CN106197667A - 一种微型多通道光谱仪及其探测器的非线性修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电测试领域，具体涉及一种微型多通道光谱仪器及其阵列光电探测器非线性响应的修正方法；本发明的微型多通道光谱仪由光学设计部分、运算放大器电路、A/D转换电路、微处理器电路、可编程逻辑器件、计算机及其软件部分构成；采用两只LED来进行探测器非线性测量，从而计算探测器在不同波长处的非线性误差，最终通过偏最小二乘法进行非线性修正。
Description
技术领域
本发明属于光电测试领域，特别涉及一种微型多通道光谱仪及其探测器的非线性修正方法。
背景技术
光源的光谱能量分布及光通量测量通常采用光谱仪来实现，传统光谱仪器采用光栅或棱镜分光，通过机械扫描获得不同波长的光谱。本发明采用自扫描光电二极管阵列(SPD)阵列探测器实现光谱测量，无需机械扫描，测试速度快，体积小。用光谱仪进行光通量测量中，要采用已知性能的标准光源定标，然后从对未知光源的响应与对标准光源的响应的比值中计算出未知光源的性能。这就需要在整个测量值范围内要求探测器是线性的。如果一个探测器在时间t0的响应N(t0)正比于入射辐通量即：式中a是常数，则此探测器是线性的；这种探测器是理想的，实际中从未能完全实现；本发明中采用的阵列探测器同样存在非线性，为了进行准确的光辐射测量，必须设计一种方法来修正在测量时出现的非线性；理想的探测器件应有把最小光量到最大光量产生的信号电荷V成比例地收集到势阱内的能力，即满足：式中E为曝光量、k0为当曝光量为零时探测器的暗电流输出，k1为一比例常数，即输出响应与曝光量成线性关系；但由于各种噪声的影响，使得V与E存在一种非常复杂的关系，可以用以下公式来表示；正是这种非线性关系使得测量出现误差；本发明提出一种采用SPD的微型多通道光谱仪及其探测器的非线性修正方法，消除探测器非线性误差带来的测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微型多通道光谱仪及其探测器的非线性修正方法，可以用于测量光源的光谱能量分布曲线及相关的光通量、色温等光电参数；并通过非线性修正消除探测器非线性带来的误差。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，
提供一种微型多通道光谱仪；包括光学设计部分、运算放大器电路、A/D转换电路、微处理器电路、可编程逻辑器件、计算机和软件部分构成。
进一步的，所述光学设计部分采用非对称型的Czenny-Turnner结构，使得结构紧凑，又能获得较好的像差性能；光学设计部分包括探测器、光栅、准直反射镜、成像反射镜、滤光片、狭缝，所述狭缝、滤光片、准直反射镜、光栅、成像反射镜和探测器依次配合组成光学系统；光线经过入射狭缝进入系统，并通过一滤光片打到准直反射境上，形成的平行光线打在光栅上，光栅将光线形成一级衍射光谱，并由成像反射境聚焦到探测器上。
进一步的，所述狭缝用来约束光谱仪带宽，其大小通过光学设计软件模拟计算获得，使得既获得足够的入射光能量，又有足够的信噪比。
进一步的，所述探测器采用线阵图像传感器自扫描光电二极管阵列(self-scanning photodiode array，SPD)，阵列为256或1024个光敏单元。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
提供一种多通道光谱仪中探测器的非线性修正方法，采用两只LED(LEDa和LEDb组成)进行探测器非线性测量，将LEDa和LEDb发出的光通过分叉光纤传输到光谱仪；从而计箅探测器在不同波长处的非线性误差，最终通过偏最小二乘法进行非线性修正。
进一步的，包括以下步骤：
1)首先，LEDa和LEDb采用恒流源驱动，固定在支架上；
2)LEDa点亮，LEDb不点亮时的探测器上响应记做Ia；
3)当LEDa不点亮，LEDb点亮时的探测器上的响应记做Ib；
4)LEDa和LEDb同时点亮时的探测器上的响应记做Iab；
5)如果探测器响应线性，则在所有波长上应该满足式：
(备注：n＝1-m，m为SPD中光敏单元的个数)但是由于非线性的存在，上式不成立，我们就可以得出不同波长处的线性误差，探测器为m个光敏单元的SPD，这样就可以得到m组不同强度的线性误差；即：
6)对光谱仪的线性修正进行二次拟合，即：
其中Y为修正后的光电流输出，X为未修正时测得的光电流输出。
设LEDa和LEDb单独点亮时未修正时的响应为的Xa[i]，Xb[i]，两只灯同时点亮时的响应为Xab[i]，修正后的响应为Ya[i]、Yb[i]和Yab[i]；则有：
(备注：i＝1-m，m为SPD中光敏单元的个数)
相对误差为：
令：求得修正系数p，q和r。
本发明的积极效果表现在：光线经过入射狭缝进入系统，并通过一滤光片打到准直反射境上，形成的平行光线打在光栅上，光栅将光线形成一级衍射光谱，并由成像反射境聚焦到阵列探测器上；探测器非线性响应的修正方法采用偏最小二乘法进行修正，采用两只LED来进行探测器非线性测量，从而计算探测器在不同波长处的非线性误差并进行修正；本发明提出的微型多通道光谱仪可以用于测量光源的光谱能量分布曲线及相关的光通量、色温等光电参数；并通过非线性修正消除探测器非线性带来的误差。
附图说明
附图1为本发明所述的微型多通道光谱仪的光学设计光路结构图；
附图2为微型多通道光谱仪的结构图示；
附图3为光谱仪探测器的非线性测量装置示意图；
附图4为SPD的线性误差测量结果；
附图5为非线性修正后的线性误差。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在以下给出的详细说明和较佳实施例中，可以对本发明更全面了解，这些说明和附图1、2、3、4、5并不仅限于特定实施例，而只是起到解释和理解的作用。
本发明的微型多通道光谱仪包括光学设计部分、运算放大电路、A/D转换电路、微处理器电路、可编程逻辑电路、计算机及软件构成。光学设计部分包括狭缝1、滤光片2、光栅4、准直反射镜3和阵列探测器6构成；光线经过入射狭缝1进入系统，并通过一滤光片打到准直反射镜3上，形成的平行光线打在光栅4上，光栅4将光线形成一级衍射光谱，并由成像反射境5聚焦到阵列探测器6上；阵列探测器6输出的电信号经过运算放大器电路7及A/D转换电路8转换成数字信号后，连接微处理器9进行处理，并通过串行接口与计算机11相连，通过计算机11上编写特定的软件可以显示光谱及光参数，可编程逻辑器件10连接阵列探测器6为阵列探测器6提供时序驱动。
本发明中阵列探测器的非线性误差采用两只LED进行测量，将LEDa14和LEDb15发出的光通过分叉光纤13传输到光谱仪12。
具体实施实例：
以m为256的像元探测器为例，采用图3结构测量其非线性响应；采用两只小功率绿光LED来实现，LED采用恒流源驱动，固定在支架上，调节LED强度；我们把当LEDa点亮，LEDb不点亮时的探测器上响应记做Ia，当LEDa不点亮，LEDb点亮时的探测器上的响应记做Ib，两只LED同时点亮时的探测器上的响应记做Iab，如果探测器响应线性，则在所有波长上应该满足式
由于非线性的存在，上式不成立，我们就可以得出不同波长处的线性误差，探测器为256像元的SPD，这样就可以得到256组不同强度的线性误差。即：
实际误差测试结果如图4所示，试验结果表明，光强越大，线性误差越大，最大误差超过4％。
我们对光谱仪的线性修正进行二次拟合，即：
其中Y为修正后的光电流输出，X为未修正时测得的光电流输出。
设LEDa和LEDb单独点亮时未修正时的响应为的Xa[i]，Xb[i]，两只灯同时点亮时的响应为Xab[i]，修正后的响应为Ya[i]、Yb[i]和Yab[i]。则有：
相对误差为：
令：求得修正系数p，q和r，修正结果如图5所示；修正后的相对误差在±0.3％之内。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种微型多通道光谱仪，其特征在于，包括光学设计部分、运算放大器电路、A/D转换电路、微处理器电路、可编程逻辑器件、计算机和软件部分构成。
2.根据权利要求1所述的一种微型多通道光谱仪，其特征在于，所述光学设计部分采用非对称型的Czenny-Turnner结构，使得结构紧凑，又能获得较好的像差性能；光学设计部分包括探测器、光栅、准直反射镜、成像反射镜、滤光片、狭缝，所述狭缝、滤光片、准直反射镜、光栅、成像反射镜和探测器依次配合组成光学系统；光线经过入射狭缝进入系统，并通过一滤光片打到准直反射境上，形成的平行光线打在光栅上，光栅将光线形成一级衍射光谱，并由成像反射境聚焦到探测器上。
3.根据权利要求2所述的微型多通道光谱仪的光学系统，其特征在于，所述狭缝用来约束光谱仪带宽，其大小通过光学设计软件模拟计算获得，使得既获得足够的入射光能量，又有足够的信噪比。
4.根据权利要求2所述的微型多通道光谱仪的光学系统，其特征在于，所述探测器采用线阵图像传感器自扫描光电二极管阵列(self-scanning photodiode array，SPD)，阵列为256或1024个光敏单元。
5.一种多通道光谱仪中探测器的非线性修正方法，其特征在于，采用两只LED(LEDa和LEDb组成)进行探测器非线性测量，将LEDa和LEDb发出的光通过分叉光纤传输到光谱仪；从而计算探测器在不同波长处的非线性误差，最终通过偏最小二乘法进行非线性修正。
6.根据权利要5所述的一种多通道光谱仪中探测器的非线性修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先，LEDa和LEDb采用恒流源驱动，固定在支架上；
2)LEDa点亮，LEDb不点亮时的探测器上响应记做Ia；
3)当LEDa不点亮，LEDb点亮时的探测器上的响应记做Ib；
4)LEDa和LEDb同时点亮时的探测器上的响应记做Iab；
5)如果探测器响应线性，则在所有波长上应该满足式：
(备注：n＝1-m，m为SPD中光敏单元的个数)
但是由于非线性的存在，上式不成立，我们就可以得出不同波长处的线性误差，探测器为m个光敏单元的SPD，这样就可以得到m组不同强度的线性误差；即：
6)对光谱仪的线性修正进行二次拟合，即：
其中Y为修正后的光电流输出，X为未修正时测得的光电流输出。
设LEDa和LEDb单独点亮时未修正时的响应为的两只灯同时点亮时的响应为修正后的响应为和则有：
(备注：i＝1-m，m为SPD中光敏单元的个数)相对误差为：
令：求得修正系数p，q和r。
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Cited By (1)
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2016
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