本發(fā)明屬于光電測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種微型多通道光譜儀及其探測(cè)器的非線性修正方法。

背景技術(shù)：

光源的光譜能量分布及光通量測(cè)量通常采用光譜儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)光譜儀器采用光柵或棱鏡分光，通過(guò)機(jī)械掃描獲得不同波長(zhǎng)的光譜。本發(fā)明采用自掃描光電二極管陣列(SPD)陣列探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量，無(wú)需機(jī)械掃描，測(cè)試速度快，體積小。用光譜儀進(jìn)行光通量測(cè)量中，要采用已知性能的標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo)，然后從對(duì)未知光源的響應(yīng)與對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源的響應(yīng)的比值中計(jì)算出未知光源的性能。這就需要在整個(gè)測(cè)量值范圍內(nèi)要求探測(cè)器是線性的。如果一個(gè)探測(cè)器在時(shí)間t₀的響應(yīng)N(t₀)正比于入射輻通量即：式中a是常數(shù)，則此探測(cè)器是線性的；這種探測(cè)器是理想的，實(shí)際中從未能完全實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明中采用的陣列探測(cè)器同樣存在非線性，為了進(jìn)行準(zhǔn)確的光輻射測(cè)量，必須設(shè)計(jì)一種方法來(lái)修正在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的非線性；理想的探測(cè)器件應(yīng)有把最小光量到最大光量產(chǎn)生的信號(hào)電荷V成比例地收集到勢(shì)阱內(nèi)的能力，即滿足：式中E為曝光量、k₀為當(dāng)曝光量為零時(shí)探測(cè)器的暗電流輸出，k₁為一比例常數(shù)，即輸出響應(yīng)與曝光量成線性關(guān)系；但由于各種噪聲的影響，使得V與E存在一種非常復(fù)雜的關(guān)系，可以用以下公式來(lái)表示；正是這種非線性關(guān)系使得測(cè)量出現(xiàn)誤差；本發(fā)明提出一種采用SPD的微型多通道光譜儀及其探測(cè)器的非線性修正方法，消除探測(cè)器非線性誤差帶來(lái)的測(cè)量誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種微型多通道光譜儀及其探測(cè)器的非線性修正方法，可以用于測(cè)量光源的光譜能量分布曲線及相關(guān)的光通量、色溫等光電參數(shù)；并通過(guò)非線性修正消除探測(cè)器非線性帶來(lái)的誤差。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，

提供一種微型多通道光譜儀；包括光學(xué)設(shè)計(jì)部分、運(yùn)算放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、可編程邏輯器件、計(jì)算機(jī)和軟件部分構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)設(shè)計(jì)部分采用非對(duì)稱型的Czenny-Turnner結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)緊湊，又能獲得較好的像差性能；光學(xué)設(shè)計(jì)部分包括探測(cè)器、光柵、準(zhǔn)直反射鏡、成像反射鏡、濾光片、狹縫，所述狹縫、濾光片、準(zhǔn)直反射鏡、光柵、成像反射鏡和探測(cè)器依次配合組成光學(xué)系統(tǒng)；光線經(jīng)過(guò)入射狹縫進(jìn)入系統(tǒng)，并通過(guò)一濾光片打到準(zhǔn)直反射境上，形成的平行光線打在光柵上，光柵將光線形成一級(jí)衍射光譜，并由成像反射境聚焦到探測(cè)器上。

進(jìn)一步的，所述狹縫用來(lái)約束光譜儀帶寬，其大小通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬計(jì)算獲得，使得既獲得足夠的入射光能量，又有足夠的信噪比。

進(jìn)一步的，所述探測(cè)器采用線陣圖像傳感器自掃描光電二極管陣列(self-scanning photodiode array，SPD)，陣列為256或1024個(gè)光敏單元。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的另一技術(shù)方案是：

提供一種多通道光譜儀中探測(cè)器的非線性修正方法，采用兩只LED(LED_a和LED_b組成)進(jìn)行探測(cè)器非線性測(cè)量，將LED_a和LED_b發(fā)出的光通過(guò)分叉光纖傳輸?shù)焦庾V儀；從而計(jì)箅探測(cè)器在不同波長(zhǎng)處的非線性誤差，最終通過(guò)偏最小二乘法進(jìn)行非線性修正。

進(jìn)一步的，包括以下步驟：

1)首先，LED_a和LED_b采用恒流源驅(qū)動(dòng)，固定在支架上；

2)LED_a點(diǎn)亮，LED_b不點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上響應(yīng)記做I_a；

3)當(dāng)LED_a不點(diǎn)亮，LED_b點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上的響應(yīng)記做I_b；

4)LED_a和LED_b同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上的響應(yīng)記做I_ab；

5)如果探測(cè)器響應(yīng)線性，則在所有波長(zhǎng)上應(yīng)該滿足式：

(備注：n＝1-m，m為SPD中光敏單元的個(gè)數(shù))但是由于非線性的存在，上式不成立，我們就可以得出不同波長(zhǎng)處的線性誤差，探測(cè)器為m個(gè)光敏單元的SPD，這樣就可以得到m組不同強(qiáng)度的線性誤差；即：

6)對(duì)光譜儀的線性修正進(jìn)行二次擬合，即：

其中Y為修正后的光電流輸出，X為未修正時(shí)測(cè)得的光電流輸出。

設(shè)LED_a和LED_b單獨(dú)點(diǎn)亮?xí)r未修正時(shí)的響應(yīng)為的X_a[i]，X_b[i]，兩只燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r的響應(yīng)為X_ab[i]，修正后的響應(yīng)為Y_a[i]、Y_b[i]和Y_ab[i]；則有：

(備注：i＝1-m，m為SPD中光敏單元的個(gè)數(shù))

相對(duì)誤差為：

令：求得修正系數(shù)p，q和r。

本發(fā)明的積極效果表現(xiàn)在：光線經(jīng)過(guò)入射狹縫進(jìn)入系統(tǒng)，并通過(guò)一濾光片打到準(zhǔn)直反射境上，形成的平行光線打在光柵上，光柵將光線形成一級(jí)衍射光譜，并由成像反射境聚焦到陣列探測(cè)器上；探測(cè)器非線性響應(yīng)的修正方法采用偏最小二乘法進(jìn)行修正，采用兩只LED來(lái)進(jìn)行探測(cè)器非線性測(cè)量，從而計(jì)算探測(cè)器在不同波長(zhǎng)處的非線性誤差并進(jìn)行修正；本發(fā)明提出的微型多通道光譜儀可以用于測(cè)量光源的光譜能量分布曲線及相關(guān)的光通量、色溫等光電參數(shù)；并通過(guò)非線性修正消除探測(cè)器非線性帶來(lái)的誤差。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明所述的微型多通道光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)光路結(jié)構(gòu)圖；

附圖2為微型多通道光譜儀的結(jié)構(gòu)圖示；

附圖3為光譜儀探測(cè)器的非線性測(cè)量裝置示意圖；

附圖4為SPD的線性誤差測(cè)量結(jié)果；

附圖5為非線性修正后的線性誤差。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

在以下給出的詳細(xì)說(shuō)明和較佳實(shí)施例中，可以對(duì)本發(fā)明更全面了解，這些說(shuō)明和附圖1、2、3、4、5并不僅限于特定實(shí)施例，而只是起到解釋和理解的作用。

本發(fā)明的微型多通道光譜儀包括光學(xué)設(shè)計(jì)部分、運(yùn)算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器電路、可編程邏輯電路、計(jì)算機(jī)及軟件構(gòu)成。光學(xué)設(shè)計(jì)部分包括狹縫1、濾光片2、光柵4、準(zhǔn)直反射鏡3和陣列探測(cè)器6構(gòu)成；光線經(jīng)過(guò)入射狹縫1進(jìn)入系統(tǒng)，并通過(guò)一濾光片打到準(zhǔn)直反射鏡3上，形成的平行光線打在光柵4上，光柵4將光線形成一級(jí)衍射光譜，并由成像反射境5聚焦到陣列探測(cè)器6上；陣列探測(cè)器6輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器電路7及A/D轉(zhuǎn)換電路8轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，連接微處理器9進(jìn)行處理，并通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)11相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)11上編寫(xiě)特定的軟件可以顯示光譜及光參數(shù)，可編程邏輯器件10連接陣列探測(cè)器6為陣列探測(cè)器6提供時(shí)序驅(qū)動(dòng)。

本發(fā)明中陣列探測(cè)器的非線性誤差采用兩只LED進(jìn)行測(cè)量，將LED_a14和LED_b15發(fā)出的光通過(guò)分叉光纖13傳輸?shù)焦庾V儀12。

具體實(shí)施實(shí)例：

以m為256的像元探測(cè)器為例，采用圖3結(jié)構(gòu)測(cè)量其非線性響應(yīng)；采用兩只小功率綠光LED來(lái)實(shí)現(xiàn)，LED采用恒流源驅(qū)動(dòng)，固定在支架上，調(diào)節(jié)LED強(qiáng)度；我們把當(dāng)LED_a點(diǎn)亮，LED_b不點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上響應(yīng)記做I_a，當(dāng)LED_a不點(diǎn)亮，LED_b點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上的響應(yīng)記做I_b，兩只LED同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r的探測(cè)器上的響應(yīng)記做I_ab，如果探測(cè)器響應(yīng)線性，則在所有波長(zhǎng)上應(yīng)該滿足式

由于非線性的存在，上式不成立，我們就可以得出不同波長(zhǎng)處的線性誤差，探測(cè)器為256像元的SPD，這樣就可以得到256組不同強(qiáng)度的線性誤差。即：

實(shí)際誤差測(cè)試結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，光強(qiáng)越大，線性誤差越大，最大誤差超過(guò)4％。

我們對(duì)光譜儀的線性修正進(jìn)行二次擬合，即：

其中Y為修正后的光電流輸出，X為未修正時(shí)測(cè)得的光電流輸出。

設(shè)LED_a和LED_b單獨(dú)點(diǎn)亮?xí)r未修正時(shí)的響應(yīng)為的X_a[i]，X_b[i]，兩只燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r的響應(yīng)為X_ab[i]，修正后的響應(yīng)為Y_a[i]、Y_b[i]和Y_ab[i]。則有：

相對(duì)誤差為：

令：求得修正系數(shù)p，q和r，修正結(jié)果如圖5所示；修正后的相對(duì)誤差在±0.3％之內(nèi)。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。