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一種面陣ccd棱鏡光譜儀及其時空累加數據處理方法
【專利摘要】本發明涉及一種面陣CCD棱鏡光譜儀及其時空累加數據處理方法，其包括直視棱鏡分光系統、會聚透鏡、面陣CCD電荷耦合器和計算機，所述直視棱鏡分光系統將待測光信號色散為不同波長的單色光，經會聚透鏡聚焦后在面陣CCD電荷耦合器上形成按波長遞增依次排列的連續線狀光譜，所述面陣CCD電荷耦合器向計算機輸送相應的電荷量信號，并由所述計算機通過時空累加進行數據處理生成光譜圖，實現待測光譜的顯示和存儲。所述時空累加數據處理方法有效增強了光譜儀的靈敏度和信噪比，使其特別適用于微弱光譜信號的快速測量。本發明結構簡單，易于加工裝調，生產成本低，體積小，操作便利，應用面廣。
【專利說明】—種面陣CCD棱鏡光譜儀及其時空累加數據處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光譜檢測儀器，尤其涉及一種基于面陣CCD的棱鏡光譜檢測儀器及其時空累加數據處理方法，特別適用于微弱光譜信號的快速檢測。
【背景技術】
[0002]光譜儀是進行光譜研究和物質的光譜分析的裝置，可用于在物理、化學、生物醫學、環境科學及食品等眾多領域都有廣泛應用。典型色散光譜儀構造包括一個入射狹縫，一個色散系統，一個成像系統、一個或多個出射狹縫以及光譜檢測系統組成。色散系統是光譜儀的根本，可以是光柵、棱鏡或其組合。專利CN011144106公布了一種C⑶光柵集成全波長光譜儀；中國專利201110316117.7公布了基于棱鏡光柵棱鏡分光的折反式成像光譜儀光學系統。它們采用光柵衍射分光，可以充分利用光柵分辨率高，形成勻排光譜便于定標和校正，但存在光譜級重迭，易出現假譜線、造價高等缺點，更重要的是光能損失大，不適用于微弱光譜探測。相比之下，棱鏡分光具有光譜明亮、光譜級不重迭，光強分布均勻等優點，特別適用于微弱光譜信號的檢測。除此之外，棱鏡系統還具有結構簡單、易于制造、維護方便、成本低等優點。傳統光譜儀采用膠片成像，在膠片上得到光譜后人工進行分析運算，操作復雜，效率低，精度差。且體積較大，非常不易于攜帶。由于光電倍增管具有靈敏度高，線性響應范圍寬，響應時間短的特點，可以用于光譜強度的檢測。但在檢測過程中需要對光譜范圍進行波長掃描，要獲得一個完整的光譜圖需一定時間。采用線陣CCD電荷耦合器做為檢測器避免了波長掃描過程方式，可以一次性獲得全波長光譜圖，如專利CN01114410.6CXD光柵集成全波長光譜儀和專利02125852.X在線近紅外光譜儀。但CCD的靈敏度較之光電倍增管要低很多，難以滿足拉曼光譜、熒光光譜等微弱光譜信號檢測所需的高靈敏度和信噪比要求。現有技術多采取增加曝光時間的方法來增強接收信號的強度，如美國海洋公司高性能光譜儀HR4000，因此需要長時間的累加才能實現微弱光譜信號的采集，無法實現微弱光譜信號的快速測量。專利申請201310525282.2公開了一種光譜分析系統，其采用光纖陣列和低溫控制光電倍增管陣列的高靈敏度光譜儀，但是涉及多通道時間門計數、高壓電源、溫控模塊等，存在結構復雜、體積大、能耗高、造價高等缺點。

【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種構造合理，體積小、操作便利，系統成本低，能夠實現微弱光譜信號快速檢測，檢測靈敏度和信噪比高的面陣CCD棱鏡光譜儀及其時空累加數據處理方法。
[0004]本發明解決上述技術問題采用的技術方案是，一種面陣CCD棱鏡光譜儀，其特征是:包括直視棱鏡分光系統、會聚透鏡、面陣CCD電荷耦合器和計算機，所述直視棱鏡分光系統將待測光信號色散為不同波長的單色光，經會聚透鏡聚焦后在面陣CCD電荷耦合器上形成按波長遞增依次排列的連續線狀光譜，所述面陣CCD電荷耦合器向計算機輸送相應的電荷量信號，并由所述計算機通過時空累加進行數據處理生成光譜圖，實現待測光譜的顯示和存儲。
[0005]本發明上述一種面陣CCD棱鏡光譜儀的時空累加數據處理方法，其特征是:其首先設置時間累加次數K，計算機控制面陣CCD電荷耦合器連續采集K幅二維光譜圖像，依次進行A/D轉換輸入計算機，根據面陣CCD電荷耦合器像素排列形式，所采二維光譜圖像包含MXN個像素，其中M是面陣CXD像素行數，N是面陣CXD像素列數；而后，進行時間累加處理，計算機將所獲K幅二維光譜圖像進行相加運算，并在計算機上顯示相加后的二維光譜圖像，實現時間累加數據處理；最后，將時間累加后獲得的二維光譜圖像進行空間累加處理，設置有效光譜范圍參數L和H，選取中心LXH的二維有效光譜進行處理，矩陣形式表示為:
【權利要求】
1.一種面陣CCD棱鏡光譜儀，其特征是:包括直視棱鏡分光系統、會聚透鏡、面陣CCD電荷耦合器和計算機，所述直視棱鏡分光系統將待測光信號色散為不同波長的單色光，經會聚透鏡聚焦后在面陣CCD電荷耦合器上形成按波長遞增依次排列的連續線狀光譜，所述面陣CCD電荷耦合器向計算機輸送相應的電荷量信號，并由所述計算機通過時空累加進行數據處理生成光譜圖，實現待測光譜的顯示和存儲。
2.—種權利要求1所述面陣CCD棱鏡光譜儀的時空累加數據處理方法，其特征是:其首先設置時間累加次數K，計算機控制面陣CCD電荷耦合器連續采集K幅二維光譜圖像，依次進行A/D轉換輸入計算機，根據面陣CCD電荷耦合器像素排列形式，所采二維光譜圖像包含MXN個像素，其中M是面陣CXD像素行數，N是面陣CXD像素列數；而后，進行時間累加處理，計算機將所獲K幅二維光譜圖像進行相加運算，并在計算機上顯示相加后的二維光譜圖像，實現時間累加數據處理；最后，將時間累加后獲得的二維光譜圖像進行空間累加處理，設置有效光譜范圍參數L和H，選取中心LXH的二維有效光譜進行處理，矩陣形式表示為:

【文檔編號】G01J3/28GK103776534SQ201410077816
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】田兆碩, 任秀云, 孫蘭君, 張延超, 付石友, 王玲, 王翥 申請人:哈爾濱工業大學（威海）