专利名称：光栅光谱仪器高级次叠加光谱的分离方法
技术领域：
本发明属于光谱仪器与光谱测量领域，涉及在光栅光谱仪器长波光谱中叠加高级次短波光谱的分离方法。
背景技术：
各类光栅光谱仪器(分光光度计、单色仪、光谱辐射计，利用线阵列探测器的多通道光谱仪…等)都存在其工作波长的长波光谱信号中叠加短波高级次光谱信号的问题。如果在光谱仪及其测量中不采取措施，在这一长波叠加区获得的光谱信号是混合光谱。必须从这一混合光谱中分离短波高级次光谱才能获得长波光谱。现在通常的解决方法都是在这一叠加光谱区加一前截止滤光片阻止高级次光谱的叠加。
以使用衍射光栅一级光谱，工作波长在340nm～1100nm的光谱仪为例，它在680nm～1100nm谱段就依次叠加了340nm～550nm的二级光谱。因此，在这个叠加光谱区就加一个550nm前截止滤光片，阻止340nm～550nm的光谱信号来获得680nm～1100nm的光谱信号。
波长扫描型光谱仪器中，为了不使高级次光谱叠加，波长扫描到光谱叠加区，就由转盘插入前截止滤光片来阻止短波高级次光谱加进到长波光谱信号中。使用阵列探测器的光谱仪器中，解决的方法是在阵列器件光谱叠加区的相应像元上添加滤光片。这些方法都增加了仪器结构的复杂性，对有些应用来说，这些结构更加复杂。例如，使用面阵探测器的成像光谱仪，将滤光片精确安装在面阵探测器光敏面的确定光谱叠加波长的像元上是相当困难的。
本发明的详细内容本发明针对上述背景技术在叠加光谱区加前截止滤光片阻止高级次光谱叠加，使仪器结构复杂等问题，本发明的目的是要提供一种光栅光谱仪器高级次叠加光谱的分离方法。
本发明的分离步骤如下对测得的自由光谱区短波光谱信号I(λj)＝I1(λj)(j＝0，1，2，…，n)和叠加光谱区的混合光谱信号I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)(i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n)的光谱数据进行计算处理，就能够从I1+2(λi)混合光谱信号中分离短波二级光谱信号I2(λi)，从而获得长波一级光谱信号I1(λj)。
a.首先测量基于光栅和光谱仪结构的短波二级光谱信号和短波一级光谱信号的比值，得到异级光谱信号比γ2/1(λi)I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)=η2(λi)η1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>b.再将基于光栅和光谱仪结构的自由光谱区的短波一级光谱信号数据相邻项中间插值处理，得到插值短波一级光谱信号I1(λi)I1(λ1)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)i＝0，1，2，…，2n [7]c.将异级光谱信号比γ2/1(λi)和插值短波一级光谱信号I1(λi)相乘，得到叠加光谱区的短波二级光谱信号I2(λi)I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)i＝0，1，2，…，2n [6]d.测量叠加光谱区的混合光谱信号I1+2(λi)I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]e.从叠加光谱信号I1+2(λi)中减去I2(λi)，就得到了长波一级光谱信号I1(λj)I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[10]
这样，就完成了光栅光谱仪器叠加的二级光谱的分离，叠加的其它高级次光谱可按上述步骤进行分离。
计算分离方法的优点本发明光栅光谱仪器高级次叠加光谱的计算分离方法，不需要任何硬件措施，可在紫外、可见光、红外任意光谱范围分离光栅的高级次光谱。通过本发明就摆脱了分离高级次光谱对截止滤光片的依赖，只经光谱仪器测得光谱信号数据的计算处理，就能够从叠加光谱区混合光谱中分离高级次光谱而获得长波光谱信号，并且可以减小光栅光谱仪器结构设计的复杂性。特别对于使用面阵探测器的光栅光谱仪器，可使其结构设计更加容易。
图1是背景技术前截止滤光片光谱透过率图2是本发明一级、二级光谱和混合光谱信号分布示意图
具体实施例方式如图2所示，本发明在对基于光栅和光谱仪结构的二级光谱效率和一级次光谱效率比的仪器参数进行测量的基础上，并对自由光谱区的一级光谱信号进行测量，由此确定叠加光谱区的二级光谱信号，进而从叠加光谱区的混合信号中分离出二级光谱信号而得到长波一级光谱信号。
现以340nm～1100nm波长工作的光栅光谱仪器(简称光谱仪)中二级光谱叠加一级光谱的情况为例，用典型的光谱分析和测量情况说明，从长波一级光谱中叠加短波二级光谱的混合光谱信号中分离二级光谱，从而获得长波本身的光谱信号。把340nm～1100nm波长区域划分为目由光谱区340nm～680nm范围只有一级光谱；叠加光谱区680nm～1100nm范围叠加了340nm～550nm的二级光谱。
设光谱仪上输入的光通量为E(λ)，τ0(λ)——光谱仪系统透过率； I1(λ)——一级光谱探测器信号输出；R(λ)——探测器光谱响应度；I2(λ)——二级光谱探测器信号输出；η1(λ)——一级光谱光栅效率； I1+2(λ)——混合光谱探测器信号输出；η2(λ)——二级光谱光栅效率； γ2/1(λi)——异级光谱信号比α——自由光谱区； β——叠加光谱区；一级光谱λ0，λ1，…，λn，…，λm，λm+1，λm+2，…，λm+2n，j＝0，…，n，…，m，…，m+2n，m＞n；短波一级光谱λ0～λn相邻项中间插值，共获得2n+1项数据；即λ0，λ1/2，λ1，…，λn-1/2，λn或者表示为λ0，λ1，λ2，…，λ2n-1，λ2n，i＝0，1，2，…，2n；长波一级光谱λm＝2λ0，λm+1＝2λ1，…，λm+2n＝2λ2n，j＝m，m+1，…，m+2n；短波二级光谱λ0，λ1，λ2，…，λ2n-1，λ2n，i＝0，1，2，…，2n。
工作在一级光谱的情况下I1(λ)＝E(λ)η1(λ)τ0(λ)R(λ) [1]而相应的二级光谱，由于它的色散比一级光谱高一倍，采样数也多一倍。
I2(λ)＝E(λ)η2(λ)τ0(λ)R(λ) [2]在自由光谱区，只有一级光谱。因此，测得总的光谱信号输出I(λ)＝I1(λ)，即在340nm～680nm的自由光谱范围I(λ)＝I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝0，1，…，n，…，m [3]在680nm～1100nm叠加光谱区，则有一级光谱I1(λj)(j＝m，m+1，…，m+2n)和340nm～550nm的二级光谱I2(λi)(i＝0，1，2，…，2n)相叠加的混合光谱I1+2(λi)。
I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]其中I1(λj)和I2(λi)为I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝m，m+1，…，m+2n [5]I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n [6]这样，在自由光谱区λ0～λn采样范围有n+1个数据。叠加光谱区，由于短波二级光谱的色散是一级光谱的两倍。所以，叠加光谱区短波二级光谱有2n+1个数据。长波一级光谱也有2n+1个数据。所以，将自由光谱区λ0～λn范围采样的n+1个数据相邻项中间插值，获得2n+1个数据同叠加光谱区采样数据一一对应。
因此，将短波一级光谱I1(λj)采样数据相邻项中间插值处理以后就同二级光谱的光谱数据采样数相同，得到插值短波一级光谱I1(λi)I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n [7]如果光谱仪器中不采取某些措施，我们从探测器测得的光谱信号输出是[3]式和[4]式。在自由光谱区测得的光谱信号是[3]式，只有I(λ)＝I1(λj)(j＝0，1，…，n，…，m)波长区的光谱。但是在叠加光谱区由[4]式测得的是在长波一级光谱上叠加了短波二级光谱的混合光谱，即
I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]必须从测得的混合光谱I1+2(λi)中分离I2(λi)，才能获得所要求的叠加光谱区的长波光谱信号。现在通常的办法是在叠加光谱区加一个550nm的前截止滤光片(如图1所示)。
那么在叠加光谱区，波长短于550nm的二级光谱就不能经过光谱仪，即I2(λi)＝0，这样用滤光片就获得了长波光谱信号I1(λj)。
光栅结构和特性(闪耀角、效率、色散…等)确定以后。光谱仪器中一级光谱和二级光谱信号分布比例只与光栅和光谱仪结构有关。即从[6]式和[7]式可知I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)=η2(λi)η1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>也就是说，在叠加光谱区的二级光谱信号I2(λi)和一级光谱信号I1(λi)之比为光栅的二级光谱和一级光谱效率之比η2(λi)/η1(λi)=γ2/1(λi),]]>同入射光辐射强度E(λi)，光谱仪系统透过率τ0(λi)，探测器光谱响应度R(λi)等都无关；是仪器参数γ2/1(λi)(同波长有关)。在实际光谱仪器中γ2/1(λi)主要由η2(λi)和η1(λi)的比值决定，此外还受到杂散光等的影响。但是，作为仪器参数，可以预先测量得到。
光谱仪中已知(测量获得)了γ2/1(λi)，就可以从叠加光谱区混合光谱信号I1+2(λi)中分离出短波二级光谱I2(λi)，进而获得长波光谱信号I1(λj)。
根据[4]式，叠加光谱区混合光谱信号I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n [4]根据[8]式
I2(λi)/I1(λi)=γ2/1(λi)---i=0,1,2,···,2n---[8]]]>所以I1+2(λi)＝I1(λj)+γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[9]I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi) i＝0，1，2，…，2n；j＝m，m+1，…，m+2n[10]由于每次光谱测量中自由光谱区的光谱信号I1(λj)是直接测得的，并用内插法可得出如[7]式的2n+1项光谱数据，所以按[8]式可以计算出I2(λi)＝γ2/1(λi)I1(λi)。因而，可以从I1+2(λi)中分离I2(λi)而获得I1(λj)([10]式)。应用其它高级次光谱的情况，可按此方法进行分离。
本发明中γ2/1(λi)的测量方法光谱仪上用光源照明入射狭缝，在出射狭缝用探测器接收信号输出。
第一次测量不加前截止滤光片。那么在自由光谱区(340nm～680nm)获得的光谱信号I(λ)＝I1(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) j＝0，1，2，…，n，…，m [3]在叠加光谱区(680nm～1100nm)获得的混合光谱信号I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj) i＝0，1，2，…，2n [9]+E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi) j＝m，m+1，…，m+2n第二次测量在自由光谱区仍然同第一次测量一样，不加滤光片，同第一次测量，并将I1(λj)采样数据相邻项中间插值处理，同对应的二级光谱的光谱数据采样数相同。即I1′(λi)I1′(λi)＝I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi) i＝0，1，2，…，2n[11]在叠加光谱区(680nm～1100nm)加一个光谱透过率为τF(λ)的前截止滤光片(如图1所示)。那么，在叠加光谱区第二次测量中获得的光谱信号中消除了短波二级光谱I2(λi)＝0，而只有长波一级光谱I1(λj)，即I′(λj)＝I1′(λj)＝E(λj)η1(λj)τ0(λj)τF(λj)R(λj)＝τF(λj)I1(λj)j＝m，m+1，…，m+2nI1(λj)=I1′(λj)/τF(λJ)---j=m,m+1,···,m+2n---[12]]]>把[12]式带入[9]式，整理得I2(λj)=I1+2(λi)-I1(λj)---i=0,1,2,···,2n]]>=I1+2(λi)-I1′(λj)/τF(λj)---j=m,m+1,···,m+2n---[13]]]>将式[13]÷[11]就得出γ2/1(λi)γ2/1(λi)=I2(λi)I1′(λi)]]>=[I1+2(λi)-I1′(λj)/τF(λj)]/I1′(λi)---i=0,1,2,···,2n;j=m,m+1,···,m+2n---[14]]]>这样可测出γ2/1(λi)。
权利要求
1.光栅光谱仪器高级次叠加光谱的分离方法，其特征在于分离步骤只对测得的自由光谱区短波光谱信号I(λj)＝I1(λj)和叠加光谱区的混合光谱信号I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)的光谱数据进行计算处理，就能够从I1+2(λi)混合光谱信号中分离短波二级光谱信号I2(λi)，从而获得长波一级光谱信号I1(λj)a.首先测量基于光栅和光谱仪结构的短波二级光谱信号和短波一级光谱信号的比值，异级光谱信号比γ2/1(λi)I2(λi)I1(λi)=E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)E(λj)η1(λj)τ0(λj)R(λj)=η2(λi)η1(λj)=γ2/1(λi)]]>b.再将基于光栅和光谱仪结构的自由光谱区的短波一级光谱信号数据相邻项中间插值处理，得到插值短波一级光谱信号I1(λi)I1(λi)＝E(λi)η1(λi)τ0(λi)R(λi)c.将异级光谱信号比γ2/1(λi)和插值短波一级光谱信号I1(λi)相乘，得到叠加光谱区的短波二级光谱信号I2(λi):I2(λi)＝E(λi)η2(λi)τ0(λi)R(λi)d.测量叠加光谱区的混合光谱信号I1+2(λi):I1+2(λi)＝I1(λj)+I2(λi)e.从叠加光谱信号I1+2(λi)中减去I2(λi)，就得到了长波一级光谱信号I1(λj):I1(λj)＝I1+2(λi)-γ2/1(λi)I1(λi)这就完成了光栅光谱仪器叠加二级光谱的分离，叠加其它高级次光谱可按上述步骤进行分离。
全文摘要
本发明涉及光栅光谱仪器高级次叠加光谱的分离方法，光栅光谱仪器高级次叠加光谱的计算分离方法首先测量基于光栅和光谱仪器结构的异级光谱信号比γ
文档编号G01J3/28GK1598504SQ20041001106
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者李宏升, 禹秉熙 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所