本發(fā)明屬于光譜技術領域，特別涉及的一種高分辨率中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖的分析與校正方法。

背景技術：

近年來，原子發(fā)射光譜儀正不斷向全譜直讀、智能化、小型化、低分析成本的方向發(fā)展。分光系統(tǒng)作為原子發(fā)射光譜儀的核心部分，直接決定整體儀器的性能水平。高分辨率中階梯光柵光譜儀具有波段范圍寬、分辨率高、靈敏度高、全譜瞬態(tài)測量等優(yōu)點，已成為原子發(fā)射光譜分析技術研究的重點。

中階梯光柵光譜儀是一類以低色散棱鏡與高色散中階梯光柵交叉色散的全譜光譜儀，它采用棱鏡縱向色散，配合中階梯光柵高衍射級次的橫向色散，在像面上形成二維譜圖，并以面陣探測器采集二維譜圖。分光模塊中的關鍵分光器件--中階梯光柵的刻線密度一般為10g/mm～100g/mm，衍射級次為幾十級至上百級，閃耀角為60°-80°，制作工藝相當復雜。目前，中階梯光柵尚依賴于進口，購買成本相對較高。

中階梯光柵光譜儀的二維譜圖信息主要取決于色散系統(tǒng)，若交叉色散系統(tǒng)中光學元件的技術參數(shù)出現(xiàn)偏差，將對光譜儀后端二維譜圖信息產生嚴重影響，造成二維譜圖在探測器像面上的位置出現(xiàn)偏差，導致測試元素對應波長的探測信號信背比降低，無法充分發(fā)揮出中階梯光柵光譜儀的特點與優(yōu)勢。該現(xiàn)象的存在，嚴重限制了中階梯光柵光譜儀高光譜分辨率、高靈敏度、低檢出限等優(yōu)勢的體現(xiàn)。進一步影響以中階梯光柵光譜儀為分光模塊的發(fā)射光譜儀的檢出限和靈敏度，影響元素光譜分析的測試精度，目前尚沒有針對二維偏差譜圖的分析與校正方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種高分辨率中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖的分析與校正方法，解決高分辨率中階梯光柵光譜儀二維譜圖存在偏差時，無法滿足實際使用需求的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術方案：

本發(fā)明提供一種高分辨率中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖的分析與校正方法，該方法包括如下步驟：

步驟一，獲得中階梯光柵光譜儀的二維譜圖；

利用中階梯光柵光譜儀分別采集線性光源和連續(xù)光源的譜圖，得到中階梯光柵光譜儀分立光譜和連續(xù)光譜的二維譜圖；

步驟二，對獲得的二維譜圖進行判讀；

分別判讀分立光譜和連續(xù)光譜的二維譜圖，確定二維譜圖在棱鏡色散方向和中階梯光柵色散方向是否存在偏差；

步驟三，反演棱鏡參數(shù)的偏差量和/或中階梯光柵參數(shù)的偏差量；

步驟四，對中階梯光柵光譜儀的二維偏差譜圖進行校正；

根據(jù)反演計算得到的棱鏡參數(shù)的偏差量和/或中階梯光柵參數(shù)的偏差量，確定棱鏡和/或中階梯光柵的實際工作狀態(tài)，仿真并設計棱鏡和/或中階梯光柵的裝調工裝；根據(jù)工裝對中階梯光柵光譜儀重新裝調，從而實現(xiàn)二維偏差譜圖的校正。

所述步驟一中，采用汞燈作為線性光源，采用氘燈作為連續(xù)光源。

所述步驟二中，判讀分立光譜的二維譜圖，對分立光譜參考波長的相對位置進行計算分析，即可確定二維譜圖在棱鏡色散方向是否存在偏差；具體過程如下：

選擇汞燈的3個波長作為參考波長，計算參考波長在縱向色散的相對間隔；如果與參考波長在縱向色散的理論相對間隔相比，差值超出±3pixel，則可認為在棱鏡色散方向存在偏差，需要對偏差進行校正；否則，認為在棱鏡色散方向不存在偏差。

所述步驟二中，判讀連續(xù)光譜的二維譜圖，如果整個二維連續(xù)譜圖在探測器像面上的橫向中心基本成像在探測器的中心設定范圍內，中心設定范圍設置為±50pixel，則可認為在中階梯光柵色散方向二維譜圖無偏差；超出中心設定范圍，則認為二維譜圖在中階梯光柵色散方向存在偏差，需要對偏差進行校正。

所述步驟三中，利用由分立譜圖分析出的棱鏡色散方向的譜圖偏差量，根據(jù)棱鏡折射原理，結合中階梯光柵光譜儀的結構參數(shù)，反演棱鏡參數(shù)的偏差量。

所述步驟三中，利用由連續(xù)譜圖分析出的中階梯光柵色散方向的譜圖偏差量，根據(jù)中階梯光柵衍射原理，結合中階梯光柵光譜儀的結構參數(shù)，反演中階梯光柵參數(shù)的偏差量。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的方法能夠實現(xiàn)二維偏差譜圖的定性分析及定量計算，同時能夠實現(xiàn)二維偏差譜圖的校正工作，對二維偏差譜圖進行分析并校正后，能夠充分發(fā)揮中階梯光柵光譜儀高光譜分辨率、高靈敏度、低檢出限等優(yōu)勢，同時該校正方法僅需對裝調工裝做微小改變，具有操作簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

附圖說明

圖1a為中階梯光柵光譜儀的結構框圖；

圖1b為中階梯光柵光譜儀的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明高分辨率中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖的分析與校正方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例中校正前中階梯光柵光譜儀分立光譜二維譜圖；

圖4為本發(fā)明實施例中校正前中階梯光柵光譜儀連續(xù)光譜二維譜圖；

圖5為本發(fā)明實施例中校正后中階梯光柵光譜儀分立光譜二維譜圖；

圖6為本發(fā)明實施例中校正后中階梯光柵光譜儀連續(xù)光譜二維譜圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明進行進一步說明。

圖1a和圖1b分別為中階梯光柵光譜儀的結構框圖和原理示意圖。如圖1a所示，中階梯光柵光譜儀主要包括三部分：光源、分光模塊和探測系統(tǒng)，其中分光模塊是關鍵部分。如圖1b所示，光源發(fā)出的光束經前置光路，通過狹縫進入分光模塊，光束經準直鏡準直之后，進入交叉色散系統(tǒng)(棱鏡和中階梯光柵交叉色散系統(tǒng))，最后由聚焦鏡聚焦，探測器接收光電信號。

對中階梯光柵光譜儀的二維譜圖的色散原理進行偏差分析，根據(jù)中階梯光柵光譜儀的交叉色散原理，二維譜圖的縱向色散取決于棱鏡，橫向色散取決于中階梯光柵。

如圖2所示，本發(fā)明提供的高分辨率中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖的分析與校正方法，包括如下步驟：

步驟一，獲得中階梯光柵光譜儀的二維譜圖。

分別利用中階梯光柵光譜儀的線性光源和連續(xù)光源得到中階梯光柵光譜儀分立光譜和連續(xù)光譜的二維譜圖。

采用汞燈作為線性光源，采用氘燈作為連續(xù)光源。

步驟二，對獲得的二維譜圖進行判讀。

判讀分立光譜的二維譜圖，對分立光譜參考波長的相對位置進行計算分析，即可確定二維譜圖在棱鏡色散方向是否存在偏差。選擇汞燈的3個波長作為參考波長，計算參考波長在縱向色散的相對間隔。如果與參考波長在縱向色散的理論相對間隔相比，差值超出±3pixel，則可認為在棱鏡色散方向存在偏差，需要對偏差進行校正；否則，認為在棱鏡色散方向不存在偏差。

判讀連續(xù)光譜的二維譜圖，如果整個二維連續(xù)譜圖在探測器像面上的橫向中心基本成像在探測器的中心設定范圍內(設置為±50pixel)，則可認為在中階梯光柵色散方向二維譜圖無偏差；超出中心設定范圍，則認為二維譜圖在中階梯光柵色散方向存在偏差，需要對偏差進行校正。

步驟三，反演棱鏡參數(shù)的偏差量和/或中階梯光柵參數(shù)的偏差量。

根據(jù)步驟二的判讀結果，結合交叉色散理論，反演棱鏡參數(shù)的偏差量和/或中階梯光柵參數(shù)的偏差量。

利用由分立譜圖分析出的棱鏡色散方向的譜圖偏差量，根據(jù)棱鏡折射原理，結合中階梯光柵光譜儀的結構參數(shù)，反演棱鏡參數(shù)的偏差量。

利用由連續(xù)譜圖分析出的中階梯光柵色散方向的譜圖偏差量，根據(jù)中階梯光柵衍射原理，結合中階梯光柵光譜儀的結構參數(shù)，反演中階梯光柵參數(shù)的偏差量。

步驟四，對中階梯光柵光譜儀的二維偏差譜圖進行校正。

根據(jù)反演計算得到的棱鏡參數(shù)的偏差量和/或中階梯光柵參數(shù)的偏差量，確定棱鏡和/或中階梯光柵的實際工作狀態(tài)，仿真并設計棱鏡和/或中階梯光柵的裝調工裝；根據(jù)工裝對中階梯光柵光譜儀重新裝調，從而實現(xiàn)二維偏差譜圖的校正。

校驗

對二維偏差譜圖進行校正后，重新采集中階梯光柵光譜儀分立光譜和連續(xù)光譜的二維譜圖，與校正前的二維偏差譜圖對比，驗證分析與校正方法可行有效。

實施例

下面以對某一中階梯光柵光譜儀二維偏差譜圖進行分析與校正為例，對本發(fā)明的高分辨率中階梯光柵光譜儀的二維偏差譜圖的分析與校正方法做進一步的詳細說明。但該實施例不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。

中階梯光柵光譜儀的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

步驟一，采用汞燈作為線性光源，獲得中階梯光柵光譜儀汞燈的分立光譜的二維譜圖，如圖3所示；采用氘燈作為連續(xù)光源，獲得中階梯光柵光譜儀氘燈的連續(xù)光譜的二維譜圖，如圖4所示。

判讀分立光譜的二維譜圖，選擇汞燈的三個參考波長313.1548nm，404.656nm和579.066nm，但不限于上述三個波長。313.1548nm與404.656nm和579.066nm在縱向色散的相對間隔分別為79pixel和136pixel，與縱向色散的理論相對間隔(78pixel和135pixel)相差1pixel，差值未超出±3pixel，則認為在棱鏡色散方向無偏差。

判讀連續(xù)光譜的二維譜圖，二維譜圖整體成像在探測器感光面的右側，超過了橫向中心位置(+50pixel)，二維譜圖在中階梯光柵色散方向出現(xiàn)偏差，導致譜圖左側的信噪比偏低，無法滿足中階梯光柵光譜儀低檢出限的要求。

步驟三，根據(jù)二維譜圖在中階梯光柵色散方向的偏差量，結合中階梯光柵的色散原理，反演得出中階梯光柵參數(shù)的偏差量為0.3°。

步驟四，根據(jù)反演計算得到的中階梯光柵參數(shù)的偏差量，確定中階梯光柵的實際工作狀態(tài)，仿真并設計中階梯光柵的裝調工裝，根據(jù)工裝對中階梯光柵重新裝調，實現(xiàn)二維偏差譜圖的校正。

對校正后的中階梯光柵光譜儀再次采集二維譜圖，汞燈分立光譜的二維譜圖如圖5所示，氘燈連續(xù)光譜的二維譜圖如圖6所示。圖4和圖6作對比，可以看出，校正后的整個二維譜圖成像在探測器上的位置關于探測器像面的縱向中心軸基本對稱，能夠滿足測試需求，說明校正效果顯著有效。

表1中階梯光柵光譜儀的結構參數(shù)