CN103776534B - 一种面阵ccd棱镜光谱仪及其时空累加数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面阵CCD棱镜光谱仪及其时空累加数据处理方法，其包括直视棱镜分光***、会聚透镜、面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光***将待测光信号色散为不同波长的单色光，经会聚透镜聚焦后在面阵CCD电荷耦合器上形成按波长递增依次排列的连续线状光谱，所述面阵CCD电荷耦合器向计算机输送相应的电荷量信号，并由所述计算机通过时空累加进行数据处理生成光谱图，实现待测光谱的显示和存储。所述时空累加数据处理方法有效增强了光谱仪的灵敏度和信噪比，使其特别适用于微弱光谱信号的快速测量。本发明结构简单，易于加工装调，生产成本低，体积小，操作便利，应用面广。

Description

一种面阵CCD棱镜光谱仪及其时空累加数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种光谱检测仪器，尤其涉及一种基于面阵CCD的棱镜光谱检测仪器及其时空累加数据处理方法，特别适用于微弱光谱信号的快速检测。

背景技术

光谱仪是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置，可用于在物理、化学、生物医学、环境科学及食品等众多领域都有广泛应用。典型色散光谱仪构造包括一个入射狭缝，一个色散***，一个成像***、一个或多个出射狭缝以及光谱检测***组成。色散***是光谱仪的根本，可以是光栅、棱镜或其组合。专利CN011144106公布了一种CCD光栅集成全波长光谱仪；中国专利201110316117.7公布了基于棱镜光栅棱镜分光的折反式成像光谱仪光学***。它们采用光栅衍射分光，可以充分利用光栅分辨率高，形成匀排光谱便于定标和校正，但存在光谱级重迭，易出现假谱线、造价高等缺点，更重要的是光能损失大，不适用于微弱光谱探测。相比之下，棱镜分光具有光谱明亮、光谱级不重迭，光强分布均匀等优点，特别适用于微弱光谱信号的检测。除此之外，棱镜***还具有结构简单、易于制造、维护方便、成本低等优点。传统光谱仪采用胶片成像，在胶片上得到光谱后人工进行分析运算，操作复杂，效率低，精度差。且体积较大，非常不易于携带。由于光电倍增管具有灵敏度高，线性响应范围宽，响应时间短的特点，可以用于光谱强度的检测。但在检测过程中需要对光谱范围进行波长扫描，要获得一个完整的光谱图需一定时间。采用线阵CCD电荷耦合器做为检测器避免了波长扫描过程方式，可以一次性获得全波长光谱图，如专利CN01114410.6CCD光栅集成全波长光谱仪和专利02125852.X在线近红外光谱仪。但CCD的灵敏度较之光电倍增管要低很多，难以满足拉曼光谱、荧光光谱等微弱光谱信号检测所需的高灵敏度和信噪比要求。现有技术多采取增加曝光时间的方法来增强接收信号的强度，如美国海洋公司高性能光谱仪HR4000，因此需要长时间的累加才能实现微弱光谱信号的采集，无法实现微弱光谱信号的快速测量。专利申请201310525282.2公开了一种光谱分析***，其采用光纤阵列和低温控制光电倍增管阵列的高灵敏度光谱仪，但是涉及多通道时间门计数、高压电源、温控模块等，存在结构复杂、体积大、能耗高、造价高等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种构造合理，体积小、操作便利，***成本低，能够实现微弱光谱信号快速检测，检测灵敏度和信噪比高的面阵CCD棱镜光谱仪及其时空累加数据处理方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，一种面阵CCD棱镜光谱仪，其特征是：包括直视棱镜分光***、会聚透镜、面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光***将待测光信号色散为不同波长的单色光，经会聚透镜聚焦后在面阵CCD电荷耦合器上形成按波长递增依次排列的连续线状光谱，所述面阵CCD电荷耦合器向计算机输送相应的电荷量信号，并由所述计算机通过时空累加进行数据处理生成光谱图，实现待测光谱的显示和存储。

本发明上述一种面阵CCD棱镜光谱仪的时空累加数据处理方法，其特征是：其首先设置时间累加次数K，计算机控制面阵CCD电荷耦合器连续采集K幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入计算机，根据面阵CCD电荷耦合器像素排列形式，所采二维光谱图像包含M×N个像素，其中M是面阵CCD像素行数，N是面阵CCD像素列数；而后，进行时间累加处理，计算机将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，并在计算机上显示相加后的二维光谱图像，实现时间累加数据处理；最后，将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理，设置有效光谱范围参数L和H，选取中心L×H的二维有效光谱进行处理，矩阵形式表示为：

式（1）中，1≤L≤M，1≤H≤N，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强；将对应同一波长的该列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，完成空累加处理，得到的光谱表示为：

式（2）中，代表波长为的单色光对应的相对强度。

上述步骤实现了所述一种面阵CCD棱镜光谱仪的时空累加数据处理，获得待测光信号的光谱。为了进一步提高所获光谱的质量，本发明还对其进行了非线性校正，背景扣除、显示和存储操作，具体步骤是：首先进行非线性校正，给定J（J≥4）种已知波长的光源，面阵CCD电荷耦合器采集相应二维光谱图，经所述计算机处理获知每种波长光对应的像素列数值，采用多项式拟合方法拟合出所述面阵CCD棱镜光谱仪的非线性校正曲线，对前面时空累加数据处理所得光谱进行非线性校正曲线；然后遮挡待测光谱，采集K幅背景光谱信号进行时空累加数据处理，获取背景光谱，将上述所获待测光信号的光谱与背景光谱相减，获得扣除背景噪声的信号光谱；最后，在计算机上显示所得信号光谱，并将数据以.txt格式保存至计算机。

本发明所述一种面阵CCD棱镜光谱仪采用直视棱镜分光***、会聚透镜和非制冷型通用面阵CCD电荷耦合器构成，所述时空累加数据处理方法充分利用了面阵CCD电荷耦合器的连续曝光能力和多道并行分析能力，有效增强了光谱仪的灵敏度和信噪比，使其特别适用于微弱光谱信号的快速测量。对照现有技术，本发明结构简单，易于加工装调，生产成本低，体积小，操作便利，应用面广，可以用于科研单位快速测量微弱光谱信号，也可以用于家庭检测水质、食用油质量等。

附图说明

图1是本发明组成结构原理示意图。

图2是本发明中面阵CCD电荷耦合器光敏面结构简图及有效二维光谱图。

图中的标号为：1.待测光信号2.直视棱镜分光***，3.会聚透镜，4.面阵CCD电荷耦合器，5.计算机，6.分光***保护玻璃，7.分光***狭缝，8.狭缝目镜，9.分光棱镜组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，所述一种面阵CCD棱镜光谱仪由直视棱镜分光***（2）、会聚透镜（3）、面阵CCD光电荷耦合器（4）和计算机（5）组成，其中直视棱镜分光***包括分光***保护玻璃（6）、分光***狭缝（7）、狭缝目镜（8）和分光棱镜组（9）四部分。

本发明所述直视棱镜分光***（2）其作用是将入射待测光信号色散为不同波长的单色光。待测光信号（1）通过分光***狭缝（7）后经狭缝目镜（8）形成平行线光源，经分光棱镜组（9）后分解为不同波长的单色光，经会聚透镜（3）聚焦，在面阵CCD电荷耦合器（4）光敏面上形成按波长递增依次排列的连续线状光谱，如图2所示。

本发明所述直视棱镜分光***（2），其主要分光元件分光棱镜组（9）可以是三棱镜组合，也可以是五棱镜组合，分光***狭缝（7）宽度可调。当狭缝宽度调大时，光谱亮度高，利于微弱信号的探及；当狭缝宽度调小时，所述一种面阵CCD棱镜光谱仪分辨能力高，利于高分辨率光谱的获取；狭缝目镜（8）可以前后移动，实现调焦功能，适用于测量不同远近位置入射的待测光谱信号。本发明所述直视棱镜分光***（2）为通用市售产品，在此不再进一步详细介绍。

本发明所述面阵CCD电荷耦合器（4）是自带模数转换功能的数字式面阵CCD电荷耦合器。若采用模拟式面阵CCD电荷耦合器，需要外接一个数据采集卡，将面阵CCD电荷耦合器产生的模拟电信号进行A/D转换后传输给所述计算机（5）。本发明所述面阵CCD电荷耦合器（4）为通用器件，在此不再进一步详细介绍。

为去除周围杂散光的干扰，本发明将所述分光***（2）、成像透镜（3）和面阵CCD光电荷耦合器（4）感光面集成在避光壳体内。在各种激发光谱测量等特殊应用中可根据需要在直视棱镜分光***(2)前安装适用的滤光片，除去激发光和背景光的干扰。

本发明所述面阵CCD棱镜光谱仪测量待测光信号的具体过程是：待测光信号（1）通过直视棱镜分光***（2）后被分解为不同波长的单色光，经会聚透镜（3）聚焦，在面阵CCD电荷耦合器（4）光敏面上形成按波长递增依次排列的连续线状光谱。根据面阵CCD光电荷耦合器（4）像素排列方式及工作原理，面阵CCD光电荷耦合器（4）将光敏面上按波长递增依次排列的的连续线状光谱转化为对应的二维模拟电荷信号，进行A/D转换后变成二维数字电信号输入计算机（5）中，进行时空累加数据处理，并显示和存储所获光谱。

本发明所述面阵CCD棱镜光谱仪的时空累加数据处理方法，其步骤是：首先设置时间累加次数K，计算机控制面阵CCD电荷耦合器连续采集K幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入计算机，根据面阵CCD电荷耦合器像素排列形式，所采二维光谱图像包含M×N个像素，其中M是面阵CCD像素行数，N是面阵CCD像素列数；而后，进行时间累加处理，计算机将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，并在计算机上显示相加后的二维光谱图像，实现了时间累加数据处理；最后，将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理，设置有效光谱范围参数L和H，选取中心L×H的二维有效光谱进行处理，矩阵形式表示为：

其中，1≤L≤M，1≤H≤N，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强。将对应同一波长的该列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，完成空累加处理，得到的光谱表示为：

其中，代表波长为的单色光对应的相对强度。

上述步骤实现了所述一种面阵CCD棱镜光谱仪的时空累加数据处理，获得了待测光信号的光谱。为了进一步提高所获光谱的质量，本发明还对其进行了非线性校正，背景扣除、显示和存储操作，具体步骤是：首先进行非线性校正，给定J（J≥4）种已知波长的光源，面阵CCD电荷耦合器采集相应二维光谱图，经所述计算机处理获知每种波长光对应的像素列数值，采用多项式拟合方法拟合出所述面阵CCD棱镜光谱仪的非线性校正曲线，对前面时空累加数据处理所得光谱进行非线性校正曲线；然后遮挡待测光谱，采集K幅背景光谱信号进行时空累加数据处理，获取背景光谱，将上述所获待测光信号的光谱与背景光谱相减，获得扣除背景噪声的信号光谱；最后，在计算机上显示所得信号光谱，并将数据以.txt格式保存至计算机。

本发明所述时空累加数据处理方法充分利用了面阵CCD电荷耦合器的连续曝光能力和多道并行分析能力，有效增强了光谱仪的灵敏度和信噪比。

本发明面阵CCD棱镜光谱仪充分利用了棱镜分光的光谱明亮、光谱级不重迭，光强分布均匀等优点，结合时空累加数据处理方法和背景扣除技术有效提高了光谱仪的灵敏度和信噪比，使其特别适用于微弱光谱信号的快速测量。

Claims (2)

1.一种面阵CCD棱镜光谱仪，其特征是：包括直视棱镜分光***、会聚透镜、通用数字式面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光***包括分光***保护玻璃、分光***狭缝、狭缝目镜和分光棱镜组，所述分光棱镜组是三棱镜组合或五棱镜组合，分光***狭缝宽度可调，狭缝目镜可前后移动，实现调焦功能；所述直视棱镜分光***将待测光信号色散为不同波长的单色光，经会聚透镜聚焦后在面阵CCD电荷耦合器上形成按波长递增依次排列的连续线状光谱；所述面阵CCD电荷耦合器将光敏面上按波长递增依次排列的连续线状光谱转化为对应的二维数字电信号输入计算机，并由所述计算机通过时空累加进行数据处理生成光谱图，实现微弱光谱的快速测量、显示和存储；所述直视棱镜分光***前还安装有用于除去激发光和背景光的干扰的滤光片。

2.一种权利要求1所述面阵CCD棱镜光谱仪的时空累加数据处理方法，其特征是：其首先设置时间累加次数K，计算机控制通用数字式面阵CCD电荷耦合器连续采集K幅二维光谱图像，依次进行A/D转换输入计算机，根据面阵CCD电荷耦合器像素排列形式，所采二维光谱图像包含M×N个像素，其中M是面阵CCD像素行数，N是面阵CCD像素列数；而后，进行时间累加处理，计算机将所获K幅二维光谱图像进行相加运算，并在计算机上显示相加后的二维光谱图像，实现时间累加数据处理；最后，将时间累加后获得的二维光谱图像进行空间累加处理，设置有效光谱范围参数L和H，选取中心L×H的二维有效光谱进行处理，矩阵形式表示为：

$I=\left[\begin{array}{ccccc}{I}_{11}& I_{12}& I_{13}& ...& I_{1H}\\ I_{21}& I_{22}& I_{23}& ...& I_{2H}\\ I_{31}& I_{32}& I_{33}& ...& I_{3H}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ I_{L1}& I_{L2}& I_{L3}& ...& I_{LH}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中，1≤L≤M，1≤H≤N，每列像素值代表相应波长单色光的相对光强；将对应同一波长的该列像素值相加，作为该波长单色光的相对光强，完成空累加处理，得到的光谱表示为：

I＝[I_λ1I_λ2…I_λH](2)

式(2)中，代表波长为λn的单色光对应的相对强度。