高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图分析与校正方法与流程

本发明属于光谱技术领域，特别涉及的一种高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图的分析与校正方法。

背景技术：

近年来，原子发射光谱仪正不断向全谱直读、智能化、小型化、低分析成本的方向发展。分光系统作为原子发射光谱仪的核心部分，直接决定整体仪器的性能水平。高分辨率中阶梯光栅光谱仪具有波段范围宽、分辨率高、灵敏度高、全谱瞬态测量等优点，已成为原子发射光谱分析技术研究的重点。

中阶梯光栅光谱仪是一类以低色散棱镜与高色散中阶梯光栅交叉色散的全谱光谱仪，它采用棱镜纵向色散，配合中阶梯光栅高衍射级次的横向色散，在像面上形成二维谱图，并以面阵探测器采集二维谱图。分光模块中的关键分光器件--中阶梯光栅的刻线密度一般为10g/mm～100g/mm，衍射级次为几十级至上百级，闪耀角为60°-80°，制作工艺相当复杂。目前，中阶梯光栅尚依赖于进口，购买成本相对较高。

中阶梯光栅光谱仪的二维谱图信息主要取决于色散系统，若交叉色散系统中光学元件的技术参数出现偏差，将对光谱仪后端二维谱图信息产生严重影响，造成二维谱图在探测器像面上的位置出现偏差，导致测试元素对应波长的探测信号信背比降低，无法充分发挥出中阶梯光栅光谱仪的特点与优势。该现象的存在，严重限制了中阶梯光栅光谱仪高光谱分辨率、高灵敏度、低检出限等优势的体现。进一步影响以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的发射光谱仪的检出限和灵敏度，影响元素光谱分析的测试精度，目前尚没有针对二维偏差谱图的分析与校正方法。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图的分析与校正方法，解决高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维谱图存在偏差时，无法满足实际使用需求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图的分析与校正方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，获得中阶梯光栅光谱仪的二维谱图；

利用中阶梯光栅光谱仪分别采集线性光源和连续光源的谱图，得到中阶梯光栅光谱仪分立光谱和连续光谱的二维谱图；

步骤二，对获得的二维谱图进行判读；

分别判读分立光谱和连续光谱的二维谱图，确定二维谱图在棱镜色散方向和中阶梯光栅色散方向是否存在偏差；

步骤三，反演棱镜参数的偏差量和/或中阶梯光栅参数的偏差量；

步骤四，对中阶梯光栅光谱仪的二维偏差谱图进行校正；

根据反演计算得到的棱镜参数的偏差量和/或中阶梯光栅参数的偏差量，确定棱镜和/或中阶梯光栅的实际工作状态，仿真并设计棱镜和/或中阶梯光栅的装调工装；根据工装对中阶梯光栅光谱仪重新装调，从而实现二维偏差谱图的校正。

所述步骤一中，采用汞灯作为线性光源，采用氘灯作为连续光源。

所述步骤二中，判读分立光谱的二维谱图，对分立光谱参考波长的相对位置进行计算分析，即可确定二维谱图在棱镜色散方向是否存在偏差；具体过程如下：

选择汞灯的3个波长作为参考波长，计算参考波长在纵向色散的相对间隔；如果与参考波长在纵向色散的理论相对间隔相比，差值超出±3pixel，则可认为在棱镜色散方向存在偏差，需要对偏差进行校正；否则，认为在棱镜色散方向不存在偏差。

所述步骤二中，判读连续光谱的二维谱图，如果整个二维连续谱图在探测器像面上的横向中心基本成像在探测器的中心设定范围内，中心设定范围设置为±50pixel，则可认为在中阶梯光栅色散方向二维谱图无偏差；超出中心设定范围，则认为二维谱图在中阶梯光栅色散方向存在偏差，需要对偏差进行校正。

所述步骤三中，利用由分立谱图分析出的棱镜色散方向的谱图偏差量，根据棱镜折射原理，结合中阶梯光栅光谱仪的结构参数，反演棱镜参数的偏差量。

所述步骤三中，利用由连续谱图分析出的中阶梯光栅色散方向的谱图偏差量，根据中阶梯光栅衍射原理，结合中阶梯光栅光谱仪的结构参数，反演中阶梯光栅参数的偏差量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的方法能够实现二维偏差谱图的定性分析及定量计算，同时能够实现二维偏差谱图的校正工作，对二维偏差谱图进行分析并校正后，能够充分发挥中阶梯光栅光谱仪高光谱分辨率、高灵敏度、低检出限等优势，同时该校正方法仅需对装调工装做微小改变，具有操作简单、易于实现等优点。

附图说明

图1a为中阶梯光栅光谱仪的结构框图；

图1b为中阶梯光栅光谱仪的原理示意图；

图2为本发明高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图的分析与校正方法的流程图；

图3为本发明实施例中校正前中阶梯光栅光谱仪分立光谱二维谱图；

图4为本发明实施例中校正前中阶梯光栅光谱仪连续光谱二维谱图；

图5为本发明实施例中校正后中阶梯光栅光谱仪分立光谱二维谱图；

图6为本发明实施例中校正后中阶梯光栅光谱仪连续光谱二维谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

图1a和图1b分别为中阶梯光栅光谱仪的结构框图和原理示意图。如图1a所示，中阶梯光栅光谱仪主要包括三部分：光源、分光模块和探测系统，其中分光模块是关键部分。如图1b所示，光源发出的光束经前置光路，通过狭缝进入分光模块，光束经准直镜准直之后，进入交叉色散系统(棱镜和中阶梯光栅交叉色散系统)，最后由聚焦镜聚焦，探测器接收光电信号。

对中阶梯光栅光谱仪的二维谱图的色散原理进行偏差分析，根据中阶梯光栅光谱仪的交叉色散原理，二维谱图的纵向色散取决于棱镜，横向色散取决于中阶梯光栅。

如图2所示，本发明提供的高分辨率中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图的分析与校正方法，包括如下步骤：

步骤一，获得中阶梯光栅光谱仪的二维谱图。

分别利用中阶梯光栅光谱仪的线性光源和连续光源得到中阶梯光栅光谱仪分立光谱和连续光谱的二维谱图。

采用汞灯作为线性光源，采用氘灯作为连续光源。

步骤二，对获得的二维谱图进行判读。

判读分立光谱的二维谱图，对分立光谱参考波长的相对位置进行计算分析，即可确定二维谱图在棱镜色散方向是否存在偏差。选择汞灯的3个波长作为参考波长，计算参考波长在纵向色散的相对间隔。如果与参考波长在纵向色散的理论相对间隔相比，差值超出±3pixel，则可认为在棱镜色散方向存在偏差，需要对偏差进行校正；否则，认为在棱镜色散方向不存在偏差。

判读连续光谱的二维谱图，如果整个二维连续谱图在探测器像面上的横向中心基本成像在探测器的中心设定范围内(设置为±50pixel)，则可认为在中阶梯光栅色散方向二维谱图无偏差；超出中心设定范围，则认为二维谱图在中阶梯光栅色散方向存在偏差，需要对偏差进行校正。

步骤三，反演棱镜参数的偏差量和/或中阶梯光栅参数的偏差量。

根据步骤二的判读结果，结合交叉色散理论，反演棱镜参数的偏差量和/或中阶梯光栅参数的偏差量。

利用由分立谱图分析出的棱镜色散方向的谱图偏差量，根据棱镜折射原理，结合中阶梯光栅光谱仪的结构参数，反演棱镜参数的偏差量。

利用由连续谱图分析出的中阶梯光栅色散方向的谱图偏差量，根据中阶梯光栅衍射原理，结合中阶梯光栅光谱仪的结构参数，反演中阶梯光栅参数的偏差量。

步骤四，对中阶梯光栅光谱仪的二维偏差谱图进行校正。

根据反演计算得到的棱镜参数的偏差量和/或中阶梯光栅参数的偏差量，确定棱镜和/或中阶梯光栅的实际工作状态，仿真并设计棱镜和/或中阶梯光栅的装调工装；根据工装对中阶梯光栅光谱仪重新装调，从而实现二维偏差谱图的校正。

校验

对二维偏差谱图进行校正后，重新采集中阶梯光栅光谱仪分立光谱和连续光谱的二维谱图，与校正前的二维偏差谱图对比，验证分析与校正方法可行有效。

实施例

下面以对某一中阶梯光栅光谱仪二维偏差谱图进行分析与校正为例，对本发明的高分辨率中阶梯光栅光谱仪的二维偏差谱图的分析与校正方法做进一步的详细说明。但该实施例不能理解为对本发明保护范围的限制。

中阶梯光栅光谱仪的系统参数如表1所示。

步骤一，采用汞灯作为线性光源，获得中阶梯光栅光谱仪汞灯的分立光谱的二维谱图，如图3所示；采用氘灯作为连续光源，获得中阶梯光栅光谱仪氘灯的连续光谱的二维谱图，如图4所示。

判读分立光谱的二维谱图，选择汞灯的三个参考波长313.1548nm，404.656nm和579.066nm，但不限于上述三个波长。313.1548nm与404.656nm和579.066nm在纵向色散的相对间隔分别为79pixel和136pixel，与纵向色散的理论相对间隔(78pixel和135pixel)相差1pixel，差值未超出±3pixel，则认为在棱镜色散方向无偏差。

判读连续光谱的二维谱图，二维谱图整体成像在探测器感光面的右侧，超过了横向中心位置(+50pixel)，二维谱图在中阶梯光栅色散方向出现偏差，导致谱图左侧的信噪比偏低，无法满足中阶梯光栅光谱仪低检出限的要求。

步骤三，根据二维谱图在中阶梯光栅色散方向的偏差量，结合中阶梯光栅的色散原理，反演得出中阶梯光栅参数的偏差量为0.3°。

步骤四，根据反演计算得到的中阶梯光栅参数的偏差量，确定中阶梯光栅的实际工作状态，仿真并设计中阶梯光栅的装调工装，根据工装对中阶梯光栅重新装调，实现二维偏差谱图的校正。

对校正后的中阶梯光栅光谱仪再次采集二维谱图，汞灯分立光谱的二维谱图如图5所示，氘灯连续光谱的二维谱图如图6所示。图4和图6作对比，可以看出，校正后的整个二维谱图成像在探测器上的位置关于探测器像面的纵向中心轴基本对称，能够满足测试需求，说明校正效果显著有效。

表1中阶梯光栅光谱仪的结构参数