λj)(j＝m，m+1，…，m+2n)和340nm～550nm的二級光譜I2(λi)(i＝0，1，2，…，2n)相疊加的混合光譜I1+2(λi)。
I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]其中I1(λj)和I2(λi)為I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝m，m+1，…，m+2n [5]I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n [6]這樣，在自由光譜區(qū)λ0～λn采樣范圍有n+1個數(shù)據(jù)。疊加光譜區(qū)，由于短波二級光譜的色散是一級光譜的兩倍。所以，疊加光譜區(qū)短波二級光譜有2n+1個數(shù)據(jù)。長波一級光譜也有2n+1個數(shù)據(jù)。所以，將自由光譜區(qū)λ0～λn范圍采樣的n+1個數(shù)據(jù)相鄰項中間插值，獲得2n+1個數(shù)據(jù)同疊加光譜區(qū)采樣數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。
因此，將短波一級光譜I1(λj)采樣數(shù)據(jù)相鄰項中間插值處理以后就同二級光譜的光譜數(shù)據(jù)采樣數(shù)相同，得到插值短波一級光譜I1(λi)I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n [7]如果光譜儀器中不采取某些措施，我們從探測器測得的光譜信號輸出是[3]式和[4]式。在自由光譜區(qū)測得的光譜信號是[3]式，只有I(λ)＝I1(λj)(j＝0，1，…，n，…，m)波長區(qū)的光譜。但是在疊加光譜區(qū)由[4]式測得的是在長波一級光譜上疊加了短波二級光譜的混合光譜，即
I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]必須從測得的混合光譜I1+2(λi)中分離I2(λi)，才能獲得所要求的疊加光譜區(qū)的長波光譜信號?，F(xiàn)在通常的辦法是在疊加光譜區(qū)加一個550nm的前截止濾光片(如圖1所示)。
那么在疊加光譜區(qū)，波長短于550nm的二級光譜就不能經(jīng)過光譜儀，即I2(λi)＝0，這樣用濾光片就獲得了長波光譜信號I1(λj)。
光柵結(jié)構(gòu)和特性(閃耀角、效率、色散…等)確定以后。光譜儀器中一級光譜和二級光譜信號分布比例只與光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)有關(guān)。即從[6]式和[7]式可知I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)=η2(λi)η1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>也就是說，在疊加光譜區(qū)的二級光譜信號I2(λi)和一級光譜信號I1(λi)之比為光柵的二級光譜和一級光譜效率之比η2(λi)/η1(λi)=γ2/1(λi),]]>同入射光輻射強度E(λi)，光譜儀系統(tǒng)透過率τ0(λi)，探測器光譜響應(yīng)度R(λi)等都無關(guān)；是儀器參數(shù)γ2/1(λi)(同波長有關(guān))。在實際光譜儀器中γ2/1(λi)主要由η2(λi)和η1(λi)的比值決定，此外還受到雜散光等的影響。但是，作為儀器參數(shù)，可以預(yù)先測量得到。
光譜儀中已知(測量獲得)了γ2/1(λi)，就可以從疊加光譜區(qū)混合光譜信號I1+2(λi)中分離出短波二級光譜I2(λi)，進而獲得長波光譜信號I1(λj)。
根據(jù)[4]式，疊加光譜區(qū)混合光譜信號I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]根據(jù)[8]式
I2(λi)/I1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>所以I1+2(λi)＝I1(λj)+γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[9]I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[10]由于每次光譜測量中自由光譜區(qū)的光譜信號I1(λj)是直接測得的，并用內(nèi)插法可得出如[7]式的2n+1項光譜數(shù)據(jù)，所以按[8]式可以計算出I2(λi)＝γ2/1(λi)I1(λi)。因而，可以從I1+2(λi)中分離I2(λi)而獲得I1(λj)([10]式)。應(yīng)用其它高級次光譜的情況，可按此方法進行分離。
本發(fā)明中γ2/1(λi)的測量方法光譜儀上用光源照明入射狹縫，在出射狹縫用探測器接收信號輸出。
第一次測量不加前截止濾光片。那么在自由光譜區(qū)(340nm～680nm)獲得的光譜信號I(λ)＝I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝0，1，2，…，n，…，m [3]在疊加光譜區(qū)(680nm～1100nm)獲得的混合光譜信號I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) i＝0，1，2，…，2n [9]+E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi) j＝m，m+1，…，m+2n第二次測量在自由光譜區(qū)仍然同第一次測量一樣，不加濾光片，同第一次測量，并將I1(λj)采樣數(shù)據(jù)相鄰項中間插值處理，同對應(yīng)的二級光譜的光譜數(shù)據(jù)采樣數(shù)相同。即I1′(λi)I1′(λi)＝I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n[11]在疊加光譜區(qū)(680nm～1100nm)加一個光譜透過率為τF(λ)的前截止濾光片(如圖1所示)。那么，在疊加光譜區(qū)第二次測量中獲得的光譜信號中消除了短波二級光譜I2(λi)＝0，而只有長波一級光譜I1(λj)，即I′(λj)＝I1′(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)τF(λj)R(λj)＝τF(λj)I1(λj)j＝m，m+1，…，m+2nI1(λj)=I1′(λj)/τF(λJ)---j=m,m+1,···,m+2n---[12]]]>把[12]式帶入[9]式，整理得I2(λj)=I1+2(λi)-I1(λj)---i=0,1,2,···,2n]]>=I1+2(λi)-I1′(λj)/τF(λj)---j=m,m+1,···,m+2n---[13]]]>將式[13]÷[11]就得出γ2/1(λi)γ2/1(λi)=I2(λi)I1′(λi)]]>=[I1+2(λi)-I1′(λj)/τF(λj)]/I1′(λi)---i=0,1,2,···,2n;j=m,m+1,···,m+2n---[14]]]>這樣可測出γ2/1(λi)。
權(quán)利要求
1.光柵光譜儀器高級次疊加光譜的分離方法，其特征在于分離步驟只對測得的自由光譜區(qū)短波光譜信號I(λj)＝I1(λj)和疊加光譜區(qū)的混合光譜信號I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)的光譜數(shù)據(jù)進行計算處理，就能夠從I1+2(λi)混合光譜信號中分離短波二級光譜信號I2(λi)，從而獲得長波一級光譜信號I1(λj)a.首先測量基于光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)的短波二級光譜信號和短波一級光譜信號的比值，異級光譜信號比γ2/1(λi)I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj)=η2(λi)η1(λj)=γ2/1(λi)]]>b.再將基于光柵和光譜儀結(jié)構(gòu)的自由光譜區(qū)的短波一級光譜信號數(shù)據(jù)相鄰項中間插值處理，得到插值短波一級光譜信號I1(λi)I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)c.將異級光譜信號比γ2/1(λi)和插值短波一級光譜信號I1(λi)相乘，得到疊加光譜區(qū)的短波二級光譜信號I2(λi):I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)d.測量疊加光譜區(qū)的混合光譜信號I1+2(λi):I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)e.從疊加光譜信號I1+2(λi)中減去I2(λi)，就得到了長波一級光譜信號I1(λj):I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi)這就完成了光柵光譜儀器疊加二級光譜的分離，疊加其它高級次光譜可按上述步驟進行分離。
全文摘要
本發(fā)明涉及光柵光譜儀器高級次疊加光譜的分離方法，光柵光譜儀器高級次疊加光譜的計算分離方法首先測量基于光柵和光譜儀器結(jié)構(gòu)的異級光譜信號比γ
文檔編號G01J3/28GK1598504SQ20041001106
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者李宏升, 禹秉熙 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所