CN102175317B - 一种采集光谱的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采集光谱的方法，包括以下步骤：a、在T₀时刻，给出同步信号；根据所述同步信号和延时采集时间，得出光谱采集时刻T₁；b、在T₁时刻，将CCD传感器阵列中的T₁时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据；开始采集光谱，CCD传感器阵列中重新累积电荷；c、在T₂时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕；在T₁时刻到T₂时刻内仅有一个光谱脉冲出现；将CCD传感器阵列中T₁时刻到T₂时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中；d、读取寄存器中的数据，从而得到从T₁时刻到T₂时刻内的光谱强度A₁。本发明还公开了一种实现上述方法的装置。

Description

一种采集光谱的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种采集光谱的方法和装置，特别涉及时间采集光谱的方法和装置。 

背景技术

光谱分析中，有时需要研究不同时间的光谱特征，时间解析光谱技术就是一种从时间上分解光谱的技术，它的目的是将持续一定时间的光谱按时间分解成很多小段光谱，从而可以分析光谱随时间的变化，也可以从中获取感兴趣的一段或几段光谱。时间解析光谱技术应用在金属成分分析等领域中。 

由于时间解析光谱是将一段持续的光谱分解成很多段光谱，因此对探测器的时间响应速度和稳定性都要求比较高。传统的时间解析光谱技术主要是通过控制光电倍增管的开闭实现的，例如通过控制光电倍增管负高压的开闭：在需要采集光谱的开始阶段打开负高压，光电倍增管将光信号转换为电信号，采集结束后，迅速断开光电倍增管的负高压，光电倍增管停止光信号向电信号的转换。光电倍增管负高压的开闭速度可以做到很快，但由于光电倍增管本身只能探测特定位置特定波长的谱线，因此不能实现全谱测量。 

随着阵列式探测器的发展，越来越多的人开始研究基于电荷耦合元件(Charge Coupled Device，简称CCD)的时间解析光谱技术的实现方法。CCD传感器主要包括：光电传感器阵列、读出转移开关、寄存器阵列和时钟控制等。首先光电传感器阵列感受到光信号后，生成电荷信号，电荷信号的多少与光信号的强度有关。生成的电荷信号在传感器阵列中。当读出开关打开后，传感器阵列中的电荷全部转移到寄存器阵列中，这个过程一般在几到十几纳秒内完成。转移结束后，读出开关关闭，传感器阵列继续电荷，此时再通过时钟脉冲控制，将寄存器中的电荷顺序逐个转移读出，读出速率一般在几兆到几十兆。 

CCD实现时间解析光谱的主要难点在于最后顺序读出速率较慢，例如对于2048像素的线阵CCD而言，如果读出速率为1兆，读出的时间为2048/(1000000)秒，即2.048毫秒。对于持续时间较短的光谱，是不能完成时间解析光谱要求的。目前，利用CCD实现时间解析光谱的思路有两种，一种是采用面阵CCD，每次只让一列传感器阵列曝光，这样，在光谱持续的过程中，通过控制各列在不同时间曝光，达到时间解析光谱的目的，这种方法是将面阵CCD当做线阵CCD用，但由于光谱要分布到整个面阵CCD上，因此，到达每个像素的能量会降低，不利于提高信噪比。另一种是采用线阵CCD加多个电荷转移存储单元的模式，CCD采集到的信号，先逐步转移到各个存储单元中，这样，在各存储单元中就保留下了不同时间的光谱信息。 

无论是采用面阵CCD或是线阵CCD加多个电荷转移存储单元的做法，都会对器件提出很高的要求，制作工艺复杂，器件的成本较高。普通的CCD是无法实现的这些功能的。事实上，很多时候不需要将光谱分解成很多段，只需要避开前一段或后一段光谱即可。例如利用火花光谱仪分析钢铁成分的时候，由于火花刚开始的一段光谱中包含很多的背景光谱，因此，如果避开前一段光谱，就可以减小背景光谱的影响。 

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种方法简便、成本低的采集光谱的方法，以及一种结构简单、成本低的采集光谱的装置。 

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案： 

一种采集光谱的方法，包括以下步骤： 

a、在T₀时刻，光谱开始出现，给出同步信号； 

b、在T₁时刻，将CCD传感器阵列中的T₁时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据； 

开始采集光谱，CCD传感器阵列中重新累积电荷； 

c、在T₂时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕； 

在T₁时刻到T₂时刻内仅有一个光谱脉冲出现； 

将CCD传感器阵列中T₁时刻到T₂时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中； 

d、读取寄存器中的数据，从而得到从T₁时刻到T₂时刻的光谱强度A₁。 

进一步，当光谱脉冲是周期性出现时，在之后的光谱脉冲出现时，采用所述步骤a-d中的方式得到从T′₁时刻到T′₂时刻的光谱强度A′₁，从而得到T₁时刻到T₃时刻内的光谱强度A＝A₁-A′₁，T₃时刻到T′₁时刻间隔一个或多个周期，T₂时刻到T′₂时刻间隔一个或多个周期，且T₂时刻到T′₁时刻内寄存器内的数据已经读取。 

进一步，采用所述步骤a-d中的方式，利用另一CCD传感器阵列同时得到T′₁时刻到T₂时刻内的光谱强度A′₁，从而得到T₁时刻到T′₁时刻内的光谱强度A＝A₁-A′₁。 

为了实现上述方法，本发明还提出了这样一种采集光谱的装置，所述装置包括： 

在光谱出现时的T₀时刻给出同步信号的信号产生模块； 

CCD传感器，包括传感器阵列、读出开关、寄存器阵列； 

控制模块，用于使得在同步信号出现后的T₁时刻，先将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T₂时刻结束光谱采集，并将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列中； 

处理模块，用于读出在T₂时刻转移到寄存器阵列中的数据，从而得到从T₁时刻到T₂时刻内的光谱强度A₁。 

作为优选，所述CCD传感器的数量为一个，使得在控制模块控制下先后得到光谱强度A₁和A′₁，A′₁为T′₁时刻到T′₂时刻的光谱强度；利用所述处理模块得到T₁时刻到T₃时刻的光谱强度A＝A₁-A′₁，T₃时刻到T′₁时刻间隔一个或多个周期，T₂时刻到T′₂时刻间隔一个或多个周期。 

作为优选，所述CCD传感器的数量为两个，使得在控制模块控制下同步得 出光谱强度A₁和A′₁，A′₁为T′₁时刻到T₂时刻的光谱强度，T′₁≠T₁；利用所述处理模块得到T₁时刻到T′₁时刻的光谱强度A＝A₁-A′₁。 

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果： 

1、与目前CCD的光谱采集方法相比，可以避开前一段光谱，在一些特殊场合可以提高光谱分析精度 

2、与采用特殊CCD的方法相比，本发明使用的是普通CCD，制作工艺成熟，成本低 

附图说明

图1是CCD的结构示意图； 

图2是光谱采集装置的结构示意图； 

图3是实施例1中光谱采集时序控制示意图； 

图4是实施例2中光谱连续采集时序控制示意图； 

图5是实施例3中采集周期性光谱中某一段的时序控制示意图； 

图6是实施例4中光谱采集时序控制示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。 

实施例1： 

如图1、图2所示，一种光谱采集装置，包括： 

给出同步信号的信号产生模块； 

CCD传感器1，包括光电传感器阵列2、寄存器3、电荷转移开关4、电荷\电压转换单元5；所述光电传感器阵列2中的每个光电传感器单元，都对应寄存器3中的一个存储单元。所述电荷转移开关4由ROG的电压控制，ROG为高电平时，电荷在光电传感器阵列2中，ROG经历一次负脉冲时，电荷从光电传感器阵列2中转移到寄存器3中。寄存器3中的电荷顺序转移由CLK电压控制，CLK经历一次正脉冲时，寄存器3中的电荷就会顺序转移一位，最前端的一位会通过所述电荷\电压转换单元5转换成电压信号，由V_OUT输出。 

控制模块，用于使得在同步信号出现后的T₁₁时刻，先将光电传感器阵列2中的光生电荷转移到寄存器3阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T₁₄时刻结束光谱采集，并将光电传感器阵列2中的光生电荷转移到寄存器3中； 

处理模块，用于读出在T₁₄时刻转移到寄存器3中的数据，从而得到从T₁₁时刻到T₁₄时刻内的光谱强度A₁。 

A/D转换器件7，该器件的输入端与CCD传感器1的电压输出V_OUT连接，输出端与处理模块连接，时钟信号由V_{_CLK}控制。 

上述控制模块和处理模块集成在控制及数据处理单元6中。 

所述CCD传感器1中ROG电压和CLK电压由控制及数据处理单元6中的V_{_ROG}和V_{_CLK}控制。所述控制及数据处理单元6还有一个同步信号输入端V_{_SOURCE}。 

本实施例还揭示了一种采集光谱的方法，如图1、2、3所示，包括以下步骤： 

a、在T₁₀时刻，信号产生模块发送一个同步脉冲信号至处理单元6的接收端V_{_SOURCE}，根据光谱需要延迟的时间，计算光谱开始采集时刻T₁₁； 

b、T₁₁时刻到来时，光谱8已经产生，处理单元6的V_{_ROG}输出一个负脉冲，光电传感器阵列2中的电荷转移到寄存器3；光谱采集开始，光电传感器阵列2重新开始累积电荷； 

T₁₂时刻，处理单元6的V_{_CLK}输出一系列的正脉冲，将寄存器3中存储单元的电荷转移出，T₁₃时刻寄存器3中所有电荷全部转移出，寄存器中无剩余电荷； 

c、在T₁₄时刻，光谱采集结束，此时处理单元6的V_{_ROG}输出一个负脉冲， 光电传感器阵列2中的电荷转移到寄存器3； 

d、在T₁₅时刻，处理单元6的V_{_CLK}输出一系列的正脉冲，将寄存器3中的电荷转移出(在T₁₆时刻，电荷完全转移出寄存器)，每经历一次脉冲，A/D转换器件7就将V_OUT端的电压信号转换为数字信号，并传输给处理单元6，处理单元6将这些数据存储下来，这些数据的大小与光电传感器阵列2中相应位置在T₁₁时刻至T₁₄时刻内接收到的光谱强度A₁有关。 

实施例2： 

请一并参阅图1、图2、图4所示，一种光谱采集方法，实现光谱连续采集，具体方式为： 

采用实施例1中的方式采集光谱，如T₁₁时刻至T₁₄时刻内接收到的光谱强度A₁、T₂₁时刻至T₂₄时刻内接收到的光谱强度A₂等，但下一次开始采集光谱的时刻必须处于上一次电荷完全转移出寄存器的时刻，如T₂₁时刻必须在T₁₆时刻之后。 

实施例3： 

请一并参阅图1、图2、图5所示，一种采集光谱的方法，用于采集周期性光谱中某一段，如一个光谱脉冲中T₁₁时刻至T₁₇时刻内的光谱强度，具体方式为： 

在一个光谱脉冲出现时，采用与实施例1相同的方式得出T₁₁时刻至T₁₄时刻的光谱强度A₁；在下一个光谱脉冲出现时，采用与实施例1相同的方式得出T₂₁时刻至T₂₄时刻的光谱强度A₂，T₁₇时刻至T₂₁时刻相隔一个周期(当然也可以是多个周期)，T₁₄时刻至T₂₄时刻相隔一个周期(当然也可以是多个周期)，从而得出T₁₁时刻至T₁₇时刻内的光谱强度A＝A₁-A₂。 

实施例4： 

一种光谱采集装置，与实施例1不同的是： 

还包括另一CCD传感器，所述控制及数据处理单元6用于控制该传感器以及传感器输出数据的处理，具体控制和处理方式和实施例1相同。 

一种光谱采集方法，如图6所示，具体方式为： 

采用与实施例1相同的方式，在一个光谱脉冲出现的过程中，分别利用不同的CCD传感器同时得出T₁₁时刻至T₁₄时刻内的光谱强度A₁、T₂₁时刻至T₁₄时刻内的光谱强度A₂，从而得出T₁₁时刻至T₂₁时刻内的光谱强度A＝A₁-A₂。 

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种采集光谱的方法，包括以下步骤：

a、在T₀时刻，给出同步信号；

根据所述同步信号和延时采集时间，得出光谱采集时刻T₁；

b、在T₁时刻，将CCD传感器阵列中的T₁时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据；

开始采集光谱，CCD传感器阵列中重新累积电荷；

c、在T₂时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕；

在T₁时刻到T₂时刻内仅有一个光谱脉冲出现；

将CCD传感器阵列中T₁时刻到T₂时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中；

d、读取寄存器中的数据，从而得到从T₁时刻到T₂时刻内的光谱强度A₁。

2.根据权利要求1所述的采集光谱的方法，其特征在于：当光谱脉冲是周期性出现时，在之后的光谱脉冲出现时，采用所述步骤a-d中的方式得到从T′₁时刻到T′₂时刻的光谱强度A′₁，从而得到T₁时刻到T₃时刻内的光谱强度A＝A₁-A′₁，T₃时刻到T′₁时刻间隔一个或多个周期，T₂时刻到T′₂时刻间隔一个或多个周期，且T₂时刻到T′₁时刻内寄存器内的数据已经读取。

3.根据权利要求1所述的采集光谱的方法，其特征在于：采用所述步骤a-d中的方式，利用另一CCD传感器阵列同时得到T′₁时刻到T₂时刻内的光谱强度A′₁，从而得到T₁时刻到T′₁时刻内的光谱强度A＝A₁-A′₁。

4.一种采集光谱的装置，其特征在于：所述装置包括：

在T₀时刻给出同步信号的信号产生模块；

CCD传感器，包括传感器阵列、读出开关、寄存器阵列； 

控制模块，用于使得在同步信号出现后的T₁时刻，先将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T₂时刻结束光谱采集，将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列中；在T₂时刻所述清除已完毕；在T₁时刻到T₂时刻内仅有一个光谱脉冲出现；

处理模块，用于读出在T₂时刻转移到寄存器阵列中的数据，从而得到从T₁时刻到T₂时刻的光谱强度A₁。

5.根据权利要求4所述的采集光谱的装置，其特征在于：所述CCD传感器的数量为一个，使得在控制模块控制下先后得到光谱强度A₁和A′₁，A′₁为T′₁时刻到T′₂时刻的光谱强度；利用所述处理模块得到T₁时刻到T₃时刻的光谱强度A＝A₁-A′₁，T₃时刻到T′₁时刻间隔一个或多个周期，T₂时刻到T′₂时刻间隔一个或多个周期。

6.根据权利要求4所述的采集光谱的装置，其特征在于：所述CCD传感器的数量为两个，使得在控制模块控制下同步得出光谱强度A₁和A′₁，A′₁为T′₁时刻到T₂时刻的光谱强度，T′₁≠T₁；利用所述处理模块得到T₁时刻到T′₁时刻的光谱强度A＝A₁-A′₁。 

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