CN102538969B - 高分辨率光谱仪及其光学定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分辨率光谱仪及其光学定标方法，其中高分辨率光谱仪为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜。本发明光谱仪可应用于光谱分析。

Description

高分辨率光谱仪及其光学定标方法

技术领域

本发明涉及一种光谱分析设备。

背景技术

紫外-可见光波段是原子光谱谱线最为密集的区域。在此波段的高分辨率光谱仪能对未知物质进行定性和定量的分析。

阿达玛变换光谱仪是近年来兴起的高性能调制式光谱仪，其采用阿达玛变换光调制方法，具有信噪比高，体积小巧，解码速度快等优点。阿达玛变换(Hadamard Transform，HT)是近四十年来发展起来的基于平面波函数的一种变换。在光学应用中，阿达玛变换类似于统计学中的称量设计方法。在秤(检测器)的精度一定的情况下，几个物体分组称量后计算所得各物体的重量，比单独计量一个物体所称出的重量要准确。

图1是现有的阿达玛变换光谱仪的光路原理图。从入射口1(入射狭缝或入射小孔)发出的发散复合光线(待测光)经过球面镜2(或抛物镜、椭球镜)准直成平行光，被反射到平面光栅3；从平面光栅3射出的不同波长的一级衍射光线出射到成像镜4后，按波长进行排列聚焦在数字微镜5上，数字微镜5对不同波长的光信号进行调制，调制后的光信号由聚焦镜6汇聚到检测器7上进行测量，数字微镜5由多个微镜组成，在调制时每次变动都有不同的微镜向检测器7反射光，每变动一次测量一次光信号，最终通过计算得出待测光的光谱。

现有的阿达玛变换光谱仪存在的一个问题是只利用平面光栅进行一维色散，不能达到很高的分辨率。若使用较高的衍射级次，自由光谱范围很窄，很多光谱级次会重叠在一起，导致测量结果不准确。

发明内容

为了解决现有阿达玛变换光谱仪存在的光谱级次重叠的问题，本发明提供了一种高分辨率光谱仪及其光学定标方法。

本发明的技术方案如下：

高分辨率光谱仪，为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜。

所述第一聚焦镜为球面镜。

所述第二聚焦镜为凸透镜。

阿达玛变换光谱仪的光学定标方法，包括如下步骤：

同一光栅级次，介于波长λ₁和λ₂之间的波长为λ的光斑在二维数字微镜上的坐标X和Y为：

$X=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(x_1-x_2)+x_2$

$Y=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(y_1-y_2)+y_2$

其中，所述波长λ₁的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₁和y₁；所述波长λ₂的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₂和y₂。

本发明的技术效果：

本发明的技术方案利用利用中阶梯光栅和棱镜对入射光信号进行二维色散，将不同级次的光谱分离开，解决了光谱级次重叠的问题，同时使用二维数字微镜对色散后的光谱信号进行阿达玛调制，阿达玛模板的长度提高了100倍，极大地提高了线色散率，因此使得分辨率提升到了0.02nm，中阶梯光栅对于测量波段的所有波长光线均为闪耀光栅，相比普通的平面衍射光栅提高了衍射效率，在噪声信号不变的情况下提高了信号强度，同时二维阿达玛模板的数量n也比一维阿达玛模板大100倍，根据“在相同的实验条件下，经阿达玛变换后，信号的均方差可减少(n+1)²/4n倍，信噪比可提高

倍。”的现有结论，二维阿达玛变换的信噪比也得到了较大的提高。

本发明阿达玛变换光谱仪的光学定标方法通过理论计算得到结果，结合现有的实际光学定标方法，使得准确度更高。在光谱仪器中，准确度通常表现为波长漂移，在光谱仪器装配过程中不可避免的会产生机械误差从而使得测量值和理论值存在一定的偏移量，称为波长漂移。波长漂移越小，测量值越接近真值，测量结果越准确。光谱仪波长漂移的量级通常与其分辨率的量级相同。例如分辨率为1nm的光谱仪其波长漂移大小也在0.1～1nm之间。二维阿达玛变换光谱仪的波长漂移也应该小于其分辨率0.02nm。因此我们采用理论光学定标结合实际定标方法，采用标准汞灯对仪器进行校正。根据理论模型分别确定汞灯的紫色谱线404.649nm，蓝色谱线435.833nm，绿色谱线546.074nm在二维数字微镜上的位置坐标，再分析实际测量的数据，求得实际谱线对应的阿达玛码元位置坐标。利用软件数据处理的方法结合理论光学标定校正该处理论波长，从而进行谱图校正，得到更高的测量准确度。

附图说明

图1为现有阿达玛变换光谱仪的光路原理图。

图2为本发明阿达玛变换光谱仪一个实施例的光路原理图。

图3为本发明二维微镜表面光谱分布示意图。

图4为本发明阿达玛模板编码方式示意图。

图中标识说明如下：

1、入射口；2、球面镜；3、平面光栅；4、成像镜；5、数字微镜；6、聚焦镜；7、检测器；8、入射口；9、准直镜；10、中阶梯光栅；11、棱镜；12、第一聚焦镜；13、二维数字微镜；14、第二聚焦镜；15、检测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图2显示了本发明阿达玛变换光谱仪的光路的原理。依据入射光的顺序，图2所示光路包括：入射口8、准直镜9、中阶梯光栅10、棱镜11、第一聚焦镜12、二维数字微镜13、第二聚焦镜14和检测器15。二维数字微镜13是具有多行和多列的矩阵形式的数字微镜，所述矩阵中每个元素都是一个微镜。

对图2所示阿达玛变换光谱仪的工作过程进行简要说明。带有被测样品光谱信息的发散复合光线从入射口8进入到阿达玛变换光谱仪的光路，经准直镜9准直成平行光。所述平行光在中阶梯光栅10发生衍射，各波长不同衍射级次的光线以同一个衍射角出射(谱级色散)，经棱镜11后按波长在垂直方向进行第二次分光(谱线色散)。二次分光后的光经过第一聚焦镜12到达二维数字微镜13。二维数字微镜13在外部控制电路的控制下，其上的微镜进行开、关动作，实现对光信号的阿达玛调制。阿达玛调制后的光线经过第二聚焦镜14聚焦到检测器8上，与检测器8连接的检测系统采集检测器8的输出信号并传输给计算机，计算机对采集到的信号进行阿达玛解调，从而还原出原始光谱信息。

对图2中的部分光学元件进行具体说明。入射口8可以是入射狭缝或入射小孔。准直镜9可以采用球面镜或抛物镜或椭球镜等能够将入射光线准直的光学元件。第二聚焦镜14为凸透镜。中阶梯光栅10通过增大闪耀角、光栅常数和光谱级次来提高分辨率。由于衍射级次较高，自由光谱范围窄，很多级次光谱会重叠在一起。利用棱镜11将不同级次的光谱分离开，实现波长的双色散，从而得到二维光谱。同时，由于单个级次的色散角小，一般只有几度，自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀角附近，因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀，阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。现有阿达玛变换光谱仪采用的一维数字微镜(即由一行多列微镜构成的数字微镜)不能满足对二维光谱的调制，因此，本发明采用二维数字微镜13进行阿达玛调制，以适应二维光谱的调制需要。

本发明的技术方案利用利用中阶梯光栅和棱镜对入射光信号进行二维色散，将不同级次的光谱分离开，解决了光谱级次重叠的问题，同时使用二维数字微镜对色散后的光谱信号进行阿达玛调制，提高了分辨率和信噪比。

针对本发明的阿达玛变换光谱仪，还提供了一种光学定标方法，具体的是一种理论定标方法，能够确定不同衍射级次的不同波长光谱成像光斑在二维数字微镜上的坐标位置。

结合图3对本发明的光学定标方法进行说明。

图3中矩形方框代表二维数字微镜，其中的斜线代表二维色散光谱的谱线。图3中的X方向与Y方向为定义的二维数字微镜表面的坐标方向。

在二维数字微镜表面坐标系(以下简称坐标系)中，满足如下光栅方程：

m₁λ₁＝d(sini+sinθ)＝(m₁+1)λ₂＝……＝(m₁+i)λ_i+1        (1)

其中，m₁代表衍射级次，λ₁……λ₂为不同波长，i为自然数，d为光栅常数，i为入射角，θ为衍射角。

满足式(1)的光斑，其对应的光栅衍射角相同，故在坐标系中X坐标相同，按波长从小到大在Y方向由棱镜色散效果分离。同时，多级衍射对应的同一波长的不同衍射级次，在坐标系中Y坐标相同，按级次从小到大在X方向散布。两者结合，即形成二维色散。通过选择适当焦距的聚焦球面镜(图2中的第一聚焦镜12)，及调整光路中二维数字微镜的位置，使m₁λ₁(代表衍射级次为m₁，波长为λ₁的光斑，以下同)和m₁λ₂(代表衍射级次为m₁，波长为λ₂的光斑，以下同)两点分别处于二维数字微镜的最右端和最左端，那么从λ₁～λ₂范围的光斑即线性分布在二维数字微镜横向的微镜上。同理，从λ_i～λ_i+1范围内的光斑也线性分布在二维数字微镜上。

对图3中的谱线建立在坐标系下的方程。设方程为Y＝aX+b，m₁λ₁和m₁λ₂两点的坐标可以通过光路设计、棱镜色散原理等手段成为已知量，将m₁λ₁和m₁λ₂两点的坐标代入方程，可以得到a与b的值。设m₁λ₁和m₁λ₂两点的坐标分别为(x₁，y1)和(x₂，y₂)，同时，波长在λ₁～λ₂范围的光斑即在二维数字微镜横向上线性分布，则有

可以推导出波长λ(λ在λ₁～λ₂之间)对应光斑的坐标公式：

$X=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(x_1-x_2)+x_2---\left(2\right)$

$Y=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(y_1-y_2)+y_2---\left(3\right)$

其中，所述波长λ₁的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₁和y₁；所述波长λA₂的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₂和y₂。

λ₁，λ₂……λ_i是通过m₁λ₁＝d(sini+sinθ)＝(m₁+1)λ₂＝……＝(m₁+i)λ_i+1计算所得，其中d是中阶梯光栅的光栅常数，为定值，i和θ是入射角和衍射角，在光学设计完成后确定为固定值，i是自然数。因此λ₁，λ₂……λ_i也可以计算出来。

至此，依据公式(2)和(3)可以确定图3中光谱线上各光斑的坐标，进而可以确定直线方程。

由于本发明阿达玛变换光谱仪分辨率很高，故允许的波长漂移极小，前述理论定标的方法必须结合实际光学标定，实时进行波长校正。例如，采用标准汞灯对仪器进行校正。根据理论模型分别确定汞灯的紫色谱线404.649nm，蓝色谱线435.833nm，绿色谱线546.074nm在二维数字微镜上的位置坐标，再分析实际测量的数据，求得实际谱线对应的阿达玛码元位置坐标。结合理论光学标定对应光斑处的波长，从而进行谱图校正。

在光学定标之后，需确定阿达玛编码模板。参考图4，波长为λ_i到λ_i+1的第m_i级光斑线性分布在二维数字微镜上，各光斑中心点连接起来可确定一条直线，由光学定标结果可计算出直线方程，并算出波长为λ_x1，λ_x2……λ_xn在二维数字微镜上的坐标值。取光斑坐标值X左右两块微镜，以及Y轴由光斑高度所决定的微镜数组成一个码元(如图4中虚线所示块)，所得的码元标记为M_x1，M_x2……M_xi。其中x表示二维数字微镜上谱线的行数，i为一行码元的数量。

阿达玛变换光谱仪中的模板设计有一个必须要遵守的原则，即在调制过程中，当模板变化时模板序列任何两个不能完全相同，例如下面两个模板：A[0，1，0，1]B[1，1，0，1]，假设模板每次右移一位，形成矩阵如下：

$A:\left[\begin{array}{c}0101\\ 1010\\ 0101\\ 1010\end{array}\right]$ $B:\left[\begin{array}{c}1101\\ 1110\\ 0111\\ 1011\end{array}\right]$

可以看到，当A移动两次后，将与第一次完全相同，这样将导致无穷个计算解。而B在4次移动后，仍未出现模板重复现象，对应线性矩阵方程有唯一解。对于二维阿达玛变换光谱仪的阿达玛模板要求同样如此。

图4中所示阿达玛模板变化的规律如下：

$\left[\begin{array}{c}{M}_{11}{M}_{12}......M_{1i}\\ M_{21}{M}_{22}......M_{2i}\\ .....................\\ M_{x1}{M}_{x2}......M_{\mathrm{xi}}\end{array}\right]\→\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{xi}}{M}_{11}......M_{1(i-1)}\\ M_{1i}{M}_{21}......M_{2(i-1)}\\ .....................\\ M_{(x-1)i}{M}_{x1}......M_{x(i-1)}\end{array}\right]\→......\→\left[\begin{array}{c}{M}_{12}......M_{1i}{M}_{21}\\ M_{22}......M_{2i}{M}_{31}\\ .....................\\ M_{x2}......M_{\mathrm{xi}}{M}_{11}\end{array}\right]$

最终，组成阿达玛矩阵如下：

$S=\left[\begin{array}{c}{M}_{11}{M}_{12}......M_{1i}{M}_{21}{M}_{22}......M_{2i}......M_{x1}{M}_{x2}......M_{\mathrm{xi}}\\ M_{\mathrm{xi}}{M}_{11}......M_{1i}{M}_{21}{M}_{22}......M_{2i}......M_{x1}{M}_{x2}......M_{x(i-1)}\\ M_{x(i-1)}{M}_{\mathrm{xi}}{M}_{11}.......M_{1i}{M}_{21}{M}_{22}......M_{2i}......M_{x1}{M}_{x2}......M_{x(i-2)}\\ ............\\ M_{12}......M_{1i}{M}_{21}{M}_{22}......M_{2i}......M_{x1}{M}_{x2}......M_{\mathrm{xi}}{M}_{11}\end{array}\right]$

每次模板移动后测量测量得到值为Y，对应

Y＝S·X

将S进行阿达玛反变换得到S^-1，得到

X＝S^-1·Y

即可还原出原始光谱信号。

Claims (3)

1.高分辨率光谱仪的光学定标方法，所述高分辨率光谱仪为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜；其特征在于包括如下步骤：

同一光栅级次，介于波长λ₁和λ₂之间的波长为λ的光斑在二维数字微镜上的坐标X和Y为：

$X=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(x_1-x_2)+x_2$

$Y=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\×(y_1-y_2)+y_2$

其中，所述波长λ₁的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₁和y₁；所述波长λ₂的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为x₂和y₂。

2.根据权利要求1所述高分辨率光谱仪的光学定标方法，其特征在于：所述第一聚焦镜为球面镜。

3.根据权利要求2所述高分辨率光谱仪的光学定标方法，其特征在于：所述第二聚焦镜为凸透镜。

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