專利名稱：分光系統(tǒng)中被測(cè)光譜的純凈方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分光系統(tǒng)中被測(cè)光譜的純凈方法，屬于光譜學(xué)、光譜儀器及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
以光柵為分光器件的光譜測(cè)量為例，根據(jù)光柵方程dsinθ＝kλ，對(duì)于某個(gè)衍射角θ，通常都有幾種波長(zhǎng)的光能滿足光柵方程，即dsinθ＝k1λ1＝k2λ2＝…＝knλn，即衍射光譜中第k1級(jí)的波長(zhǎng)為λ1的單色光、第k2級(jí)的波長(zhǎng)為λ2的單色光……以及第kn級(jí)的波長(zhǎng)為λn的單色光都將同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)衍射角位置，形成重疊的光譜，即所謂的光譜級(jí)次重疊現(xiàn)象。盡管不同級(jí)次光譜的衍射效率不同，但多級(jí)重疊現(xiàn)象總是存在的，因此消除疊加在被測(cè)級(jí)次光譜上的其余級(jí)次光譜是光柵分光系統(tǒng)中首要考慮和解決的問(wèn)題。
在傳統(tǒng)的機(jī)械掃描式分光光度計(jì)或光譜儀中，是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)分光器件實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描，分時(shí)分波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量的，這種串行測(cè)量方式，允許采取在光路中分時(shí)插入不同的濾光片的方法，將可能呈現(xiàn)的非被測(cè)級(jí)次的波長(zhǎng)或雜散光波長(zhǎng)濾去，達(dá)到純凈被測(cè)光譜的目的。這種方法已經(jīng)被廣泛使用在各種光譜測(cè)量?jī)x器中，大多數(shù)分光儀器在波長(zhǎng)掃描過(guò)程中都需要更換數(shù)片不同的濾光片。
在非機(jī)械掃描式分光光度計(jì)或光譜儀中，由于采用多通道陣列式檢測(cè)器，測(cè)量過(guò)程無(wú)需機(jī)械掃描，在瞬間便能完成光譜范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)信息的采集，是一種并行測(cè)量方式。這種超快速的分光光度方式，極大地提高了分析檢測(cè)過(guò)程的速度和效率，更為重要的是，它為人類研究生化反應(yīng)、生命科學(xué)和爆破等快速過(guò)程提供了有力的手段。對(duì)于這種非機(jī)械掃描式儀器，當(dāng)光譜覆蓋的范圍較寬時(shí)，傳統(tǒng)的分時(shí)切入不同濾光片的方法已不能適用，必須采取新的濾光方法和濾光器件來(lái)純凈被測(cè)光譜。
為達(dá)到這樣的目的，本發(fā)明根據(jù)全譜并行測(cè)量的要求，利用被測(cè)光譜與疊加的非被測(cè)光譜分別屬于不同的波段這一性質(zhì)，所有波段非被測(cè)光譜的濾除由一塊定位式的濾光片或器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾光器件置于分光器件與陣列探測(cè)器之間，由具有不同透過(guò)或反射光譜特性的兩個(gè)或以上區(qū)域組成，濾光器各區(qū)域的大小、透過(guò)或反射光譜特性由選定的安置濾光器位置處的被測(cè)光譜和非被測(cè)重疊光譜的波長(zhǎng)分布和波長(zhǎng)范圍確定，區(qū)域劃分的依據(jù)是每個(gè)區(qū)域內(nèi)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜在譜段上斷開(kāi)(隔開(kāi))至少5nm，區(qū)域的透過(guò)或反射光譜特性設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使被測(cè)譜經(jīng)過(guò)濾光片透射或反射后仍能達(dá)到探測(cè)器，并具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)使非被測(cè)譜經(jīng)過(guò)濾光片透射或反射后不能達(dá)到探測(cè)器。
本發(fā)明的具體方法如下1)選擇濾光器置于分光器件和多通道陣列探測(cè)器之間的適當(dāng)位置，通常是靠近探測(cè)器的探測(cè)面。
2)選擇光通過(guò)濾光器的方式。可以是經(jīng)過(guò)濾光器透射，也可以是經(jīng)過(guò)濾光器反射。
3)分析濾光器所在面上被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)分布及其空間位置分布。
4)根據(jù)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)空間分布情況將光譜測(cè)量面或?yàn)V光面劃分成2個(gè)或以上區(qū)域。區(qū)域劃分的原則是使得呈現(xiàn)在每個(gè)區(qū)域上的被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)無(wú)重疊，在光譜波段上斷開(kāi)。被測(cè)光譜的短波長(zhǎng)大于非被測(cè)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)，或者被測(cè)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)小于非被測(cè)光譜的短波長(zhǎng)。被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜斷開(kāi)的波長(zhǎng)間距大于等于5nm。
5)選擇一塊與譜面大小相適的基片，在劃分的各個(gè)區(qū)域分別鍍膜或涂料，使得各區(qū)域具有不同的光學(xué)反射或透過(guò)特性，從而使得各區(qū)域均具有“通”被測(cè)光譜而“截”非被測(cè)光譜的特性?；蛘哌x擇具有不同光學(xué)反射或透射特性的薄膜或波片，經(jīng)過(guò)裁制，將其采用交疊或膠合的方法拼成多區(qū)域?yàn)V光器，使得各區(qū)域具有不同的光學(xué)反射或透過(guò)特性，從而使得各區(qū)域均具有“通”被測(cè)光譜而“截”非被測(cè)光譜的特性。
本發(fā)明提供的具體方法能有效地濾除疊加在被測(cè)光譜上的、波長(zhǎng)與被測(cè)光譜不同的非被測(cè)光譜成分，并滿足寬光譜全譜并行高速測(cè)量的要求。


圖1中，光柵分光范圍為190～800nm、光源光譜范圍為185～1200nm。
圖2為本發(fā)明光譜測(cè)量實(shí)例中濾光片區(qū)域劃分示意圖。
圖3為本發(fā)明在一塊基片上分三個(gè)區(qū)域的濾光片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中，基片的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，基片上方的薄層為薄膜層或涂料層，被劃分為I、II、III三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2、L3，寬度小于等于W，厚度根據(jù)實(shí)際情況確定。
圖4為光路中不加濾光片情況下測(cè)得的氧化鈥溶液吸收光譜圖。
圖4中的橫坐標(biāo)為陣列探測(cè)器的像元數(shù)(對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng))，縱坐標(biāo)為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)圖譜，從370nm(對(duì)應(yīng)100像元處)左右開(kāi)始吸光度明顯偏大，還可以觀察到數(shù)個(gè)多級(jí)譜的吸收峰，表明多級(jí)譜的存在嚴(yán)重影響了光度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
圖5為光路中加入本發(fā)明實(shí)例設(shè)計(jì)的濾光片情況下測(cè)得的氧化鈥溶液吸收光譜圖。
圖5中的橫坐標(biāo)為陣列探測(cè)器的像元數(shù)(對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng))，縱坐標(biāo)為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜符合，表明重疊在被測(cè)一級(jí)譜上的多級(jí)譜被有效濾除。
設(shè)測(cè)量光柵第一級(jí)衍射190～800nm范圍的光譜，光源的光譜范圍185～1200nm。
新型濾光器設(shè)計(jì)方法如下1)選擇濾光器緊貼于多通道陣列探測(cè)器探測(cè)面上。
2)選擇光經(jīng)過(guò)濾光器的方式為透射方式。
3)分析濾光器所在面上被測(cè)一級(jí)光譜與非被測(cè)多級(jí)光譜的波長(zhǎng)分布及其空間位置分布光柵衍射各級(jí)光譜的波長(zhǎng)分布及呈現(xiàn)位置分布如附圖1由光柵方程在第一級(jí)衍射光譜的λ波長(zhǎng)位置將疊加第二級(jí)衍射光譜λ‘，第三級(jí)衍射光譜λ“，……，而且滿足λ＝2λ‘＝3λ“＝……波段的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看在一級(jí)衍射譜185～370nm范圍，光譜無(wú)重疊；在一級(jí)衍射譜370～555nm范圍，重疊了185～277.5nm的二級(jí)譜；在一級(jí)衍射譜555～740nm范圍，重疊的有277.5～370nm的二級(jí)譜，和185～246.7nm的三級(jí)譜；在一級(jí)衍射譜740～800n光譜范圍，重疊的不僅有370～400nm的二級(jí)譜、246.7～266.7nm的三級(jí)譜，還有185～200nm的四級(jí)譜。
綜上所述，雖然不同級(jí)次的光譜在位置上是重疊的，但各級(jí)譜所在的波長(zhǎng)區(qū)間不同。
4)根據(jù)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)空間分布情況將光譜面劃分為3個(gè)區(qū)域。使得各區(qū)域的被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)無(wú)重疊，在光譜波段上斷開(kāi)至少5nm。
區(qū)域劃分示意圖如附圖2，按照一級(jí)衍射光譜的波長(zhǎng)位置劃分，190～300nm為I區(qū)，300～530nm為II區(qū)，530nm～800nm為III區(qū)。I區(qū)只有一級(jí)光譜，無(wú)重疊光譜；II區(qū)的重疊光譜范圍為185～265nm，與被測(cè)一級(jí)光譜(300～530nm)隔開(kāi)35nm，III區(qū)的重疊光譜范圍為185～400nm，與被測(cè)一級(jí)光譜(530nm～800nm)隔開(kāi)130nm。
5)選擇一塊與譜面大小相適的石英基片，區(qū)域I不進(jìn)行鍍膜或其他處理；區(qū)域II鍍膜，膜型透過(guò)率特性為截止波長(zhǎng)小于等于265nm的短波，透過(guò)波長(zhǎng)大于285nm的長(zhǎng)波；區(qū)域III鍍膜，膜型透過(guò)率特性為截止波長(zhǎng)小于等于450nm的短波，透過(guò)波長(zhǎng)大于470nm的長(zhǎng)波。具體實(shí)施例(CCD光譜儀中的新型濾光器設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)的濾光器用于采用CCD進(jìn)行全譜并行探測(cè)的光譜儀系統(tǒng)，光譜儀的光譜范圍190～800nm，新型濾光片置于CCD的探測(cè)面前約1mm處，采取透射方式，在一塊基片上分三個(gè)區(qū)域進(jìn)行掩膜和鍍膜，區(qū)域劃分如附圖2，濾光片的尺寸略大于CCD的尺寸，本實(shí)例設(shè)計(jì)的濾光片基片為石英波片，結(jié)構(gòu)如附圖3，具體參數(shù)為L(zhǎng)＝40mm，W＝10mm，H＝1mm，L1＝16mm，L2＝8mm，L3＝16mm。
I區(qū)不鍍膜，波長(zhǎng)大于等于190nm的光均可透過(guò)II區(qū)鍍膜，波長(zhǎng)大于等于295nm的光透過(guò)(透過(guò)率不小于80％)，波長(zhǎng)小于等于265nm的光截止(透過(guò)率不大于0.5％)III區(qū)鍍膜，波長(zhǎng)大于等于480nm的光透過(guò)(透過(guò)率不小于80％)，波長(zhǎng)小于等于450nm的光截止(透過(guò)率不大于0.5％)光路中不加濾光片情況下測(cè)得的氧化鈥溶液吸收光譜圖如附圖4，圖中的橫坐標(biāo)為陣列探測(cè)器的像元數(shù)(對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng))，縱坐標(biāo)為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)圖譜，從370nm(對(duì)應(yīng)100像元處)左右開(kāi)始吸光度明顯偏大，還可以觀察到數(shù)個(gè)多級(jí)譜的吸收峰，表明多級(jí)譜的存在嚴(yán)重影響了光度測(cè)量的準(zhǔn)確性。光路中加入實(shí)例設(shè)計(jì)的濾光片情況下測(cè)得的氧化鈥溶液吸收光譜圖如附圖5，圖中的橫坐標(biāo)為陣列探測(cè)器的像元數(shù)(對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng))，縱坐標(biāo)為吸光度值，圖中顯示的氧化鈥溶液吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜符合，表明重疊在被測(cè)一級(jí)譜上的多級(jí)譜被有效濾除。
權(quán)利要求
1.一種分光系統(tǒng)中被測(cè)光譜的純凈方法，其特征在于包括如下具體步驟1)選擇濾光器置于分光器件和多通道陣列探測(cè)器之間；2)選擇光通過(guò)濾光器的方式為透射或反射；3)分析濾光器所在面上被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)分布及其空間位置分布；4)根據(jù)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)空間分布情況將光譜測(cè)量面或?yàn)V光面劃分成2個(gè)或以上區(qū)域，使得呈現(xiàn)在每個(gè)區(qū)域上的被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜的波長(zhǎng)無(wú)重疊，在光譜波段上斷開(kāi)，被測(cè)光譜的短波長(zhǎng)大于非被測(cè)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)，或者被測(cè)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)小于非被測(cè)光譜的短波長(zhǎng)，被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜斷開(kāi)的波長(zhǎng)間距大于等于5nm；5)選擇一塊與譜面大小相適的基片，在劃分的各個(gè)區(qū)域分別鍍膜或涂料，使得各區(qū)域具有不同的光學(xué)反射或透過(guò)特性，從而使得各區(qū)域均具有“通”被測(cè)光譜而“截”非被測(cè)光譜的特性；或者選擇具有不同光學(xué)反射或透射特性的薄膜或波片，經(jīng)過(guò)裁制，將其采用交疊或膠合的方法拼成多區(qū)域?yàn)V光器，使得各區(qū)域具有不同的光學(xué)反射或透過(guò)特性，從而使得各區(qū)域均具有“通”被測(cè)光譜而“截”非被測(cè)光譜的特性。
2.一種分光系統(tǒng)中純凈被測(cè)光譜的濾光器件，其特征在于具有兩個(gè)或兩個(gè)以上具有不同的透過(guò)或者反射光譜特性的區(qū)域，是一塊經(jīng)過(guò)鍍膜或涂料處理后的基片，或是由兩塊或兩塊以上具有不同透過(guò)或反射光譜特性的材料拼接而成，區(qū)域的劃分依據(jù)是每個(gè)區(qū)域內(nèi)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜在譜段上斷開(kāi)至少5nm.，各區(qū)域的透過(guò)或反射光譜特性確定的依據(jù)是使被測(cè)光譜經(jīng)過(guò)濾光片透射或反射后仍能到達(dá)探測(cè)器，同時(shí)又截止非被測(cè)光譜到達(dá)探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分光系統(tǒng)中被測(cè)光譜的純凈方法，根據(jù)全譜并行測(cè)量的要求，利用被測(cè)光譜與疊加的非被測(cè)光譜分別屬于不同的波段這一性質(zhì)，所有波段非被測(cè)級(jí)次光譜的濾除由一塊定位式的濾光片或器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾光器件由具有不同透過(guò)或反射光譜特性的兩個(gè)或以上區(qū)域組成，各區(qū)域的大小、透過(guò)或反射光譜特性由被測(cè)光譜和非被測(cè)重疊光譜的波長(zhǎng)分布和波長(zhǎng)范圍確定，區(qū)域劃分的依據(jù)是每個(gè)區(qū)域內(nèi)被測(cè)光譜與非被測(cè)光譜在譜段上斷開(kāi)至少5nm，區(qū)域的透過(guò)或反射光譜特性設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使被測(cè)譜經(jīng)過(guò)濾光片透射或反射后仍能達(dá)到探測(cè)器，并具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)使非被測(cè)譜經(jīng)過(guò)濾光片透射或反射后不能達(dá)到探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01J3/00GK1434277SQ03115779
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2003年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者黃梅珍, 袁波, 趙海鷹, 倪一, 林峰, 黃維實(shí), 竇曉鳴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)