CN105737979B - 采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，涉及一种光学领域中消除暗噪声漂移的方法，该方法是将光开关设置于阵列光谱仪的光入口，通过切换光开关，分别记录光通信号和光断信号，求取光通信号和光断信号之间的差值，作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差。本发明还可拓展光谱仪线性和动态响应范围，简化测量步骤，可降低随机噪声强度，可降低感光元件的疲劳程度，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学领域中消除暗噪声漂移的方法，特别是一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法。
背景技术
阵列光谱仪（即阵列感光式光谱仪）通过后置式分光，采用CCD、CMOS或PDA阵列式感光元件采集光谱，具有体积小巧、结构紧凑、信号采集效率高等优点。但是，感光元件自身存在暗电流，而且暗电流随温度变化，阵列中每个像素点的温度响应也存在差异；这就导致普遍存在的基础暗电流误差、随温度变化的动态整体温漂误差和像素点间的系统误差。实际测量中，温度引起的像素点间系统误差与随机误差难以区分，测量结果的整体误差随之增大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，以消除暗噪声漂移等系统误差。
解决上述技术问题的技术方案是：一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，该方法是将光开关设置于阵列光谱仪的光入口，通过切换光开关，分别记录光通信号和光断信号，求取光通信号和光断信号之间的差值，作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差。
本发明的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：
A1. 连接好光路系统中的各组成元件，由控制器控制光开关的通断和阵列光谱仪的数据读取，并根据温漂程度调节光开关的通断时间；
A2. 由光源发出的光线L1，照射样品后发出光线L2；
A3. 光线L2通过光开关，光开关射出的间断光线L3进入阵列光谱仪；
A4. 阵列光谱仪输出光通信号S1和光断信号S0至数据采集端；
A5. 数据采集端将光通信号S1和光断信号S0进行差减后输出为校正后的光谱信号S，该光谱信号S作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差。
本发明的再进一步技术方案是：所述的步骤A1包括以下具体内容：
A11. 将光路系统的样品、光开关、阵列光谱仪、数据采集端依次设置并连接在光源的光路上；
A12. 分别将光开关、阵列光谱仪的输入端与控制器的输出端连接；
A13. 由控制器控制光开关的通断和阵列光谱仪的数据读取，并根据温漂程度调节光开关的通断时间。
本发明的再进一步技术方案是：在步骤A1中，光断时间选取光谱仪的最小响应时间，温漂程度越小，光通时间越大。
本发明的进一步技术方案是：所述的光开关为毫秒级开关频率的MEMS光开关。
本发明的进一步技术方案是：在切换光开关时，是以若干毫秒频率来切换。
本发明的再进一步技术方案是：所述的数据采集端为计算机。
由于采用上述结构，本发明之采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.可消除暗噪声漂移等系统误差：
由于感光元件上的响应信号S1由三部分构成，即光照信号SL、SD暗电流信号和随机噪声E：
S1 = SL + SD(T) + E，
其中SD是温度T的函数，在微小时间内，例如几毫秒，通常元件的温度保持不变；
将在不接受光照的情况下的光谱仪响应信号记为S0，那么：
S0 = SD(T)+ E0，
如果从S1中扣除 S0：
S = S1 – S0 = SL +（E-E0）
E和E0是随机误差，其差值仍然保持随机。因此，本发明通过将光开关设置于阵列光谱仪的光入口，通过切换光开关，分别记录光通信号和光断信号，求取光通信号和光断信号之间的差值，作为真实的光谱响应，即可有效消除由于温度漂移导致的暗噪声漂移等系统误差。
2. 可拓展光谱仪线性和动态响应范围：
由于本发明采用光开关设计，当信号超出光谱仪的最佳线性和动态响应范围时，光开关作瞬间切断后，再次记录信号，可以有效改善和拓展光谱仪的线性和动态响应范围。
3. 简化测量步骤：
现有光谱仪在使用前都需要手工进行背景和暗噪声扣除，采用本发明后，无需再进行暗噪声扣除，背景扣除可通过控制器自动设置完成，因此可简化测量步骤。
4. 可降低随机噪声强度：
由于本发明在进行随机误差E和E0的加减运算后，幅度减小，可降低随机噪声强度。
5. 可降低感光元件的疲劳程度：
本发明还减少了连续照射时间，可降低感光元件的疲劳程度，易于推广使用。
下面，结合附图和实施例对本发明之采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明之采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法中采用的光路系统的结构示意图。
在图1中，各附图标记说明如下：
1-光源，2-样品，3-光开关， 4-控制器，5-阵列光谱仪，6-数据采集端。
具体实施方式
实施例一：
一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，该方法是将毫秒级开关频率的MEMS光开关设置于阵列光谱仪的光入口，通过以若干毫秒频率来切换光开关，分别记录光通信号和光断信号，求取光通信号和光断信号之间的差值，作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差。
该方法包括以下步骤：
A1. 连接好光路系统中的各组成元件，光路系统包括光源1、样品2、光开关3、控制器4、阵列光谱仪5、数据采集端6；由控制器控制光开关的通断和阵列光谱仪的数据读取，并根据温漂程度（即温度漂移程度）调节光开关的通断时间，光断时间可选取光谱仪的最小响应时间，温漂程度越小，光通时间越大；
A2. 由光源1发出的光线L1，照射样品2后发出光线L2；
A3. 光线L2通过光开关3，光开关3射出的间断光线L3进入阵列光谱仪5；
A4. 阵列光谱仪5输出光通信号S1和光断信号S0至数据采集端6，该数据采集端6为计算机；
A5. 数据采集端6将光通信号S1和光断信号S0进行差减后输出为校正后的光谱信号S，该光谱信号S作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差。
上述的步骤A1包括以下具体内容：
A11. 将样品、光开关、阵列光谱仪、数据采集端依次设置在光源的光路上；
A12. 分别将光开关、阵列光谱仪的输入端与控制端连接，光开关的输出端与阵列光谱仪连接；
A13.由控制器控制光开关的通断和阵列光谱仪的数据读取，并根据温漂程度调节光开关的通断时间，光断时间可选取光谱仪的最小响应时间，温漂程度越小，光通时间越大。
Claims (5)
1.一种采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，其特征在于：该方法是将光开关设置于阵列光谱仪的光入口，通过切换光开关，分别记录光通信号和光断信号，求取光通信号和光断信号之间的差值，作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差；该方法包括以下步骤：
A1. 连接好光路系统中的各组成元件，由控制器控制光开关的通断和阵列光谱仪的数据读取，并根据温漂程度调节光开关的通断时间；
A 2. 由光源（1）发出的光线L1，照射样品（2）后发出光线L2；
A 3. 光线L2通过光开关（3），光开关（3）射出的间断光线L3进入阵列光谱仪（5）；
A 4. 阵列光谱仪（5）输出光通信号S1和光断信号S0至数据采集端（6）；
A 5. 数据采集端（6）将光通信号S1和光断信号S0进行差减后输出为校正后的光谱信号S，该光谱信号S作为真实的光谱响应，消除了暗噪声漂移系统误差；
所述的步骤A 1包括以下具体内容：
A 11. 将光路系统的样品（2）、光开关（3）、阵列光谱仪（5）、数据采集端（6）依次设置并连接在光源（1）的光路上；
A 12. 分别将光开关（3）、阵列光谱仪（5）的输入端与控制器的输出端连接；
A 13. 由控制器控制光开关（3）的通断和阵列光谱仪（5）的数据读取，并根据温漂程度调节光开关（3）的通断时间。
2.根据权利要求1所述的采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，其特征在于：在步骤A 1中，光断时间选取光谱仪的最小响应时间，温漂程度越小，光通时间越大。
3.根据权利要求1所述的采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，其特征在于：所述的光开关为毫秒级开关频率的MEMS光开关。
4.根据权利要求1所述的采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，其特征在于：在切换光开关时，是以若干毫秒频率来切换。
5.根据权利要求2至4任一权利要求所述的采用光开关消除阵列光谱仪暗噪声漂移的方法，其特征在于：所述的数据采集端（6）为计算机。
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