CN105938013B - 一种光谱仪及其校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱仪及其校正方法，包括入射光学单元、入射狭缝、对入射光进行色散的色散单元、用于接收色散光的阵列探测器；还包括宽波段探测器，所述宽波段探测器接收经色散单元衍射形成的零级次光束。此外还通过在宽波段探测器的光电转换元件前设置与V(λ)曲线相匹配的滤色片，利用宽波段探测器测得的光度信息校正阵列探测器的线性，获得被测量的绝对辐射量，进一步提高了光谱仪的线性和测量准确度；此外还可利用阵列探测器测得的相对光谱功率分布对宽波段探测器的光度信息进行光谱失匹配校正，提高光度测量精度。
Description
【技术领域】
本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种光谱仪。
【背景技术】
现有的快速光谱仪(也称列阵光谱仪)一般由入射光学单元、入射狭缝、色散单元、成 像单元和阵列探测器构成，结构如图1所示，光束经过入射光学单元从入射狭缝进入光谱仪 内部，经色散单元将不同波长的色散光投射至阵列探测器的光敏面上，以实现光谱功率分布 的测量。
根据多缝衍射效应可知，光栅的零级次衍射光不发生色散，也称零级次光束，光谱仪的 探测器实际测量的是光栅发生色散的非零级次衍射光谱，一般为一次衍射光。在现有技术中， 零级次光束往往都被认为是光谱仪杂散光的重要来源之一，一直处于被“消灭”的负面地位， 从来没有被得到有效利用。常见的做法有在常规的光学腔的腔体上涂覆黑色或低反射率的涂 层，或者在零级次光束会聚处设置消光阱将此部分光束吸收。与此同时，快速光谱仪因采用 了阵列型探测器，如CCD等，虽然灵敏度较高，但是大动态线性范围一般还是不及硅光电池 好。
【发明内容】
针对上述技术问题，本发明克服了现有技术中对光栅衍射零级次光束的技术“偏见”，变 废为宝，利用零级次光束中包含的光学信息对光谱仪的阵列探测器线性做校正，进一步提高 光谱仪的测量准确度；或者作为对阵列探测器测量波段的补充。
本发明可通过以下技术方案实现：一种光谱仪，包括入射狭缝、色散单元、用于接收色 散光的阵列探测器，其特征在于，还包括用于接收经色散单元分光形成的零级次光束的宽波 段探测器。
本发明的工作原理如下：被测光束通过入射光学单元从入射狭缝进入光谱仪内部，由色 散单元对被测光进行分光，并形成不同级次的光谱，其中分光形成的非零级次光谱投射至阵 列探测器的光电转换元件上，以实现光谱功率分布的测量，而分光形成的零级次光束则被宽 波段探测器接收。
本发明还可通过以下技术方案进一步完善：
作为优选，所述的宽波段探测器的光电转换元件为光电池或者光电二极管，具体的可以 是硅光电池、硅光电二极管或者锗电池，或者其他材料的光电转换元件。其中由硅光电池或 者硅光电二极管等光电转换元件制成的光度探头由于在大跨度动态范围内都具有极好的线 性，因此被广泛应用于光度量的测量。
进一步的，所述宽波段探测器的光电转换元件前的光路上设有滤色片，使宽波段探测器 光电转换元件入射到入射光学单元的入射光(被测光)的相对光谱响应曲线与特定光谱效能 函数相匹配。
作为优选，所述滤色片使所述宽波段探测器的对于通过入射光学单元的被测光的相对光 谱灵敏度曲线与人眼光视效率函数V(λ)曲线或平坦的直线相匹配，或者其他特定的光谱灵敏 度响应曲线。当宽波段探测器的光电转换元件为硅光电池，在硅光电池前设置与人眼光视效 率函数V(λ)曲线相匹配的滤色片就构成相对于被测光的光度探头。以上进一步的技术表示也 可以是，在宽波段探测器前设置滤色片，使得通过入射光学单元的被测光经过入射狭缝、色 散单元、滤色片后，宽波段探测器对于被测入射光的相对光谱灵敏响应曲线与特定的光谱功 效函数相匹配或者一致，该光谱功效函数可以是V(λ)曲线或平坦的直线，或者其他曲线。在 特殊应用时，滤色片也可以是一个带通滤色片，甚至也可以是一个带通较窄的带通滤色片， 此时，宽波段探测器的实际测量效果可以是只针对某一波长附近的窄带光谱范围的，即所述 滤色片使所述宽波段探测器对于被测入射光的相对光谱灵敏度曲线是某一特定波长附近带通 响应曲线。
作为一种技术方案，所述色散单元可以为一体式结构，即兼具分光与成像的能力。具体 的所述色散单元可以是凹面光栅或者凹面平场光栅。凹面平场光栅是在高反射金属凹面上刻 划一系列线槽，构成的反射式衍射光栅，具有较好的分光和聚光能力。
作为另一种技术方案，所述的色散单元可以是组合式结构，即分光与成像分别由不同的 光学元件实现。具体的色散单元可以包括色散元件和成像元件，其中色散元件可以是平面光 栅，实现的是分光功能；成像元件则可以为凹面反射镜，实现的是成像功能。
本发明还提供了一种光谱仪的校正方法，所述阵列探测器的测量波段[λ1，λ2]与宽波段探 测器的响应波段[λs1，λs2]相匹配，也即是宽波段探测器的响应波段[λs1，λs2]范围在阵列探测器 测量波段[λ1，λ2]范围之内。例如：阵列探测器的测量波段范围为[380nm，780nm]，而宽波段探 测器的响应波段范围则可以是在[380nm，780nm]或者在[450nm，600nm]内，利用本发明提供的 校正方法，阵列探测器光谱仪在[380nm，780nm]内的线性度可通过宽波段探测器测得的信号 来得到更为精确的校正。
具体的：通过阵列探测器和宽波段探测器分别测量被测光的相对光谱功率分布信息和光 辐射度信息，利用宽波段探测器在其响应范围内的响应值来校正阵列探测器在同波段范围内 的线性。校正系数K为：
其中，IS为宽波段探测器通过测量零级次光束得到的响应值，P(λ)为阵列探测器测得的 被测光的相对光谱功率分布，S(λ)为宽波段探测器的绝对光谱灵敏度，λs1、λs2分别为宽波 段探测器的积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm。
利用上述校正系数，可以得到被测光的绝对光谱功率分布为K·P(λ)，而被测光的光度量 值则可通过公式计算得到，其中V(λ)为CIE标准人眼光视效率函 数；Km为最大光谱光视效能，对于明视觉，Km为683lm/W；λ1、λ2分别为阵列探测器的积 分起始波长和积分终止波长，单位均为nm。
由于宽波段探测器的相对光谱灵敏度较其绝对光谱灵敏度更容易获知，在获知宽波段探 测器的相对光谱灵敏度S(λ)rel时，可利用阵列探测器测得的被测光相对光谱功率分布P(λ)对 宽波段探测器的光谱失匹配进行校正，校正系数K1为：
将校正系数K1与宽波段探测器直接测得的零级次光束信号值IT相乘即可得到校正后的 信号值IT，C。
其中，P(λ)S为对宽波段探测器进行定标的标准源的相对光谱功率分布；Q(λ)为宽波段 探测器的理想光谱响应函数，即Q(λ)可以是CIE标准人眼光视效率函数V(λ)，也可以是平 坦的直线，或者是某一波长附近带通响应曲线，或者是其他特定的光谱灵敏度曲线；λs1、λs2分别为宽波段探测器积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm。
以宽波段探测器的探头是光度探头为例，由阵列探测器和宽波段探测器分别测量被测光 的相对光谱功率分布和光度信息，并按照公式(3)有效校正光度探头的V(λ)失匹配误差，从而 大大提高光度值的测量精度。具体的校正公式为：
其中，IT,C为校正后的光度值，IT为宽波段探测器直接测得的零级次光束的光度值，P(λ) 为阵列探测器测得的被测光的相对光谱功率分布，S(λ)rel为宽波段探测器的相对光谱灵敏度， P(λ)S为对宽波段探测器进行定标的标准源的相对光谱功率分布，V(λ)为CIE标准人眼光视 效率函数。λs1、λs2分别为积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm，一般λs1和λs2分别 为380nm和780nm。
经过上述校正，宽波段探测器光度测量准确度大大提高。与此同时，利用宽波段探测器 校正后的测量值IT,C可以按照下式获得阵列探测器的绝对光谱辐射参数Ie(λ)，如下式所示：
其中，Km为最大光谱光视效能，对于明视觉，Km为683lm/W；对于暗视觉，Km为1725lm/W。
根据阵列探测器的绝对光谱辐射参数Ie(λ)，可以计算获得准确的辐射量值。
除上述利用宽波段探测器与阵列探测器测量波段重叠部分实施校正以达到改善光谱仪线 性的方案外，本发明还提供了一种测量方案，其中宽波段探测器的响应波段[λs1,λs2]在阵列探 测器的测量波段[λ1,λ2]之外，即λs1>λ2或λs2<λ1；或者宽波段探测器的响应波段[λs1,λs2]与 阵列探测器测量波段[λ1,λ2]部分交叠，即λs1<λ1<λs2<λ2或者λ1<λs1<λ2<λs2。通过该方案， 可获知阵列探测器测量波段范围之外的光度信息。例如：阵列探测器的测量波段在可见光范 围内[380nm,780nm]，而宽波段探测器在设置了带通截止滤色片后其响应波段在如红外部分 [1100,1200nm]，那么在获得可见光波段范围内的光谱功率分布的同时，还可获知带通截止滤 色片范围内的光度信息。
综上所述，本发明通过对色散零级次光束的利用，既能达到校正光谱仪阵列探测器线性 的目的，同时还在一定程度上降低了光谱仪内部杂散光的水平。
【附图说明】
附图1是现有光谱仪的基本结构。
附图2是实施例1的结构示意图；
附图3是实施例2的结构示意图；
附图4是实施例3的结果示意图；
1-色散单元；2-阵列探测器；3-宽波段探测器；1-1色散元件；1-2成像元件；
【具体实施方式】
实施例1
如图2所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝、色散单元1、阵列探测 器2以及宽波段探测器3，其中色散单元1为凹面平场光栅，阵列探测器2为CCD阵列探测器，宽波段探测器3为硅光电池，且在硅光电池的感光面前设置有使硅光电池对分光形成的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE标准人眼光视效率函数V(λ)相匹配的滤色片。入 射光学单元为光纤或者光纤束。
本光谱仪的工作原理如下：被测光被光纤或者光纤束入射光学单元所接收，通过入射狭 缝进入到光谱仪内部，并入射至色散单元1的表面，进而色散单元1对入射被测光进行分光， 由于凹面平场光栅集分光和成像功能与一体，因此将在其像面上形成不同级次的光谱；其中 分光形成的非零级次光谱被阵列探测器2接收并测量，分光形成的零次光束被宽波段阵列探 测器3所接收测量。
如果宽波段探测器3的绝对光谱灵敏度S(λ)已知，则可通过阵列探测器2测得的被测光 相对光谱功率分布P(λ)以及宽波段探测器3测得的光度信号Is得出阵列探测器2的绝对光 谱响应，进而校正阵列探测器2的测量线性度，其校正系数为而K·P(λ) 则为绝对光谱响应。
此外，通过阵列探测器2测得的被测光相对光谱功率分布P(λ)可对宽波段探测器3测 得的光度信号IT进行校正，进而降低宽波段探测器3的V(λ)失匹配误差，得到精确的光度量。 具体的校正公式为：
其中，IT，C为校正后的光度值，IT为宽波段探测器3直接测得的零级次光束的光度值，P(λ)为阵列探测器2测得的被测光的相对光谱功率分布，S(λ)rel为宽波段探测器3的相对光 谱灵敏度，P(λ)S为对宽波段探测器3进行定标的标准源的相对光谱功率分布，V(λ)为CIE 标准人眼光视效率函数。λ1、λ2分别为积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm，λ1和λ2分别为380nm和780nm。
宽波段探测器3测得的光度值经上述校正后，测量准确度大大提高。同时，还可利用宽 波段探测器3校正后的测量值IT，C按照下式获得阵列探测器2对应的绝对光谱辐射参数：
其中，Km为最大光谱光视效能，对于明视觉，Km为683lm/W；对于暗视觉，Km为1725lm/W。
进一步的，根据阵列探测器2的绝对光谱辐射参数Ie(λ)，可以计算获得准确的辐射量值。
本光谱仪的结构克服了本领域技术人员对零级次衍射光谱的技术“偏见”，变废为宝，利 用零级次光束中的光学信息和硅光电池(或者硅光电二极管)的优越大动态范围线性，对光 谱仪阵列探测器的线性进行校正，进一步提高了光谱仪的测量准确度。
实施例2
如图3所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝，准直反射镜，色散单元 1，阵列探测器2以及宽波段探测器3，其中，色散单元1包括色散元件1-1和成像元件1-2，且色散元件1-1为平面光栅，成像元件1-2为凹面反射镜；阵列探测器2为CCD阵列探测器，宽波段探测器3为硅光二极管，且在硅光二极管的感光面前设置有使硅光二极管对分光形成 的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE光效视觉函数V(λ)相匹配的滤色片。
本光谱仪的工作原理如下：被测光通过光谱仪入射狭缝进入到光谱仪内部，并经过准直 反射镜后形成平行光束投射在色散元件1-1处，色散元件1-1对入射被测光线进行分光，并 将分光形成的非零级次光谱与零级次光束投射在成像元件1-2处，进而在成像元件1-2的焦 平面上形成不同级次的光谱；其中被测光非零级次光谱被阵列探测器2接收并测量，被测光 的零次光束被宽波段阵列探测器3所接收测量。
以下的相互校正过程和计算方法与实施例1类似。
实施例3
如图4所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝，准直镜，色散单元1，阵列探测器2以及宽波段探测器3，其中，色散单元1包括色散元件1-1和成像元件1-2，且 色散元件1-1为平面光栅，成像元件1-2为凹面反射镜；阵列探测器2为CCD阵列探测器， 宽波段探测器3为硅光二极管，且在硅光二极管的感光面前设置有使硅光二极管对分光形成 的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE光效视觉函数V(λ)相匹配的滤色片。
本光谱仪的工作原理如下：被测光通过光谱仪入射狭缝进入到光谱仪内部，并经过准直 反射镜后形成平行光束投射在色散元件1-1处，色散元件1-1对入射被测光线进行分光，并 将分光形成的非零级次光谱投射在成像元件1-2处，进而在成像元件1-2的焦平面上出现按 波长顺序依次排列的光谱，并被阵列探测器2接收并测量；其中经由色散元件1-1分光形成 的零级次光束没有投射在成像元件1-2上，而是直接由宽波段阵列探测器3所接收测量。
以下的相互校正过程和计算方法与实施例1类似。
Claims (6)
1.一种光谱仪，包括入射狭缝、色散单元(1)、用于接收色散光的阵列探测器(2)，其特征在于，还包括宽波段探测器(3)，所述宽波段探测器(3)接收经色散单元(1)分光形成的零级次光束，且所述宽波段探测器的光电转换元件为光电池或光电二极管，所述宽波段探测器(3)的光电转换元件前设有使宽波段探测器(3)对入射光的相对光谱灵敏度曲线与理想的光谱效能函数相匹配的滤色片。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述的滤色片使宽波段探测器(3)的相对光谱灵敏度曲线与人眼光视效率函数V(λ)曲线或平坦的直线相匹配；或者所述的滤色片使所述宽波段探测器(3)的相对光谱灵敏度曲线是带通响应曲线。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散单元(1)为凹面平场光栅。
4.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散单元(1)包括色散元件(1-1)和成像元件(1-2)；所述色散元件(1-1)为平面光栅，所述成像元件(1-2)为凹面反射镜。
5.一种用于权利要求1中所述光谱仪的校正方法，其特征在于，所述阵列探测器(2)的测量波段[λ1,λ2]与宽波段探测器(3)的响应波段[λs1,λs2]相匹配，宽波段探测器(3)的响应波段[λs1,λs2]范围在阵列探测器(2)测量波段[λ1,λ2]范围之内；所述阵列探测器(2)与宽波段探测器(3)分别测量被测光非零级次光谱的相对光谱功率分布信息和被测光零级次光束的光度信息，利用校正系数与P(λ)的乘积得到被测光的绝对光谱功率分布；
其中，P(λ)为阵列探测器(2)测得的被测光的相对光谱功率分布，Is为宽波段探测器(3)测得的被测光零级次光束的响应值；S(λ)为宽波段探测器(3)的绝对光谱响应灵敏度，λs1、λs2分别为宽波段探测器(3)的积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm。
6.如权利要求5所述的光谱仪校正方法，其特征在于，利用阵列探测器(2)测得的被测光相对光谱功率分布P(λ)对宽波段探测器(3)的测量值进行光谱失匹配校正，校正系数为将校正系数K1与宽波段探测器(3)直接测量值IT相乘即可得到校正后的信号值IT,C；
其中，S(λ)rel是宽波段探测器(3)的相对光谱灵敏度，P(λ)S为对宽波段探测器(3)进行定标的标准源的相对光谱功率分布，Q(λ)为宽波段探测器(3)的理想光谱响应函数，λs1、λs2分别为宽波段探测器(3)积分起始波长和积分终止波长，单位均为nm。
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