专利名称：分光系统中被测光谱的纯净方法
技术领域：
本发明涉及一种分光系统中被测光谱的纯净方法，属于光谱学、光谱仪器及测量技术领域。
以光栅为分光器件的光谱测量为例，根据光栅方程dsinθ＝kλ，对于某个衍射角θ，通常都有几种波长的光能满足光栅方程，即dsinθ＝k1λ1＝k2λ2＝…＝knλn，即衍射光谱中第k1级的波长为λ1的单色光、第k2级的波长为λ2的单色光……以及第kn级的波长为λn的单色光都将同时出现在同一个衍射角位置，形成重叠的光谱，即所谓的光谱级次重叠现象。尽管不同级次光谱的衍射效率不同，但多级重叠现象总是存在的，因此消除叠加在被测级次光谱上的其余级次光谱是光栅分光系统中首要考虑和解决的问题。
在传统的机械扫描式分光光度计或光谱仪中，是通过转动分光器件实现波长扫描，分时分波长进行测量的，这种串行测量方式，允许采取在光路中分时插入不同的滤光片的方法，将可能呈现的非被测级次的波长或杂散光波长滤去，达到纯净被测光谱的目的。这种方法已经被广泛使用在各种光谱测量仪器中，大多数分光仪器在波长扫描过程中都需要更换数片不同的滤光片。
在非机械扫描式分光光度计或光谱仪中，由于采用多通道阵列式检测器，测量过程无需机械扫描，在瞬间便能完成光谱范围内所有波长信息的采集，是一种并行测量方式。这种超快速的分光光度方式，极大地提高了分析检测过程的速度和效率，更为重要的是，它为人类研究生化反应、生命科学和爆破等快速过程提供了有力的手段。对于这种非机械扫描式仪器，当光谱覆盖的范围较宽时，传统的分时切入不同滤光片的方法已不能适用，必须采取新的滤光方法和滤光器件来纯净被测光谱。
为达到这样的目的，本发明根据全谱并行测量的要求，利用被测光谱与叠加的非被测光谱分别属于不同的波段这一性质，所有波段非被测光谱的滤除由一块定位式的滤光片或器件来实现。滤光器件置于分光器件与阵列探测器之间，由具有不同透过或反射光谱特性的两个或以上区域组成，滤光器各区域的大小、透过或反射光谱特性由选定的安置滤光器位置处的被测光谱和非被测重叠光谱的波长分布和波长范围确定，区域划分的依据是每个区域内被测光谱与非被测光谱在谱段上断开(隔开)至少5nm，区域的透过或反射光谱特性设计应满足使被测谱经过滤光片透射或反射后仍能达到探测器，并具有足够的强度，同时使非被测谱经过滤光片透射或反射后不能达到探测器。
本发明的具体方法如下1)选择滤光器置于分光器件和多通道阵列探测器之间的适当位置，通常是靠近探测器的探测面。
2)选择光通过滤光器的方式。可以是经过滤光器透射，也可以是经过滤光器反射。
3)分析滤光器所在面上被测光谱与非被测光谱的波长分布及其空间位置分布。
4)根据被测光谱与非被测光谱的波长空间分布情况将光谱测量面或滤光面划分成2个或以上区域。区域划分的原则是使得呈现在每个区域上的被测光谱与非被测光谱的波长无重叠，在光谱波段上断开。被测光谱的短波长大于非被测光谱的长波长，或者被测光谱的长波长小于非被测光谱的短波长。被测光谱与非被测光谱断开的波长间距大于等于5nm。
5)选择一块与谱面大小相适的基片，在划分的各个区域分别镀膜或涂料，使得各区域具有不同的光学反射或透过特性，从而使得各区域均具有“通”被测光谱而“截”非被测光谱的特性。或者选择具有不同光学反射或透射特性的薄膜或波片，经过裁制，将其采用交叠或胶合的方法拼成多区域滤光器，使得各区域具有不同的光学反射或透过特性，从而使得各区域均具有“通”被测光谱而“截”非被测光谱的特性。
本发明提供的具体方法能有效地滤除叠加在被测光谱上的、波长与被测光谱不同的非被测光谱成分，并满足宽光谱全谱并行高速测量的要求。


图1中，光栅分光范围为190～800nm、光源光谱范围为185～1200nm。
图2为本发明光谱测量实例中滤光片区域划分示意图。
图3为本发明在一块基片上分三个区域的滤光片的结构示意图。
图3中，基片的长、宽、高分别为L、W、H，基片上方的薄层为薄膜层或涂料层，被划分为I、II、III三个区域，各区域的长度分别为L1、L2、L3，宽度小于等于W，厚度根据实际情况确定。
图4为光路中不加滤光片情况下测得的氧化钬溶液吸收光谱图。
图4中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱严重偏离标准图谱，从370nm(对应100像元处)左右开始吸光度明显偏大，还可以观察到数个多级谱的吸收峰，表明多级谱的存在严重影响了光度测量的准确性。
图5为光路中加入本发明实例设计的滤光片情况下测得的氧化钬溶液吸收光谱图。
图5中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱与标准图谱符合，表明重叠在被测一级谱上的多级谱被有效滤除。
设测量光栅第一级衍射190～800nm范围的光谱，光源的光谱范围185～1200nm。
新型滤光器设计方法如下1)选择滤光器紧贴于多通道阵列探测器探测面上。
2)选择光经过滤光器的方式为透射方式。
3)分析滤光器所在面上被测一级光谱与非被测多级光谱的波长分布及其空间位置分布光栅衍射各级光谱的波长分布及呈现位置分布如附图1由光栅方程在第一级衍射光谱的λ波长位置将叠加第二级衍射光谱λ‘，第三级衍射光谱λ“，……，而且满足λ＝2λ‘＝3λ“＝……波段的对应关系来看在一级衍射谱185～370nm范围，光谱无重叠；在一级衍射谱370～555nm范围，重叠了185～277.5nm的二级谱；在一级衍射谱555～740nm范围，重叠的有277.5～370nm的二级谱，和185～246.7nm的三级谱；在一级衍射谱740～800n光谱范围，重叠的不仅有370～400nm的二级谱、246.7～266.7nm的三级谱，还有185～200nm的四级谱。
综上所述，虽然不同级次的光谱在位置上是重叠的，但各级谱所在的波长区间不同。
4)根据被测光谱与非被测光谱的波长空间分布情况将光谱面划分为3个区域。使得各区域的被测光谱与非被测光谱的波长无重叠，在光谱波段上断开至少5nm。
区域划分示意图如附图2，按照一级衍射光谱的波长位置划分，190～300nm为I区，300～530nm为II区，530nm～800nm为III区。I区只有一级光谱，无重叠光谱；II区的重叠光谱范围为185～265nm，与被测一级光谱(300～530nm)隔开35nm，III区的重叠光谱范围为185～400nm，与被测一级光谱(530nm～800nm)隔开130nm。
5)选择一块与谱面大小相适的石英基片，区域I不进行镀膜或其他处理；区域II镀膜，膜型透过率特性为截止波长小于等于265nm的短波，透过波长大于285nm的长波；区域III镀膜，膜型透过率特性为截止波长小于等于450nm的短波，透过波长大于470nm的长波。具体实施例(CCD光谱仪中的新型滤光器设计)设计的滤光器用于采用CCD进行全谱并行探测的光谱仪系统，光谱仪的光谱范围190～800nm，新型滤光片置于CCD的探测面前约1mm处，采取透射方式，在一块基片上分三个区域进行掩膜和镀膜，区域划分如附图2，滤光片的尺寸略大于CCD的尺寸，本实例设计的滤光片基片为石英波片，结构如附图3，具体参数为L＝40mm，W＝10mm，H＝1mm，L1＝16mm，L2＝8mm，L3＝16mm。
I区不镀膜，波长大于等于190nm的光均可透过II区镀膜，波长大于等于295nm的光透过(透过率不小于80％)，波长小于等于265nm的光截止(透过率不大于0.5％)III区镀膜，波长大于等于480nm的光透过(透过率不小于80％)，波长小于等于450nm的光截止(透过率不大于0.5％)光路中不加滤光片情况下测得的氧化钬溶液吸收光谱图如附图4，图中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱严重偏离标准图谱，从370nm(对应100像元处)左右开始吸光度明显偏大，还可以观察到数个多级谱的吸收峰，表明多级谱的存在严重影响了光度测量的准确性。光路中加入实例设计的滤光片情况下测得的氧化钬溶液吸收光谱图如附图5，图中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱与标准图谱符合，表明重叠在被测一级谱上的多级谱被有效滤除。
权利要求
1.一种分光系统中被测光谱的纯净方法，其特征在于包括如下具体步骤1)选择滤光器置于分光器件和多通道阵列探测器之间；2)选择光通过滤光器的方式为透射或反射；3)分析滤光器所在面上被测光谱与非被测光谱的波长分布及其空间位置分布；4)根据被测光谱与非被测光谱的波长空间分布情况将光谱测量面或滤光面划分成2个或以上区域，使得呈现在每个区域上的被测光谱与非被测光谱的波长无重叠，在光谱波段上断开，被测光谱的短波长大于非被测光谱的长波长，或者被测光谱的长波长小于非被测光谱的短波长，被测光谱与非被测光谱断开的波长间距大于等于5nm；5)选择一块与谱面大小相适的基片，在划分的各个区域分别镀膜或涂料，使得各区域具有不同的光学反射或透过特性，从而使得各区域均具有“通”被测光谱而“截”非被测光谱的特性；或者选择具有不同光学反射或透射特性的薄膜或波片，经过裁制，将其采用交叠或胶合的方法拼成多区域滤光器，使得各区域具有不同的光学反射或透过特性，从而使得各区域均具有“通”被测光谱而“截”非被测光谱的特性。
2.一种分光系统中纯净被测光谱的滤光器件，其特征在于具有两个或两个以上具有不同的透过或者反射光谱特性的区域，是一块经过镀膜或涂料处理后的基片，或是由两块或两块以上具有不同透过或反射光谱特性的材料拼接而成，区域的划分依据是每个区域内被测光谱与非被测光谱在谱段上断开至少5nm.，各区域的透过或反射光谱特性确定的依据是使被测光谱经过滤光片透射或反射后仍能到达探测器，同时又截止非被测光谱到达探测器。
全文摘要
本发明涉及一种分光系统中被测光谱的纯净方法，根据全谱并行测量的要求，利用被测光谱与叠加的非被测光谱分别属于不同的波段这一性质，所有波段非被测级次光谱的滤除由一块定位式的滤光片或器件来实现。滤光器件由具有不同透过或反射光谱特性的两个或以上区域组成，各区域的大小、透过或反射光谱特性由被测光谱和非被测重叠光谱的波长分布和波长范围确定，区域划分的依据是每个区域内被测光谱与非被测光谱在谱段上断开至少5nm，区域的透过或反射光谱特性设计应满足使被测谱经过滤光片透射或反射后仍能达到探测器，并具有足够的强度，同时使非被测谱经过滤光片透射或反射后不能达到探测器。
文档编号G01J3/00GK1434277SQ03115779
公开日2003年8月6日 申请日期2003年3月13日 优先权日2003年3月13日
发明者黄梅珍, 袁波, 赵海鹰, 倪一, 林峰, 黄维实, 窦晓鸣 申请人:上海交通大学