CN101324468B - 低杂散光快速光谱仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低杂散光快速光谱仪及其测量方法，光谱仪包括光信号采集机构和光学平台，其特征在于光学平台内包括带通色轮，带通色轮上设置一组带通滤色片和通孔，入射光线经带通滤色片或通孔后在到达色散元件进行分光并最后被阵列探测器接收。通过带通色轮转动，入射光束逐个扫描带通滤色片，逐段精测被测样品的光谱仪相应响应函数。测量具有相类似光谱特征的同类样品时，先逐段精测和经过通孔全谱快测典型样品，利用两次测量结果计算出杂散光修正因子，对同类样品全谱快测并用杂散光修正因子修正就可实现快速精测。本发明有效地降低了快速光谱仪的测量杂散光，可快速精确地测量具有相类似光谱特征的一类样品的光谱曲线和相关的光色参数。

Description

低杂散光快速光谱仪及其测量方法

【技术领域】

本发明属于光谱辐射测试领域，具体涉及一种快速光谱仪及其测量方法。

【背景技术】

光谱仪用以测量光的光谱功率分布分布，被广泛应用于颜色测量、元素鉴定、化学分析等领域。杂散光水平是光谱仪中的一个重要参数，所谓杂散光是指错误波长(非对应信号光波长)的光辐射照射在探测器象元上所产生的信号，这项参数对于光谱仪的所有应用都非常重要，尤其在下述情况时它对测量结果的影响更为突出：

被测样品为线状光谱发射或在被测波长范围内存在大量无辐射功率分布区域，如果杂散光使仪器在空光谱辐射分布区域产生了非零响应，测量结果就可以看作增加了白光；

光谱辐射能量随着波长变化较快时，周围波长的近场杂散光干扰会对测量结果产生较大影响；

采用标准A光源对光谱仪定标，标准A光源在780mm处的能量是在380nm处的25倍之多，故在定标中，杂散光将使仪器高估380nm处的响应。

通常杂散光有以下几个主要来源：周围环境光辐射；光学元件缺陷所产生的散射光或非光学元件产生的反射光；不同衍射级次间的重叠。细致精密的设计可以使杂散光降低到合理的水平，例如采用密封结构，光谱仪内部涂黑或在准直镜和光栅等光学元件前设置光阑等。但是为了达到更高的精度，需要进一步的措施。最简单的改进方法就是采用带通滤色片削减光谱成分，另外双单色仪的方法可以达到更高的精度，而目前滤色片和双单色仪方法主要应用于机械扫描型的光谱仪中，如何应用在采用阵列探测器的快速光谱仪中似乎很困难，这也使得杂散光控制之一指标成为快速光谱仪的一个局限。

目前在使用阵列探测器的快速光谱仪中减少杂散光的方法是在阵列探测器的某些象元上使用长通滤光片，此种方法存在局限：首先，仅在色散光的接收端使用滤光片并不能有效阻止入射光束在光学平台内传播时杂散光的产生；其次，长通滤光片虽在一定程度上限制了高次衍射光，但是对于诸如标准A光源那样在短波部分能量较弱、长波部分较强的光谱分布，长波部分的杂散光会对短波长部分的测量带来很大的误差，从而影响定标或者测量结果。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种低杂散光快速光谱仪，可以相对传统机械扫描方法较快速的测量样品的光谱功率分布；并且可以通过软件修正实现同一类被测样品快速精确测量的目的。

本发明的另一个目的是提供一种快速并精确测量样品的光谱功率分布的低杂散光快速光谱仪的测量方法。

低杂散光快速光谱仪

为了达到上述的第一个目的，本发明采用如下技术方案：

一种低杂散光快速光谱仪，包括光信号采集装置和光学平台，光学平台是一个腔体，光学平台内包括入射狭缝，色散元件，光学聚焦系统和阵列探测器以及光电控制和调节处理系统，其特征在于包括带通色轮和带通色轮的旋转驱动装置，带通色轮的同一半径圆周上均布一组带通滤色片和一个无任何滤色片的通孔。光信号采集装置把采集到的光信号通过一个入射狭缝传送到所述的低杂散光快速光谱仪的光学平台内部，带通色轮设置在光信号采集装置和色散元件之间，通过旋转驱动装置，带通色轮可以旋转并把相应的带通滤色片或通孔切入光信号采集装置与色散元件之间的光束中，经过通孔或带通滤色片后的入射光束进一步入射到色散元件，所述的色散元件对所述的入射光束分光，并通过光学聚焦系统把色散光谱的像投射到一块阵列探测器上。

上述的一组带通滤色片中有二片到二十片之间任意数量的带通滤色片，上述带通滤色片的导通波段首尾交叠，且覆盖整个待测波长范围。

上述的带通色轮上包括一个完全不透光的起快门作用的盲孔，盲孔的位置与上述带通滤色片或通孔的位置相当，转动带通色轮能把盲孔切入入射光束中。当盲孔工作时，入射光束不能进入色散元件，探测器不工作。

上述的带通色轮上还包括中性减光片，中性减光片的位置与上述带通滤色片或通孔的位置相当，转动带通色轮能把中性减光片切入入射光束中。上述的减光片也可以位于带通色轮与色散元件之间或带通色轮与入射狭缝之间的光路中，设置减光片轮盘及其旋转驱动装置，减光片轮盘的同一半径圆周上均布若干中性减光片和一个通孔；旋转减光片轮盘能把相应的中性减光片或通孔切入光路。

当中性减光片工作时，入射光束的光强被减弱，中性减光片可以用来提高快速光谱仪的测量动态范围。中性减光片的透射率仍然具有光谱选择性的。使用中性减光片需要对所述的低杂散光快速光谱仪定标。

上述的低杂散光快速光谱仪中，在所述阵列探测器的前方设置线性可变滤色器，所述的线性可变滤色器是一组长通或短通或带通滤色片，用来减少杂散光以及高次衍射光的干扰。

上述的带通色轮和减光片轮盘的旋转驱动装置是带减速装置或不带减速装置的步进电机，伺服电机或直流电机。

上述的色散元件是光栅或棱镜，所述的光栅是平面衍射光栅或带平面场修正的凹面衍射光栅，根据光栅上的凹槽形成方式的不同，所述的光栅是全息光栅和刻划光栅。带平面场修正的凹面衍射光栅可以充当光学聚焦系统，同时实现分光和光学聚焦两种功能。

上述的阵列探测器为电荷耦合器件，光电二极管阵列，CMOS线性成像探测器，InGaAs阵列成像探测器。

上述的低杂散光快速光谱仪的光学平台内入射狭缝与色散元件之间的光路上包括光学反射镜，入射光束经过光学反射镜被反射到色散元件。

上述的低杂散光快速光谱仪的光学平台内也可以包括准直装置，准直装置位于入射狭缝与色散元件之间的光路上，发散的入射光束经过准直装置会聚为平行光束，在入射到光栅上被分光。

上述的低杂散光快速光谱仪的光学平台中可以包括探测器镀膜，用以增强阵列探测器在紫外或者其它波段的灵敏度。

上述的低杂散光快速光谱仪的光学平台中可以包括用于消二级或三级光的长通滤色片。

上述的微处理器可以单独实现仪器的控制和信号的处理以及测量结果的输出，也可以与电脑电连接，并与其进行数据交换，由电脑完成相应功能。

本低杂散光快速光谱仪的测量范围为380nm～780nm的可见光波段，或紫外-可见-近红外波段。

低杂散光快速光谱仪的测量方法

为了达到上述的第二个目的，本发明的技术特征包括下述步骤：

逐个波段精确测待测样品：待测样品的入射光束先经过带通滤色片，相应导通波段的入射光束被分光和接收，整个待测波长范围的入射光束的光谱测量是通过逐个扫描所述的带通滤色片来实现的；

在第i个带通滤色片下典型样品的光谱功率分布为Pⁱ(λ)＝Cⁱ(λ)·Mⁱ(λ)

Mⁱ(λ)为光谱仪在第i个带通滤色片下在该波长上对待测样品的响应，

Cⁱ(λ)为标准光源在第i个带通滤色片下的定标系数，逐段精测时对所述低杂散光快速光谱仪的定标也是使用标准光源逐段定标的，标准光源在第i个带通滤色片下的定标系数为 $C^i\left(\mathrm{\λ}\right)=S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_s^i\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中S(λ)为已知标准光源的光谱功率分布，

为第i个带通滤色片下光谱仪对标准A光源的响应，

合并Pⁱ(λ)，导出典型样品在整个待测波长范围内的光谱功率分布P(λ)。

为了达到上述的第二个目的，本发明的技术特征还可以包括下述内容：

(a)逐段精测典型样品：典型样品的入射光束先经过带通滤色片，相应导通波段的入射光束被分光和接收，整个待测波长范围的入射光束的光谱测量是通过逐个扫描所述的带通滤色片来实现的；

在第i个带通滤色片下典型样品的光谱功率分布为 $P_t^i\left(\mathrm{\λ}\right)=C^i\left(\mathrm{\λ}\right)\·M_t^i\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中

为光谱仪在第i个带通滤色片下对典型样品的响应，

Cⁱ(λ)为标准光源在第i个带通滤色片下的定标系数，逐段精测时对所述低杂散光快速光谱仪的定标也是使用标准光源逐段定标的，标准光源在第i个带通滤色片下的定标系数为 $C^i\left(\mathrm{\λ}\right)=S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_s^i\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中S(λ)为已知标准光源的光谱功率分布，

为第i个带通滤色片(6-1)下光谱仪对标准A光源的响应；

合并

导出典型样品在整个待测波长范围内的光谱功率分布P_t(λ)；

(b)全谱快测典型样品：典型样品的入射光束不经过带通滤色片(6-1)，整个待测波长范围的入射光束同时被分光和接收；

全谱快测典型样品的光谱功率分布为 $P_t^0\left(\mathrm{\λ}\right){=C}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·M_t^0\left(\mathrm{\λ}\right),$

为不经过带通滤色片时光谱仪在该波长上对待测样品的响应，

C⁰(λ)为标准在光源在快速条件下的定标系数，全谱快测时对所述低杂散光快速光谱仪的定标是标准光源在相同的测量条件下全谱段范围内的定标，定标系数为 $C^0\left(\mathrm{\λ}\right)=S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_s^0\left(\mathrm{\λ}\right),$

为光谱仪的响应。

(c)求出杂散光修正因子：用对比法计算杂散光修正因子，

典型样品的杂散光修正因子为 $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_t\left(\mathrm{\λ}\right)}{P_t^0\left(\mathrm{\λ}\right)},$

P(λ)和P⁰(λ)分别为逐段精测和全谱快测两种情况下典型样品的光谱功率分布；

(d)全谱快速精测：在与(b)相同测量条件下，全谱快测与典型样品具有类似光谱特征的同类样品，并用杂散光修正因子修正测量结果；

同类样品经杂散光修正因子修正后的值为 $P_{\mathrm{tt}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_{\mathrm{tt}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·K\left(\mathrm{\λ}\right),$

为全谱快测同类样品的光谱功率分布，

P_tt(λ)为经杂散光修正因子修正后同类样品的精确光谱功率分布值。

上述用对比法计算杂散光修正因子并修正同类样品的方法可以用来修正颜色或其它有光谱功率分布分布推导出的量值，即在逐段精测和全谱快测两种情况下测量并得到典型样品的相应参数，并用上述对比法计算出所述参数的修正因子，对于同类样品，可在全谱快测后得到对应的参数，使用上述的修正因子对结果修正，就可得到全谱快速精测的测量值。例如CIE 1931色品坐标(x，y)，根据在逐段精测和全谱快测两种情形下典型样品的光谱功率分布分布

和P_t(λ)分别计算出色品坐标

和(x_t，y_t)，色品坐标修正因子可表示为 $K_x=\frac{x_t}{x_t^0},$ $K_y=\frac{y_t}{y_t^0},$ 修正因子K_x和K_y乘以通过全谱快测计算出来的同类样品的色品坐标

得到同类样品B的全谱快速精测的色品坐标(x_tt，y_tt)。

上述的低杂散光快速光谱仪在逐段精测时，利用带通滤色片先将入射光束的波段范围大大缩小，有效地减少远场的杂散光干扰，提高测量精度；通过这种方法，快速光谱仪从一次扫描快速测量整个波段范围内的光谱变为多次测量逐步扫描带通波段，测量速度下降，但相比传统机械扫描式光谱仪，速度仍然要快，且与没有加带通滤色片组的传统机械扫描式光谱仪相比，所述低杂散光快速光谱仪的杂散光可能更低。这种逐段精测的方法特别适合于实验室使用。

上述的低杂散光快速光谱仪及其测量方法特别适用于连续测量同一类具有相似光谱特性的样品。如上所述，逐段精测的方法，虽然精度较高，但是测量速度大大降低，在生产线或质检等方面，这种方法会受到限制。考虑到对于同一类具有类似的光谱功率分布，因此使用同一快速光谱仪，它们的杂散光干扰也是类似的，利用这一原理，我们可以先在加一组带通滤色片的条件下相对慢速测量某一个待测样品，并计算出这一类样品在本快速光谱仪下的杂散光修正因子。对于以后的同一类样品，只要在无滤色片的通孔下通过一次快速扫描测量，然后利用软件修正测量结果，即可得到该同类样品的低杂散光测量结果。

与现有的技术相比，本发明的优点在于克服了快速光谱仪在杂散光方面的局限性。通过带通滤色片组的方法有效降低杂散光干扰；对同一类具有相似光谱功率分布的样品，可以通过逐段精测和全谱快测两种方法分别测量一个典型样品，求出杂散光修正因子，其他同类样品只要一次全谱快测，用软件对测量结果修正就可得到全谱精测的结果，测量快速而准确。

【附图说明】

附图1为该发明的一种结构示意图。

附图2为一种带通色轮的示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，本发明的低杂散光快速光谱仪，包括光信号采集装置1和光学平台2，光信号采集装置1把采集到的光信号通过一个入射狭缝3传送到光谱仪内部，在所述光谱仪内部设置一个带通色轮6，带通色轮6如图2所示，带通色轮6上有一组带通滤色片6-1，一个通孔6-2，一个盲孔6-3和一个中性减光片6-4，在驱动电机9的带动下，所述的带通色轮6转动，把相应的带通滤色片6-1、通孔6-2、盲孔6-3或中性减光片6-4转至待测入射光束中，盲孔6-3工作时，入射光束不能到达色散元件4，阵列探测器5不工作，入射光束经过通孔6-2、滤色片6-1或中性减光片6-4后进一步入射到色散元件4，所述的色散元件4把所述的入射光束色散，并通过光学聚焦系统7把色散光谱的像投射到一块阵列探测器5上，阵列探测器5前设置有一组长通滤色片组成的线性可变滤色器8。所述的低杂散光快速光谱仪内部还包括一个利用现有技术而设计制作的微处理器和外围电路，用于控制光谱仪的工作状态和带通色轮6的转动并且调节、转换和传输阵列的探测信号。所述的低杂散光快速光谱仪还包括与之配套的软件，用于处理和分析测量结果。图例中所述的色散元件4是一块带平面场修正的凹面衍射光栅，该凹面衍射光栅兼容了光学聚焦系统7的功能，直接把不同波长的单色光投射到阵列探测器5的象元上，所述的带通色轮的旋转驱动装置是步进电机，所述的阵列探测器5是电荷耦合器件CCD，在同一个快速光谱仪内不同位置的CCD象素对应不同波长单色光的光电转换，所述的微处理器与电脑相连，且数据通讯接口为USB数据通讯口。

本实施例所述的一组带通滤色片6-1中有五片带通滤色片6-1，带通滤色片6-1的导通波段首尾交叠，且覆盖整个待测波长范围。入射光束经过某一个带通滤色片6-1后，成为对应的窄谱段的光束入射到衍射光栅4分光；入射光束经过通孔6-2光谱辐射功率保持不变；而入射光束经过中性减光片6-4后光谱辐射功率整体降低，但中性减光片的透射率仍有光谱选择性。

使用该低杂散光光谱仪可以在三种情况下对样品测量，即逐段精测单个样品，全谱快测单个样品和全谱快速精测一类具有相似光谱功率分布分布的样品。对所述光谱仪的定标也包括两种情况：标准A光源逐段定标，标准A光源在全谱段范围内定标。标准A光源逐段定标时在第i个带通滤色片6-1下的定标系数为 $C^i\left(\mathrm{\λ}\right)=S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_s^i\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中S(λ)为已知标准光源的光谱功率分布，

为第i个带通滤色片6-1下光谱仪对标准A光源在该波长上的响应；标准A光源全谱段范围内的定标系数为 $C^0\left(\mathrm{\λ}\right)=S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_s^0\left(\mathrm{\λ}\right),$

为光谱仪在该波长上的响应。在本实施例中标准A光源全谱段范围内的定标包括入射光束经过通孔6-2和中性减光片6-4两种情况。

使用本低杂散光快速光谱仪逐段精测单个样品的方法是：入射光束先经过带通滤色片6-1，相应导通波段的入射光束被分光和接收，整个待测波长范围的入射光束的光谱测量是通过逐个扫描所述的带通滤色片6-1来实现的。在第i个带通滤色片6-1下典型样品的光谱功率分布为Pⁱ(λ)＝Cⁱ(λ)·Mⁱ(λ)，其中Cⁱ(λ)为标准光源在第i个带通滤色片6-1下的定标系数，Mⁱ(λ)为光谱仪在第i个带通滤色片6-1下在该波长上的响应，合并Pⁱ(λ)，导出典型样品在整个待测波长范围内较的光谱功率分布P(λ)。

使用本低杂散光快速光谱仪全谱快测单个样品的方法是：入射光束经过通孔6-2或中性减光片6-3，整个待测波长范围的入射光束同时被分光和接收，全谱快测典型样品的光谱功率分布为P⁰(λ)＝C⁰(λ)·M⁰(λ)，C⁰(λ)为标准A光源在在通孔或减光片下的定标系数，M⁰(λ)为快速条件下光谱仪在该波长上对待测样品的响应；

使用本低杂散光快速光谱仪的测量方法包括：

(a)逐段精测典型样品：按上述逐段精测单个样品的方法测量典型样品的光谱功率分布，得到P_t(λ)；

(b)全谱快测典型样品：按上述全谱快测单个样品的方法测量典型样品的光谱功率分布，得到

(c)求出杂散光修正因子：用对比法计算杂散光修正因子，典型样品在某一波长的杂散光修正因子为 $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_t\left(\mathrm{\λ}\right)}{P_t^0\left(\mathrm{\λ}\right)};$

(d)全谱快速精测：在与(b)相同测量条件下，全谱快测与典型样品具有类似光谱特性的同类样品，并用杂散光修正因子修正测量结果，同类样品在某一波长下经杂散光修正因子修正后的值为 $P_{\mathrm{tt}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_{\mathrm{tt}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·K\left(\mathrm{\λ}\right),$

为全谱快测同类样品的光谱功率分布，P_tt(λ)为经杂散光修正因子修正后同类样品的精确光谱功率分布。

Claims (9)

1.一种低杂散光快速光谱仪，包括光信号采集装置(1)和光学平台(2)，光学平台(2)内包括入射狭缝(3)，色散元件(4)，光学聚焦系统(7)，阵列探测器(5)以及光电控制和调节处理系统，其特征在于在光信号采集装置(1)和色散元件(4)之间设置有带通色轮(6)，带通色轮(6)的同一半径圆周上均布一组带通滤色片(6-1)和无任何滤色片的通孔(6-2)；所述带通色轮(6)与能把带通色轮(6)上的带通滤色片(6-1)或通孔(6-2)切入光信号采集装置(1)和色散元件(4)之间入射光束中位置的旋转驱动装置(9)相连；所述的一组带通滤色片(6-1)的导通波段首尾交叠，且覆盖整个待测波长范围。

2.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于所述的带通色轮(6)的带通滤色片的位置上设有一个完全不透光的起快门作用的盲孔(6-3)。

3.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于：所述的带通色轮(6)的带通滤色片的位置上设有一中性减光片(6-4)。

4.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于：在所述的光学平台(2)内的带通色轮(6)与色散元件(4)之间或带通色轮(6)与入射狭缝(3)之间设置有减光片轮盘，减光片轮盘的同一半径圆周上均布一组中性减光片和一个通孔，减光片轮盘与能把减光片轮盘上的中性减光片或通孔切入带通色轮(6)和色散元件(4)之间或入射狭缝(3)与带通色轮(6)之间的光路中位置的旋转驱动装置相连。

5.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于：在光学平台(2)的入射狭缝(3)与色散元件(4)之间的光路上，设有用于反射入射光束的光学反射镜。

6.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于：所述的光学平台(2)内位于入射狭缝(3)与色散元件(4)之间的光路上，设有把入射光束的发散光会聚为平行光束的准直装置。

7.根据权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪，其特征在于：在所述阵列探测器(5)的前方设置线性可变滤色器(8)。

8.一种权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪的测量方法，

其特征在于包括下述步骤：

(a)逐段精测典型样品：典型样品的入射光束先经过带通滤色片(6-1)，相应导通波段的入射光束被分光和接收，整个待测波长范围的入射光束的光谱测量是通过逐个扫描所述的带通滤色片(6-1)来实现的；

在第i个带通滤色片(6-1)下典型样品的光谱功率分布为

其中Cⁱ(λ)为标准光源在第i个带通滤色片(6-1)下的定标系数，

为光谱仪在第i个带通滤色片(6-1)下在该波长上对典型样品的响应，合并导出典型样品在整个待测波长范围内的光谱功率分布P_t(λ)；

(b)全谱快测典型样品：典型样品的入射光束不经过带通滤色片(6-1)，整个待测波长范围的入射光束同时被分光和接收；

全谱快测典型样品的光谱功率分布为

C⁰(λ)为标准在光源在快速条件下的定标系数，

为快速条件下光谱仪在该波长上对待测样品的响应；

(c)求出杂散光修正因子：用对比法计算杂散光修正因子，

典型样品的杂散光修正因子为

P(λ)和P⁰(λ)分别为逐段精测和全谱快测两种情况下典型样品的光谱功率分布；

(d)全谱快速精测：在与(b)相同测量条件下，全谱快测与典型样品具有类似光谱特征的同类样品，并用杂散光修正因子修正测量结果；

同类样品经杂散光修正因子修正后的值为

为全谱快测同类样品的光谱功率分布，

P_tt(λ)为经杂散光修正因子修正后同类样品的精确光谱功率分布值。

9.一种权利要求1所述的低杂散光快速光谱仪的测量方法，

其特征在于包括下述内容：

逐个波段精确测待测样品：待测样品的入射光束先经过带通滤色片(6-1)，相应导通波段的入射光束被分光和接收，整个待测波长范围的入射光束的光谱测量是通过逐个扫描所述的带通滤色片(6-1)来实现的；

在第i个带通滤色片(6-1)下典型样品的光谱功率分布为Pⁱ(λ)＝Cⁱ(λ)·Mⁱ(λ)，

其中Cⁱ(λ)为标准光源在第i个带通滤色片(6-1)下的定标系数，

Mⁱ(λ)为光谱仪在第i个带通滤色片(6-1)下在该波长上对待测样品的响应，

合并Pⁱ(λ)，导出典型样品在整个待测波长范围内的光谱功率分布P(λ)。

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