專利名稱：一種光譜測量方法
一種光譜測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光輻射測量領域，具體涉及一種減小帶寬誤差、提高光譜測量分辨率 的光譜測量方法。
技術背景光譜儀是測量光源光譜、顏色和光度量，以及物體的顏色、反射率、透射率和吸收 特性的重要設備。光譜儀具有一定的帶寬，在具有單色儀的機械掃描式光譜儀中，帶寬是 指通過出射狹縫的波長半寬度，而在具有陣列探測器的快速光譜儀中，帶寬是指探測器象 元上所能接收到的光輻射的波長半寬度。即光譜儀在測量光源或物體的光輻射時，除波長 采樣點之外，其周圍的光輻射也會以一定的帶寬函數(shù)進入對應的探測元件中，探測元件中 的測量值實際上是以所測波長點的輻射功率為主混合其它波長光輻射功率的綜合值。光譜 儀的帶寬過大會使得測量分辨率下降，給上述的光譜和顏色等的測量帶來誤差，一般當帶 寬大于5nm時，誤差會相當明顯，即使是5nm的帶寬在一些特殊場合測量，如被測光輻射的 光譜功率隨波長變化較快時，由帶寬帶來的誤差也是比較可觀的。光譜儀的帶寬與系統(tǒng)設 計、焦距、光柵刻線、以及狹縫寬度等都有關系，為了減小帶寬帶來的誤差，提高光譜儀的分 辨率，在機械掃描光譜儀中，可以調(diào)節(jié)入射狹縫和出射狹縫以減小帶寬，同時以帶寬為波長 間隔測量光輻射的光譜。該方法雖然可以得到較為理想的分辨率，但是將狹縫調(diào)小后，出射 光強度大幅降低，受探測器的靈敏度的限制，可能不能準確測量出射光輻射的功率。如果在 光譜測量中不調(diào)節(jié)儀器帶寬，而僅減小波長間隔，對提高測量結果精度的作用很小。除此之 外，目前還有一些帶寬校正的方法，能減小帶寬誤差，然而，現(xiàn)有方法中都是取一個波長測 量點以及其左右各一個波長點推導帶寬解調(diào)校正公式，并用這幾個波長測量點對該波長點 進行帶寬校正，光譜值最終也都以光譜儀的帶寬為波長間隔表示。這些方法雖然都在一定 程度上減少了光譜儀帶寬帶來的誤差，但在很多情況下仍然存在較大的誤差，特別是當被 測光輻射的光譜功率變化較快時，被校正的波長測量點以及用來校正該點的波長測量點中 間很可能會遺漏一些重要的光譜信息，如鈉燈的雙線譜等。因此，現(xiàn)有校正方法會存在帶寬 校正精度不夠高和測量分辨率的問題，仍然不能得到被測光輻射較為真實的光譜。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種靈敏度較高、分辨率較高，能夠較 為方便和準確地還原光輻射真實光譜的光譜測量方法。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種光譜測量方法，其特征在于包括以下步 驟a)光譜儀在整個測量波段或測量波段的一部分內(nèi)，以step為波長間隔采樣測量 待測光輻射的光譜功率，波長間隔step與光譜儀的帶寬函數(shù)Β(λ，λη)之間的關系滿足在 [λρ，AJ區(qū)間內(nèi)包括4個或4個以上采樣點，其中人 為任一采樣點的波長，入5和λ^分 別為帶寬函數(shù)Β(λ，λη)所覆蓋區(qū)域的最小波長和最大波長；
b)取[λρ，λ』區(qū)間內(nèi)的m(m彡4)個采樣點，用理論真實光譜函數(shù)R( λ )擬合經(jīng) 過該m個采樣點的理論真實光譜曲線，理論真實光譜函數(shù)R(X)可以表達為R(X) = ;R⑴，· · ·，R(m))其中，R(1)，...，R(m)為所述m個采樣點的理論真實光譜值，上述的m個采樣點一般 包括λη在內(nèi)；c)根據(jù)理論真實光譜函數(shù)R(A)和帶寬函數(shù)Β(λ，λη)推導出校正的光譜 功率測量值Mn的帶寬誤差的帶寬解調(diào)校正公式；d)用帶寬解調(diào)校正公式對所有或部分波長采樣點的光譜功率測量值進行帶寬解 調(diào)校正。在實際測量中，光譜儀在某一波長點的測量值是被測光輻射的真實光譜與光譜儀 的帶寬函數(shù)的卷積積分值，因此，為了還原被測光輻射的真實光譜，需要對測量值進行去卷 積的解調(diào)計算。在帶寬解調(diào)中一個帶寬函數(shù)所覆蓋區(qū)域內(nèi)的采樣點以及用以推導用于帶寬 解調(diào)校正公式的采樣點越多，去卷積效果越好，越能還原真實的光譜，提高儀器的分辨率， 這一點對測量光譜功率隨波長變化較快的光輻射特別重要。本發(fā)明中，以λn為中心的帶寬 函數(shù)所覆蓋的區(qū)域內(nèi)至少有4個采樣點，同時以至少4個采樣點推導出帶寬解調(diào)校正公式， 比以往一般的光譜測量采樣更為密集，一般可以使用帶寬函數(shù)覆蓋區(qū)域內(nèi)所有采用點來推 導帶寬解調(diào)校正公式的采樣點。本發(fā)明在不影響儀器靈敏度的前提下，大幅降低了儀器的 帶寬，提高了測量分辨率。[λρ，λ』區(qū)間為Β(λ，λ η)所覆蓋的波長區(qū)域，一般情況下，λ^使Β(λ， λη)的值等于或趨于0。若Β(λ，λη)為對稱函數(shù)，如三角函數(shù)、高斯函數(shù)矩形函數(shù)或梯形 函數(shù)等對稱分布的函數(shù)，[λρ, AJ也可記為[Xn-BW，An+Bff]0在光譜儀的測量波段內(nèi)，不同波段上的采樣波長間隔step可以不相同，對應地， 在光譜儀的測量波段內(nèi)，對各采樣點進行帶寬解調(diào)校正的其它采樣點數(shù)目m和/或相對被 校正采樣點的位置有所不同。當然，在測量波段內(nèi)可以采用同一個波長間隔step測量待測 光輻射的光譜功率，并用同一個帶寬解調(diào)校正公式校正測量值?？梢愿鶕?jù)被測光輻射的光 譜以及光譜儀的帶寬函數(shù)在不同波段選擇合適的step和解調(diào)采樣點。實際情況中，有些波 段的采樣點要求特別密集，或者光譜儀在各個波段的帶寬函數(shù)有所不同，需要采用不同的 step,用以推導帶寬解調(diào)校正公式的采樣點數(shù)目以及相對位值也會不同，此時，應針對每一 種情況，計算出對應的帶寬解調(diào)校正公式，用以解調(diào)相應的測量值。上述推導所述的帶寬解調(diào)校正公式的計算包括以下步驟a)根據(jù)所述的[λ ρ，λ 區(qū)間內(nèi)的理論真實光譜函數(shù)R(X)和帶寬函數(shù)Β(λ，λη) 列出由m個波長采樣點得到λ η點的光譜功率測量值Mn表達式
權利要求
1.一種光譜測量方法，其特征在于包括以下步驟a)光譜儀在整個測量波段內(nèi)或測量波段的部分區(qū)域內(nèi)，以step為波長間隔采樣測量 待測光輻射的光譜功率，波長間隔step與光譜儀的帶寬函數(shù)Β(λ，λη)之間的關系滿足帶 寬函數(shù)Β(λ，λη)所覆蓋的[λρ，λ』區(qū)間內(nèi)包括4個或4個以上采樣點；其中λη為任一 采樣點的波長，λ^分別為帶寬函數(shù)Β(λ，λη)所覆蓋區(qū)域的最小波長和最大波長；b)在[λρ，λ』區(qū)間內(nèi)取m(m彡4)個采樣點，用理論真實光譜函數(shù)R(λ )擬合經(jīng)過該 m個采樣點的理論真實光譜曲線；c)根據(jù)理論真實光譜函數(shù)R(X)和帶寬函數(shù)Β(λ，λη)推導出校正λη點的光譜功率 測量值Mn的帶寬誤差的帶寬解調(diào)校正公式；d)用帶寬解調(diào)校正公式對被測光輻射的所有或部分波長采樣點的光譜功率測量值進 行帶寬解調(diào)校正。
2.根據(jù)權利要求1所述的光譜測量方法，其特征在于在光譜儀的測量波段內(nèi)，不同波 長區(qū)域的采樣波長間隔step不相同，相應波長區(qū)域內(nèi)所用的帶寬解調(diào)校正公式中采樣點 的數(shù)目和/或采樣點的相對位置不相同。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光譜測量方法，其特征在于推導所述的帶寬解調(diào)校正公 式包括以下步驟a)根據(jù)所述[λρ，AJ區(qū)間內(nèi)的理論真實光譜函數(shù)R(X)和帶寬函數(shù)Β(λ，λη)計算 λ η點的光譜功率測量值Mn:Mn = ^Β{λ,λη)Κ{λ) λ ⑴b)根據(jù)式(1)求解出入 點的理論真實光譜功率&與所述m個采樣點的光譜功率測 量值Μω，…，Mw之間的解析關系I n=g(M⑴，...，M(m)M2)上式即為帶寬解調(diào)校正公式。
4.根據(jù)權利要求3所述的光譜測量方法，其特征在于所述的帶寬函數(shù)Β(λ，λη)和理 論真實光譜函數(shù)R(X)中的λ是歸一化表示的，即所用的波長為實際波長值除以光譜儀的 帶寬BW，并以Xn/BW為0點。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的光譜測量方法，其特征在于所述的理論真實光譜函數(shù) R(A)是λ的級次展開函數(shù)，最高次為(m-1)次。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的光譜測量方法，其特征在于將[λρ，AJ再分為若干個 子區(qū)間段，所述m個采樣點分布在各個子區(qū)間段中，用相互獨立的子理論真實光譜函數(shù)擬 合各子區(qū)段間內(nèi)的理論真實光譜曲線，每個子理論真實光譜函數(shù)都經(jīng)過對應子區(qū)間內(nèi)所包 含的所述m個采樣點和波長為λη的點，所述的理論真實光譜函數(shù)R(X)為各子理論真實 光譜函數(shù)的相加。
7.根據(jù)權利要求3所述的光譜測量方法，其特征在于從所述λη點的光譜功率測量值 MnW計算表達式中反解出的理論真實光譜功率1^與λη點的光譜功率測量值1和!11 個采樣點中其它采樣點的理論真實光譜功率的解析關系，直接用m個采樣點中其它采樣點 的光譜功率測量值替代對應的理論真實光譜功率，或者通過迭代方法求出m個采樣點中其 它采樣點的理論真實光譜功率，從而得到帶寬解調(diào)校正公式。
8.根據(jù)權利要求3或4或5或6所述的光譜測量方法，其特征在于通過計算λ η點的 光譜功率測量值1的計算表達式中，Mn的值對所述m個采樣點的理論真實光譜功率的靈敏 度系數(shù)，得到所述的帶寬解調(diào)校正公式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光譜測量方法和裝置，用較小的波長間隔測量被測光輻射的光譜，利用帶寬函數(shù)覆蓋區(qū)內(nèi)的至少4個采樣點，通過高次函數(shù)去卷積計算推導出測量值的帶寬解調(diào)校正公式，從而較為精確地實現(xiàn)對各采樣點的光譜測量值的去卷積解調(diào)校正，以消除或減小光譜儀帶寬對于光譜測量值的展寬影響；本發(fā)明的光譜儀的測控軟件中包括帶寬解調(diào)程序，能夠方便快速地實現(xiàn)對測量結果的帶寬解調(diào)。本發(fā)明的光譜測量方法和裝置可實現(xiàn)精確的帶寬誤差校正，大幅降低帶寬帶來的測量誤差，可在保持較高的光譜儀靈敏度的條件下方便地實現(xiàn)高分辨率光譜測量。
文檔編號G01J3/30GK102087142SQ201010107629
公開日2011年6月8日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權日2010年2月2日
發(fā)明者潘建根 申請人:杭州遠方光電信息股份有限公司