专利名称：高分辨率光谱仪及其光学定标方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱分析设备。
背景技术：
紫外-可见光波段是原子光谱谱线最为密集的区域。在此波段的高分辨率光谱仪能对未知物质进行定性和定量的分析。阿达玛变换光谱仪是近年来兴起的高性能调制式光谱仪，其采用阿达玛变换光调制方法，具有信噪比高，体积小巧，解码速度快等优点。阿达玛变换(Hadamard Transform, HT)是近四十年来发展起来的基于平面波函数的一种变换。在光学应用中，阿达玛变换类似于统计学中的称量设计方法。在秤(检测器)的精度一定的情况下，几个物体分组称量后计算所得各物体的重量，比单独计量一个物体所称出的重量要准确。图1是现有的阿达玛变换光谱仪的光路原理图。从入射口 1(入射狭缝或入射小孔)发出的发散复合光线(待测光)经过球面镜2 (或抛物镜、椭球镜)准直成平行光，被反射到平面光栅3 ；从平面光栅3射出的不同波长的一级衍射光线出射到成像镜4后，按波长进行排列聚焦在数字微镜5上，数字微镜5对不同波长的光信号进行调制，调制后的光信号由聚焦镜6汇聚到检测器7上进行测量，数字微镜5由多个微镜组成，在调制时每次变动都有不同的微镜向检测器7反射光，每变动一次测量一次光信号，最终通过计算得出待测光的光谱。现有的阿达玛变换光谱仪存在的一个问题是只利用平面光栅进行一维色散，不能达到很高的分辨率。若使用较高的衍射级次，自由光谱范围很窄，很多光谱级次会重叠在一起，导致测量结果不准确。

发明内容
为了解决现有阿达玛变换光谱仪存在的光谱级次重叠的问题，本发明提供了一种高分辨率光谱仪及其光学定标方法。本发明的技术方案如下高分辨率光谱仪，为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜。所述第一聚焦镜为球面镜。所述第二聚焦镜为凸透镜。阿达玛变换光谱仪的光学定标方法，包括如下步骤同一光栅级次，介于波长入工和λ 2之间的波长为λ的光斑在二维数字微镜上的坐标X和Y为X = ^ ^2 X (X1 -X2)+X2
Y=-^x (J1-J2)+少 2
/L1-Zt2其中，所述波长λ工的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为X1和yi ；所述波长λ 2 的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为&和y2。本发明的技术效果本发明的技术方案利用利用中阶梯光栅和棱镜对入射光信号进行二维色散，将不同级次的光谱分离开，解决了光谱级次重叠的问题，同时使用二维数字微镜对色散后的光谱信号进行阿达玛调制，阿达玛模板的长度提高了 100倍，极大地提高了线色散率，因此使得分辨率提升到了 0. 02nm,中阶梯光栅对于测量波段的所有波长光线均为闪耀光栅，相比普通的平面衍射光栅提高了衍射效率，在噪声信号不变的情况下提高了信号强度，同时二维阿达玛模板的数量η也比一维阿达玛模板大100倍，根据“在相同的实验条件下，经阿达玛变换后，信号的均方差可减少(11+1)2/ 倍，信噪比可提高(/7 + 1)/2^倍。”的现有结论，二维阿达玛变换的信噪比也得到了较大的提高。本发明阿达玛变换光谱仪的光学定标方法通过理论计算得到结果，结合现有的实际光学定标方法，使得准确度更高。在光谱仪器中，准确度通常表现为波长漂移，在光谱仪器装配过程中不可避免的会产生机械误差从而使得测量值和理论值存在一定的偏移量，称为波长漂移。波长漂移越小，测量值越接近真值，测量结果越准确。光谱仪波长漂移的量级通常与其分辨率的量级相同。例如分辨率为Inm的光谱仪其波长漂移大小也在0. 1 Inm 之间。二维阿达玛变换光谱仪的波长漂移也应该小于其分辨率0.02nm。因此我们采用理论光学定标结合实际定标方法，采用标准汞灯对仪器进行校正。根据理论模型分别确定汞灯的紫色谱线404. 649nm,蓝色谱线435. 833nm,绿色谱线M6. 074nm在二维数字微镜上的位置坐标，再分析实际测量的数据，求得实际谱线对应的阿达玛码元位置坐标。利用软件数据处理的方法结合理论光学标定校正该处理论波长，从而进行谱图校正，得到更高的测量准确度。


图1为现有阿达玛变换光谱仪的光路原理图。图2为本发明阿达玛变换光谱仪一个实施例的光路原理图。图3为本发明二维微镜表面光谱分布示意图。图4为本发明阿达玛模板编码方式示意图。图中标识说明如下1、入射口 ；2、球面镜；3、平面光栅；4、成像镜；5、数字微镜；6、聚焦镜；7、检测器； 8、入射口 ；9、准直镜；10、中阶梯光栅；11、棱镜；12、第一聚焦镜；13、二维数字微镜；14、第二聚焦镜；15、检测器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图2显示了本发明阿达玛变换光谱仪的光路的原理。依据入射光的顺序，图2所示光路包括入射口 8、准直镜9、中阶梯光栅10、棱镜11、第一聚焦镜12、二维数字微镜13、
4第二聚焦镜14和检测器15。二维数字微镜13是具有多行和多列的矩阵形式的数字微镜， 所述矩阵中每个元素都是一个微镜。对图2所示阿达玛变换光谱仪的工作过程进行简要说明。带有被测样品光谱信息的发散复合光线从入射口 8进入到阿达玛变换光谱仪的光路，经准直镜9准直成平行光。所述平行光在中阶梯光栅10发生衍射，各波长不同衍射级次的光线以同一个衍射角出射(谱级色散)，经棱镜11后按波长在垂直方向进行第二次分光(谱线色散)。二次分光后的光经过第一聚焦镜12到达二维数字微镜13。二维数字微镜13在外部控制电路的控制下，其上的微镜进行开、关动作，实现对光信号的阿达玛调制。阿达玛调制后的光线经过第二聚焦镜14聚焦到检测器8上，与检测器8连接的检测系统采集检测器8的输出信号并传输给计算机，计算机对采集到的信号进行阿达玛解调，从而还原出原始光谱信息。对图2中的部分光学元件进行具体说明。入射口 8可以是入射狭缝或入射小孔。 准直镜9可以采用球面镜或抛物镜或椭球镜等能够将入射光线准直的光学元件。第二聚焦镜14为凸透镜。中阶梯光栅10通过增大闪耀角、光栅常数和光谱级次来提高分辨率。由于衍射级次较高，自由光谱范围窄，很多级次光谱会重叠在一起。利用棱镜11将不同级次的光谱分离开，实现波长的双色散，从而得到二维光谱。同时，由于单个级次的色散角小，一般只有几度，自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀角附近，因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀，阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。现有阿达玛变换光谱仪采用的一维数字微镜(即由一行多列微镜构成的数字微镜)不能满足对二维光谱的调制，因此，本发明采用二维数字微镜13进行阿达玛调制，以适应二维光谱的调制需要。本发明的技术方案利用利用中阶梯光栅和棱镜对入射光信号进行二维色散，将不同级次的光谱分离开，解决了光谱级次重叠的问题，同时使用二维数字微镜对色散后的光谱信号进行阿达玛调制，提高了分辨率和信噪比。针对本发明的阿达玛变换光谱仪，还提供了一种光学定标方法，具体的是一种理论定标方法，能够确定不同衍射级次的不同波长光谱成像光斑在二维数字微镜上的坐标位置。结合图3对本发明的光学定标方法进行说明。图3中矩形方框代表二维数字微镜，其中的斜线代表二维色散光谱的谱线。图3 中的X方向与Y方向为定义的二维数字微镜表面的坐标方向。在二维数字微镜表面坐标系(以下简称坐标系)中，满足如下光栅方程Iii1 λ 丄=d(sini+sin θ )=(叫+1) λ 2 ........ (mi+i) λ i+1(1)其中，Hi1代表衍射级次，X1……λ 2为不同波长，i为自然数，d为光栅常数，i为入射角，θ为衍射角。满足式(1)的光斑，其对应的光栅衍射角相同，故在坐标系中X坐标相同，按波长从小到大在Y方向由棱镜色散效果分离。同时，多级衍射对应的同一波长的不同衍射级次， 在坐标系中Y坐标相同，按级次从小到大在X方向散布。两者结合，即形成二维色散。通过选择适当焦距的聚焦球面镜(图2中的第一聚焦镜12)，及调整光路中二维数字微镜的位置，使Hl1 λ i (代表衍射级次为Hl1,波长为λ i的光斑，以下同)和Hl1 λ 2 (代表衍射级次为Hl1, 波长为λ 2的光斑，以下同)两点分别处于二维数字微镜的最右端和最左端，那么从X1 λ 2范围的光斑即线性分布在二维数字微镜横向的微镜上。同理，从Ai 范围内的光斑也线性分布在二维数字微镜上。 对图3中的谱线建立在坐标系下的方程。设方程为Y = aX+b，Hi1 λ i和λ 2两点的坐标可以通过光路设计、棱镜色散原理等手段成为已知量，将Hi1 λ JPm1 λ 2两点的坐标代入方程，可以得到a与b的值。设Hi1 λ i和Hi1 λ 2两点的坐标分别为(Xl, yl)和(x2, y2)，同
时，波长在λ2范围的光斑即在二维数字微镜横向上线性分布，则有
权利要求
1.高分辨率光谱仪，为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、 第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，其特征在于在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜。
2.根据权利要求1所述高分辨率光谱仪，其特征在于所述第一聚焦镜为球面镜。
3.根据权利要求2所述高分辨率光谱仪，其特征在于所述第二聚焦镜为凸透镜。
4.如权利要求1至3之一所述高分辨率光谱仪的光学定标方法，其特征在于包括如下步骤同一光栅级次，介于波长A1和λ 2之间的波长为λ的光斑在二维数字微镜上的坐标 X禾口 Y为/L1-Zt2 /L1-Zt2其中，所述波长λ i的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为X1和yi ；所述波长λ 2的光斑在所述二维数字微镜上的坐标为&和y2。
全文摘要
本发明提供了一种高分辨率光谱仪及其光学定标方法，其中高分辨率光谱仪为阿达玛变换光谱仪，按入射光顺序包括光入射口、准直镜、光栅、第一聚焦镜、数字微镜、第二聚焦镜和检测器，在所述第一聚焦镜和所述数字微镜之间设置有棱镜；所述光栅为中阶梯光栅；所述数字微镜为二维数字微镜。本发明光谱仪可应用于光谱分析。
文档编号G01J3/433GK102538969SQ201210015050
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者刘佳, 吴琼水, 张新民, 曾立波 申请人:北京华夏科创仪器技术有限公司