本發(fā)明涉及中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原，具體涉及構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法以及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光譜分析作為科學(xué)研究中不可或缺的手段，隨著科技的不斷進(jìn)步，對(duì)其光譜覆蓋范圍、分辨率、測(cè)量精度等性能要求日益提高，尤其在遠(yuǎn)紫外波段，對(duì)于探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、分析環(huán)境污染物、觀測(cè)生物反應(yīng)機(jī)制等方面具有重要意義。中階梯光柵光譜儀具有光譜范圍寬、光譜分辨率高、能量效率高、體積小等優(yōu)勢(shì)，可以通過單次測(cè)量獲得全譜段的光譜圖像，是激光誘導(dǎo)等離子體光譜、微波等離子體炬、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜等先進(jìn)光譜分析系統(tǒng)的優(yōu)選分光儀器。

2、傳統(tǒng)的中階梯光柵光譜儀設(shè)計(jì)主要針對(duì)近紫外波段、可見光波段、紅外波等，此范圍內(nèi)光譜均可在空氣中傳播。當(dāng)光譜儀檢測(cè)范圍覆蓋遠(yuǎn)紫外波段時(shí)，由于空氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳等物質(zhì)對(duì)紫外光譜的強(qiáng)烈吸收，極大地限制了光譜信號(hào)的傳輸效率和信噪比，使得探測(cè)器無法檢測(cè)遠(yuǎn)紫外光譜。為了解決這個(gè)問題，在研制中階梯光柵光譜儀過程中開始使用惰性氣體作為光譜傳輸介質(zhì)，惰性氣體在遠(yuǎn)紫外波段具有低吸收和穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，是遠(yuǎn)紫外光譜傳輸介質(zhì)的理想選擇。

3、區(qū)別于傳統(tǒng)大氣環(huán)境中的光譜儀，當(dāng)光譜儀內(nèi)部充入惰性氣體后，雖然提高了光譜信號(hào)的傳輸效率，但也不可避免地導(dǎo)致光線傳輸介質(zhì)發(fā)生改變，這直接影響到光譜儀的光學(xué)成像質(zhì)量和分辨率。光線傳輸介質(zhì)改變會(huì)導(dǎo)致光譜成像位置發(fā)生偏移，進(jìn)而降低中階梯光柵光譜儀譜圖還原的準(zhǔn)確性與可靠性。此外傳統(tǒng)的中階梯光柵光譜儀譜圖還原模型往往基于空氣介質(zhì)設(shè)計(jì)，并依賴于簡(jiǎn)化的光學(xué)設(shè)計(jì)模型，忽略了復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)折射率的變化，這直接導(dǎo)致在充氣型寬波段光譜檢測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大誤差。

4、綜上所述，現(xiàn)有的中階梯光柵光譜儀譜圖還原模型忽略了復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)折射率的變化，這直接導(dǎo)致在充氣型寬波段光譜檢測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決了現(xiàn)有的中階梯光柵光譜儀譜圖還原模型在充氣型寬波段光譜檢測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大誤差的問題。

2、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，包括以下步驟：

3、步驟s1，通過幾何光學(xué)原理，并考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化，建立中階梯光柵衍射y方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系；

4、步驟s2，通過幾何光學(xué)原理，并考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化，建立棱鏡色散x方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系；

5、步驟s3，基于已建立的中階梯光柵衍射y方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，以及已建立的棱鏡色散x方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型；

6、步驟s4，基于標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型進(jìn)行校準(zhǔn)，優(yōu)化二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得最優(yōu)的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型。

7、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的步驟s1中，所述的考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化為引入光線傳輸氣體介質(zhì)的折射率參數(shù)。

8、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的步驟s1中，所述的建立中階梯光柵衍射y方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，具體為：

9、在中階梯光柵衍射y方向建立中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型時(shí)，基于中階梯光柵衍射y方向入射光波長(zhǎng)，計(jì)算聚焦鏡與探測(cè)器之間設(shè)置的校正透鏡對(duì)光線的偏移，獲取光線在探測(cè)器y方向偏移量。

10、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的光線在探測(cè)器y方向偏移量，具體為：

11、；

12、其中，為光線在探測(cè)器y方向偏移量，為光線經(jīng)過校正透鏡與后表面交點(diǎn)到光軸交點(diǎn)的距離，為校正透鏡后表面到探測(cè)器的距離，為光線與光軸的夾角。

13、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的步驟s2中，所述的建立棱鏡色散x方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，具體為：

14、在棱鏡色散x方向建立中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型時(shí)，基于棱鏡色散x方向入射光波長(zhǎng)，計(jì)算聚焦鏡與探測(cè)器之間設(shè)置的校正透鏡對(duì)光線的偏移，獲取光線在探測(cè)器x方向偏移量。

15、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的光線在探測(cè)器x方向偏移量，具體為：

16、；

17、其中，為光線在探測(cè)器x方向偏移量，為光線經(jīng)過校正透鏡與后表面交點(diǎn)到光軸交點(diǎn)的距離，為聚焦鏡到校正透鏡前表面的距離，為校正透鏡的厚度，為校正透鏡后表面到探測(cè)器的距離，為光線經(jīng)過校正透鏡前表面與光軸交點(diǎn)到聚焦鏡中心的距離，為光線經(jīng)過校正透鏡前表面與光軸交點(diǎn)到光線經(jīng)過校正透鏡后表面與光軸交點(diǎn)的距離，為光線與光軸的夾角。

18、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，若所述的校正透鏡包含多個(gè)鏡組，則光線在探測(cè)器y方向偏移量，具體為：

19、；

20、其中，為校正透鏡包含多個(gè)鏡組，光線在探測(cè)器y方向偏移量，為y方向上光線與聚焦鏡中心的距離，、、、、、和均為光線在y方向的偏移量，光線在y方向經(jīng)過的介質(zhì)和校正透鏡參數(shù)不同，偏移量也不同，和均為正整數(shù)，且和不等于1、2、3、4和5，≠；

21、則光線在探測(cè)器x方向偏移量，具體為：

22、；

23、其中，為校正透鏡包含多個(gè)鏡組，光線在探測(cè)器x方向偏移量，x方向上光線與聚焦鏡中心的距離，、、、、、和均為光線在x方向的偏移量，光線在x方向經(jīng)過的介質(zhì)和校正透鏡參數(shù)不同，偏移量也不同。

24、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，求解所述的、、、、、、、、、、、、和時(shí)，通過幾何光學(xué)原理，并考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化。

25、進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述的步驟s4，基于標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型進(jìn)行校準(zhǔn)，優(yōu)化二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括以下步驟：

26、步驟s401，獲得構(gòu)建后的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)初始化參數(shù)；

27、所述的構(gòu)建后的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括介質(zhì)折射率、光柵入射角、棱鏡頂角、光柵偏置角和系統(tǒng)焦距；

28、步驟s402，遍歷構(gòu)建后的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并生成中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型擬合坐標(biāo)位置；

29、步驟s403，基于標(biāo)準(zhǔn)光源特征波長(zhǎng)，分別計(jì)算出中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型擬合坐標(biāo)位置與實(shí)際坐標(biāo)位置的均方誤差和；

30、步驟s404，判斷均方誤差和是否達(dá)到最小，若是，則執(zhí)行步驟s405，若否，則返回步驟s402；

31、步驟s405，完成對(duì)構(gòu)建后的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)的校正優(yōu)化。

32、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型系統(tǒng)，包括以下模塊：

33、第一建立模塊，通過幾何光學(xué)原理，并考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化，建立中階梯光柵衍射y方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系；

34、第二建立模塊，通過幾何光學(xué)原理，并考慮光線經(jīng)過介質(zhì)折射率變化，建立棱鏡色散x方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系；

35、構(gòu)建模塊，基于已建立的中階梯光柵衍射y方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，以及已建立的棱鏡色散x方向波長(zhǎng)與探測(cè)器像元位置關(guān)系，構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型；

36、校準(zhǔn)優(yōu)化模塊，基于標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型進(jìn)行校準(zhǔn)，優(yōu)化二維譜圖還原模型中的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得最優(yōu)的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型。

37、本發(fā)明解決了現(xiàn)有的中階梯光柵光譜儀譜圖還原模型在充氣型寬波段光譜檢測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大誤差的問題。具體有益效果包括：

38、1、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，本發(fā)明采用數(shù)學(xué)建模法，通過幾何光學(xué)原理計(jì)算光線傳輸路徑和成像位置，構(gòu)建波長(zhǎng)與探測(cè)器像元坐標(biāo)位置的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光譜的精確轉(zhuǎn)化，從而解決了現(xiàn)有的中階梯光柵光譜儀譜圖還原模型在充氣型寬波段光譜檢測(cè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大誤差的問題；

39、2、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，本發(fā)明在構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型時(shí)，進(jìn)行了幾何光學(xué)計(jì)算，充分考慮光線傳輸介質(zhì)折射率的變化，確保了成像位置計(jì)算的精確性，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中，由于充惰性氣體對(duì)中階梯光柵光譜儀內(nèi)部介質(zhì)折射率產(chǎn)生的顯著影響的問題；

40、3、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，通過對(duì)構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型進(jìn)行了校正，優(yōu)化了已構(gòu)建的中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型中的介質(zhì)折射率、光柵入射角、棱鏡頂角、光柵偏置角與系統(tǒng)焦距的參數(shù)，從而提升中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型的準(zhǔn)確性和可靠性；

41、4、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，通過精確分析校正透鏡對(duì)光線傳輸路徑的復(fù)雜影響，提升中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型的準(zhǔn)確度；

42、本發(fā)明所述的構(gòu)建中階梯光柵光譜儀二維譜圖還原模型方法，用于光譜范圍覆蓋遠(yuǎn)紫外波段的充氣型寬波段中階梯光柵光譜儀二維譜圖的還原。