CN105675135A - 一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法，其特点是采用光谱响应值和光功率呈线性关系且响应值和积分时间成正比的CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪，分别测试两组不同光强下标准卤钨灯光源的光谱，求出量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率和平均响应率，将平均响应率替代量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率，求出各像元光谱曲线的校正系数，然后由校正系数对各像元的光谱曲线进行非均匀性校正。本发明与现有技术相比具有测试误差小，精度高，可在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，进一步拓宽了光谱的工作范围，尤其满足了军事侦察、深空探测、微光夜视以及生物医学等方面的应用。

Description

一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法

技术领域

本发明涉及微型光谱仪技术领域，具体地说是一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法。

背景技术

量子点光电探测器线列具有高灵敏度、低噪声、低工作电压和高工作温度等特点，在军事侦察、深空探测、微光夜视以及生物医学等方面应用广泛。采用量子点光电探测器线列制作的量子点微型光谱仪相对现有的CCD光谱仪具有灵敏度高、积分时间短等特点，在荧光光谱检测和生物医学等方面有很好的应用前景。

现有技术的CCD光谱仪一致性较好，分辨率高，但灵敏度比量子点微型光谱仪低，其探测范围一般在1000nm左右，不能在极其微弱光的条件下完成光谱数据采集，探测能力和响应的灵敏度较低，不能满足测试条件比较苛刻的探测环境，使得光谱技术的应用范围受到很大的制约。而量子点光电探测器线列由于自组织生长的量子点尺寸大小和形貌不均匀导致探测器线列各像元响应的非均匀性，以致量子点微型光谱仪在光谱测试时出现较大误差，对光谱测试和校正带来较大困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法，采用光谱响应值和光功率呈线性关系且响应值和积分时间成正比的CCD光谱仪和量子点微型光谱仪，通过多次测量不同光强下的标准卤钨灯光源的光谱，求出量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率和64像元探测器的平均响应率，由平均响应率替代量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率，从而求出校正系数，然后用校正系数对光谱曲线进行非均匀性校正，经校正后的光谱曲线与CCD测试得到的光谱曲线能较好的吻合，大大减少了量子点探测器响应非均匀性带来的影响，光谱测试误差小，精度高，进一步拓宽了光谱的工作范围，尤其满足了军事侦察、深空探测、微光夜视以及生物医学等方面的广泛应用。

本发明的目的是这样实现的：一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法，其特点是采用光谱响应值和光功率呈线性关系且响应值和积分时间成正比的CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪，分别测试两组不同光强下标准卤钨灯光源的光谱，求出量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率R_i和平均响应率将平均响应率替代量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率R_i，求出各像元光谱曲线的校正系数K_i，然后由校正系数K_i对各像元的光谱曲线进行非均匀性校正，得到校正后的光谱响应V_i'。

所述各像元在定标波长下的响应率R_i为单位光功率下的响应值，其响应率R_i由公式(1)计算：

$R_i=\frac{V_i}{P_i}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_i}{{\mathrm{\ΔP}}_i}---\left(1\right)$

其中：P_i为辐射在第i像元上的光功率；V_i为P_i光功率下的响应值；△P_i为两次辐射功率差值；△V_i为△P_i辐射功率下的响应值。

所述平均响应率R为探测器线列所有像元响应率的算术平均值，其平均响应率由公式(2)计算：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i}{n}---\left(2\right)$

其中：R_i为第i像元的响应率。

所述校正系数K_i为第i像元的校正系数，其校正系数K_i由公式(3)计算：

$K_i=\frac{\stackrel{\‾}{R}}{R_i}---\left(3\right)$

所述校正后的光谱响应V_i'为校正后的第i像元的光谱响应值，其光谱响应V_i'由公式(4)计算：

$V_i^{\′}=K_i{V}_i=\frac{V_i}{R_i}\·\stackrel{\‾}{R}---\left(4\right).$

所述CCD光谱仪和量子点微型光谱仪具有光谱响应值和光功率呈线性关系且响应值和积分时间成正比的特点。

本发明与现有技术相比具有测试误差小，精度高，可在及其微弱光的条件下完成光谱数据采集，进一步拓宽了光谱的工作范围，尤其满足了军事侦察、深空探测、微光夜视以及生物医学等方面的应用。

附图说明

图1为64元量子点光电探测器在1nW辐射功率、30μs积分时间下的响应电压曲线图；

图2为CCD光谱仪测试不同辐射强度下卤钨灯的光谱图；

图3为量子点微型光谱仪测试不同辐射强度下卤钨灯的光谱图；

图4为CCD光谱仪和校正后量子点微型光谱仪测试卤钨灯的光谱图。

具体实施方式

参阅附图1，量子点微型光谱仪采用64元量子点光电探测器在1nW辐射功率、30μs积分时间下的响应电压，该探测器线列微弱光下很灵敏，但响应均匀性较差。实验测试发现量子点光电探测器采用CTIA(电容反馈互阻放大器)型CMOS读出电路读出后，响应电压和光功率呈线性关系，并且响应电压和积分时间成正比，本发明根据量子点光电探测器这两个特点，引入校正系数K_i对量子点光电探测器线列进行非均匀性校正，校正后的每个像元的光谱响应V_i'按下述公式(4)计算：

$V_i^{\′}=K_i{V}_i=\frac{V_i}{R_i}\·\stackrel{\‾}{R}---\left(4\right)$

其中：V_i是校正前第i像元的响应。

K_i为第i像元的校正系数按下述公式(3)计算：

$K_i=\frac{\stackrel{\‾}{R}}{R_i}---\left(3\right)$

R_i是第i像元响应率(或响应度)按下述公式(1)计算：

$R_i=\frac{V_i}{P_i}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_i}{{\mathrm{\ΔP}}_i}---\left(1\right)$

其中：P_i为辐射在第i像元上的光功率；V_i为P_i光功率下的响应值；△P_i为两次辐射功率差值；△V_i为△P_i辐射功率下的响应值。

表示探测器线列所有像元响应率的算术平均值，按下述公式(2)计算：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i}{n}---\left(2\right)$

所述公式(4)中探测器第i像元的待校正光谱响应V_i除以该像元的响应率R_i得到辐射到该像元的光功率P_i大小，将该像元的辐射光功率P_i乘以平均响应率 $\stackrel{\‾}{R},$ 即得到第i像元校正后的光谱响应V_i'。

本发明采用校正过的CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪，通过多次测量不同光强下的标准卤钨灯光源的光谱进行非均匀性校正，该校正方法要求CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪都满足两个条件：光谱仪的光谱响应值和光功率呈线性关系；光谱响应值和积分时间成正比。

本发明的非均匀性校正步骤如下：

(1)、调好卤钨灯光源的辐射强度，采用CCD光谱仪测试该辐射强度1下的卤钨灯光源辐射的光谱，参阅附图2中的light1谱线。

(2)、采用待校正的量子点微型光谱仪测试相同辐射强度1下卤钨灯光源辐射的光谱，参阅附图3中的light1谱线。

(3)、改变卤钨灯光源辐射强度，分别用CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪再测试出一组相同辐射强度2下的光谱，参阅附图2中的light2谱线和附图3中的light2谱线。

(4)、因为非均匀性校正采用的CCD光谱仪和量子点微型光谱仪的光谱响应值和光功率呈线性关系，所以本发明中CCD光谱仪测试的光谱响应值可以表示辐射光功率的大小。根据下述表1所示的64元量子点微型光谱仪波长定标关系，找到第i像元对应的波长λ_i，如第10像元对应波长559.2nm。CCD光谱仪测试的波长λ_i处两组不同辐射强度1和2的光谱响应值P_iL和P_iH之差(P_iH-P_iL)表示光功率△P_i；如图2中CCD光谱仪light1和light2谱线在波长559.2nm处响应值分别为283和912，两者之差912-283＝629表示光功率△P₁₀的大小。

表1：64元量子点微型光谱仪波长定标关系

像元位置	波长	像元位置	波长	像元位置	波长	像元位置	波长
								0	513.0	16	587.0	32	661.3	48	735.9
1	517.6	17	591.7	33	666.0	49	740.6
								2	522.2	18	596.3	34	670.7	50	745.3
3	526.9	19	600.9	35	675.3	51	750.0
								4	531.5	20	605.6	36	680.0	52	754.6
5	536.1	21	610.2	37	684.6	53	759.3
								6	540.7	22	614.9	38	689.3	54	764.0
7	545.4	23	619.5	39	693.9	55	768.7
								8	550.0	24	624.2	40	698.6	56	773.3
9	554.6	25	628.8	41	703.3	57	778.0
								10	559.2	26	633.4	42	707.9	58	782.7
11	563.9	27	638.1	43	712.6	59	787.4
								12	568.5	28	642.7	44	717.3	60	792.1
13	573.1	29	647.4	45	721.9	61	796.8
								14	577.8	30	652.0	46	726.6	62	801.4
15	582.4	31	656.7	47	731.3	63	806.1

(5)、相同测试条件下，待校正的量子点微型光谱仪第i像元的两组光谱响应值V_iL和V_iH之差(V_iH-V_iL)表示为响应值△V_i，参阅附图3中量子点微型光谱仪light1和light2谱线在波长559.2nm处响应值分别为49.5和112.5，两者之差112.5-49.5＝63表示响应值△V₁₀的大小。

(6)、将△P_i和△V_i代入公式(1)求出待校正的量子点微型光谱仪第i像元的响应率R_i。

(7)、根据公式(2)求出探测器线列全部像元的平均响应率然后根据公式(3)求出校正系数K_i，

(8)、将校正系数代入公式(4)得到校正后的光谱响应V_i'。

(9)、实验结果验证：

参阅附图2～附图3，采用CCD光谱仪和待校正的量子点微型光谱仪测试的三组不同辐射光强下的卤钨灯光谱，CCD光谱仪积分时间为10s，量子点光谱仪积分时间50μs。对比附图2和附图3可以看出，量子点微型光谱仪测试的光谱曲线在500nm～750nm谱段和CCD光谱仪的光谱曲线趋势一致，但是750nm～800nm谱段有较大差别，这是量子点光电探测器线列响应的非均匀性导致的。

参阅附图2，CCD光谱仪的两组光谱曲线light2和light1在量子点微型光谱仪第i像元对应波长λ_i的光谱数值之差表示光功率差△P_i。

参阅附图3，量子点微型光谱仪的两组光谱曲线light2和light1的光谱数值之差表示△P_i辐射光功率下的响应值△V_i，采用本发明的校正方法，将light3谱线进行校正，得到校正后的谱线，参阅附图4中三角形符号的谱线。

参阅附图4，两个光谱仪积分时间不同，光谱响应数值大小不同，为了便于比较，将CCD光谱仪测试的light3谱线光谱响应值除以一个常数M，得到附图4中的实线谱线。M表示CCD光谱仪和校正后的量子点微型光谱仪光谱响应比值的算术平均值，按下述公式(5)计算：

$M=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{V_{i\_CCD}}{{V_{i\_QDs}}^{\′}}}{n}---\left(5\right)$

其中：V_{i_CCD}和V_{i_QDs}'分别是第i个像元对应波长下CCD光谱仪和校正后的量子点微型光谱仪的响应值，从附图4可以看出校正后的量子点微型光谱仪和CCD光谱仪测试的卤钨灯的光谱吻合得较好，减小了非均匀性差异带来的影响。

以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种量子点微型光谱仪非均匀性校正方法，其特征在于采用CCD光谱仪和量子点微型光谱仪分别测试两组不同光强下标准卤钨灯光源的光谱，求出量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率R_i和平均响应率将平均响应率替代量子点探测器线列各像元在定标波长下的响应率R_i，求出各像元光谱曲线的校正系数K_i，然后由校正系数K_i对各像元的光谱曲线进行非均匀性校正，得到校正后的光谱响应V_i'，所述各像元在定标波长下的响应率R_i为单位光功率下的响应值，其响应率R_i由公式(1)计算：

$R_i=\frac{V_i}{P_i}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_i}{{\mathrm{\ΔP}}_i}---\left(1\right)$

其中：P_i为辐射在第i像元上的光功率；V_i为P_i光功率下的响应值；△P_i为两次辐射功率差值；△V_i为△P_i辐射功率下的响应值；

所述平均响应率为探测器线列所有像元响应率的算术平均值，其平均响应率由公式(2)计算：

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_i}{n}---\left(2\right)$

其中：R_i为第i像元的响应率；

所述校正系数K_i为第i像元的校正系数，其校正系数K_i由公式(3)计算：

$K_i=\frac{\stackrel{\‾}{R}}{R_i}---\left(3\right);$

所述校正后的光谱响应V_i'为校正后的第i像元的光谱响应值，其光谱响应V_i'由公式(4)计算：

$V_i^{\′}=K_i{V}_i=\frac{V_i}{R_i}\·\stackrel{\‾}{R}---\left(4\right).$

2.根据权利要求1所述量子点微型光谱仪非均匀性校正方法，其特征在于所述CCD光谱仪和量子点微型光谱仪具有光谱响应值和光功率呈线性关系且响应值和积分时间成正比的特点。