CN101813519B - 光谱仪杂散光校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱仪杂散光的校正方法和装置，在光谱仪的光信号入射狭缝和色散元件之间的光路上设置可切入的若干个滤色片，在切入各滤色片和不切入滤光片时分别测量同一待测光源，由测得的光谱计算杂散光分布因子，并使用杂散光分布因子校正测量该待测光源或其他光源的杂散光误差，滤色片也可与激光相结合进一步对杂散光进行校正；或者滤光片与激光相结合校正光谱仪测量波段外的光辐射所产生的杂散光，并用激光校正光谱仪测量波段内的杂散光；相应的光谱仪的测控软件中包括杂散光校正程序，能够方便快速地实现上述杂散光的校正。本发明能够实现对光谱仪测量波段内和波段外的光辐射所带来的杂散光进行校正，操作方便，易于实现高精度光谱测量。

Description

光谱仪杂散光校正方法

【技术领域】

本发明属于光谱辐射测量领域，具体涉及光谱仪杂散光的校正方法。

【背景技术】

光谱仪用以测量光辐射的光谱功率分布，被广泛应用于颜色测量，元素鉴定，化学分析等领域。由于光栅的不理想衍射、光学元件上灰尘或缺陷造成的散射和仪器内部的各种反射，光谱仪中不可避免的存在杂散光。对于具有阵列探测器的快速光谱仪，杂散光是指照射在某个特定波长点所对应的象元上的其他光谱成分，会带来较为可观的测量误差。杂散光水平是衡量光谱仪性能重要的技术指标之一。对光学系统采用细致精密的设计可以使杂散光降低到合理的水平，例如采用密封结构，光谱仪内部涂黑或者在准直镜和光栅等光学元件前设置光阑等。但是为了达到更高的精度，需要进一步的措施。

使用杂散光校正方法也可以减小杂散光带来的误差，而且一般情况下不影响测量速度。目前，用可调谐激光校正光谱仪杂散光是一种比较可行的方法，即用光谱仪测量可调谐激光器的激光，计算对应波长的光辐射在其它波长处产生杂散光的杂散光分布因子，即点扩散函数，使用该点扩散函数和光谱仪所测的任一待测光源的光谱，计算各波长接收到的杂散光功率，实测光谱减去该杂散光功率得到较为精确的待测光源光谱。该方法虽然能够大幅降低杂散光，提高测量精度，但也存在一些问题，首先可调谐激光器的制造和维护成本极高，一般光谱仪制造商甚至计量实验室很难承担；其次该方法只能校正所测光谱中由光谱仪测量波段内的光辐射带来的杂散光，而不能校正在光谱仪测量波段外的光辐射在光谱仪测量波段内的各波长处产生的杂散光，而事实上，光谱仪的探测器的响应波长范围一般比光谱仪的测量波段要宽，例如对于一个测量可见光的光谱仪，其探测器的光谱响应范围往往是紫外-可见-红外范围，特别是红外部分的杂散光会给测量带来较大误差。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供操作方便、能够快速校正光谱仪测量波段内和范围外的光辐射带来的杂散光的方法，得到较为精确的光谱测量值。

本发明主要通过两种主要的技术方案来实现上述目的。一种是基于滤色片的杂散光校正方法，另一种是基于激光的杂散光校正方法。

基于滤色片的杂散光校正方法的特征在于在光谱仪的入射狭缝和色散元件之间设置可切入光路的一个或一个以上滤色片，且包括以下步骤：

a)将所述滤色片逐个切入到入射狭缝和色散元件之间的光路上，测量待测光源的光谱功率；

b)在不切入所述滤色片时测量同一待测光源的光谱功率；

c)根据步骤a)和步骤b)的测量结果计算得到杂散光分布因子或杂散光校正因子；

d)用杂散光分布因子或杂散光校正因子修正不切入上述滤色片时测得的该待测光源或其它光源的光谱功率。

由于在光谱仪内部，某一波长(包括光谱仪测量范围内或范围外)的光辐射入射到其它各波长的探测光路中产生杂散光电信号的几率基本保持不变，但大小却会随着该波长光辐射的光信号强弱而按比例变化，该比例关系可表示为该波长的光辐射在其它波长产生杂散光的杂散光分布因子，同时也正是由于该比例的存在，在测量某一待测光源或与该待测光源具有类似光谱功率分布的其它光源时，在各波长处所接收到的杂散光功率与该处的实测值之间的比例也保持不变，这种比例关系也可称为杂散光分布因子。上述两个杂散光分布因子概念的区别在于前者的比例关系中，分子即杂散光的波长和分母即光辐射的波长不相同；而后者的比例关系中分子与分母中的波长相同。但上述的杂散光分布因子都能够用来校正光谱仪的测量值。在光谱仪的生产或应用的任一阶段，得到光谱仪内各波长的杂散光分布因子，就可对任意测量值进行杂散光校正得到较为精确的测量值。本发明中采用滤色片方法测量光谱仪的杂散光分布因子并对光谱仪的测量结果进行校正，以减少杂散光带来的测量误差。

上述滤色片可以是同一种滤色片或者几种滤色片的组合，即均为长通滤色片，或者均为短通滤色片，或者既有长通滤色片又有带通滤色片，或者既有长通滤色片又有短通滤色片，或者既有带通滤色片又有短通滤色片，或者既有常通滤色片又有带通滤色片和短通滤色片。所述的长通滤色片具有截止波长，波长比截止波长大的波段光辐射透过率较高，称为导通波段，而波长比截止波长短的波段光辐射透过率较低，称为截止波段；所述短通滤色片也具有截止波长，与长通滤色片相反，短通滤色片在波长比截止波长短的波段为导通波段，而波长比截止波长长的波段为导通波段；所述的带通滤色片同样具有截止波长，且一般有两个截止波长，在两截止波长之间的波段有比较高的透过率，称为导通波段，而在两截止波长两边的波段透过率较低，称为截止波段，值得一提的是，有些带通滤色片除了在指定带通波段导通外，在长波段部分可会具有比较高的透过率。各种滤色片，特别是长通滤色片在市面上都能够很容易地购买到，因此本发明中用滤色片计算杂散光分布因子并对测量结果进行校正的技术方案的实施比较容易。值得重视的是，本发明中所采用的滤色片的导通波段既可以位于光谱仪的测量波段范围内，也可以是在光谱仪的测量波段范围之外，导通波段在测量范围以外的滤色片能够用来计算和校正光谱仪测量波段范围之外的杂散光辐射带来的测量误差。

有多种方法能够用来计算杂散光分布因子并对测量结果给予校正，下文将进一步进行阐述：

一种技术方案是，所述的滤色片中包括一个或一个以上长通滤色片，各长通滤色片的截止波长将光谱仪的测量波段分为若干个子波段，根据切入各长通滤色片和不切入长通滤色片时测量同一待测光源的光谱功率，计算每个截止波长之前的子波段内的杂散光功率分布，并与不切入长通滤色片时测量的该子波段的光谱测功率相比，得到截止波长之前的子波段内的杂散光分布因子；将不切入长通滤色片时的光谱功率测量值减去其与杂散光分布因子的乘积，得到经过杂散光修正的光谱功率。

具体而言，上述的滤色片中包括n(n≥1)个截止波长为λ_i(i＝1，...n，λ₁＜...＜λ_n)的长通滤色片，各长通滤色片的截止波长将光谱仪的测量波段分为若干个波段，可记为λ_i-1≤λ＜λ_i，第i个长通滤色片下测得的待测光源的光谱功率记为P_lf ⁱ(λ)，不切入上述任何滤色片时测得的待测光源的光谱功率记为P_lf ⁰(λ)，根据P_lf ⁱ(λ)和P_lf ⁰(λ)计算每个截止波长之后的光辐射在该截止波长之前的波段内各波长产生的杂散光，并与P_lf ⁰(λ)在截止波长之前的波段的值相比，得到截止波长之前的波段内各波长的杂散光分布因子K_lf(λ)，杂散光校正因子为单位值减K_lf(λ)；

$K_{\mathrm{lf}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{(P_{\mathrm{lf}}^i\left(\mathrm{\λ}\right)-P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}_l^i\left(\mathrm{\λ}\right))/({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{lf}}^i-{\mathrm{\τ}}_l^i\left(\mathrm{\λ}\right))}{P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)},({\mathrm{\λ}}_{i-1}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_i,i=1~n)---\left(1\right)$

杂散光校正因子Kc_f(λ)的计算方法为：

${\mathrm{Kc}}_{\mathrm{lf}}\left(\mathrm{\λ}\right)=1-\frac{(P_{\mathrm{lf}}^i\left(\mathrm{\λ}\right)-P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}_l^i\left(\mathrm{\λ}\right))/({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{lf}}^i-{\mathrm{\τ}}_l^i\left(\mathrm{\λ}\right))}{P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)},({\mathrm{\λ}}_{i-1}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_i,i=1~n)---\left(2\right)$

其中，λ₀为光谱仪可测波段的最小值；τⁱ(λ)为第i个长通滤色片在λ_i-1≤λ＜λ_i范围内的透过率，由于该波段为长通滤色片的截止波段，透射率很小，在不严格的情况下，该值可置为0；τⁱ _f为第i个长通滤色片的在导通波段的透过率平均值，在不严格的情况下，该值可置为1；光谱仪可测波段的最大值用λ_max表示，若其中任意一个长通滤色片的截止波长大于λ_max，则杂散光分布因子只计算到λ_max为止；上述P_lf ⁱ(λ)为以不切入上述任何滤色片时的定标结果为基础的测量值。

将通过式(1)或(2)计算的各波段的杂散光分布因子合并，得到(λ₀≤λ≤λ_max)范围内杂散光分布因子K_lf(λ)、杂散光修正因子Kc_lf(λ)。不加上述长通滤色片时的测量值经过杂散光修正得到(λ₀≤λ＜λ_max)范围内较为精确的P_clf(λ)：

P_ckf(λ)＝(1-K_lf(λ))P⁰(λ)       (3)

或者P_clf(λ)＝Kc_lf(λ)·P⁰(λ)    (4)

在上述的杂散光分布因子计算方法中，主要利用长通滤光片以及不加长通滤色片的测量值，得到长波段的光辐射在波段较短位置产生的杂散光影响，对杂散光分布因子的求解比较准确。这种方法求出的杂散光分布因子不仅可以修正一个被测光源的测量值，而且可以修正同一类具有相似光谱特性的样品的测量值而不需要重新计算杂散光分布因子，因此在连续测量一类样品时特别适用。但是这种方法仍然限于测量同一个或同一类样品杂散光校正测量。

第二种技术方案是所述的滤色片中包括一个或一个以上短通滤色片和/或带通滤色片，短通滤色片和/或带通滤色片的截止波长将光谱仪的测量波段分为若干个子波段，将短通滤色片每个截止波长前的波段的光谱功率测量值和/或带通滤色片的导通波段内的光谱功率测量值连接起来，得到待测光源在整个测量波段内的光谱功率。将在切入短通滤色片和/或带通滤色片下测得的待测光源的光谱功率除以不切入短通滤色片或带通滤色片时测得的同一待测光源的光谱功率，得到该波段杂散光校正因子；不切入所述短通滤色片或带通滤色片时的光谱功率测量值乘以杂散光校正因子，得到经过杂散光较正的光谱功率。

由于光谱仪中的主要杂散光为长波段的光辐射在短波段产生的，因此，使用短通滤色片或带通滤色片可将长波段的光辐射滤除，有效阻止了杂散光进入。在切入短通滤色片或带通滤色片的光谱功率测量值是基于在这些滤色片下使用标准光源定标的测量结果。

在上述的步骤d)中，用所述的杂散光分布因子或杂散光校正因子修正在不加上述滤色片的条件下测量的与所述待测光源具有相似光谱功率分布的同类光源。使用上述滤色片逐段测量光谱势必会降低测量速度，特别是快速光谱仪的测量速度，因此根据一个典型待测光源在切入和不切入滤色片时的测量结果相比，得到杂散光校正因子，其它与该典型待测光源具有类似光谱分布的光源可在不切入上述滤色片时快速测量。并用该杂散光校正因子校正测量值得到较为精确的测量结果。

上述两种技术方案可同时使用，即用上述的长通滤色片、短通滤色片和带通滤色片得到的杂散光分布因子和校正计算可同时使用。

上述光谱仪杂散光的校正方法中，在长通滤色片校正杂散光的步骤a)之前或者在所述的步骤d)之后，还可以使用一个波长或一个以上波长激光校正杂散光，其步骤为：

a)在切入或者不切入所述滤色片的条件下用光谱仪分别测量一个波长或一个以上波长激光，得到激光在光谱仪不同波长位置的杂散光分布功率，计算激光对应波长的光辐射在其它各波长产生杂散光的杂散光分布因子；

b)根据该光谱仪测得的任一待测光源的光谱功率和上述杂散光分布因子，积分计算出所测光谱功率中的各个波长上所接收到的来自其它波长的杂散光功率总和，所测光谱功率减去计算出的各波长上杂散光功率得到较为精确的待测光源的光谱功率。

用激光校正杂散光的方法可用表达式表达，用光谱仪测量的激光光谱功率中，除所测激光的波长λ’及其带宽(IB)内的值，其它波长上测得的光谱辐射功率均为杂散光引入的，波长λ’的光辐射在其它波长上的杂散光分布因子K_l ^λ’(λ)可用下式计算：

$K_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\∈\mathrm{IB}}{\mathrm{\Σ}}{P}_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)},\mathrm{\λ}\∉\mathrm{IB}---\left(5\right)$

上式中，P_l ^λ’(λ)为光谱仪测量的波长为λ’的光谱功率分布。

用杂散光分布因子修正测量结果的表达式为：

$P_{\mathrm{cl}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_l\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\≠\mathrm{\λ}}{\∫}{K}_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·P_l(\mathrm{\λ}\text{'})\mathrm{d\λ}\text{'}---\left(6\right)$

上式中，P_l(λ)为经过光谱仪测量的任意待测光源的光谱功率，P_cl(λ)为经过修正后的测量值。

激光校正方法可以校正任意的被测光谱，当然包括使用滤色片之后测得的光谱，因此可以用激光校正方法对滤色片测量值以及不用滤色片的测量值进行一一校正，然后再由校正值进行滤色片再次校正。

理论上用激光测量杂散光分布因子并对光谱仪测量结果进行校正能够得到很精确的测量值，然而，在整个测量波长范围内以波长间隔足够小以实现精确测量需要大量稳定的激光器，这大幅提高了测量成本。而且单独用激光器只能实现光谱仪测量范围内光辐射在其它波长产生的杂散光，而无法得到测量范围以外的光辐射对测量值的影响。因此用滤色片和激光器相结合的方法相结合校正杂散光是比较理想的方法。

例如切入短通滤色片或带通滤色片，以阻隔光谱仪测量波段以外的长波段的杂散光干扰，按上述技术方案测量计算各波长的光辐射在其它波长产生的杂散光分布因子K_l ^λ’(λ)，并用以校正在相同滤色片条件下测量的待测光源的光谱P_sbl(λ)，得到较为精确的光谱功率P_cl(λ)。进一步测量在不加上述任何滤色片时测量待测光源的光谱P₀(λ)，并将P_cl(λ)和P₀(λ)二者相比，得到杂散光校正因子K_lsbf(λ)，该杂散光分布因子可以用来校正不切入上述滤色片时测量与待测光源具有类似光谱特性的其它光源的光谱功率。

又例如，在式(6)中的P_l(λ)可以是用滤色片修正方法将光谱仪测量波段外的光辐射产生的杂散光功率减去之后的值，以长通滤色片为例，可用表达式表示为：

$P_{\mathrm{cl}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)-(P_f^l\left(\mathrm{\λ}\right)-P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}^l\left(\mathrm{\λ}\right))/({\mathrm{\τ}}_f^l-{\mathrm{\τ}}^l\left(\mathrm{\λ}\right))-\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\≠\mathrm{\λ}}{\∫}{K}_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·P_l(\mathrm{\λ}\text{'})\mathrm{d\λ}\text{'}---\left(7\right)$

式中，P⁰ _f(λ)为没有经过任何修正、在不加长通滤色片时光谱仪测得的待测光源的光谱功率，P_f ^l(λ)为加入截止波长比光谱仪的最大可测波长还大的长通滤色片时的测量值，τ^l(λ)为该长通滤色片在光谱仪测量范围内的透过率，在不严格的条件下可置为0，τ^l为该滤色片其导通波段的透过率，在不严格的条件下可置为1。

在采用定标光源对光谱仪定标时，也应该进行杂散光校准，定标方法如下：用光谱仪测量定标光源得到光谱响应值M(λ)；使用杂散光校正公式校正M(λ)，得到校正的光谱响应M_C(λ)，在校正过程中也可使用反复迭代的方法M_C(λ)收敛；利用M_C(λ)计算快速光谱仪的光谱灵敏度： $S\left(\mathrm{\λ}\right)=P_S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_C\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中，P_S(λ)为已知定标光源的光谱功率分布。

基于激光的杂散光校正方法的特征在于：在光谱仪的入射狭缝和色散元件之间设置可切入光路的一个或一个以上滤色片，所述滤色片中包括导通波段在光谱仪测量波段以外的滤色片，包括以下步骤：

a)在切入或者不切入所述滤色片的条件下使用光谱仪测量一束或多束功率和波长已知的带外激光，所述带外激光的对应波长在光谱仪的范围波段之外，计算带外激光对应波长的光辐射在光谱仪的测量波段内各波长处产生杂散光的杂散光分布因子；

b)将所述导通波段在光谱仪测量波段以外的滤色片切入到光信号采集装置和色散元件之间的光路上，测量待测光源的光谱功率，根据测量结果和所述杂散光分布因子，推算待测光源在光谱仪测量波段以外的光谱功率；

c)根据所述杂散光分布因子和待测光源在光谱仪测量波段以外的光谱分布，计算光谱仪测量波段以外的光辐射在光谱仪测量波段内的各波长处产生的杂散光功率，不切入所述滤色片时测量的同一待测光源或类似光源的光谱功率减去上述各波长杂散光功率，以校正光谱仪测量波段外的光辐射给光谱测量带来的杂散光误差。

本技术方案主要针对光谱仪测量波段以外的光辐射产生的杂散光的校正。由于不能直接得到光谱仪测量波段外的光辐射的光谱功率，给校正这部分光辐射带来了困难。本技术方案中，主要使用在光谱仪测量波段外导通的滤色片，根据测得的杂散光信息反推出光谱仪测量波段外的光辐射的光谱功率，并用激光校正方法给予校正。

在光谱仪测量波段外的光辐射带来的杂散光误差的基础上，还可以在上述的步骤a)之前或者在所述的步骤c)之后，用激光校正测量波段内的光辐射带来的杂散光误差：光谱功率校正在切入或者不切入所述滤色片的条件下用光谱仪测量一个波长或一个以上波长带内激光的光谱，所述带内激光的对应波长在光谱仪的测量波段内，计算带内激光对应波长的光辐射在光谱仪测量波段内各其它波长处产生的杂散光分布因子；用所述光谱仪测量任一待测光源的光谱；根据测得的待测光源的光谱和所述杂散光分布因子，积分计算出各个波长上接收到的来自光谱仪测量波段内其它波长的杂散光功率总和，所测待测光源的光谱功率减去上述各波长上杂散光功率以校正杂散光误差。其计算表达式与式(5)和式(6)类似。

在采用定标光源对光谱仪定标时，也应该进行杂散光校准，定标方法如下：用光谱仪测量定标光源得到光谱响应值M(λ)；使用杂散光校正公式校正M(λ)，得到校正的光谱响应M_C(λ)，在校正过程中也可使用反复迭代的方法M_C(λ)收敛；利用M_C(λ)计算快速光谱仪的光谱灵敏度： $S\left(\mathrm{\λ}\right)=P_S\left(\mathrm{\λ}\right)/M_C\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中，P_S(λ)为已知定标光源的光谱功率分布。

上述定标光源和用于测量计算杂散光分布因子的标准光源可以是同一种光源。上述标准光源为标准A光源，氘灯或者其他在快速光谱仪的波长范围内具有连续光谱分布的光源。

为实现上述基于滤色片的杂散光校正方法和/或基于激光的杂散光校正方法，本发明采用以下装置技术方案：一种光谱仪，包括光信号采集装置，入射狭缝，色散元件，探测单元和测控软件，其特征在于：在所述光信号采集装置和色散元件之间的光路上设置可切入的滤色片，所述测控软件中包括杂散光校正程序，所述杂散光校正程序中包括杂散光代码，用于获得杂散光分布因子和/或杂散光校正因子，和校正代码，用于使用杂散光分布因子和/或杂散光校正因子对光谱仪的测量值进行杂散光校正。

在光谱仪的测控软件中设置杂散光校正程序，所述杂散光校正程序按照上述的基于滤色片的杂散光校正方法和/或基于激光的杂散光校正方法编写，能够方便光谱仪的制造商和用户准确快速地进行杂散光校正，是光谱测量更为便捷。上述测控软件内嵌于光谱仪中或者为上位机软件。

上述入射狭缝和色散元件之间的设置色轮，色轮的同一半径圆周上均布一组滤色片和无任何滤色片的通孔；所述色轮与旋转驱动装置相连，该旋转驱动装置能把色轮上的滤色片或者通孔切入光信号采集装置和色散元件之间入射光束中。

上述的各个长通滤光片外形尺寸相同，在切入光路中时所处位置相同。

上述的光电探测器是阵列探测器，即所述光谱仪为一个快速光谱仪，来自光学聚焦系统的色散光同时入射到阵列探测器的各个象元上。

上述的光电探测器也可以是单通道探测器，在单通道探测器和光学聚焦系统之间设置有出射狭缝，即所述光谱仪是由单色仪和光电探测器组成的机械扫描式光谱仪。

上述光谱仪的波长范围是紫外到红外的任一波段范围。

上述长通滤光片的截止波长均在所述光谱仪的测量范围内。

本发明的有益效果是通过一组滤光片测量计算出光谱仪的杂散光分布因子，并对测量结果进行校正，得到较为精确的测量值，利用滤色片能够实现对超出光谱仪测量波段的光辐射带来的杂散光进行校正，且实现成本较低，操作方便；同时长通滤色片还可与激光、带通滤色片结合进一步校正杂散光，提高测量精度。

【附图说明】

图1是为实现本发明的一种光谱仪示意图。

图2是图1光谱仪中的长通色轮的示意图。

图3是图2中的一组长通滤光片的透光率曲线。

【具体实施方式】

实施例1：

如图1所示为实现本发明的一种光谱仪的结构，包括光信号采集装置1和光学平台2，光学平台2内包括入射狭缝3，色散元件4，阵列探测器5以及微处理器9，在光信号采集装置和色散元件之间设置有色轮7，色轮的同一半径圆周上均布一组滤色片6和无任何滤色片的通孔6-4；所述色轮7与旋转驱动装置8相连，能把色轮7上的滤色片6或者通孔6-4切入入射狭缝3和色散元件4之间入射光束中位置。微处理器9与上位机10电连接，上位机10中安装与光谱仪配合的测控软件，测控软件不仅能够实现常规的对光谱仪的采样控制和数据处理，还包括了杂散光校正程序，所述杂散光校正程序中包括获得杂散光分布因子和/或杂散光校正因子的杂散光代码，和用杂散光分布因子和/或杂散光校正因子对光谱仪的测量值进行杂散光校正的校正代码，利用杂散光校正程序能够方便地对光谱仪测量结果进行杂散光校正。根据光谱仪中滤色片的不同和所采用的激光的不同，杂散光校正程序也有所不同。

所述光谱仪的测量范围为380-800nm，光谱仪中一共采用五个长通滤色片6-1，其截止波长(λ₁...λ₅)均匀分布在380-800nm波段中，所述长通滤色片的透光率曲线如图3所示。

被测光源包括至少两个具有类似光谱的样品。

在测量某个被测光源的光谱时，采用以下方法：

a)转动色轮，将5个截止波长分别为λ_i(i＝1，2，...5，λ₁＜λ₂＜...＜λ₅)的长通滤光片逐个设置在快速光谱仪的光信号采集装置和色散元件之间的光路上，并测量被测光源，在第i个长通滤色片下测得的光谱功率分布为P_f ⁱ(λ)，同时测量在通孔下测量该待测光源的光谱P_f ⁰(λ)；

b)由测得的P_f ⁱ(λ)和P_f ⁰(λ)计算杂散光分布因子K_f(λ)，

$K_f\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{(P_f^i\left(\mathrm{\λ}\right)-P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}^i\left(\mathrm{\λ}\right))/({1-\mathrm{\τ}}^i-\left(\mathrm{\λ}\right))}{P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)},({\mathrm{\λ}}_{i-1}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_i,i=1~5)$

其中λ₀＝380nm，τⁱ(λ)为第i个长通滤光片的透光率；

c)用K_f(λ)修正该被测光源的光谱功率P_f ⁰(λ)，

$P_{\mathrm{cf}}\left(\mathrm{\λ}\right)=(1-K_f\left(\mathrm{\λ}\right))P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)$

d)在通孔下测量与所述被测光源具有类似光谱的其他样品，得到光谱测量值P_tt ⁰(λ)，用杂散光修正公式对通孔下的同类样品的测量值P_tt ⁰(λ)进行杂散光校正，得到修正后的光谱值P_ctt(λ)：

$P_{\mathrm{ctt}}\left(\mathrm{\λ}\right)=(1-K_f\left(\mathrm{\λ}\right))P_{\mathrm{tt}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)$

实施例2：

采用紫外光谱仪，光谱仪的测量波段为200nm～400nm。一个截止波长为250nm的长通滤色片可以通过切换设置到光谱仪的狭缝和光栅之间。用该光谱仪测量待测光源的紫外光谱时，可采用以下步骤：

a)在不加畅通滤色片时测量紫外光谱功率P_f ⁰(λ)，在设置长通滤色片时测得光谱功率分布为P_f ^u(λ)；

b)由测得的P_f ^u(λ)和P_f ⁰(λ)计算杂散光分布因子K_f(λ)，

$K_f\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{(P_f^u\left(\mathrm{\λ}\right)-P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}^u\left(\mathrm{\λ}\right))/(1-{\mathrm{\τ}}^u\left(\mathrm{\λ}\right))}{P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right)},(200\mathrm{nm}\≤\mathrm{\λ}\≤400\mathrm{nm})$

其中τ^u(λ)为长通滤光片的透光率；

c)用K_f(λ)修正该被测光源的光谱功率P_f ⁰(λ)，

$P_{\mathrm{cf}}\left(\mathrm{\λ}\right)=(1-K_f\left(\mathrm{\λ}\right))P_f^0\left(\mathrm{\λ}\right),(200\mathrm{nm}\≤\mathrm{\λ}\≤400\mathrm{nm})$

d)在通孔下测量与所述被测光源具有类似光谱的其他样品，得到光谱测量值P_tt ⁰(λ)，用杂散光修正公式对通孔下的同类样品的测量值P_tt ⁰(λ)进行杂散光校正，得到修正后的光谱值P_ctt(λ)：

$P_{\mathrm{ctt}}\left(\mathrm{\λ}\right)=(1-K_f\left(\mathrm{\λ}\right))P_{\mathrm{tt}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)$

实施例3：

采用与实施例1中结构相似的光谱仪。光谱仪的测量范围为200nm～800nm的紫外到可见区间。用该光谱仪测量待测光源的紫外光谱时，可采用以下步骤：

a)用光谱仪分别测量波长分布在400nm～800nm之间的5束激光，得到各束激光的光谱功率分布；

b)根据下式计算出激光对应波长的光辐射在其它波长产生的第一杂散光分布因子：

$K_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\∈\mathrm{IB}}{\mathrm{\Σ}}{P}_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)},\mathrm{\λ}\∉\mathrm{IB}$

上式中，P_l ^λ’(λ)为光谱仪测量的波长为λ’的激光的光谱功率分布，IB为其带宽；

c)根据5束激光计算出来的杂散光分布因子，通过线性插值推导出每隔5nm的波长的光辐射在其它波长产生的第一杂散光分布因子；

d)用第一杂散光分布因子修正光谱仪测量任意光源的测量结果的表达为：

$P_{\mathrm{cl}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_l\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\≠\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{K}_l^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·P_l(\mathrm{\λ}\text{'})$

e)转动色轮，将5个截止波长分别为λ_i(i＝1，2，...5，300nm＜λ₁＜λ₂＜...＜λ₅＜800nm)的长通滤光片逐个设置在快速光谱仪的光信号采集装置和色散元件之间的光路上，并测量被测光源，在第i个长通滤色片下测得的光谱功率分布为P_f ⁱ(λ)，同时测量在通孔下测量该待测光源的光谱P_f ⁰(λ)；

f)用步骤d)中的公式校正P_f ⁱ(λ)和P_f ⁰(λ)，分别得到P_lf ⁱ(λ)和P_lf ⁰(λ)；

g)根据P_lf ⁱ(λ)和P_lf ⁰(λ)计算得到长通滤色片下的第二杂散光分布因子：

$K_{\mathrm{lf}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{(P_{\mathrm{lf}}^i\left(\mathrm{\λ}\right)-P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\τ}}^i\left(\mathrm{\λ}\right))/(1-{\mathrm{\τ}}^i\left(\mathrm{\λ}\right))}{P_{\mathrm{lf}}^0\left(\mathrm{\λ}\right)},({\mathrm{\λ}}_{i-1}\≤\mathrm{\λ}\≤{\mathrm{\λ}}_i,i=1~5)$

其中λ₀＝200nm，τⁱ(λ)为第i个长通滤光片的透光率；

h)用K_lf(λ)修正该被测光源的光谱功率P_lf ⁰(λ)，

P_clf(λ)＝(1-K_lf(λ))P_lf ⁰(λ)

i)在通孔下测量与所述被测光源具有类似光谱的其他样品，得到光谱测量值P_tt ⁰(λ)，用第一杂散光分布因子修正该值到P_ltt ⁰(λ)，再用第二杂散光分布因子校正P_ltt ⁰(λ)，得到较为精确的光谱值P_cltt(λ)。

实施例4：

采用与实施例1中结构相似的光谱仪。光谱仪的测量范围为400nm～800nm，光谱仪的色轮1上设置一个截止波长在800nm的长通滤色片，光谱仪探测器的光谱响应范围为200nm～1100nm。同时具有20束激光，其中15束为带内激光，波长分布在400nm～800nm的波段范围内，而5束为带外激光，波长分布在800nm～1100nm的波段范围。用该光谱仪测量待测光源的紫外光谱时，可采用以下步骤：

a)将所述长通滤色片切入光路，用光谱仪分别测量波长分布在800nm～1100nm之间的5束激光，得到各束带外激光的光谱功率分布；

b)根据下式计算出带外激光对应波长的光辐射在400nm～800nm之间的各波长上产生的带外杂散光分布因子：

$K_{w1}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_{\mathrm{wl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\∈\mathrm{IB}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{wl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)},\mathrm{\λ}\∉\mathrm{IB}$

上式中，P_wl ^λ’(λ)为光谱仪测量的波长为λ’的激光的光谱功率分布，IB为其带宽；

c)根据5束激光计算出来的带外杂散光分布因子，通过线性插值推导出800nm～1100nm区间每隔5nm的波长的光辐射在其它波长产生的带外杂散光分布因子；

d)不切入上述长通滤色片，用光谱仪分别测量波长分布在400nm～800nm之间的15束带内激光，得到各束带内激光的光谱功率分布；

e)根据下式计算出带内激光对应波长的光辐射在400nm～800nm之间的各波长上产生的带内杂散光分布因子：

$K_{\mathrm{nl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{P_{\mathrm{nl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\∈\mathrm{IB}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{nl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)},\mathrm{\λ}\∉\mathrm{IB}$

上式中，P_nl ^λ’(λ)为光谱仪测量的波长为λ’的激光的光谱功率分布，IB为其带宽；

f)根据15束带内激光计算出来的带内杂散光分布因子，通过线性插值推导出400nm～800nm区间每隔5nm的波长的光辐射在其它波长产生的带内杂散光分布因子；

g)将所述长通滤色片切入光路，用光谱仪测量待测光源的400nm～800nm之间在光谱功率分布P_lf(λ)；

h)根据P_lf(λ)和带外杂散光分布因子，推导出该待测光源在800nm～1100nm区间的光谱功率分布P_lf’(λ)；

i)在不切入长通滤色片时测量待测光源在400nm～800nm之间在光谱功率分布P₀(λ)；

j)用带外杂散光分布因子修正光谱仪测量任意光源的测量结果的表达为：

$P_{\mathrm{cwl}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_0\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\≠\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{K}_{\mathrm{wl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·{P_{\mathrm{lf}}}^{\′}(\mathrm{\λ}\text{'})$

k)用带内杂散光分布因子进一步测量结果，表达为：

$P_{\mathrm{cl}}\left(\mathrm{\λ}\right)=P_{\mathrm{cwl}}\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{\mathrm{\λ}\text{'}\≠\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{K}_{\mathrm{nl}}^{\mathrm{\λ}\text{'}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·P_{\mathrm{cwl}}(\mathrm{\λ}\text{'})$

P_cl(λ)即为较精确的待测光源的光谱值。

Claims (8)

1.一种光谱仪杂散光校正方法，其特征在于在光谱仪的光信号采集装置和色散元件(4)之间设置可切入光路的一个以上滤色片(6)，且包括以下步骤：

a)在不切入所述滤色片(6)时测量待测光源的光谱功率；

b)将滤色片(6)切入到入射狭缝和色散元件之间的光路上，测量同一待测光源的光谱功率；

c)根据步骤a)和步骤b)的测量结果计算得到第二杂散光分布因子或杂散光校正因子；

d)用所述杂散光分布因子或杂散光校正因子修正不切入上述滤色片(6)时测得的该待测光源或其它与待测光源具有相似光谱功率分布的同类光源的光谱功率 ；

在所述的步骤a)之前或者在所述的步骤d)之后，使用一个以上波长在所述的滤色片(6)的通光波段内的激光校正杂散光，其步骤为：

1)在切入或不切入所述滤色片(6)的条件下用光谱仪分别测量所述的一个以上波长激光，得到激光在光谱仪不同波长位置的杂散光分布功率，计算激光对应波长的光辐射在其它各波长产生杂散光的第一杂散光分布因子；

2)根据该光谱仪测得的任一待测光源的光谱功率和第一杂散光分布因子，积分计算出各波长上接收的杂散光功率，所测光谱功率减去各波长上的杂散光功率得到经过杂散光校正光谱功率。

2.根据权利要求1所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的滤色片(6)中包括一个以上长通滤色片(6-1)，各长通滤色片(6-1)的截止波长将光谱仪的测量波段分为若干个子波段，根据切入各长通滤色片(6-1)和不切入长通滤色片(6-1)时测量同一待测光源的光谱功率，计算每个截止波长之前的子波段内的杂散光功率分布，并与不切入长通滤色片(6-1)时测量的该子波段的光谱功率相比，得到截止波长之前的子波段内的第二杂散光分布因子；将不切入长通滤色片(6-1)时的光谱功率测量值减去其与第二杂散光分布因子的乘积，得到经过杂散光修正的光谱功率。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：所述的滤色片(6)中包括一个以上短通滤色片(6-2)和/或带通滤色片(6-3)，将在切入短通滤色片和/或带通滤色片下测得的待测光源的光谱功率除以不切入短通滤色片或带通滤色片时测得的同一待测光源的光谱功率，得到该波段杂散光校正因子；不切入所述短通滤色片(6-2)或带通滤色片(6-3)时的光谱功率测量值乘以杂散光校正因子，得到经过杂散光校正的光谱功率。

4.根据权利要求1所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：在步骤d)中，用所述的第二杂散光分布因子或杂散光校正因子修正在不加上述滤色片的条件下测量的与所述待测光源具有相似光谱功率分布的同类光源。 

5.根据权利要求1或2所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：采用定标光源对光谱仪定标时，先测量和计算出相应的杂散光分布因子，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。

6.一种光谱仪杂散光校正方法，其特征在于在光谱仪的光信号采集装置(1)和色散元件(4)之间设置可切入光路的一个以上滤色片(6)，所述滤色片(6)中包括导通波段在光谱仪的测量波段以外的滤色片，且包括以下步骤：

a)在切入或者不切入所述滤色片(6)的条件下使用光谱仪测量一束或多束功率和波长已知的带外激光，所述带外激光的对应波长在光谱仪的测量波段之外，得到带外激光在光谱仪不同波长位置的杂散光分布功率，计算带外激光对应波长的光辐射在光谱仪测量波段内各波长处产生杂散光的杂散光分布因子；

b)根据切入所述导通波段在光谱仪测量波段以外的滤色片(6)时测得的待测光源的光谱功率和所述杂散光分布因子，推算待测光源在光谱仪测量波段以外的光谱功率；

c)根据所述杂散光分布因子和待测光源在光谱仪测量波段以外的光谱功率计算待测光源在光谱仪测量波段外的光辐射在光谱仪测量波段内的各波长处产生的杂散光功率，不切入所述滤色片(6)时测得的待测光源或与待测光源具有相似光谱功率分布的同类光源的光谱功率减去上述各波长的杂散光功率，校正光谱仪测量波段外的光辐射带来的杂散光误差。

7.根据权利要求6所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：在所述的步骤a)之前或者在所述的步骤c)之后，使在切入或者不切入所述滤色片(6)的条件下用光谱仪测量一个以上波长带内激光的光谱，得到所述带内激光在光谱仪不同波长位置的杂散光分布功率，计算带内激光对应波长的光辐射在其它波长处产生杂散光的杂散光分布因子；用所述光谱仪测量任一待测光源的光谱；根据测得的待测光源的光谱和所述杂散光分布因子，积分计算出各个波长上接收到的杂散光功率，所测待测光源的光谱功率减去上述各波长上杂散光功率以校正杂散光误差。

8.根据权利要求6或7所述的光谱仪杂散光校正方法，其特征在于：采用定标光源对光谱仪定标时，先测量和计算出相应的杂散光分布因子，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。 

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