CN109883549A - 一种基于数字微镜的弯曲谱线校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字微镜的弯曲谱线的校正方法，该方法如下：得到三维全谱数据；确定谱图中各条弯曲谱线范围；采用光强值加权法获取各弯曲谱线每一行的光谱中心位置及对应的信号强度；确定可拟合范围；步骤五、拟合出可拟合范围内各行像元位置与波长的关系式，得到所有像元对应的波长值；计算不可拟合部分像元对应的波长值；实现数字微镜弯曲翻转检测。本发明不用考虑装调误差及环境误差导致的误差项，可提高测量谱线的信噪比。

Description

一种基于数字微镜的弯曲谱线校正方法

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种基于数字微镜的弯曲谱线的校正方法。

背景技术

在光谱分析仪器中，利用衍射光栅实现复色光空间分离是非常常用的方法，光谱仪入射狭缝垂直于光栅主截面，狭缝中心点的主光线与光栅主截面重合，狭缝其他点的主光线与光栅主截面构成夹角，由此造成谱线弯曲。由于谱线弯曲现象的存在，光谱分辨率、光通量及信噪比都将受到影响。现有校正谱线弯曲的方法大多从光学设计方面入手，基于数据处理的弯曲谱线修正方法均以光学基本公式为前提进行复杂的公式推导计算，计算过程繁琐且理论推导极易收环境影响而出现偏差。而实际控制数字微镜方法中主要以阿达玛模板和按阵列(整列)翻转模式为主，阿达玛模板主要针对连续光源；按列翻转虽然是最简单的控制方式，但针对谱线弯曲现象，此方式会影响光强信号的准确度及信噪比。目前未见对数字微镜实现弯曲轨迹翻转进行检测的方法，此种检测方式恰好可以实现快速准确的校正弯曲的谱线。

发明专利“可校正谱线弯曲的成像光谱仪***及其校正方法”(申请公告号：CN104034419)，设计光栅-棱镜-光栅的分光元件，利用光栅和棱镜在色散是谱线弯曲方向相反的特性补偿校正中心波长的谱线弯曲，剩余谱线弯曲利用准直物镜和成像物镜产生的畸变及像面倾斜进行补偿校正剩余谱线弯曲，从而实现全工作谱段谱线弯曲的校准。

发明专利申请“消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱***”(申请公布号：CN103048045A)，利用离轴透镜消除光栅产生的谱线弯曲。

发明专利“一种色散型光谱成像仪谱线弯曲校正方法及装置”(申请公告号：CN104316183A)，利用相关波长欧氏距离计算结果及反距离权重法进行谱线弯曲校正。

论文“阿达玛变换光谱成像仪光谱混叠分析及修正”(周锦松,吕群波,相里斌.阿达玛变换光谱成像仪光谱混叠分析及修正[J].光子学报,2005(10):1518-1521.)及“静态双增益阿达玛光谱仪光谱的重叠错位分析与校正”，(郝鹏,吴一辉.静态双增益阿达玛光谱仪光谱的重叠错位分析与校正[J].光子学报,2012,41(05):623-626.)利用阿达玛编码模板及入射角偏移等光学参数计算被模板不同位置码元调制的各空间偏移量，从而进行光谱修正。

论文“数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正”，(全向前,刘华,卢振武,王晓朵,党博石,陈祥子,王芳.数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正[J].光谱学与光谱分析,2016,36(02):555-560.)通过调整编码条纹及数据处理修正谱带混叠。

以上现有技术缺点：1、由光学***理论公式推导得出的计算公式，由于不可避免的装调误差等而不能直接利用公式计算得到最终结果；2、光学公式中涉及到很多角度等参数不便实际测量，导致实际应用受到制约，因此现有成果的验证方法均为仿真验证。3、按阵列(整列)翻转控制模式进行检测到的是局部光谱信息，导致光谱信噪比下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数字微镜的弯曲谱线校正方法，该方法不需要考虑装调误差及环境误差导致的误差项，并且测量谱线的信噪比高。

为解决上述技术问题，本发明的基于数字微镜的弯曲谱线的校正方法如下：

步骤一、得到三维全谱数据；控制数字微镜阵列以逐点或逐块扫描的方式对已知谱线波长λ₁，λ₂，…λ_n…，λ_N的某一元素的激发光源进行全谱扫描，得到全谱数据；

步骤二、确定谱图中各条弯曲谱线范围；取谱图中无波长位置噪声值Noise的a倍作为信号强度界限值Limit，a的数值以尽可能提取全部谱图且不提取噪声为目标选取；规定谱图中信号强度≥Limit值的位置是谱线位置，进而提取出N条弯曲谱线；

步骤三、采用光强值加权法获取N条弯曲谱线每一行的光谱中心位置及对应的信号强度；针对第n条弯曲谱线的第m行，横向光谱中心位置像元的横坐标其中x_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元横坐标，I_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元对应的信号强度；I_nm为第n个弯曲谱线第m行包含的像元列数；

步骤四、对N个弯曲谱线纵向的上界限由高到低进行排序，对N个弯曲谱线纵向的下界限由低到高进行排序；确定一行内至少包括两个弯曲谱线行像元的所有行为可拟合范围；

步骤五、根据理论上已知的谱线波长λ₁，λ₂，…λ_n…，λ_N与像元列位置的关系，求出可拟合范围内各弯曲谱线中各行光谱中心位置与波长的对应关系，并由此拟合出可拟合范围内各行像元位置与波长的关系式，根据各行像元位置与波长的关系式可得可拟合范围内所有像元对应的波长值；

步骤六、计算不可拟合部分像元对应的波长值；找出含有不可拟合部分的弯曲谱线n_b，利用光强值加权法计算弯曲谱线n_b的纵向光谱中心像元的纵坐标其中y_nb-k代表弯曲谱线n_b第nb-k行横向光谱中心像元的纵坐标，I_nb-k为该像元的信号强度；利用步骤五中拟合出的可拟合范围内所有行像元与波长关系式得到弯曲谱线n_b的纵向光谱中心位置所在行所有像元对应的波长值；以横向光谱中心位置为对齐基准，利用弯曲谱线n_b纵向光谱中心位置所在行像元对应的波长值将不可拟合行像元全部填满；

步骤七、实现数字微镜弯曲翻转检测；在对样品进行元素检测时，利用步骤五以及步骤六求出的各像元对应的波长值，查找待测波长值对应的所有像元，控制这些像元内数字微镜进行同时翻转，实现样品待测元素弯曲谱线的测量。

本发明优势在于：1.通过控制数字微镜弯曲翻转校正由于分析仪器光路中光学元件的像差导致的弯曲谱线；2.相较于通过光路设计校正弯曲谱线，不用考虑装调误差及环境误差导致的误差项，根据实时检测结果进行弯曲控制即可；3.通过弯曲扫描谱线，相比按阵列扫描模式，可提高测量谱线的信噪比。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是三维全谱X-Y视角弯曲谱线检测示意图。

图2是Bi元素的306.80nm波长弯曲谱线A局部放大图。

图3是Bi元素的306.80nm波长弯曲谱线纵向扫描中心位置各像元对应的波长值示意图。

图4是Bi元素的306.80nm波长弯曲谱线上端未拟合部分I与纵向扫描中心位置所在行波长值的对应关系示意图。

图5是Bi元素的306.80nm波长弯曲谱线下端未拟合部分II与纵向扫描中心位置所在行波长值的对应关系示意图。

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

如图6所示，本发明的基于数字微镜的弯曲谱线的校正方法具体如下：

步骤一、得到三维全谱数据：如图1所示，以1024*768规格的数字微镜为例，控制数字微镜阵列以逐点或逐块扫描的方式对某一已知元素的激发光源进行全谱扫描，得到全谱数据；该全谱数据包括各像元对应的信号强度(一个像元内可以包含1个或多个数字微镜)；其中该元素对应的谱线波长λ₁，λ₂，…λ_n…，λ_N；图中用颜色深浅表示信号强度大小，颜色越深代表信号强度越大；

步骤二、确定步骤一得到的三维谱图中各条弯曲谱线范围(即每条弯曲谱线对应的像元的横坐标范围和纵坐标)：取谱图中无波长位置噪声值Noise的a倍作为信号强度界限值Limit，即Limit＝a×Noise，a的数值以尽可能提取全部谱图且不提取噪声为目标选取；规定谱图中信号强度≥Limit值的位置是谱线位置，进而提取出N条弯曲谱线(N条弯曲谱线的对应波长λ₁，λ₂，…，λ_N已知)对应的像元坐标范围；

步骤三、获取N条弯曲谱线每一行的光谱中心位置及对应的信号强度：由于光谱成像具有不均匀性，计算弯曲谱线每一行的横向光谱中心位置需要采用光强值加权法；针对第n条弯曲谱线的第m行，横向光谱中心位置像元的横坐标其中x_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元横坐标，I_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元对应的信号强度；I_nm为第n个弯曲谱线第m行包含的像元列数；

步骤四、确定可拟合谱图中各行像素位置与波长间关系式的范围；由于各弯曲谱线在纵向上高度不同，谱图上有些行只有一个弯曲谱线像元位置，无法进行拟合；因此需要对N个弯曲谱线纵向的上界限由高到低进行排序，同理，对N个弯曲谱线纵向的下界限由低到高进行排序；确定一行内至少包括两个弯曲谱线像元位置的所有行为可拟合范围；如图1所示，纵坐标为Y_T～Y_B范围内所有行即为可拟合范围；

步骤五、根据理论上已知的谱线波长λ₁，λ₂，…λ_n…，λ_N与像元列位置的关系，在可拟合范围内将谱线波长λ₁，λ₂，…λ_n…，λ_N分别赋给对应弯曲谱线各行横向光谱中心像元，并由此拟合出可拟合范围内各行像元位置与波长的关系式：设可拟合范围内包含J行像元，则第一行到第J行的像元与波长的关系式如下：λ¹＝f₁(X)，λ²＝f₂(X)…λ^j＝f_j(X)…λ^J＝f_J(X)，由此可得可拟合范围内所有像元对应的波长值；如图2所示，波长306.8nm所在像元为Bi元素的306.80nm波长弯曲谱线的横向光谱中心像元；

步骤六、计算不可拟合部分像元对应的波长值；找出含有不可拟合部分的弯曲谱线n_b；同样利用光强值加权法计算弯曲谱线n_b的纵向光谱中心像元的纵坐标其中y_nb-k代表弯曲谱线n_b第nb-k行横向光谱中心像元的纵坐标，I_nb-k为该像元的信号强度；利用步骤五中拟合出的可拟合范围内所有行像元与波长关系式得到弯曲谱线n_b的纵向光谱中心位置所在行所有像元对应的波长值；以横向光谱中心位置为对齐基准，利用弯曲谱线n_b纵向光谱中心位置所在行像元对应的波长值将不可拟合行像元全部填满；以图1为例，弯曲谱线n_b为图1中的弯曲谱线N；如图3所示，弯曲谱线n_b纵向光谱中心像元所在行像元(X_O-3,Y_nb-O),(X_O-2,Y_nb-O),(X_O-1,Y_nb-O),(X_O,Y_nb-O),(X_O+1,Y_nb-O),(X_O+2,Y_nb-O),(X_O+3,Y_nb-O)对应的波长值分别为306.2nm，306.4nm,306.6nm，306.8nm，307.0nm,307.2nm,307.4nm；如图4所示，将像元(X_O,Y_nb-O)的波长值306.8nm复制填充到弯曲谱线n_b上端未拟合部分I的像元(X_nbT1,Y_nbT1)，将像元(X_O,Y_nb-O),(X_O+1,Y_nb-O)的波长值306.8nm，307.0nm分别复制填充到弯曲谱线n_b上端未拟合部分I的像元(X_nbT1,Y_nbT1)，(X_nbT2,Y_nbT2),(X_nbT2+1,Y_nbT2)；如图5所示，将像元(X_O-1,Y_nb-O),(X_O,Y_nb-O),(X_O+1,Y_nb-O)的波长值306.6nm，306.8nm，307.0分别复制填充到弯曲谱线n_b下端未拟合部分II的像元(X_nbB4-1,Y_nbB4),(X_nbB4,Y_nbB4),(X_nbB4+1,Y_nbB4),，将像元(X_O,Y_nb-O),(X_O+1,Y_nb-O)的波长值306.8nm，307.0nm复制填充到弯曲谱线n_b下端未拟合部分II的像元(X_nbB3,Y_nbB3),(X_nbB3+1,Y_nbB3)；将像元(X_O,Y_nb-O)的波长值306.8nmm复制填充到弯曲谱线n_b下端未拟合部分II的像元(X_nbB2,Y_nbB2)；最后将像元(X_O,Y_nb-O)的波长值306.8nmm复制填充到弯曲谱线n_b下端未拟合部分II的像元(X_nbB1,Y_nbB1)；

步骤七、实现数字微镜弯曲翻转检测；在对样品进行元素检测时，利用步骤五以及步骤六求出的各像元对应的波长值，查找待测波长值对应的所有像元，控制这些像元内数字微镜进行同时翻转，实现样品待测元素弯曲谱线的测量。

Claims (1)

1.一种基于数字微镜的弯曲谱线的校正方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、得到三维全谱数据；控制数字微镜阵列以逐点或逐块扫描的方式对已知谱线波长λ₁，λ₂，···λ_n···，λ_N的某一元素的激发光源进行全谱扫描，得到全谱数据；

步骤二、确定谱图中各条弯曲谱线范围；取谱图中无波长位置噪声值Noise的a倍作为信号强度界限值Limit，a的数值以尽可能提取全部谱图且不提取噪声为目标选取；规定谱图中信号强度≥Limit值的位置是谱线位置，进而提取出N条弯曲谱线；

步骤三、采用光强值加权法获取N条弯曲谱线每一行的光谱中心位置及对应的信号强度；针对第n条弯曲谱线的第m行，横向光谱中心位置像元的横坐标其中x_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元横坐标，I_nm-i为第n个弯曲谱线第m行第i个像元对应的信号强度；I_nm为第n个弯曲谱线第m行包含的像元列数；

步骤四、对N个弯曲谱线纵向的上界限由高到低进行排序，对N个弯曲谱线纵向的下界限由低到高进行排序；确定一行内至少包括两个弯曲谱线行像元的所有行为可拟合范围；

步骤五、根据理论上已知的谱线波长λ₁，λ₂，···λ_n···，λ_N与像元列位置的关系，求出可拟合范围内各弯曲谱线中各行光谱中心位置与波长的对应关系，并由此拟合出可拟合范围内各行像元位置与波长的关系式，根据各行像元位置与波长的关系式可得可拟合范围内所有像元对应的波长值；

步骤六、计算不可拟合部分像元对应的波长值；找出含有不可拟合部分的弯曲谱线n_b，利用光强值加权法计算弯曲谱线n_b的纵向光谱中心像元的纵坐标其中y_nb-k代表弯曲谱线n_b第nb-k行横向光谱中心像元的纵坐标，I_nb-k为该像元的信号强度；利用步骤五中拟合出的可拟合范围内所有行像元与波长关系式得到弯曲谱线n_b的纵向光谱中心位置所在行所有像元对应的波长值；以横向光谱中心位置为对齐基准，利用弯曲谱线n_b纵向光谱中心位置所在行像元对应的波长值将不可拟合行像元全部填满；

步骤七、实现数字微镜弯曲翻转检测；在对样品进行元素检测时，利用步骤五以及步骤六求出的各像元对应的波长值，查找待测波长值对应的所有像元，控制这些像元内数字微镜进行同时翻转，实现样品待测元素弯曲谱线的测量。