CN114609073A - 一种高强度光谱的测量方法、系统和光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度光谱的测量方法、系统和光谱测量装置，确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T，根据光谱仪在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱强度，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的实际光谱。在本发明中，通过在光谱测量装置中设置可调光衰减器，通过设置可调光衰减器的衰减程度和设置曝光时间长短的优化组合，可以将高强度光谱进行衰减，以使得光谱仪采集的光谱在其最大探测强度内，避免出现在探测高强度光谱时CCD探测器计数饱和而导致光谱数据失真，并降低使用单个手段所产生的测量误差。本发明适合于测量强吸收样品的吸收光谱，有助于提高其吸收光谱的测量精确度。

Description

一种高强度光谱的测量方法、系统和光谱测量装置

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种高强度光谱的测量方法、系统和光谱测量装置。

背景技术

电荷耦合器件（Charge-coupled Device，简称CCD）探测器是用来进行精密光谱测量的一种重要设备，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光子转变成电荷，然后通过模数转换器芯片将电信号转换成数字信号。CCD探测器具有灵敏度高，像元一致性好等众多优点。但是如果光强较小，转化成的电荷就少，则CCD探测器输出的电信号较弱，噪声的影响就会比较大，甚至噪声会掩盖信号，所以光强不能太小；反之，如果光强较大，转化成的电荷就比较多，输出的电信号过强而造成的放大失真，也就是CCD会饱和失真，就无法得到准确的光谱。CCD采集的光谱除了受光强影响外，还与CCD的曝光时间有关；如果曝光时间较长，则光照射CCD探测器感光面的时间就长，转化产生的电荷就多，输出电信号就强；反之，如果曝光时间较短，则输出电信号就弱。综上可见，光谱强度与曝光时间成正比关系，因此可以通过改变曝光时间来调节光谱强度。

在测量吸收光谱时，先测量放入样品前的入射光光谱，再测量通过样品后的透射光光谱，利用入射光和透射光的变化就可以得到样品的吸收光谱。吸收光谱通常用入射光谱减去透射光谱，或者选用入射光谱与透射光谱商的对数等，所以入射光谱通常也被称为参比光谱。

当样品的吸收能力适当时，参比光谱和透射光谱强度相差不大，通过调整曝光时间就能完成测量。但是，当样品吸收能力太强时，透射光谱的强度就会很弱，为了获得较准确的透射光谱，一般会增加曝光时间；若曝光时间太长，信号累加的同时噪声也会增加，测量误差会变大。除了改变曝光时间，还可以增加光源强度，即增加入射光强度，尤其对于吸收过强的样品，当入射光不够强时，样品甚至能将入射光完全吸收，从而不能测量透射光谱，也就无法获得吸收光谱。若入射光太强，测量参比光谱时，就会使CCD计数饱和，虽然调整曝光时间可以降低光谱强度，但对于同一入射光，两次CCD的曝光时间相差过大，这两光谱的偏差会变大。而且，CCD探测器都有其最低曝光时间，如果入射光强到一定程度，即使在最低曝光时间时CCD仍饱和，就无法完成测量。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种高强度光谱的测量方法、系统和光谱测量装置。

本发明提出一种高强度光谱的测量方法，应用在包括可调光衰减器的光谱测量装置中，该测量方法包括：

确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

根据在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱。

优选地，确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T，具体包括：

根据标准光的相对标准差与衰减程度和曝光时间对应的光谱最大强度的关系，通过对该关系式取最小值，得到最小相对标准差对应的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T。

优选地，通过分别测量标准光在不同衰减程度和不同曝光时间下的光谱，通过修正归一处理得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到标准光的测量光谱和实际光谱的相对标准差。

优选地，相对标准差RSD与衰减程度A和曝光时间T对应的光谱最大强度I的关系，通过拟合可表达为二元二次多项式，其具体为：

RSD=k₀+ k ₁×A+ k ₂×I+ k ₃×A²+ k ₄×A×I+k₅×I²，

其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅为拟合系数，可以取正负值。

在具体实施例中，该二元二次多项式可表达为：RSD=1.1062-0.009×A-5.67×10^-5×I+6.66×10^-5×A²+1.02×10^-7×A×I+5.68×10^-10×I²。

优选地，根据在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱，具体包括：

根据采集的待测光的光谱X_{A_i}，结合衰减程度A的衰减系数α_{A_i}，计算得到待测光的测量光谱强度X=X_{A_i}×α_{A_i}，其中，i表示波长，i=1、2、3、……、n。

优选地，在同一曝光时间下多次采集衰减程度A下的标准光光谱，分别计算每次衰减程度A的衰减系数α_{A_i} =X’_{100_i}/ X’_{A_i}，其中，X’_{100_i}是标准光在未衰减时测得的光谱，X’_{A_i}是标准光在衰减程度为A时测得的光谱，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度A的衰减系数α_{A_i}。

本发明提出了一种高强度光谱的测量系统，包括：

参数确定模块，用于确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

光谱计算模块，用于根据在该衰减程度A和该曝光时间T采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱。

优选地，参数确定模块具体用于：

根据标准光的相对标准差与衰减程度和曝光时间对应的光谱最大强度的关系，通过对该关系式取最小值，得到最小相对标准差对应的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

其中，通过分别测量标准光在不同衰减程度和不同曝光时间下的光谱，通过修正归一处理得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到标准光的测量光谱和实际光谱的相对标准差。

优选地，光谱计算模块，具体用于：

根据采集的待测光的光谱X_{A_i}，结合衰减程度A的衰减系数α_{A_i}，计算得到待测光的测量光谱强度X =X_{A_i}×α_{A_i}，其中，i表示波长，i=1、2、3、……、n；

其中，在同一曝光时间下多次采集衰减程度A下的标准光光谱，分别计算每次衰减程度A的衰减系数α_{A_i} =X’_{100_i}/ X’_{A_i}，其中，X’_{100_i}是标准光在未衰减时测得的光谱，X’_{A_i}是标准光在衰减程度为A时测得的光谱，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度A的衰减系数α_{A_i}。

本发明提出了一种光谱测量装置，包括可调光衰减器，应用上述高强度光谱的测量方法，或者，应用上述高强度光谱的测量系统。

在本发明中，通过在光谱测量装置中设置可调光衰减器，通过设置可调光衰减器的衰减程度和设置曝光时间长短的优化组合，可以将高强度光谱进行衰减，以使得光谱仪采集的光谱在其最大探测强度内，避免出现在探测高强度光谱时CCD探测器计数饱和而导致光谱数据失真，并降低使用单个手段所产生的测量误差。本发明适合于测量强吸收样品的吸收光谱，有助于提高其吸收光谱的测量精确度。

附图说明

图1为本发明实施例提出一种光谱测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中不同衰减程度下测量的光谱图。

图3为本发明实施例中不同衰减程度下相对标准差的统计图。

图4为本发明实施例中不同曝光时间下测量的光谱图。

图5为本发明实施例中不同曝光时间下相对标准差的统计图。

图6为本发明实施例中相对标准差与曝光时间和衰减程度的关系图。

具体实施方式

参照图1，本发明实施例提出的一种光谱测量装置，包括：光源1、样品池2、聚光镜3、可调光衰减器4、光谱仪5。

光源1设在样品池2一侧用于向样品池2发光，样品池2用于放置样品，聚光镜3设在样品池2另一侧用于对经过样品池2中样品的光进行收集聚光；聚光镜3与可调光衰减器4通过光纤连接，可调光衰减器4与光谱仪5通过光纤连接；可调光衰减器4可以设置衰减程度，用于对通过可调光衰减器4的光进行衰减；光谱仪5用于采集通过可调光衰减器4的光谱。

通过在光谱测量装置中设置可调光衰减器，通过设置可调光衰减器的衰减程度，可以将高强度光谱进行衰减，以使光谱仪采集的光谱在其最大探测强度内，避免出现在探测高强度光谱时CCD探测器饱和而导致数据失真。

可调光衰减器VOA（Variable Optical Attenuator）是用于对光功率进行衰减的器件，可以调整光衰减比例大小。VOA根据其制作技术分为机械型、液晶型、微机电系统MEMS（Micro Electro Mechanical System）和平面波导型PLC（Planar Lightwave Circuit）。机械型是通过机械装置使挡光板活动来控制光衰减，其工艺成熟、光学指标优秀、低损耗、偏振相关损耗小、可靠性稳定性好。液晶型是通过改变液晶上施加的电压，改变光的方向，实现光衰减功能，其无移动部件、性能稳定、驱动功率低、利于集成。MEMS型是通过对微镜施加电压使微镜发生转动，通过调节微镜的转动角度，达到光束不同的偏离程度，实现不同的光衰减功能，其易集成、响应速度快、功耗小。平面波导型PLC是利用某物理效应（如电光效应、热光效应）改变波导材料的折射率，进而实现光衰减。除此之外，其他通过电、声、热、磁、薄膜等可实现光衰减功能的器件，都可以在本申请中进行应用。

本发明实施例中，在光谱测量装置中设置可调光衰减器，通过可调光衰减器对高强度光谱进行衰减，采集经过可调光衰减器的待测光的光谱强度，再通过计算得到待测光的测量光谱。为了验证通过可调光衰减器测量的光谱与实际测量的光谱的误差，就衰减程度和曝光时间对光谱强度的影响进行了测试。

1、衰减程度对光谱的影响测试

定义衰减程度为光衰减至某个比例，例如衰减程度60%是指衰减至60%，其中40%的光被挡住，只收集60%的光，而衰减程度100%就是指没有光衰减。

利用标准光进行测试，在同一曝光时间下，分别采集衰减程度为100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%的光谱，各采集10次。在具体实现过程中，首先采集衰减程度100%的光谱，然后依次衰减至90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%下分别采集光谱，完成一次采集；接着再将衰减调至100%，然后再依次衰减至90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%，完成一次采集；如此重复10次。如图2所示，其列出其中一次的光谱。

根据上述10次采集的光谱，分别计算各个衰减程度的衰减系数，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度的衰减系数。根据该计算过程，可以将所有衰减程度的衰减系数全部计算出来。

例如，在计算衰减程度为60%的衰减系数α_{60_i}时，i表示波长，i=1、2、3、……、n，用衰减程度为100%的原始光谱强度（X’_{100_1}，X’_{100_2}，X’_{100_3}，……，X’_{100_ n}）除以衰减程度为60%的原始光谱强度（X’_{60_1}，X’_{60_2}，X’_{60_3}，……，X’_{60_ n}），计算得到衰减程度为60%的衰减系数α_{60_i}= X’_{100_i}/ X’_{60_i}；根据10次采集的光谱，分别计算衰减程度为60%的衰减系数α_{60_i}，然后求出衰减系数α_{60_i}的平均值，将该平均值记为衰减程度为60%的衰减系数。

根据计算得到的所有衰减程度的衰减系数，将在某个衰减程度下测量的光谱乘以相应的衰减系数，计算得到修正到衰减程度为100%的光谱，再将其与实际测量的光谱进行比较，得到该衰减程度的相对标准差，如图3所示。

例如，将衰减程度为60%的测量光谱乘以对应的衰减系数α_{60_i}，计算得到修正到衰减程度为100%的光谱，将其与实际测量的光谱进行比较，得到衰减程度为60%的相对标准差。

通过分析可以发现，衰减程度越小，其相对标准差越大。衰减程度为90%的相对标准差为0.1%左右，衰减程度为80%的相对标准差为0.6%左右，衰减程度70%、60%、50%、40%、30%、20%的相对标准差都在0.8%左右，衰减程度为10%的相对标准差为1.1%左右。总体来看，不同衰减程度的相对标准差大约在1.0%左右，可调光衰减器在重复度和精确度上非常稳定。

2、曝光时间对光谱的影响测试

利用标准光进行测试，在同一衰减程度下，分别测量曝光时间为100us、180us、360us、540us、720us、900us、1080us的光谱，各测量10次，然后求平均光谱，如图4所示。将上述不同曝光时间下的光谱，归一到同一曝光时间1080us的光谱，然后将其与在曝光时间为1080us实际测量的光谱进行比较，得到不同曝光时间的相对标准差，如图5所示。

通过分析可以发现，曝光时间相差越大，其相对标准差也会变大。曝光时间为100us下的光谱其平均相对标准差为1.2%，而曝光时间为900us下的光谱其平均相对标准差为0.03%。所以，在测量参比光谱和透射光谱时，其曝光时间要尽量接近，这将大幅降低参比光谱的测量误差，否则将会增大测量误差。

基于上述影响测试结果，通过在光谱仪上设置可调光衰减器，通过选择合适的衰减程度和曝光时间，可以准确地测量高强度光的光谱。

综上所述，利用标准光光源，分别测量可调光衰减器在不同衰减程度以及CCD探测器在不同曝光时间下的光谱，将所有光谱都修正到衰减程度100%并归一到实际测量标准光的曝光时间，计算得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到测量光谱和实际光谱的相对标准差，将该相对标准差作为调节衰减程度和曝光时间的参考，其中，曝光时间用光谱最大强度来表征，曝光时间可根据不同的实际测量条件确定。结果如表1所示。

表1 不同曝光时间和不同衰减程度下的相对标准差

根据标准光的测量光谱和实际光谱的相对标准差，可以得到相对标准差RSD与衰减程度A和曝光时间T对应的光谱最大强度I的关系。根据表1的数据，通过模拟可以得到RSD与A和I的关系图，如图6所示。

从图6中可以得到，通过选择适当的衰减程度和曝光时间，可以得到相对标准差的最小值，将最小相对标准差所对应的衰减程度和曝光时间T作为测量参数，在该参数下对高强度光谱进行测量，可以获得高准确度的光谱。

根据表1的数据进行拟合，相对标准差RSD与衰减程度A和曝光时间T对应的光谱最大强度I的关系，通过计算机拟合可表达为二元二次多项式，具体为：RSD=k₀+ k ₁×A+ k ₂×I+ k ₃×A²+ k ₄×A×I+k₅×I²，其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅为拟合系数，可以取正负值。可以理解的，根据采集的次数不同，具体拟合参数也将产生些微变化。在具体实施例中，RSD与I和A的关系可表达如下：

RSD=1.1062-0.009×A-5.67×10^-5×I+6.66×10^-5×A²+1.02×10^-7×A×I+5.68×10^-10×I²。

根据上述RSD与I和A之间的关系式，通过对该关系式取最小值，可以得到在最小相对标准差对应的衰减程度和曝光时间，将其作为高强度光谱测量的参数，可以准确地测量高强度的光谱。

本发明实施例提出了一种高强度光谱的测量方法，应用在上述包括可调光衰减器的光谱测量装置中，该测量方法包括：

S1、确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T。

通过分别测量标准光在不同衰减程度和不同曝光时间下的光谱，通过修正归一处理得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到测量光谱和实际光谱的相对标准差。

相对标准差RSD与衰减程度A和曝光时间T对应的光谱最大强度I的关系，通过拟合可表达为二元二次多项式，具体为：

RSD=k₀+ k ₁×A+ k ₂×I+ k ₃×A²+ k ₄×A×I+k₅×I²，

其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅为拟合系数，其可以取正负值。

具体地，在不同衰减程度和不同曝光时间下，分别采集10次标准光光谱，拟合得到的二元二次多项式可以表达为：

RSD=1.1062-0.009×A-5.67×10^-5×I+6.66×10^-5×A²+1.02×10^-7×A×I+5.68×10^-10×I²。

根据上述相对标准差与衰减程度和曝光时间对应的光谱最大强度的关系，通过对该关系式取最小值，得到最小相对标准差对应的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T。

S2、根据在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱。

根据采集的待测光的光谱X（X_{A_1}，X_{A_2}，X _{A_3}，……，X_{A_n}），结合衰减程度A的衰减系数α_{A_i}，计算得到待测光的测量光谱X=X_{A_i}×α_{A_i}，其中，i表示波长，i=1、2、3、……、n。

在确定衰减程度A的衰减系数α_{A_i}过程中，在同一曝光时间下多次采集衰减程度A下的标准光光谱，分别计算每次衰减程度A的衰减系数α_{A_i}= X’_{100_i}/ X’_{A_i}，其中，X’_{100_i}是标准光在未衰减时测得的光谱，X’_{A_i}是标准光在衰减程度为A时测得的光谱，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度A的衰减系数α_{A_i}。具体地可以参照前述关于衰减程度对光谱的影响测试。

在本发明中，通过在光谱测量装置中设置可调光衰减器，通过设置可调光衰减器的衰减程度和设置曝光时间长短的优化组合，可以将高强度光谱进行衰减，以使得光谱仪采集的光谱在其最大探测强度内，避免出现在探测高强度光谱时CCD探测器计数饱和而导致光谱数据失真，并降低使用单个手段所产生的测量误差。本发明适合于测量强吸收样品的吸收光谱，有助于提高其吸收光谱的测量精确度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度光谱的测量方法，其特征在于，应用在包括可调光衰减器的光谱测量装置中，该测量方法包括：

确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

根据在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱。

2.根据权利要求1所述的高强度光谱的测量方法，其特征在于，确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T，具体包括：

根据标准光的相对标准差与衰减程度和曝光时间对应的光谱最大强度的关系，通过对该关系式取最小值，得到最小相对标准差对应的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T。

3.根据权利要求2所述的高强度光谱的测量方法，其特征在于，通过分别测量标准光在不同衰减程度和不同曝光时间下的光谱，通过修正归一处理得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到标准光的测量光谱和实际光谱的相对标准差。

4.根据权利要求3所述的高强度光谱的测量方法，其特征在于，相对标准差RSD与衰减程度A和曝光时间T对应的光谱最大强度I的关系，通过拟合可表达为二元二次多项式，其具体为：

RSD=k₀+ k ₁×A+ k ₂×I+ k ₃×A²+ k ₄×A×I+k₅×I²，

其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅为拟合系数，可以取正负值。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高强度光谱的测量方法，其特征在于，根据在该衰减程度A和该曝光时间T下采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱，具体包括：

根据采集的待测光的光谱X_{A_i}，结合衰减程度A的衰减系数α_{A_i}，计算得到待测光的测量光谱强度X=X_{A_i}×α_{A_i}，其中，i表示波长，i=1、2、3、……、n。

6.根据权利要求5所述的高强度光谱的测量方法，其特征在于，在同一曝光时间下多次采集衰减程度A下的标准光光谱，分别计算每次衰减程度A的衰减系数α_{A_i}

X’_{100_i}/X’_{A_i}，其中，X’_{100_i}是标准光在未衰减时测得的光谱，X’_{A_i}是标准光在衰减程度为A时测得的光谱，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度A的衰减系数α_{A_i}。

7.一种高强度光谱的测量系统，其特征在于，包括：

参数确定模块，用于确定可调光衰减器的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

光谱计算模块，用于根据在该衰减程度A和该曝光时间T采集的待测光的光谱，结合衰减程度A的衰减系数，计算得到待测光的测量光谱。

8.根据权利要求7所述的高强度光谱的测量系统，其特征在于，参数确定模块具体用于：

根据标准光的相对标准差与衰减程度和曝光时间对应的光谱最大强度的关系，通过对该关系式取最小值，得到最小相对标准差对应的衰减程度A和待测光在光谱最大强度I时的曝光时间T；

其中，通过分别测量标准光在不同衰减程度和不同曝光时间下的光谱，通过修正归一处理得到标准光的测量光谱，再与标准光的实际光谱进行比较，计算得到标准光的测量光谱和实际光谱的相对标准差。

9.根据权利要求7或8所述的高强度光谱的测量系统，其特征在于，光谱计算模块，具体用于：

根据采集的待测光的光谱X_{A_i}，结合衰减程度A的衰减系数α_{A_i}，计算得到待测光的测量光谱强度X

X_{A_i}×α_{A_i}，其中，i表示波长，i=1、2、3、……、n；

其中，在同一曝光时间下多次采集衰减程度A下的标准光光谱，分别计算每次衰减程度A的衰减系数α_{A_i}

X’_{100_i}/X’_{A_i}，其中，X’_{100_i}是标准光在未衰减时测得的光谱，X’_{A_i}是标准光在衰减程度为A时测得的光谱，然后求衰减系数的平均值，得到该衰减程度A的衰减系数α_{A_i}。

10.一种光谱测量装置，其特征在于，包括可调光衰减器，应用权利要求1-6所述的高强度光谱的测量方法，或者，应用权利要求7-9所述的高强度光谱的测量系统。

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