中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

　　1　引　言

　　中阶梯光栅(Echelle Grating)是一类特殊的衍射光栅,它以较高的衍射级次(几十级至几百级)和较大的衍射角工作,具有高色散、高分辨率和全波闪耀特性,经光栅或棱镜对级次重叠的中阶梯光栅光谱进行二次色散后可形成二维面阵光谱,适于面阵探测器接收。与常规光谱仪相比,它具有检出限低、波段宽、无移动部件、结构紧凑、无需多次扫描曝光便可实现多元素光谱的瞬态测量的特点,利于实现高度智能化和自动化,代表了先进光谱技术的发展趋势[1-5]。但是,由于中阶梯光栅、面阵探测器等关键元件的限制,直到20世纪90年代,中阶梯光栅光谱仪才受到各领域的普遍关注。随着面阵CCD探测器技术逐渐趋于成熟,中阶梯光栅光谱仪从最初的天文观测逐步走向民用化,已经成为近年来光谱分析领域的研究热点[6]。2004年德国耶拿公司研制出第一台商品化连续光源原子吸收中阶梯光栅光谱仪cont-rAA,它被称为是对光谱仪器的发展具有划时代意义的事件。但是,它并未充分发挥中阶梯光栅光谱仪的瞬态测量优势,仍采用扫描记录方式。

　　中阶梯光栅光谱仪瞬态谱图属于二维重叠光谱,谱图还原分析技术在中阶梯光栅光谱仪研制过程中起着非常重要的作用,通过谱图还原不仅可以获得探测目标丰富的光谱信息,而且谱图数据模型可用于指导仪器调试,验证仪器结构设计是否满足目标要求等。如何将中阶梯光栅光谱仪复杂的二维重叠光谱还原为一维光谱信息,实现全谱快速分析与波长自动标定是中阶梯光栅光谱仪亟待解决的关键技术之一。目前,国外中阶梯光栅光谱仪的谱图还原方法多是根据仪器的结构参数,通过光线追迹或几何成像原理推导出波长与像面坐标的关系,由此确定各波长的理想成像位置[7]。这些方法不仅对仪器结构的依赖性大,并且计算也较为复杂。鉴于此,本文通过分析仪器光学结构的特点,提出一种基于主色散元件(中阶梯光栅)和二次色散元件(反射式棱镜)分光规律的二维重叠光谱谱图还原算法,它不必对仪器的各光学元件进行光线追迹,只需知道色散元件的主要性能参数与聚焦镜的焦距即可建立谱图分析模型,并根据所建立模型,给出有效的信号光斑识别方法。最后,通过实验验证了算法的谱图快速还原功能,并实现了波长的自动标定。

　　2　谱图还原算法

　　2.1　光谱仪原理及谱图坐标系

　　由于光谱仪采用面阵探测器,要求分光系统具有平场成像特性,以确保期望的光谱分辨率,为此,选择了离轴抛物镜作为准直和成像物镜,中阶梯光栅光谱仪结构示意图如图1所示。入射光被准直后入射到中阶梯光栅上,其衍射光被横向色散元件棱镜二次色散,再经聚焦后在面阵CCD上形成复杂的二维重叠光谱。所谓的二维谱图还原技术,就是将二维重叠光谱图像展成一维光谱信号的手段。分析图1所示中阶梯光栅光谱仪的光学结构特点可知,谱图上像点坐标位置直接取决于中阶梯光栅和棱镜的性能参数以及聚焦镜的焦距,与其它光学元件的位置及性能参数无直接关系[8]。根据这一特点建立了中阶梯光栅光谱仪谱图数据模型,该模型是一个行列数与像面探测器横纵像素数相同的矩阵,每一个矩阵元代表实际像面的一个像元,矩阵元的数值为相应像元处的波长值。模型建立后,即可确定像面上任意位置对应的波长值,也可确定仪器工作波长范围内任意波长值对应的成像位置。通过此方法,可将像面二维坐标与波长一维坐标对应起来,实现二维光谱图像与一维光谱信号的转换。