分光系統中被測光譜的純淨方法
2023-09-10 07:19:15
專利名稱：分光系統中被測光譜的純淨方法
技術領域：
本發明涉及一種分光系統中被測光譜的純淨方法，屬於光譜學、光譜儀器及測量技術領域。
以光柵為分光器件的光譜測量為例，根據光柵方程dsinθ＝kλ，對於某個衍射角θ，通常都有幾種波長的光能滿足光柵方程，即dsinθ＝k1λ1＝k2λ2＝…＝knλn，即衍射光譜中第k1級的波長為λ1的單色光、第k2級的波長為λ2的單色光……以及第kn級的波長為λn的單色光都將同時出現在同一個衍射角位置，形成重疊的光譜，即所謂的光譜級次重疊現象。儘管不同級次光譜的衍射效率不同，但多級重疊現象總是存在的，因此消除疊加在被測級次光譜上的其餘級次光譜是光柵分光系統中首要考慮和解決的問題。
在傳統的機械掃描式分光光度計或光譜儀中，是通過轉動分光器件實現波長掃描，分時分波長進行測量的，這種串行測量方式，允許採取在光路中分時插入不同的濾光片的方法，將可能呈現的非被測級次的波長或雜散光波長濾去，達到純淨被測光譜的目的。這種方法已經被廣泛使用在各種光譜測量儀器中，大多數分光儀器在波長掃描過程中都需要更換數片不同的濾光片。
在非機械掃描式分光光度計或光譜儀中，由於採用多通道陣列式檢測器，測量過程無需機械掃描，在瞬間便能完成光譜範圍內所有波長信息的採集，是一種並行測量方式。這種超快速的分光光度方式，極大地提高了分析檢測過程的速度和效率，更為重要的是，它為人類研究生化反應、生命科學和爆破等快速過程提供了有力的手段。對於這種非機械掃描式儀器，當光譜覆蓋的範圍較寬時，傳統的分時切入不同濾光片的方法已不能適用，必須採取新的濾光方法和濾光器件來純淨被測光譜。
為達到這樣的目的，本發明根據全譜並行測量的要求，利用被測光譜與疊加的非被測光譜分別屬於不同的波段這一性質，所有波段非被測光譜的濾除由一塊定位式的濾光片或器件來實現。濾光器件置於分光器件與陣列探測器之間，由具有不同透過或反射光譜特性的兩個或以上區域組成，濾光器各區域的大小、透過或反射光譜特性由選定的安置濾光器位置處的被測光譜和非被測重疊光譜的波長分布和波長範圍確定，區域劃分的依據是每個區域內被測光譜與非被測光譜在譜段上斷開(隔開)至少5nm，區域的透過或反射光譜特性設計應滿足使被測譜經過濾光片透射或反射後仍能達到探測器，並具有足夠的強度，同時使非被測譜經過濾光片透射或反射後不能達到探測器。
本發明的具體方法如下1)選擇濾光器置於分光器件和多通道陣列探測器之間的適當位置，通常是靠近探測器的探測面。
2)選擇光通過濾光器的方式。可以是經過濾光器透射，也可以是經過濾光器反射。
3)分析濾光器所在面上被測光譜與非被測光譜的波長分布及其空間位置分布。
4)根據被測光譜與非被測光譜的波長空間分布情況將光譜測量面或濾光面劃分成2個或以上區域。區域劃分的原則是使得呈現在每個區域上的被測光譜與非被測光譜的波長無重疊，在光譜波段上斷開。被測光譜的短波長大於非被測光譜的長波長，或者被測光譜的長波長小於非被測光譜的短波長。被測光譜與非被測光譜斷開的波長間距大於等於5nm。
5)選擇一塊與譜面大小相適的基片，在劃分的各個區域分別鍍膜或塗料，使得各區域具有不同的光學反射或透過特性，從而使得各區域均具有「通」被測光譜而「截」非被測光譜的特性。或者選擇具有不同光學反射或透射特性的薄膜或波片，經過裁製，將其採用交疊或膠合的方法拼成多區域濾光器，使得各區域具有不同的光學反射或透過特性，從而使得各區域均具有「通」被測光譜而「截」非被測光譜的特性。
本發明提供的具體方法能有效地濾除疊加在被測光譜上的、波長與被測光譜不同的非被測光譜成分，並滿足寬光譜全譜並行高速測量的要求。
圖1中，光柵分光範圍為190～800nm、光源光譜範圍為185～1200nm。
圖2為本發明光譜測量實例中濾光片區域劃分示意圖。
圖3為本發明在一塊基片上分三個區域的濾光片的結構示意圖。
圖3中，基片的長、寬、高分別為L、W、H，基片上方的薄層為薄膜層或塗料層，被劃分為I、II、III三個區域，各區域的長度分別為L1、L2、L3，寬度小於等於W，厚度根據實際情況確定。
圖4為光路中不加濾光片情況下測得的氧化鈥溶液吸收光譜圖。
圖4中的橫坐標為陣列探測器的像元數(對應于波長)，縱坐標為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜嚴重偏離標準圖譜，從370nm(對應100像元處)左右開始吸光度明顯偏大，還可以觀察到數個多級譜的吸收峰，表明多級譜的存在嚴重影響了光度測量的準確性。
圖5為光路中加入本發明實例設計的濾光片情況下測得的氧化鈥溶液吸收光譜圖。
圖5中的橫坐標為陣列探測器的像元數(對應于波長)，縱坐標為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜與標準圖譜符合，表明重疊在被測一級譜上的多級譜被有效濾除。
設測量光柵第一級衍射190～800nm範圍的光譜，光源的光譜範圍185～1200nm。
新型濾光器設計方法如下1)選擇濾光器緊貼於多通道陣列探測器探測面上。
2)選擇光經過濾光器的方式為透射方式。
3)分析濾光器所在面上被測一級光譜與非被測多級光譜的波長分布及其空間位置分布光柵衍射各級光譜的波長分布及呈現位置分布如附圖1由光柵方程在第一級衍射光譜的λ波長位置將疊加第二級衍射光譜λ『，第三級衍射光譜λ「，……，而且滿足λ＝2λ『＝3λ「＝……波段的對應關係來看在一級衍射譜185～370nm範圍，光譜無重疊；在一級衍射譜370～555nm範圍，重疊了185～277.5nm的二級譜；在一級衍射譜555～740nm範圍，重疊的有277.5～370nm的二級譜，和185～246.7nm的三級譜；在一級衍射譜740～800n光譜範圍，重疊的不僅有370～400nm的二級譜、246.7～266.7nm的三級譜，還有185～200nm的四級譜。
綜上所述，雖然不同級次的光譜在位置上是重疊的，但各級譜所在的波長區間不同。
4)根據被測光譜與非被測光譜的波長空間分布情況將光譜面劃分為3個區域。使得各區域的被測光譜與非被測光譜的波長無重疊，在光譜波段上斷開至少5nm。
區域劃分示意圖如附圖2，按照一級衍射光譜的波長位置劃分，190～300nm為I區，300～530nm為II區，530nm～800nm為III區。I區只有一級光譜，無重疊光譜；II區的重疊光譜範圍為185～265nm，與被測一級光譜(300～530nm)隔開35nm，III區的重疊光譜範圍為185～400nm，與被測一級光譜(530nm～800nm)隔開130nm。
5)選擇一塊與譜面大小相適的石英基片，區域I不進行鍍膜或其他處理；區域II鍍膜，膜型透過率特性為截止波長小於等於265nm的短波，透過波長大於285nm的長波；區域III鍍膜，膜型透過率特性為截止波長小於等於450nm的短波，透過波長大於470nm的長波。具體實施例(CCD光譜儀中的新型濾光器設計)設計的濾光器用於採用CCD進行全譜並行探測的光譜儀系統，光譜儀的光譜範圍190～800nm，新型濾光片置於CCD的探測面前約1mm處，採取透射方式，在一塊基片上分三個區域進行掩膜和鍍膜，區域劃分如附圖2，濾光片的尺寸略大於CCD的尺寸，本實例設計的濾光片基片為石英波片，結構如附圖3，具體參數為L＝40mm，W＝10mm，H＝1mm，L1＝16mm，L2＝8mm，L3＝16mm。
I區不鍍膜，波長大於等於190nm的光均可透過II區鍍膜，波長大於等於295nm的光透過(透過率不小於80％)，波長小於等於265nm的光截止(透過率不大於0.5％)III區鍍膜，波長大於等於480nm的光透過(透過率不小於80％)，波長小於等於450nm的光截止(透過率不大於0.5％)光路中不加濾光片情況下測得的氧化鈥溶液吸收光譜圖如附圖4，圖中的橫坐標為陣列探測器的像元數(對應于波長)，縱坐標為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜嚴重偏離標準圖譜，從370nm(對應100像元處)左右開始吸光度明顯偏大，還可以觀察到數個多級譜的吸收峰，表明多級譜的存在嚴重影響了光度測量的準確性。光路中加入實例設計的濾光片情況下測得的氧化鈥溶液吸收光譜圖如附圖5，圖中的橫坐標為陣列探測器的像元數(對應于波長)，縱坐標為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜與標準圖譜符合，表明重疊在被測一級譜上的多級譜被有效濾除。
權利要求
1.一種分光系統中被測光譜的純淨方法，其特徵在於包括如下具體步驟1)選擇濾光器置於分光器件和多通道陣列探測器之間；2)選擇光通過濾光器的方式為透射或反射；3)分析濾光器所在面上被測光譜與非被測光譜的波長分布及其空間位置分布；4)根據被測光譜與非被測光譜的波長空間分布情況將光譜測量面或濾光面劃分成2個或以上區域，使得呈現在每個區域上的被測光譜與非被測光譜的波長無重疊，在光譜波段上斷開，被測光譜的短波長大於非被測光譜的長波長，或者被測光譜的長波長小於非被測光譜的短波長，被測光譜與非被測光譜斷開的波長間距大於等於5nm；5)選擇一塊與譜面大小相適的基片，在劃分的各個區域分別鍍膜或塗料，使得各區域具有不同的光學反射或透過特性，從而使得各區域均具有「通」被測光譜而「截」非被測光譜的特性；或者選擇具有不同光學反射或透射特性的薄膜或波片，經過裁製，將其採用交疊或膠合的方法拼成多區域濾光器，使得各區域具有不同的光學反射或透過特性，從而使得各區域均具有「通」被測光譜而「截」非被測光譜的特性。
2.一種分光系統中純淨被測光譜的濾光器件，其特徵在於具有兩個或兩個以上具有不同的透過或者反射光譜特性的區域，是一塊經過鍍膜或塗料處理後的基片，或是由兩塊或兩塊以上具有不同透過或反射光譜特性的材料拼接而成，區域的劃分依據是每個區域內被測光譜與非被測光譜在譜段上斷開至少5nm.，各區域的透過或反射光譜特性確定的依據是使被測光譜經過濾光片透射或反射後仍能到達探測器，同時又截止非被測光譜到達探測器。
全文摘要
本發明涉及一種分光系統中被測光譜的純淨方法，根據全譜並行測量的要求，利用被測光譜與疊加的非被測光譜分別屬於不同的波段這一性質，所有波段非被測級次光譜的濾除由一塊定位式的濾光片或器件來實現。濾光器件由具有不同透過或反射光譜特性的兩個或以上區域組成，各區域的大小、透過或反射光譜特性由被測光譜和非被測重疊光譜的波長分布和波長範圍確定，區域劃分的依據是每個區域內被測光譜與非被測光譜在譜段上斷開至少5nm，區域的透過或反射光譜特性設計應滿足使被測譜經過濾光片透射或反射後仍能達到探測器，並具有足夠的強度，同時使非被測譜經過濾光片透射或反射後不能達到探測器。
文檔編號G01J3/00GK1434277SQ03115779
公開日2003年8月6日 申請日期2003年3月13日 優先權日2003年3月13日
發明者黃梅珍, 袁波, 趙海鷹, 倪一, 林峰, 黃維實, 竇曉鳴 申請人:上海交通大學