CN110487404A - 一种消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，包括标定过程和实测过程。标定过程包括：根据光栅光谱仪的响应波长范围，确定成像传感器上衍射级次m的范围；从m最大的衍射级次向最小的衍射级次依次标定，重复下列步骤：选择窄带光源照射，使其波长范围光的m级衍射落在成像传感器上，且与一级衍射的成像位置不重叠；分别读取成像传感器的一级衍射光区域和高级衍射光区域，获得每一个波长λ的一级和高级衍射光光强，计算校正系数并存储。实测过程包括：使用光栅光谱仪获得待测物体的原始光谱数据进行校正处理，得到其真实光谱数据。本发明使用简单方法消除光栅光谱仪的高级衍射光影响，不增加系统复杂度，方便易用、成本低廉、数据质量高。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪器领域，尤其涉及一种消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法。
背景技术
光谱仪是一种高精度的光学传感设备，通过测量物质对不同波长的光的吸收、反射和散射等效率的不同来判断物质各种物理化学成分。基于光谱仪的物质分析技术具有速度快、准确性高和无损检测等优点，目前已经被广泛应用于各个行业中，比如工业生产线、农业病虫害检测、环境检测、生物医疗、公共安全和海关缉私等。根据分光类型的不同，光谱仪可分为光栅型、棱镜型和干涉型等不同种类，其中光栅光谱仪是目前应用最广泛的一类光谱仪。
光栅光谱仪使用反射或者透射光栅作为分光器件，其分光特性由光栅方程决定：d×(sinα+sinβ)＝mλ；
其中d为光栅常数，α和β分别为入射到光栅上以及从光栅上出射的光线相对于光栅法线的角度，m是出射光的衍射级次，λ是光波长。由光栅方程可知，在d和α给定的情况下，不同级次m和不同波长λ的光，只要其乘积mλ相同，其出射角度β就相同，最终在传感器上成像的位置也相同。这会导致光谱仪传感面上的同一个位置会接收到多个波长的光线，从而影响光栅光谱仪的数据准确性。
绝大部分光栅光谱仪测量的是一级衍射光(m＝1)的光谱分布。如果高级衍射光(二级及二级以上衍射光)不加消除地进入光谱仪的成像传感器，会带来测量误差。常用的消除高级衍射光影响的方法是采用消极次滤光片(order sorting filter)。这种方法需要在光路中插入特殊的滤光片来滤除高级衍射光，是目前商用光栅光谱仪采取的一种主流方法。但是额外增加的消极次滤光片不仅会影响光栅光谱仪的成像质量，还会增加仪器系统复杂度，使得仪器总体成本上升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述问题，而提出了一种新型的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法。本方法分为两个过程——标定过程和实测过程。用户仅需在标定过程中测量一级衍射光与高级衍射光之间的光强比例关系，在后续实测过程中利用算法就可以消除高级衍射带来的影响。
本发明的技术方案是：
本发明所述的一种消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：包括标定过程和实测过程，其中标定过程包括：
步骤A1：根据光栅光谱仪的响应波长范围，确定光栅光谱仪的成像传感器上接收到的衍射级次m的范围；
步骤A2：从m最大的衍射级次mmax开始向最小的衍射级次mmin依次进行标定，重复下列步骤：
(1)选择窄带光源照射，使其该波长范围光的m级衍射落在成像传感器上，且与一级衍射的成像位置不发生重叠；
(2)读取成像传感器的一级衍射光区域，获得每一个波长λ的一级衍射光的光强I1(λ)＝Iraw(λ)，其中Iraw为成像传感器上读取的原始数据；
(3)读取成像传感器的高级衍射区域，获取每一个波长λ的m级衍射光的光强其中，n为该区域内存在的所有比m更高的衍射级次，且mλ/n在窄带光源的波长范围内,Rn(mλ/n)为该区域存在的所有比m更高的衍射级次的校正系数；
(4)根据m级衍射的光强与其对应的一级衍射的光强数据，计算窄带光源波长范围内的校正系数Rm(λ)；
(5)将Rm(λ)的值储存于计算机中作为校正系数表；
实测过程包括：
步骤B1：使用光栅光谱仪测量待测物体的光谱，获得待测物体原始数据；
步骤B2：调用校正系数表，对待测物体原始数据进行校正处理，得到物体真实的光谱强度。
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，在步骤(4)中，校正系数的计算公式为
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，所述实测过程中，待测物体光谱的校正处理公式为：
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，当光栅光谱仪的响应波长范围λlow从到λhigh，m的最大值mmax为λhigh/λlow的整数部分。
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，所述窄带光源选用宽带光源和窄带滤波片组合而成。
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，所述标定过程和实测过程的光路均包括响应波长滤光片、狭缝、准直光学系统、光栅、成像光学系统、成像传感器。
进一步地，在本发明所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法中，所述标定过程在标准实验室环境条件下进行，提高标定过程测量数据的精确度。
本发明的有益效果是：
1、本发明不需要增加额外的器件和额外的光路，能够有效地对高级衍射光谱进行消除，依靠程序实现方法简单，成本低廉，只需在设备出厂时对相关参数进行测量即可提供用户后续校正功能，具有方便易用、成本低廉和数据质量高等优点。本方法可以降低系统复杂度以及光栅光谱仪总体成本。
2、本发明能够广泛适用于使用狭缝、小孔或光纤等限制入射光进入光谱仪的光栅色散型光谱仪有着良好的适应性，具备巨大的实际应用价值和广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明标定过程的光路结构示意图。
图2为本发明实测过程的光路结构示意图。
图3为本发明所述成像传感器的衍射区域示意图。
图4为本发明所述标定过程的流程框图。
图5为本发明所述实测过程的流程框图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的说明：
本实施例是基于响应波长范围为350-1100nm的光栅光谱仪实现。本方法包括标定过程和实测过程。
其中，结合图4，标定过程包括：
步骤A1：根据响应波长范围，确定光栅光谱仪的成像传感器7上接收到的衍射级次m范围，其最大值mmax为3，即存在二级和三级衍射光的影响。
将成像传感器7分为A、B、C三个区域(如图3所示)，其中A区域接收350-700nm的一级衍射光谱；B区域接收700-1050nm的一级光谱和350-525nm的二级衍射光谱；C区域接收1050-1100nm的一级衍射光谱、525-550nm的二级衍射光谱和350-367nm的三级衍射光谱。在标定过程中，需要对B区域的350-525nm二级衍射光、C区域的525-550nm二级衍射光和350-367nm三级光谱分别标定。
步骤A2：从最高级别衍射(即三级)开始标定。标定过程可在标准实验室环境条件下进行，光路设置如图1所示，包括响应波长滤光片2、狭缝3、准直光学系统4、光栅5、成像光学系统6、成像传感器7。从窄带光源1发出的光通过响应波长滤光片2和狭缝3后进入光栅光谱仪，其中响应波长滤光片2决定了光谱仪系统的响应波长范围，是光栅光谱仪一个重要的参数。随后，光线被准直光学系统4准直后入射到光栅5上，并在光栅面发生衍射，衍射光的传播角度由光波长和衍射级次决定。衍射光经过成像光学系统6后聚焦于成像传感器7上，成像传感器7不同像素位置的灰度值对应不同波长的衍射光强。
首先，对于C区域350-367nm的三级光标定，选用发光波长为350-367nm的窄带光源1照射，使得该波长范围光的三级衍射落在成像传感器7上，且与一级衍射的成像位置不发生重叠。其中，窄带光源1可以由宽带光源和窄带滤波片组合而成。
(1)打开350-367nm波长的窄带光源1，使其工作状态稳定后读取成像传感器7上的一张图像数据；
(2)在图像选择350-367nm成像位置的灰度值，得到窄带光源1的一级衍射光的光强：I1(350-367)＝Iraw(350-367)；
(3)在图像上选择1050-1100nm成像位置的灰度值，得到窄带光源1的三级衍射光的光强：I3(350-367)＝Iraw(1050-1100)；
(4)逐个波长计算350-367nm的三级衍射光和一级衍射光的光强比值作为校正系数：
(5)将R3c(λ)的值保存于计算机8作为校正系数表，用于将来实测过程的光谱校正。
对于C区域525-550nm的二级光标定，选用发光波长为525-550nm的窄带光源1。重复上述(1)-(5)步骤，得到C区域525-550nm的二级衍射光强和一级衍射光强的比值为:
同样的，对B区域的350-525nm的二级衍射光进行标定。选择发光波长为350-525nm的窄带光源1作为标定光源，重复(1)-(5)步骤，得到B区域350-525的二级衍射光强和一级衍射光强的比值为：
将上述R2(λ)和R3(λ)整合在一起，得到一个完整的校正系数表：
R3(λ)＝R3c(λ)350≤λ＜367。
实测过程中，将窄带光源1更换成被测物体9。实测过程的光路示意图如图2所示，同样包括响应波长滤光片2、狭缝3、准直光学系统4、光栅5、成像光学系统6、成像传感器7。被测物体9发出的光依次经过响应波长滤光片2、狭缝3和准直光学系统4后，入射到光栅5上，在光栅5上衍射后，由成像光学系统6聚焦于成像传感器7上。此时，成像传感器7上除了接收一级衍射光外还同时接收了多个高级衍射级次，因此实际测得的光谱数据不准确，需要进行校正处理。实测过程中可以利用标定过程中测得的校正系数表将高级衍射光的影响消除。
实测过程结合图5具体说明如下，包括：
步骤B1：使用光栅光谱仪测量待测物体的光谱，获得待测物体原始数据；
步骤B2：调用校正系数表，对待测物体原始数据进行校正处理，得到物体真实的光谱强度：
最终得到的I(λ)为消除高级衍射影响后的光谱强度，即是物体真实的光谱强度。
本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：包括标定过程和实测过程，其中标定过程包括：
步骤A1：根据光栅光谱仪的响应波长范围，确定光栅光谱仪的成像传感器上接收到的衍射级次m的范围；
步骤A2：从m最大的衍射级次mmax开始向最小的衍射级次mmin依次进行标定，重复下列步骤：
(1)选择窄带光源照射，使得其波长范围光的m级衍射落在成像传感器上，且与一级衍射的成像位置不发生重叠；
(2)读取成像传感器的一级衍射光区域，获得每一个波长λ的一级衍射光的光强I1(λ)＝Iraw(λ)，其中Iraw为成像传感器上读取的原始数据；
(3)读取成像传感器的高级衍射区域，获取每一个波长λ的m级衍射光的光强其中，n为该区域内存在的所有比m更高的衍射级次，且mλ/n在窄带光源的波长范围内,Rn(mλ/n)为该区域存在的所有比m更高的衍射级次的校正系数；
(4)根据m级衍射的光强与其对应的一级衍射的光强数据，计算窄带光源波长范围内的校正系数Rm(λ)；
(5)将Rm(λ)的值储存于计算机中作为校正系数表；
实测过程包括：
步骤B1：使用光栅光谱仪测量待测物体的光谱，获得待测物体原始数据；
步骤B2：调用校正系数表，对待测物体原始数据进行校正处理，得到物体真实的光谱强度。
2.根据权利要求1所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：在步骤(4)中，校正系数的计算公式为
3.根据权利要求1所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：所述实测过程中，待测物体光谱的校正处理公式为：
4.根据权利要求1或2或3所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：当光栅光谱仪的响应波长范围λlow从到λhigh，m的最大值mmax为λhigh/λlow的整数部分。
5.根据权利要求1或2或3所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：所述窄带光源选用宽带光源和窄带滤波片组合而成。
6.根据权利要求1或2或3所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：所述标定过程和实测过程的光路均包括响应波长滤光片、狭缝、准直光学系统、光栅、成像光学系统、成像传感器。
7.根据权利要求1所述的消除光栅光谱仪高级衍射影响的方法，其特征在于：所述标定过程在标准实验室环境条件下进行。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191122 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |