CN106969835B - 一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，包括如下步骤：1)根据探测器尺寸和光谱仪器的光谱范围设计滤光片尺寸，并对滤光片进行分区镀膜。2)将滤光片贴在探测器表面，并测出不同积分时间下的钨灯光源光谱，对光谱凹陷处进行补偿，与原光谱进行对比，获得修正数据。3)将修正数据烧入光谱仪器下位机EEPROM。通过滤光片和下位机修正获得了一种成本极低的二级和高级衍射光谱消除方法，可以广泛应用于光栅色散型光谱仪器中。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪器领域，尤其涉及一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法。
背景技术
光谱仪器是利用光的色散原理、衍射原理对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的设备。广泛应用于科技农业生产、工业流程的监控、生态环境的监测、生物医学的研究以及科学实验、航空航天、军事科技等领域。尤其是基于光栅色散原理的光谱仪器的应用最为广泛。但是光栅型光谱仪器必然存在着二级和高级衍射光谱，与一级光谱重叠使探测器无法区分，因此必须滤除二级和高级衍射光谱。目前滤除二级和高级衍射光谱最为常用的方法是使用滤光片，但是分区镀膜滤光片在测量连续光谱的时候会吸收峰，引起误判。而用线性渐变滤光片成本太高，往往会占一台光谱仪成本的一半左右。更有甚至有些光谱仪器厂家不进行消除二级和高级衍射光谱处理，引起测量错误。
发明内容
为了解决现有的光谱仪器中消除二级和高级衍射光谱时出现的错误、成本高的问题，本发明提供了一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，该方法通过普通滤光片、数值修正和下位机烧写修正数据相结合的方法进行消除二级和高级衍射光谱，实现光谱的正确测量、低成本的目的。
一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，包括如下步骤：
(1)利用光谱仪器测得钨灯光源的光谱S0；
(2)根据探测器尺寸设计滤光片尺寸，并根据光谱仪器的测试光谱范围对该滤光片进行分区镀膜；
(3)将分区镀膜后的滤光片贴在探测器表面，并测出不同积分时间下钨灯光源的光谱Si；
(4)对光谱Si的凹陷处进行补偿，将光谱Si与光谱S0进行对比，获得修正数据；
(5)将修正数据烧入光谱仪器下位机EEPROM；
(6)利用分区镀膜的滤光片和含有修正数据的光谱仪器对任意光源进行测试，获得消除了二级和高级衍射的任意光源的光谱。
所述的光谱仪器为光纤光谱仪、光栅光谱仪等光栅色散性光谱仪器，目的是消除光谱仪器中的二级和高级衍射光谱。所述探测器既可以是线阵的探测器，也可以是面阵的探测器。
步骤(2)中，所述滤光片分区镀膜，镀膜区域根据需要可以无限可分。滤波片的材料根据具体的实际测试光谱范围(λ1，λ2)而定，选择透过率高的材料。镀膜分界线在nλ1处，且nλ1满足nλ1<λ2，n为大于1的自然数；采用掩膜板逐段遮盖的方式，在未遮盖nλ1～(n+1)λ1区域镀截止膜，截止波长为nλ1。整个镀膜后的滤波片透过率大于90％，保证较小的光能损失。膜系材料没有特殊限制，但确保截止波长为nλ1膜系的厚度小于30微米。
步骤(4)中，由于滤波片分区镀膜的原因，导致在光谱S1中，与镀膜分区处对应波长的光谱会出现明显的凹陷，因此利用光谱S0对凹陷处的光谱进行补偿，具体方法为：首先，利用任意多个积分时间下的光谱Si中凹陷处的数据进行三次拟合，拟合方程为：E(m)＝c0+c1m+c2m2+c3m3，其中，m为像素，E为强度，c0、c1、c2、c3为拟合方程系数，获得凹陷处平滑光谱数据，然后，将该平滑光谱的数据除以光谱S0的数据，得到修正数据。
本发明的基本原理是：
由光栅方程可知当K1λ1＝Kiλi，不同光谱级次的谱线会发生重叠，例如200nm的三级谱会和300nm的二级谱以及600nm的一级谱线重合，此时只要在600nm处贴上高通滤光片即可，让大于等于600nm的谱线通过而滤除600nm以下的谱线，这样就消除了二级和高级衍射光谱的影响。
本发明的技术构思为：光谱仪器尤其是光栅色散性光谱仪器因其优异的性能，相对低廉的成本，被广泛应用于各个行业。一般滤光片分区镀膜技术已经非常成熟，成本已经非常低廉。通过在光谱仪器探测器前面加装分区镀膜滤光片，应用钨灯和数值计算的方法对分区交界处进行修正，并将修正数据烧写在EPPROM中，实现了消除二级和高级衍射光谱的目的，同时避免了使用分区镀膜滤光片测量连续光谱会产生凹陷的问题。
本发明的有益效果主要表现在：给出了一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，将普通分区镀膜滤光片应用在光谱仪器中，同时避免了使用该滤光片测量连续光谱时会产生凹陷的问题，在确保仪器测量正确的同时，降低了生产制造的难度和成本。
附图说明
图1是本发明应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法的流程图；
图2是实施例1中分区镀膜滤光片的示意图；
图3是实施例1中修正前白光LED测量光谱图；
图4是实施例1中修正前卤钨灯测量光谱图；
图5是实施例1中修正后白光LED测量光谱图；
图6是实施例1中修正后卤钨灯测量光谱图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
参照图1，本发明应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，包括以下步骤：
S01，利用光谱仪器测得钨灯光源的光谱S0。
S02，根据探测器尺寸设计滤光片尺寸，并根据光谱仪器的光谱范围对该滤光片进行分区镀膜。
此步骤中，滤波片的材料根据具体的实际光谱范围(λ1，λ2)而定，选择透过率高的材料。镀膜分界线在nλ1处，且nλ1满足nλ1<λ2，n为大于1的自然数。采用掩膜板逐段遮盖的方式，在未遮盖nλ1～(n+1)λ1区域镀截止膜，截止波长为nλ1，整个滤波片透过率大于90％，保证较小的光能损失。
S03，将分区镀膜后的滤光片贴在探测器表面，并测出不同积分时间下钨灯光源的光谱Si。
S04，对光谱Si的凹陷处进行补偿，将光谱Si与光谱S0进行对比，获得修正数据。
由于滤波片分区镀膜的原因，导致在光谱S1中，与镀膜分区处对应波长的光谱会出现明显的凹陷，因此利用光谱S0对凹陷处的光谱进行补偿，具体方法为：首先，利用任意多个积分时间下的光谱Si中凹陷处的数据三次拟合，获得平滑光谱，然后，将该平滑光谱的数据除以光谱S0的数据，得到修正数据。
S05，将修正数据烧入光谱仪器下位机EEPROM。
S06，利用分区镀膜的滤光片和含有修正数据的光谱仪器对任意光源进行测试，获得消除了二级和高级衍射的任意光源的光谱。
实施例1
本实施例中，采用波长范围为350～1050nm的光纤光谱仪，探测器采用东芝TCD1304，目的是消除二级和高级衍射光谱，同时测量光谱准确无误。
首先，利用光纤光谱仪和探测器测得卤钨灯的光谱；
然后，根据波长范围350～1050nm设计并加工二分区镀膜滤光片，具体过程为：
滤光片选择透光性能较好的石英玻璃，该石英玻璃的尺寸接近于探测器镜头的尺寸，镀五氧化三钛，镀膜分界线于700nm处，用掩膜板遮盖350～700nm处，对700～1050nm镀700nm的截止膜，得到如图2所示的二分区镀膜滤光片，此时，滤光片的透过率大于90％。
接下来，将分区镀膜的滤光片贴于探测器的表面，测试得到的光谱如图3所示，分析图3可知，在900nm之后没有光谱出现，说明利用分区贴膜滤光片可以有限地消除二级和高级光谱衍射光谱，但是在550nm附近出现凹陷，本发明利用同样的方法测得的卤钨灯光谱如图4所示，在该图谱中，于550nm出现非正常凹陷。
最后，利用不同积分下的卤钨灯光谱与原卤钨灯光谱对比获得的修正数据修正，拟合方程为：E(m)＝322533.2-1572.575m+2.531m2-0.001m3
将修正数据烧入光纤光谱仪器下位机EEPROM中，再次利用该分区镀膜滤光片与烧入修正数据的光谱仪测试白光LED和卤钨灯，获得如图5所示的白光LED光谱和如图6所示的卤钨灯光谱，分析图5和图6可得，这两个光谱图是正常的光谱图，表明该方法实现了消除二级和高级衍射光谱的目的，同时避免了使用分区镀膜滤光片测量连续光谱会产生凹陷的问题。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，包括如下步骤：
(1)利用光谱仪器测得钨灯光源的光谱S0；
(2)根据探测器尺寸设计滤光片尺寸，并根据光谱仪器的测试光谱范围对该滤光片进行分区镀膜；
(3)将分区镀膜后的滤光片贴在探测器表面，并测出不同积分时间下钨灯光源的光谱Si；
(4)对光谱Si的凹陷处进行补偿，将光谱Si与光谱S0进行对比，获得修正数据；
(5)将修正数据烧入光谱仪器下位机EEPROM；
(6)利用分区镀膜的滤光片和含有修正数据的光谱仪器对任意光源进行测试，获得消除了二级和高级衍射的任意光源的光谱；
步骤(4)的具体步骤为：
首先，利用任意多个积分时间下的光谱Si中凹陷处的数据进行三次拟合，拟合方程为：E(m)＝c0+c1m+c2m2+c3m3，其中，m为像素，E为强度，c0、c1、c2、c3为拟合方程系数，获得凹陷处平滑光谱数据；
然后，将该平滑光谱的数据除以光谱S0的数据，得到修正数据。
2.如权利要求1所述的应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，其特征在于，所述的根据光谱仪器的测试光谱范围对该滤光片进行分区镀膜的过程为：
镀膜分界线选在nλ1处，且nλ1满足nλ1<λ2，n为大于1的自然数；
采用掩膜板逐段遮盖的方式，在未遮盖nλ1～(n+1)λ1区域镀截止膜，截止波长为nλ1；
其中，λ1为光谱仪器的测试光谱范围的最小波长，λ2为光谱仪器的测试光谱范围的最大波长。
3.如权利要求2所述的应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，其特征在于，所述截止波长为nλ1膜的厚度小于30微米。
4.如权利要求3所述的应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，其特征在于，整个镀膜后的滤波片透过率大于90％。
5.如权利要求1所述的应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，其特征在于，所述的光谱仪器为光栅色散性光谱仪器。
6.如权利要求5所述的应用于光谱仪器的二级和高级衍射光谱的消除方法，其特征在于，所述的光栅色散性光谱仪器为光纤光谱仪。
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