專利名稱：一種光譜儀器的波長標定方法
技術領域：
本發明涉及的是采用陣列探測器的光譜儀器的波長標定方法，屬于光譜儀器波長標定技 術領域。
背景技術：
采用陣列探測器的光譜儀器可抽象為附圖1所示的模型。光源(1)發出的光經入射孔徑(2) 限制，被準直鏡(3)準直，投射到光柵(4)上，色散后被成像鏡(5)會聚為譜面上的光譜像，再 由探測器(6)探測，輸出光譜圖。由探測器原理知，光譜圖是由探測器像元對光譜像進行積分 區間為像元光敏面寬度、采樣間隔為像元間隔的空間積分抽樣后得到的。附圖2所示為一根 譜線在探測器上積分抽樣的示意圖，投射到探測器上的光譜(7)在像元(9)的抽樣積分下成為 離散的光譜數據(8)。這些光譜數據對應的是每個像元上光強的積分值，而其相應的波長是未 知的。波長標定就是確定探測器各像元所對應的實際波長的過程，標定結果直接影響著儀器 的波長準確度。波長標定過程是，采用具有線狀光譜的光源，從儀器輸出的光譜圖上獲得該光源各譜線 峰值所在的空間位置(ll)，并用這些譜線的峰值波長(10)及其對應空間位置(11)來擬合整個 譜面上的"空間位置-波長"關系，從而確定探測器每個像元所對應的波長，其示意圖如附圖 3。為獲得良好的擬合結果，用于擬合的數據(即光源譜線峰值的波長及其所在空間位置)必 須具有足夠的精度。譜線峰值波長的精度可以靠采用具有一系列穩定的特征譜線的標準光源來保證。譜線峰值空間位置的精度則由儀器決定。在采用陣列探測器的光譜儀器中，因存在 以下問題而導致用于擬合的譜峰空間位置的精度受限，從而限制了標定結果的波長準確度。首先，探測器像元間隔(即對光譜像的采樣間隔)不可能無限小，故對光譜像的采樣率 受限，而較低的采樣率將導致每根譜線探測到的數據點過于稀疏，所獲得的光譜圖無法準確 再現譜線輪廓，影響譜峰空間位置的準確判定。其次，探測器像元寬度(即采樣點處的積分區間)不可能無限小，而過大的積分區間會 給光譜圖帶來嚴重模糊，使光譜圖上譜線輪廓展寬，也會影響譜峰空間位置的準確判定。再有，受限于光路結構尺寸和光學元件制造，儀器的光學系統無法完全消除像差，而這 些像差會導致譜像歪斜，這可能使標定過程中在判斷某譜線中心波長位置時出現偏移。在現有的波長標定方法中，譜峰空間位置是在上述條件的制約下獲得的，而標定結果的 波長準確度也會受到限制
發明內容
本發明的目的是綜合考慮以上各項主要影響因素，在現有波長標定方法上更進一步提高 波長準確度。本發明的內容要點是針對上述三個因素分別采用亞像元探測、亞像元重建、譜峰位置求 解來減小或消除它們對波長標定的不良影響，以獲得精度較高的譜峰空間位置用來擬合譜面 上的"空間位置-波長"對應關系。方法的具體實施過程是給光譜儀器輸入有已知線狀光譜的標定光源，由以下步驟獲得 光源譜線峰值所在空間位置，并用這些譜線的峰值波長及其對應空間位置來擬合譜面上的 "空間位置-波長"關系。步驟l:通過亞像元探測讀取由n (n為正整數)幅光譜圖組成的光譜圖序列，這些光譜 圖沿色散方向彼此間有大小為探測器像元間隔1/n的微位移。這些微位移即光譜像和探測器 原點間的微位移，據此，序列光譜圖的獲取方法可以是光譜像不動，沿色散方向移動探測器， 使探測器原點相對于光譜像依次有l/n像元間隔的微位移；也可以是探測器(6)不動，轉動光 柵(4)，或改變入射孔徑(2)的位置，或采用分束器件，使光譜像相對于探測器依次有1/n像 元間隔的微位移。以『3為例，光譜圖序列示意圖如附圖4。微位移(12)大小為1/3像元間 隔，(13)、 (14)、 (15)是獲得的光譜圖序列。步驟2:亞像元重建將步驟(l)中獲得的序列光譜圖融合為采樣率提高至原來的n倍的 高分辨率光譜圖。融合方法可以是直接將原n副光譜圖中的全部數據點按各自所對應的空間 抽樣位置重新排列，此時獲得的光譜圖采樣率提高至原來的n倍，而每個采樣點處的積分區 間不變；也可以是由原n副光譜圖中的數據遞推出實際像元細分后的亞像元探測值，此時獲 得的光譜圖不僅采樣率提高至原來的n倍，每個采樣點處的積分區間也縮小為原來的1/n。 仍以『3為例，如附圖5所示，直接重新排列的光譜圖數據即S。(0)， S,(O)， S2(0)， S。(l)， SJ1), S2(l)， S。(2)' SJ2)， S2(2)，……。若遞推出亞像元探測值s,即每個采樣點處積分 區間縮小為原來的1/3的光度積分值，則光譜圖數據為s(O)， s(l)， s(2)， s(3)， s(4)， s(5)， s(6)， s(7)， s(8)， s(9)， s(10)，......。步驟3:獲取譜線峰值空間位置由步驟(2)中得到的光譜圖獲取用于標定的譜線的峰值所在的空間位置。獲取譜峰空間位置的方法可以是以每根譜線的數據中的強度最大值點的亞像元位置作為峰值的空間位置；也可以是以每根譜線的數據經插值得到的譜線峰值的空間位 置作為峰值的空間位置；也可以是以每根譜線的數據經譜線輪廓擬合得到的譜線峰值的空間位置作為峰值的空間位置。但只有當采用譜線輪廓擬合并選用了合適的模型時可以糾正像差 造成的譜峰歪斜。本發明的效果顯著。亞像元探測提高了光譜圖采樣率，獲得了分辨率提高的光譜圖。由 附圖4可以看出，由于提高了采樣率，采用直接重排進行亞像元重建獲得的光譜圖(16)已經
比原來的任一光譜圖(13)、 (14)、 (15)更好的再現了譜線輪廓。而在此基礎上若遞推出亞像 元探測值更能把每個采樣點處的探測值重建為1/3像元寬度上的光度積分值，從而更精確地 復原譜線輪廓。由附圖4還可以看出，在亞像元探測與亞像元重建的基礎上，若直接以此時 譜線數據中強度最大值點的亞像元位置作為譜峰位置已經比原來要精確。而更精細的譜峰位 置可通過對峰值附近的數據插值得到。更進一步，如附圖6所示，當因光學系統影響導致譜 線峰值(19)歪斜明顯時，選用適宜的譜線模型(18)可以擬合出更貼近譜線真實情況(17)的輪 廓。在附圖6所示情況中，每個像元的中心點以正整數順序編號作為空間位置的表示。由圖 中可以看出，實際譜線的峰值位置為4.27。若直接由一幅光譜圖中譜線數據最大值點的位置 作為譜峰位置，得到其位置為5.00;若經亞像元探測和重建，得到的譜峰位置為4.67;若再 經譜線輪廓擬合，得到的譜峰位置為4.48。可見，亞像元探測、亞像元重建、譜線輪廓擬合 的綜合應用層層遞進的提高了采用陣列探測器的光譜儀器的波長準確度。
圖l.采用陣列探測器的光譜儀器模型。圖2. —根譜線在探測器上的積分抽樣示意圖。圖3.波長標定中譜峰波長及其空間位置對應關系示意圖。圖4.亞像元探測示意圖。圖5.亞像元重建示意圖。圖6.譜線輪廓擬合糾正譜峰歪斜的示意圖。圖7.實施例一的流程圖。圖8.實施例二的流程圖。
具體實施方式
現通過兩個具體實施例說明本方法的具體實施方式
。系統為同一光譜儀器實驗平臺，波長探測范圍200nm-800nm，光源為汞氬燈，光柵為凹 面平場光柵，采用具有1024個像元的探測器且像元間隔為24um。分別實施現有波長標定方 法和依照本專利的新波長標定方法，并通過標定譜線的波長準確度來評判標定結果。實施例一在依照本專利的新波長標定方法中，釆用固定光譜像、以步距l/3像元間隔移動探測器 實現l/3亞像元探測；采用數據直接重排重建光譜圖；譜峰空間位置以重建光譜圖中每根譜 線數據的最大值點的亞像元位置表示。具體流程圖如附圖7所示。表1所示為一組實驗結果下部分譜線處的波長準確度與現有方法下的波長準確度對比。 與現有方法的波長準確度相比，新方法的波長準確度平均提高了約30%。
表l.實施例一的現有方法與新方法標定結果波長準確度對比(單位nm)檢測譜線波長296.728313. 155365.015435.833546.074696. 543763.511波長 準確 度現有方法0. 718-O.3970. 401-0.3630. 1740. 415-0. 204新方法0. 597-0.1660. 181-0.2130. 1340.406-0. 196實施例二:在依照本專利的新波長標定方法中，采用固定探測器、轉動光柵使光譜像相對探測器移 動1/3像元間隔實現1/3亞像元探測；采用平均帶限遞推獲得亞像元探測值重建光譜圖；譜 峰空間位置以對譜線輪廓進行高斯擬合后最大值對應的空間位置表示。具體流程圖如附圖8 所示。表2所示為一組實驗結果下部分譜線處的波長準確度與現有方法下的波長準確度對比。與現有方法的波長準確度相比，新方法的波長準確度提高了約80%。表2.實施例二的現有方法與新方法標定結果波長準確度對比(單位nm)檢測譜線波長296. 728313. 155365.015435. 833546.074696.543763.511波長現有方法0. 718-0. 3970. 401-0. 3630. 1740. 415-O. 204準確新方法度0. 1560. 0420. 0070. 137-O. 0630.050-O.03權利要求
1、一種光譜儀器的波長標定方法，所述光譜儀器采用陣列探測器，所述方法采用具有線狀光譜的光源，從儀器輸出的光譜圖上獲得該光源各譜線峰值所在的空間位置，并用這些譜線的峰值波長及其對應空間位置來擬合譜面上的“空間位置-波長”關系，從而確定探測器每個像元所對應的波長，其特征在于，光源各譜線峰值所在的空間位置是通過以下步驟獲得的(1)亞像元探測讀取由n幅光譜圖組成的光譜圖序列，n為正整數，這些光譜圖沿色散方向彼此間有大小為探測器像元間隔1/n的微位移；(2)亞像元重建將步驟(1)中獲得的序列光譜圖融合為采樣率提高至原來的n倍的高分辨率光譜圖；(3)獲取譜線峰值空間位置由步驟(2)中獲得的光譜圖獲取用于標定的譜線的峰值所在的空間位置。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，亞像元探測的方法是如下任意一種光譜像不動，沿色散方向移動探測器，使探測器原點相對于光譜像依次有l/n像元間隔的微位移；探測器不動，轉動光柵，或改變入射孔徑位置，或采用分束器件，使光譜像相對于探測器依次有1/n像元間隔的微位移。
3、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，亞像元重建的方法是如下任意一種將原n 副光譜圖中的全部數據點按各自所對應的空間抽樣位置重新排列，成為采樣率提高至原來的 n倍，而單像元對應的空間積分區間不變的光譜圖；由原n副光譜圖中的數據遞推出實際像 元細分后的亞像元探測值，成為采樣率提高至原來的n倍，且單像元對應的積分區間縮小為 原來的1/n的光譜圖。
4、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，獲取譜線峰值空間位置的方法是如下任意一 種以每根譜線的數據中的強度最大值點的空間位置作為峰值的空間位置；以每根譜線的數 據經插值得到的譜線峰值的空間位置作為峰值的空間位置；以每根譜線的數據經譜線輪廓擬 合得到的譜線峰值的空間位置作為峰值的空間位置。
全文摘要
一種光譜儀器的波長標定方法，主要涉及采用陣列探測器的光譜儀器的波長標定方法，屬于光譜儀器波長標定技術領域。本方法光譜儀器采用陣列探測器，采用具有線狀光譜的光源，從儀器輸出的光譜圖上獲得該光源各譜線峰值所在的空間位置，并用這些譜線的峰值波長及其對應空間位置來擬合譜面上的“空間位置-波長”關系，從而確定探測器每個像元所對應的波長，光源各譜線峰值所在的空間位置通過以下步驟獲得亞像元探測；亞像元重建；獲取譜線峰值空間位置。本發明亞像元探測提高了光譜圖采樣率，獲得了分辨率提高的光譜圖；亞像元探測、亞像元重建、譜線輪廓擬合的綜合應用層層遞進的提高了采用陣列探測器的光譜儀器的波長準確度。本發明的效果顯著。
文檔編號G01J3/12GK101158599SQ20071017724
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月13日 優先權日2007年11月13日
發明者何慶聲, 楊懷棟, 黃星月 申請人:清華大學