CN104390701A - 一种脉冲氙灯-ccd小型光谱仪系统以及光源外部同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统以及光源外部同步方法，本方案基于光源、样品池，单色器，CCD检测器、光源/采样同步控制模块、上位机六部分构成的光谱仪系统，使用一个精确的脉冲氙灯光源触发、CCD信号采集外触发、CCD暴光同步控制信号对脉冲氙灯光源和CCD检测器进行协同控制，实现正确的CCD电信号采集。本方案相对于现有技术能够有效实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

Description

一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统以及光源外部同步方法

技术领域

本发明涉及一种光学测定技术，具体涉及一种用于脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源同步技术。

背景技术

脉冲氙灯是新型分析光源，除了其使用波长覆盖几乎所有紫外可见近红外波段外，还具有如下优点：节能低功耗，利于便携现场分析仪器的应用；不发热，利于光机稳定；无需预热，立即稳定，使用方便；体积小，便于设计、安装调整；色温高(达到12000K)，紫外强；瞬间发光功率高，利于提高仪器信噪比；寿命长；不发生臭氧。

由于这些优点，在国外广泛被用于便携现场仪器，医疗仪器以及传统紫外可见分光光度计和分子荧光光谱仪。对于便携现场仪器而言除了其满足分析需要外，长寿命低功耗是其成为首选的原因；对于分子荧光类分析仪器(包括液相色谱紫外检测器)是因为脉冲氙灯紫外脉冲能量高，明显提高了信噪比；在一些医疗仪器中，例如血细胞测量，由于其脉冲供电方式，在光照样品时不会损坏细胞因此也被广泛应用(在医疗仪器中也被广泛用于洗板机，免疫荧光测定等)。另外由于其低功耗，不发热，又不发生臭氧，在常规分光光度计中使用脉冲氙灯可以提高仪器性能和可靠性。目前国外主要仪器制造厂商都使用脉冲氙灯作为紫外可见分光光度计和荧光分光光度计的光源。

CCD小型光谱仪由光源、单色仪，CCD检测器、电源、控制单元等组成。CCD模块单色器技术，作为光电元件具有暗电流小，灵敏度高，有较高的信噪比，很高的量子效率，能同时记录成千上万条谱线，并大大缩短了分光系统的焦距。

CCD小型光谱仪常用光源为氘灯、卤钨灯复合光源。脉冲氙灯是新型分析光源，在CCD小型光谱仪中目前应用很少，由于脉冲氙灯工作时的脉宽只有几十微秒，但CCD检测器需要一定的积分时间，才能获得稳定的电信号。

由此，如何获得稳定的电信号是本领域亟需要解决的技术问题。

发明内容

针对CCD小型光谱仪采用脉冲氙灯作为光源时，难以获得稳定的电信号的问题，本发明的目的在于提供一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统以及基于该系统的用于脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源同步的方法，并由此来实现较稳定的CCD电信号。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统，该系统包括脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器、光源/采样同步控制模块以及上位机，所述脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器之间依次配合设置，所述上位机控制CCD检测器，同时通过光源/采样同步控制模块同步控制脉冲氙灯光源和CCD检测器，所述光源/采样同步控制模块接受上位机的采样指令，产生同步控制信号对脉冲氙灯光源和CCD检测器进行同步的协同控制，实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

在该光谱仪系统的优选方案中，所述脉冲氙灯光源由脉冲氙灯和氙灯电源组成。

进一步的，所述脉冲氙灯发光控制由一个周期在1到1000Hz之间的同步信号来控制。

基于上述的光谱仪系统实施的，脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源外部同步的方法，其通过外部的同步控制信号，同步协同控制脉冲氙灯光源的触发以及CCD检测器信号采集的外触发，使得CCD检测器在脉冲氙灯光源发光同时，CCD检测器同步暴光，实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

在优选方案中，所述同步的方法具体包括如下步骤：

(1)首先，光源/采样同步控制模块受上位机控制，向CCD检测器发出采集触发信号，在该外触发信号的下降沿到来时，CCD检测器开始数据采集进程；

(2)CCD检测器开始暴光，CCD检测器在暴光过程中等候脉冲氙灯的发光能量；

(3)同时，光源/采样同步控制模块根据脉冲时序，向脉冲氙灯光源发触发信号，在脉冲氙灯发光触发信号上升沿开始到来时，脉冲氙灯瞬间放电发光；

(4)最后，CCD检测器在暴光结束后采集数据并上传到上位机中，完成一次数据采集全过程；

(5)重复步骤1-4，进行下一次的数据采集。

本发明提供的方案相对于现有技术，具有有如下优点：

(1)能够实现采用脉冲氙灯作为CCD小型光谱仪的光源；

(2)脉冲氙灯-CCD小型光谱仪具有能量高、寿命长的特点；

(3)采用同步控制模块的方式测定结果精确。

(4)采用同步控制模块实现正确的CCD电信号采集。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统原理图；

图2为脉冲氙灯发光触发信号图；

图3为CCD采集外触发控制信号图；

图4为脉冲氙灯放电能量输出图；

图5为脉冲氙灯模块触发、CCD外触发、CCD暴光同步信号时序图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明通过一个同步控制模块，同步控制脉冲氙灯光源的触发、CCD检测器信号采集的外触发，实现CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现同步精确暴光，对脉冲氙灯光源进行正确光信号采集

基于上述原理，本发明进行脉冲氙灯-CCD小型光谱仪同步数据采集的过程如下：

参见图1，其所示基于上述原理形成的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统原理图。由图可知，该光谱仪系统100主要包括脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101、样品池102、单色器103、CCD检测器104、光源/采样同步控制模块105、上位机106六部分。

根据光路的传输，光源(脉冲氙灯)101、样品池102、单色器103、CCD检测器104、上位机106依次配合设置，同时上位机106通过光源/采样同步控制模块105同步协同控制光源(脉冲氙灯)101和CCD检测器104，由此来形成光谱仪系统100。

其中，光谱仪系统100的光路方向为：光源(脉冲氙灯)101发出的光首先进入到样品池102，然后再进入单色器103进行分光，最后色散后的光进入到CCD检测器104。

其中，光谱仪系统100中脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101具体为由脉冲氙灯和氙灯电源组成的脉冲氙灯模块，且脉冲氙灯发光控制由一个周期在1到1000Hz之间的同步信号来控制。

CCD检测器104是整个光谱仪系统的接收器，CCD检测器104的采样采用外触发信号控制启动，当CCD检测器收到一个外触发信号的下降沿时，CCD检测器在经过5～7ms的电路抖动后，开始CCD的暴光，暴光长度为用户设置的积分时间。

光源/采样同步控制模块105，其接收上位机106发出的采样指令，分别向光源(脉冲氙灯)101和CCD检测器104两个模块发送同步控制信号，实现对光源和CCD检测器的同步控制。

以下通过一具体应用实例来进一步说明本发明的方案：

本实例中基于实施的光谱仪系统如上所述，此处不加以赘述。在本实例中，小型光谱仪的采样周期为10ms，频率为100Hz。

参见图2，其所示为本实例中脉冲氙灯发光触发信号图。由图可知，脉冲氙灯101发光控制由一个周期在1到1000Hz之间的同步信号来控制。

参见图3，其所示为本实例中CCD采集外触发控制信号图。由图可知，CCD的采样采用外触发信号控制启动，当CCD检测器收到一个外触发信号的下降沿时，CCD检测器在经过5～7ms的电路抖动后，开始CCD的暴光，暴光长度为用户设置的积分时间。

参见图4，其所示为本实例中脉冲氙灯放电能量输出图。由图可知，脉冲氙灯瞬间放电发光，放电发光时间大约有2微秒，但峰值能量很大，图中为15瓦脉冲氙灯能量输出，峰值是35瓦普通氙灯能量的1000倍。

参见图5，其所示为本实例中脉冲氙灯模块触发、CCD检测器外触发、CCD暴光同步信号时序图。由图可知，脉冲氙灯模块触发脉冲、CCD检测器外触发脉冲、CCD暴光同步脉冲的周期相同，脉冲氙灯模块触发脉冲宽度比CCD检测器外触发脉冲宽度宽，脉冲氙灯模块触发脉冲的上升沿在CCD检测器外触发脉冲的下降沿之后。

由图可知，本实例中，CCD检测器外触发脉冲，脉冲上升沿位置为50微秒处，脉冲下降沿位置为150微秒处，脉冲宽度100微秒。

其中，脉冲氙灯模块触发脉冲，脉冲上升沿位置为6000微秒处，脉冲下降沿位置为9500微秒处，脉冲宽度3500微秒。

其中，CCD暴光时序，开始暴光位置为5000微秒处，结束暴光位置为9500微秒处，脉冲宽度4500微秒。

据此，该脉冲氙灯-CCD小型光谱仪完成一次数据采集过程如下(参加图1和图5)：

1.首先，上位机106向同步控制模块105发出数据采集命令，同步控制模块105向CCD检测器模块104发出采集触发信号，在50微秒处，脉冲开始，在150微秒处，外触发信号的下降沿到来，CCD检测器104开始数据采集进程。

2.CCD检测器104在经过5～7ms的电路抖动后，于5000微秒处，开始CCD的暴光，CCD检测器在暴光过程中等候脉冲氙灯的发光能量。

3.同时，同步控制模块105根据脉冲时序，向脉冲氙灯光源101发触发信号，在6000微秒处，即在CCD检测器104采集触发信号发出后的5ms后，脉冲氙灯101发光触发信号上升沿开始到来，脉冲氙灯101瞬间放电发光，放电发光时间大约有2微秒，脉冲氙灯模块触发脉冲，在9500微秒处结束一次触发。

4.最后，CCD检测器104在经过4500微秒暴光后，于9500微秒处结束暴光，随后CCD检测器104将采集到的信号传送到上位机106中，到此时一次数据采集过程完成。

5.重复1-4步，进行下一次的数据采集。

由此，本实例形成的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪，通过一个同步控制模块控制脉冲氙灯光源的触发、CCD检测器信号采集的外触发，实现CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现精确暴光，实现对脉冲氙灯光源进行正确光信号采集。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述系统包括脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器、光源/采样同步控制模块以及上位机，所述脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器之间依次配合设置，所述上位机控制CCD检测器，同时通过光源/采样同步控制模块同步控制脉冲氙灯光源和CCD检测器，所述光源/采样同步控制模块接受上位机的采样指令，产生同步控制信号对脉冲氙灯光源和CCD检测器进行同步的协同控制，实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述脉冲氙灯光源由脉冲氙灯和氙灯电源组成。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述脉冲氙灯发光控制由一个周期在1到1000Hz之间的同步信号来控制。

4.脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源外部同步的方法，其特征在于，所述方法通过外部的同步控制信号，同步协同控制脉冲氙灯光源的触发以及CCD检测器信号采集的外触发，使得CCD检测器在脉冲氙灯光源发光同时，CCD检测器同步暴光，实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

5.根据权利要求4所述的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源外部同步的方法，其特征在于，所述同步的方法具体包括如下步骤：

(1)首先，光源/采样同步控制模块受上位机控制，向CCD检测器发出采集触发信号，在该外触发信号的下降沿到来时，CCD检测器开始数据采集进程；

(2)CCD检测器开始暴光，CCD检测器在暴光过程中等候脉冲氙灯的发光能量；

(3)同时，光源/采样同步控制模块根据脉冲时序，向脉冲氙灯光源发触发信号，在脉冲氙灯发光触发信号上升沿开始到来时，脉冲氙灯瞬间放电发光；

(4)最后，CCD检测器在暴光结束后采集数据并上传到上位机中，完成一次数据采集全过程；

(5)重复步骤1-4，进行下一次的数据采集。