一种面阵ccd棱镜光谱仪及其时空累加数据处理方法
【专利摘要】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系统、会聚透镜、面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光系统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。
【专利说明】—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】
[0001]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】
[0002]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，一个色散系统，一个成像系统、一个或多个出射狭缝以及光谱检测系统组成。色散系统是光谱仪的根本，可以是光栅、棱镜或其组合。专利CN011144106公布了一种C⑶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系统。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，棱镜系统还具有结构简单、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CN01114410.6CXD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系统，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】

[0003]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，系统成本低，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。
[0004]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:包括直视棱镜分光系统、会聚透镜、面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光系统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。
[0005]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MXN个像素，其中M是面阵CXD像素行数，N是面阵CXD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LXH的二维有效光谱进行处理，矩阵形式表示为:
【权利要求】
1.一种面阵CCD棱镜光谱仪，其特征是:包括直视棱镜分光系统、会聚透镜、面阵CCD电荷耦合器和计算机，所述直视棱镜分光系统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。
2.—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MXN个像素，其中M是面阵CXD像素行数，N是面阵CXD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LXH的二维有效光谱进行处理，矩阵形式表示为:

【文档编号】G01J3/28GK103776534SQ201410077816
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】田兆硕, 任秀云, 孙兰君, 张延超, 付石友, 王玲, 王翥 申请人:哈尔滨工业大学（威海）