一种减小宽光谱透过率测量误差的方法与流程

本发明涉及光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种减小宽光谱透过率测量误差的方法。

背景技术：

光谱分析法中，典型的光谱仪主要由光学平台和检测系统组成，包括以下几个主要部分：

1、入射狭缝：在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点；

2、准直元件：使狭缝发出的光纤变为平行光，该准直元件可以是一独立的透射、反射镜、或者直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅；

3、色散元件：通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散称为多条光束；

4、聚焦元件：聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长；

5、探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度，该探测器阵列可以是ccd阵列或者其它种类的光探测器阵列。

基于此，我们结合传统光谱仪的结构组成简述一下其应用原理，光谱仪采用一个可以产生多个波长的光源，该光信号由光纤接口经过入射狭缝进入到光谱仪的光学平台，先经一个准直元件(如曲面镜)准直，再照射进待测样品中，然后由一块色散元件(如平面光栅)把透射出来的准直光色散，经由聚焦元件(如光栅)聚焦，最后光谱的像被投射到线性探测器阵列上，每一像点对应于一特定波长，探测器测量出各波长像点的光强度，并经后续的数据处理系统调制放大后，分别测量出参比样品的光谱能量r和待测样品的光谱能量，再通过计算得到透过率t。

参比光路与包含样品的检测光路相比，一般是不含任何溶质成分的溶剂或者空气。检测的情况通常为先测量参比光路以得到光源通过参比样品后的透射信号r，再测量包含待测样品的测试光路以得到样品透射信号s。也就是说，光谱仪的数据处理系统是将样品透射信号s与参比透射信号r进行对比，以t＝s/r×100％的公式计算出透过率t。

此外，光谱分析法当中，光谱仪自身存在难以克服的随机噪音误差rms，rms始终夹杂在光谱仪测量到的光能量信号当中。光谱仪中的rms包括信号噪声、读出噪声和热噪声等等。例如，信号噪声是指信号的随机噪声；读出噪声是指电荷转移时产生的噪声，它发生在每次电荷转移过程中，因此与读取的速度有关，读取速度越快，读出噪声也越高；热噪声是指温度引起的噪声，温度越低，热噪声越小。由此可见，随着光谱仪的读取速度发展越来越快，以及随着高速工作所产生的热量相应渐多，rms不仅更加难以克服，还会呈现增长趋势。

因此，由于实际检测过程中，光谱仪本身始终存在随机噪音误差，因此光谱仪并不能准确测量到入射光通过待测样品后对应的实际光能量信号，只能获得带有随机噪音误差的信号数据，当中的噪音信号很大程度上影响了光谱仪的测量准确度，限制了光谱仪高精密仪器的检测效果。

技术实现要素：

为了克服随机噪音误差对测量准确度的不利影响，本发明提供了一种减小宽光谱透过率测量误差的方法，通过该方法，可以大大减小样品透过率的误差，极大地克服随机噪音误差带来的不利影响，获取更高的样品透射信号，使得光谱仪的信噪比显著提高，从而提高了样品的检测准确度。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种减小宽光谱透过率测量误差的方法，所述方法包括在进行样品检测时，通过增强入射光全波长的光谱强度，提高测量信号，减小样品的测量误差。

由于本发明方法仅需对入射光强度进行调整，因此可以用于多种样品类型的检测，并广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的检测或电磁辐射分析等。

特别说明的是：所述样品的测量误差代表样品任意波长下的的测量误差，测量误差为该波长下样品透过率的测量误差△tλ。

本发明减小宽光谱透过率测量误差的方法，首先通过增强n倍的入射光全波长的光谱强度，再根据待测样品的透过率公式：tλ＝sλ’/rλ/n×100％计算任意波长下的透过率；

其中sλ’为增强入射光的光谱强度后，任意波长下测量得到的待测样品的光谱强度；rλ为样品检测前，任意波长下测量得到的参比样品的光谱强度。

作为本发明的进一步优化方案，所述参比试剂透射信号rλ由未经增强处理的入射光线测量得到。

特别说明的是：本发明所述光谱强度均为检测器扣除本底暗噪音后的光谱强度。

作为本发明的优化方案，所述样品测得的透过率数值为tλ＝tλ’/n；其中n为入射光线强度的增强倍数(n为正数值)，tλ’代表任意波长下，增强入射光线强度后样品测得的透过率。

作为本发明的进一步优化方案，所述入射光线强度的增强倍数n可通过控制光源实际发光强度获得。

作为本发明的进一步优化方案，通过控制入射光光源的发光脉冲次数，使得测量样品和测量参比的脉冲比值为n，将入射光强度增强n倍。

作为本发明的进一步优化方案，通过在光源处加载斩光器，使得测量样品和测量参比通过的光强比值为n，将入射光强度增强n倍。

操作增强n倍的入射光全波长的光谱强度的同时，需注意的是增强后的强度信号不能超过检测器的测量范围，超出检测器的检测上限会出现检测器饱和，失去增强效果，同时对仪器本身带来不利影响。

在此简述一下本发明方法的实现原理：

以光谱分析法为例，光谱仪的光学系统主要包括光源、入射狭缝、准直元件(例如准直镜)、样品池、色散元件(例如光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。光谱仪采用一个可以产生多个波长的光源，将其依次经过入射狭缝、准直元件使得入射光线变成平行光，再照射进待测样品池中，被吸收后将透射出来的光能量经过色散元件和聚焦光学系统，使其形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长，最后经探测器测量各波长像点的光强度，并经后续的数据处理系统调制放大后，计算出任意波长情况下待测样品(溶液、滤光片等)的透过率tλ及吸光度a。

通常任意波长下待测样品的透过率tλ由如下公式获得：

tλ＝s/r×100％；

其中r为样品检测前，任意波长下光源通过参比样品后测量得到的参比样品的光谱强度，即rλ，以下均以r替代；该强度分布已扣除相应波长下的暗电流(即扣除本底暗噪音后的光谱强度)；s为任意波长下，光源通过待测样品后由光谱测量的全光谱的信号强度分布，即sλ；以下均以s替代；该强度分布已扣除相应波长下的暗电流。

如背景技术中提及，入射光通过待测样品后由光谱测量光能量信号s里面均存在有噪音信号，现有的噪声信号测试中，一般对噪声计算采用对样本噪声的rms运算(均方根运算、峰峰值运算)，因而此处rms可以理解为随机噪音误差。

由上可知，入射光通过待测样品后由光谱仪测量到的光能量信号s实际为s1+rms；其中s1为入射光通过待测样品后对应的实际光能量信号(均扣除本底暗噪音后的光谱强度)；

则样品的真实透过率为t1＝s1/r×100％；由于光谱仪存在随机噪音误差rms，光谱仪不能准确测量到入射光通过待测样品后对应的实际光能量信号s1，只能获得带有rms误差的信号s，故光谱仪测量到的待测样品在任意波长下的的透过率tλ为：

tλ＝s/r＝(s1+rms)/r×100％＝(s1/r+rms/r)×100％(a)

(特别说明的是：此处公式(a)中的r中同样存在噪声信号，但由于做参比样品时，光通量信号比较强，该噪声信号相比于s的噪声信号可忽略不计)。

那么，可以得出光谱仪测量的透过率相对于真实透过率的误差：

△tλ＝tλ-t1＝rms/r；(b)

△tλ为该波长下待测样品透过率的测量误差。

本发明方法的重点在于，在测量样品的时候提高待测样品入射光的全波长光谱强度至n倍，则入射光通过待测样品后对应的实际光能量信号为n×s1，此时光谱仪测量到的信号s’＝n×s1+rms；对应透过率tλ’＝(n×s1+rms)/r，由于入射光的全波长光谱强度增加n倍，其透过率同样增加了n倍，因此可以通过将透过率tλ’缩小n倍，以获得待测样品的透过率tn，其中，tn＝tλ’/n，即tn＝(n×s1+rms)/r/n＝(s1/r+rms/r/n)×100％。

也就是说，通过将入射光的全波长光谱强度增加n倍，光谱仪测量的透过率tn相对于真实透过率的误差为：△tλ’＝tn-t1＝rms/r/n；(c)

公式(c)相对公式(b)，本发明将透过率误差缩小至原来透过率误差的1/n。

补充说明的是，由公式(c)可得知，本方法的设计要点在于仅仅增强待测样品的光源强度，以降低噪声的影响，从而得到更加准确的透过率数值，因此本方法只在检测待测样品透过率的时候，才增加对应光源的强度，且增强后的光强不应超过检测器的检测范围；因而在检测参比样品时，并不需要对光源进行放大处理。

进一步地，本发明尤其适用于透过率较低的待测样品的检测，原因在于透过率较低的样品，本身rms导致的误差会较高，极大影响测定。

例如，根据公式(b)：△tλ＝tλ-t1＝rms/r；在某个波长下，如果rms为10，参比样品的信号通常都比较高，例如为5000，光谱仪测量可算出测量的绝对误差△tλ＝10/5000＝0.2％，相对于实际透过率1％的样品相对误差为0.2/1＝20％。

采用本发明提供的方法，将样品的入射光强信号提高10倍，根据公式(c)，光谱仪测量可算出测量的绝对误差△tλ＝10/5000/10＝0.02％，此时，相对于实际透过率1％的相对误差变为0.02/1＝2％，透过率的测量误差大大减小，检测准确度提高。

作为本发明的进一步优化方案，入射光全光谱是指200-1700nm内的任一波长范围；对于发射光谱的绝对测量，光谱仪可以配置成波长范围从200-400nm或380-1700nm，或组合起来实现紫外/可见200-1700nm，以覆盖全波长的光谱范围。

作为本发明的进一步优化方案，所述光源包括但不限于氙灯、氘灯、卤钨灯。

本发明通过上述方法可以显著减小样品的透过率测量误差，针对液态样品来说，由于样品的透过率与吸光度有a＝-log(t)的关系，在减小了样品的透过率误差的前提下，样品的吸光度检测准确性可以大大提高，继而提高液态样品浓度的测量准确度。同样地，针对固态样品来说，根据透光率本身的定义，也可以直接减小样品透过率测量误差，提升检测准确度。因而，并不受样品检测形态的限制。

本发明提供的减小宽光谱透过率测量误差的方法，由于不限样品形态限制，操作简便，能够提升检测准确性，在生物、化学分析领域，例如，在基于光谱法的生物基因、蛋白分析，食品、水质、环境检测等应用前景好。

进一步地，利用所述方法测量透过率t并计算吸光度a，按照a＝-log(t)得到吸光度数值，对目标物质进行定性定量精准测定。

与现有技术相比，本发明方法具有以下优点和有益效果：

本发明提供了一种利用光谱分析法提高样品检测精度的方法，结合光透过率定义，综合光谱仪的检测原理、发光元器件的工作原理等，具有以下优点：

(1)本发明通过增强入射光线的光谱强度，大大减小了样品透过率t的测量误差，获取更高的样品试剂透射信号，从而使得光谱仪的信噪比显著提高，提高了样品的检测准确度；

(2)本发明上述方法无需调节光程，从而不会受有限的改变光程的方法或者设备的限制；易达到提高样品检测准确度的目的，且操作简便；

(3)以液态样品来说，本方法无需对待测液态样品进行提前稀释，对于低浓度或者高浓度的待测样品均可以直接上机检测。

(4)本发明所述方法同样适用于固态样品，不受样品的浓度、样品的容量以及样品的形式限制，可以广泛应用于多种样品类型(例如液体样品、滤光片等)的检测。

附图说明

图1为本发明的实施例1的工作原理示意图；

图2为本发明的实施例2的工作原理示意图；

图3为实施例1的未经增强入射光强度处理的待测样品透过率(1)、吸光度曲线(2)；

图4为实施例1的经增强入射光强度处理的被测样品透过率(1)、吸光度曲线(2)；

图5为局部200-240nm区间处，实施例1增强处理前与处理后的被测样品的透过率对比图(1)、吸光度曲线对比图(2)。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实验例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

以液态样品为例，一种减小宽光谱透过率测量误差的方法，在液体样品的透过率及吸光度检测过程中，通过改变光源的脉冲频率，增强待测样品对应的入射光全波长光谱强度。

步骤s1、本实施例的参比池是不含任何溶质成分的溶剂，通过在测量包含样品的测试光路之前，将样品池的位置切换成参比池，先测量参比光路，得到未经增强处理的入射光通过参比样品后由光谱测量的全光谱的信号强度分布，再通过信号处理系统和光学特性计算单元计算得到未处理的待测样品透过率曲线(如图3中(1)所示)和吸光度曲线(如图3中(2)所示)；

步骤s2、将参比池切换回样品池，将待测样品的光源脉冲频率在前述参比光源的基础上放大10倍；

步骤s3、由所述步骤s2得到的透射光信号经过色散元件和聚焦光学系统，最后经探测器测量出各波长像点的光强度，此处探测器测得的为增强10倍后的透射光能量信号s’，则光谱仪测量到的信号s’＝10×s1+rms(s1为入射光通过样品池后对应的实际光能量信号，rms为光谱仪存在随机噪音误差)；

步骤s4、采用信号处理系统计算出任一波长下，放大后的透过率tλ’，tλ’＝s’/r＝(10×s1+rms)/r；

步骤s5、采用光学特性计算单元将透过率tλ’按照入射光线的增强倍数进行等比例缩小得到t10(代表任一波长下，增强10倍后的信号强度)，t10＝tλ’/10，再根据t10，换算出吸光度a，得到处理过的被测样品透过率曲线(如图4中(1)所示)和吸光度曲线(如图4中(2)所示)。

图5中(1)为200-240nm区间的曲线放大图，分别处理前与处理后被测样品的透过率曲线对比图，图5中(2)为处理前与处理后被测样品的吸光度曲线对比图；可以看出：本实施例方法得到的透过率和吸光度曲线更为光滑平整，显著减少了随机噪音误差的影响。

本实施例中，所述步骤s2中，调整脉冲频率的方式可以有很多，当采用数字器件产生光脉冲时，通过改变输入频率，则光脉冲频率也会相应改变；当采用单片机产生光脉冲时，通过修改寄存器比较值，以改变光脉冲频率。

实施例2

以液态样品为例，一种减小宽光谱透过率测量误差的方法，在液体样品的透过率及吸光度检测过程中，通过设置斩光器，增大待测样品对应的入射光全波长光谱强度，以减小样品的测量误差。

步骤s1、本实施例的参比池是不含任何溶质成分的溶剂，通过在测量包含样品的测试光路之前，将样品池的位置切换成参比池，先测量参比光路，以得到未经增强处理的入射光通过参比样品后由光谱测量的全光谱的信号强度分布，再通过信号处理系统和光学特性计算单元计算得到参比的透过率和吸光度曲线；

步骤s2、将参比池切换回样品池，利用斩光器调整光源的强度，将待测样品的光源强度在前述参比光源的基础上放大10倍；

步骤s3、由所述步骤s2得到的透射光信号经过色散元件和聚焦光学系统，最后经探测器测量出各波长像点的光强度，此处探测器测得的为增强10倍后的透射光能量信号s’，则光谱仪测量到的信号s’＝10×s1+rms(s1为入射光通过样品池后对应的实际光能量信号，rms为光谱仪存在随机噪音误差)；

步骤s4、采用信号处理系统计算出任一波长下，放大后的透过率tλ’，tλ’＝s’/r＝(10×s1+rms)/r；

步骤s5、采用光学特性计算单元将透过率t’按照入射光线的增强倍数进行等比例缩小得到t10(代表任一波长下，增强10倍后的信号强度)，t10＝tλ’/10，再根据t10，换算出吸光度a，得到样品的透过率和吸光度曲线。

本实施例，步骤s2中，所述斩光器作为一种能进行微弱信号变换的高精密元件，可以理解为频率可调的旋转叶片，将旋转叶片放置在光路中，随着叶片的旋转，光会周期性地通过和被遮挡，这样光学信号就被施加了脉冲调制，调制频率取决于叶片的旋转频率。也就是说，斩光操作是使光束或红外辐射束在均匀时间间隔里中断，将光源发出的光辐射击信号通过电动机调制成交变信号，从而对被测光的光束强度进行调制。

本实施例中，所述斩光器采用旋转盘式机械光闸，通过在光源位置处设置斩光器，将光源的光束强度进行一定程度的放大，再将调制过的光束通过入射狭缝射向准直元件，使得探测器探测到相应放大的透射光信号。

当然，在其他一些实施方式中，还可以选择其他形式的斩光器，例如变频旋转斩波器、固定频率调音叉斩波器，以不同的斩光形式，同样达到调节光信号强度的目的。

实施例3

以滤光片为例，一种减小宽光谱透过率测量误差的方法，在滤光片的透过率检测过程中，通过设置斩光器，增大待测样品对应的入射光全波长光谱强度，以减小样品的测量误差。

步骤s1、通过在测量包含样品的测试光路之前，将样品池的位置放上参比滤光片，先测量参比光路(空气)，以得到未经增强处理的入射光通过空气后由光谱测量的全光谱的信号强度分布；

步骤s2、将参比池切换成待测滤光片，利用斩光器调整光源的强度，将待测滤光片的光源强度在前述参比光源的基础上放大10倍；

步骤s3、由所述步骤s2得到的透射光信号经过色散元件和聚焦光学系统，最后经探测器测量出各波长像点的光强度，此处探测器测得的光强度为增强10倍后的透射光能量信号s’，则光谱仪测量到的信号s’＝10×s1+rms(s1为入射光通过样品池后对应的实际光能量信号，rms为光谱仪存在随机噪音误差)；

步骤s4、采用信号处理系统计算出任一波长下，放大后的透过率tλ’，tλ’＝s’/r＝(10×s1+rms)/r；

步骤s5、采用光学特性计算单元将透过率t’按照入射光线的增强倍数进行等比例缩小得到待测滤光片的透过率t10(代表任一波长下，增强10倍后的信号强度)，t10＝tλ’/10。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。