一種採集光譜的方法和裝置的製作方法
2023-09-24 00:12:05 2
專利名稱：一種採集光譜的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採集光譜的方法和裝置，特別涉及時間採集光譜的方法和裝置。
背景技術：
光譜分析中，有時需要研究不同時間的光譜特徵，時間解析光譜技術就是一種從時間上分解光譜的技術，它的目的是將持續一定時間的光譜按時間分解成很多小段光譜， 從而可以分析光譜隨時間的變化，也可以從中獲取感興趣的一段或幾段光譜。時間解析光譜技術應用在金屬成分分析等領域中。由於時間解析光譜是將一段持續的光譜分解成很多段光譜，因此對探測器的時間響應速度和穩定性都要求比較高。傳統的時間解析光譜技術主要是通過控制光電倍增管的開閉實現的，例如通過控制光電倍增管負高壓的開閉在需要採集光譜的開始階段打開負高壓，光電倍增管將光信號轉換為電信號，採集結束後，迅速斷開光電倍增管的負高壓，光電倍增管停止光信號向電信號的轉換。光電倍增管負高壓的開閉速度可以做到很快，但由於光電倍增管本身只能探測特定位置特定波長的譜線，因此不能實現全譜測量。隨著陣列式探測器的發展，越來越多的人開始研究基於電荷耦合元件(Charge Coupled Device，簡稱(XD)的時間解析光譜技術的實現方法。C⑶傳感器主要包括光電傳感器陣列、讀出轉移開關、寄存器陣列和時鐘控制等。首先光電傳感器陣列感受到光信號後，生成電荷信號，電荷信號的多少與光信號的強度有關。生成的電荷信號在傳感器陣列中。當讀出開關打開後，傳感器陣列中的電荷全部轉移到寄存器陣列中，這個過程一般在幾到十幾納秒內完成。轉移結束後，讀出開關關閉，傳感器陣列繼續電荷，此時再通過時鐘脈衝控制，將寄存器中的電荷順序逐個轉移讀出，讀出速率一般在幾兆到幾十兆。CXD實現時間解析光譜的主要難點在於最後順序讀出速率較慢，例如對於2048像素的線陣CCD而言，如果讀出速率為1兆，讀出的時間為2048/(1000000)秒，即2. 048毫秒。對於持續時間較短的光譜，是不能完成時間解析光譜要求的。目前，利用CCD實現時間解析光譜的思路有兩種，一種是採用面陣CCD，每次只讓一列傳感器陣列曝光，這樣，在光譜持續的過程中，通過控制各列在不同時間曝光，達到時間解析光譜的目的，這種方法是將面陣CXD當做線陣CXD用，但由於光譜要分布到整個面陣CXD上，因此，到達每個像素的能量會降低，不利於提高信噪比。另一種是採用線陣CCD加多個電荷轉移存儲單元的模式，CCD 採集到的信號，先逐步轉移到各個存儲單元中，這樣，在各存儲單元中就保留下了不同時間的光譜信息。無論是採用面陣CCD或是線陣CCD加多個電荷轉移存儲單元的做法，都會對器件提出很高的要求，製作工藝複雜，器件的成本較高。普通的CCD是無法實現的這些功能的。 事實上，很多時候不需要將光譜分解成很多段，只需要避開前一段或後一段光譜即可。例如利用火花光譜儀分析鋼鐵成分的時候，由於火花剛開始的一段光譜中包含很多的背景光譜，因此，如果避開前一段光譜，就可以減小背景光譜的影響。
發明內容
為了解決現有技術中的不足，本發明提供了一種方法簡便、成本低的採集光譜的方法，以及一種結構簡單、成本低的採集光譜的裝置。為了實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案一種採集光譜的方法，包括以下步驟a、在Ttl時刻，光譜開始出現，給出同步信號；b、在T1時刻，將CXD傳感器陣列中的T1時刻之前累積的光生電荷轉移到寄存器中，並開始清除所述寄存器中的數據；開始採集光譜，CXD傳感器陣列中重新累積電荷；(、在1~2時刻，光譜採集結束，所述寄存器中的數據已清除完畢；在T1時刻到T2時刻內僅有一個光譜脈衝出現；將CCD傳感器陣列中T1時刻到T2時刻累積的光生電荷轉移到所述寄存器中；d、讀取寄存器中的數據，從而得到從T1時刻到T2時刻的光譜強度A10進一步，當光譜脈衝是周期性出現時，在之後的光譜脈衝出現時，採用所述步驟 a_d中的方式得到從T'工時刻到T' 2時刻的光譜強度A'工，從而得到T1時刻到T3時刻內的光譜強度A = A1-A' 1;T3時刻到T'工時刻間隔一個或多個周期，T2時刻到T' 2時刻間隔一個或多個周期，且1~2時刻到T'工時刻內寄存器內的數據已經讀取。進一步，採用所述步驟a_d中的方式，利用另一 CCD傳感器陣列同時得到T'工時刻到T2時刻內的光譜強度A'工，從而得到T1時刻到T'工時刻內的光譜強度A = A1-A' 10為了實現上述方法，本發明還提出了這樣一種採集光譜的裝置，所述裝置包括在光譜出現時的Ttl時刻給出同步信號的信號產生模塊；C⑶傳感器，包括傳感器陣列、讀出開關、寄存器陣列；控制模塊，用於使得在同步信號出現後的T1時刻，先將傳感器陣列中的光生電荷轉移到寄存器陣列並清除，再開始採集光譜；以及使得在同步信號出現後的T2時刻結束光譜採集，並將傳感器陣列中的光生電荷轉移到寄存器陣列中；處理模塊，用於讀出在1~2時刻轉移到寄存器陣列中的數據，從而得到從T1時刻到 T2時刻內的光譜強度A1。作為優選，所述CCD傳感器的數量為一個，使得在控制模塊控制下先後得到光譜強度A1和A' 1； A'工為！1'工時刻到T' 2時刻的光譜強度；利用所述處理模塊得到T1時刻到T3時刻的光譜強度A = A1-A' 1； T3時刻到T'工時刻間隔一個或多個周期，T2時刻到 T' 2時刻間隔一個或多個周期。作為優選，所述CCD傳感器的數量為兩個，使得在控制模塊控制下同步得出光譜強度、和々'ι;Α'工為！1'工時刻到T2時刻的光譜強度，T'工興T1 ；利用所述處理模塊得到T1時刻到T'工時刻的光譜強度A = A1-A' 10與現有技術相比較，本發明具有如下有益效果1、與目前CXD的光譜採集方法相比，可以避開前一段光譜，在一些特殊場合可以提高光譜分析精度2、與採用特殊CXD的方法相比，本發明使用的是普通(XD，製作工藝成熟，成本低
圖1是CXD的結構示意圖；圖2是光譜採集裝置的結構示意圖；圖3是實施例1中光譜採集時序控制示意圖；圖4是實施例2中光譜連續採集時序控制示意圖；圖5是實施例3中採集周期性光譜中某一段的時序控制示意圖；圖6是實施例4中光譜採集時序控制示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明做進一步詳細說明。實施例1 如圖1、圖2所示，一種光譜採集裝置，包括給出同步信號的信號產生模塊；CCD傳感器1，包括光電傳感器陣列2、寄存器3、電荷轉移開關4、電荷\電壓轉換單元5 ；所述光電傳感器陣列2中的每個光電傳感器單元，都對應寄存器3中的一個存儲單元。所述電荷轉移開關4由ROG的電壓控制，ROG為高電平時，電荷在光電傳感器陣列2中， ROG經歷一次負脈衝時，電荷從光電傳感器陣列2中轉移到寄存器3中。寄存器3中的電荷順序轉移由CLK電壓控制，CLK經歷一次正脈衝時，寄存器3中的電荷就會順序轉移一位， 最前端的一位會通過所述電荷\電壓轉換單元5轉換成電壓信號，由Vott輸出。控制模塊，用於使得在同步信號出現後的T11時刻，先將光電傳感器陣列2中的光生電荷轉移到寄存器3陣列並清除，再開始採集光譜；以及使得在同步信號出現後的T14時刻結束光譜採集，並將光電傳感器陣列2中的光生電荷轉移到寄存器3中；處理模塊，用於讀出在T14時刻轉移到寄存器3中的數據，從而得到從T11時刻到 T14時刻內的光譜強度A1。A/D轉換器件7，該器件的輸出端與CXD傳感器1的電壓輸出Vot連接，輸出端與處理模塊連接，時鐘信號由V m控制。上述控制模塊和處理模塊集成在控制及數據處理單元6中。所述CCD傳感器1中ROG電壓和CLK電壓由控制及數據處理單元6中的V _和V CLK控制。所述控制及數據處理單元6還有一個同步信號輸入端V—SOTffiE。本實施例還揭示了一種採集光譜的方法，如圖1、2、3所示，包括以下步驟a、在Tltl時刻，信號產生模塊發送一個同步脈衝信號至處理單元6的接收端V ，根據光譜需要延遲的時間，計算光譜開始採集時刻T11 ；b、Tn時刻到來時，光譜8已經產生，處理單元6 WVroe輸出一個負脈衝，光電傳感器陣列2中已的電荷轉移到寄存器3 ；光譜採集開始，光電傳感器陣列2重新開始電荷；T12時刻，處理單元6的Vto輸出一系列的正脈衝，將寄存器3中存儲單元的電荷轉移出，T13時刻寄存器3中所有電荷全部轉移出，寄存器中無剩餘電荷；C、在T14時刻，光譜採集結束，此時處理單元6的Vjmk輸出一個負脈衝，光電傳感器陣列2中的電荷轉移到寄存器3 ；d、在T15時亥lj，處理單元6 WV roe輸出一系列的正脈衝，將寄存器3中的電荷轉移出(在1\6時刻，電荷完全轉移出寄存器)，每經歷一次脈衝，A/D轉換器件7就將Vot端的電壓信號轉換為數位訊號，並傳輸給處理單元6，處理單元6將這些數據存儲下來，這些數據的大小與光電傳感器陣列2中相應位置在T11時刻至T14時刻內接收到的光譜強度A1有關。實施例2:請一併參閱圖1、圖2、圖4所示，一種光譜採集方法，實現光譜連續採集，具體方式為採用實施例1中的方式採集光譜，如T11時刻至T14時刻內接收到的光譜強度A」 T21時刻至Tm時刻內接收到的光譜強度A2等，但下一次開始採集光譜的時刻必須處於上一次電荷完全轉移出寄存器的時刻，如T21時刻必須在T16時刻之後。實施例3 請一併參閱圖1、圖2、圖5所示，一種採集光譜的方法，用於採集周期性光譜中某一段，如一個光譜脈衝中T11時刻至T17時刻內的光譜強度，具體方式為在一個光譜脈衝出現時，採用與實施例1相同的方式得出T11時刻至T14時刻的光譜強度A1 ；在下一個光譜脈衝出現時，採用與實施例1相同的方式得出T21時刻至T24時刻的光譜強度A2, T17時刻至T21時刻相隔一個周期(當然也可以是多個周期)，T14時刻至T24 時刻相隔一個周期(當然也可以是多個周期)，從而得出T11時刻至T17時刻內的光譜強度 A — A-^-A 2 ο實施例4 一種光譜採集裝置，與實施例1不同的是還包括另一 CCD傳感器，所述控制及數據處理單元6用於控制該傳感器以及傳感器輸出數據的處理，具體控制和處理方式和實施例1相同。一種光譜採集方法，如圖6所示，具體方式為採用與實施例1相同的方式，在一個光譜脈衝出現的過程中，分別利用不同的CCD 傳感器同時得出T11時刻至T14時刻內的光譜強度Ai、T21時刻至T14時刻內的光譜強度A2, 從而得出T11時刻至T21時刻內的光譜強度A = A「A2。上述實施方式不應理解為對本發明保護範圍的限制。在不脫離本發明精神的情況下，對本發明做出的任何形式的改變均應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種採集光譜的方法，包括以下步驟a、在Ttl時刻，給出同步信號；根據所述同步信號和延時採集時間，得出光譜採集時刻T1 ；b、在T1時刻，將CCD傳感器陣列中的T1時刻之前累積的光生電荷轉移到寄存器中，並開始清除所述寄存器中的數據；開始採集光譜，CCD傳感器陣列中重新累積電荷；(3、在1~2時刻，光譜採集結束，所述寄存器中的數據已清除完畢；在T1時刻到T2時刻內僅有一個光譜脈衝出現；將CCD傳感器陣列中T1時刻到T2時刻累積的光生電荷轉移到所述寄存器中；d、讀取寄存器中的數據，從而得到從T1時刻到T2時刻內的光譜強度~。
2.根據權利要求1所述的採集光譜的方法，其特徵在於當光譜脈衝是周期性出現時， 在之後的光譜脈衝出現時，採用所述步驟a-d中的方式得到從T'工時刻到T' 2時刻的光譜強度A'工，從而得到T1時刻到T3時刻內的光譜強度A = A1-A' 」T3時刻到T'工時刻間隔一個或多個周期，T2時刻到T' 2時刻間隔一個或多個周期，且T2時刻到T'工時刻內寄存器內的數據已經讀取。
3.根據權利要求1所述的採集光譜的方法，其特徵在於採用所述步驟a_d中的方式， 利用另一 CCD傳感器陣列同時得到T'工時刻到T2時刻內的光譜強度A'工，從而得到1\時刻到T'工時刻內的光譜強度A = A1-A' 10
4.一種採集光譜的裝置，其特徵在於所述裝置包括在Ttl時刻給出同步信號的信號產生模塊；CCD傳感器，包括傳感器陣列、讀出開關、寄存器陣列；控制模塊，用於使得在同步信號出現後的T1時刻，先將傳感器陣列中的光生電荷轉移到寄存器陣列並清除，再開始採集光譜；以及使得在同步信號出現後的T2時刻結束光譜採集，將傳感器陣列中的光生電荷轉移到寄存器陣列中；在T2時刻所述清除已完畢；處理模塊，用於讀出在T2時刻轉移到寄存器陣列中的數據，從而得到從T1時刻到T2時刻的光譜強度A1。
5.根據權利要求4所述的採集光譜的裝置，其特徵在於所述CCD傳感器的數量為一個，使得在控制模塊控制下先後得到光譜強度A1和A' 1； A' W工時刻到T' 2時刻的光譜強度；利用所述處理模塊得到T1時刻到T3時刻的光譜強度A = A1-A' 1； T3時刻到 T'工時刻間隔一個或多個周期，T2時刻到T' 2時刻間隔一個或多個周期。
6.根據權利要求4所述的採集光譜的裝置，其特徵在於所述CCD傳感器的數量為兩個，使得在控制模塊控制下同步得出光譜強度A1和A' ι;Α'工為！1'工時刻到1~2時刻的光譜強度，T'工^T1 ；利用所述處理模塊得到T1時刻到T'工時刻的光譜強度A = A1-A' 10
全文摘要
本發明涉及一種採集光譜的方法，包括以下步驟a、在T0時刻，給出同步信號；根據所述同步信號和延時採集時間，得出光譜採集時刻T1；b、在T1時刻，將CCD傳感器陣列中的T1時刻之前累積的光生電荷轉移到寄存器中，並開始清除所述寄存器中的數據；開始採集光譜，CCD傳感器陣列中重新累積電荷；c、在T2時刻，光譜採集結束，所述寄存器中的數據已清除完畢；在T1時刻到T2時刻內僅有一個光譜脈衝出現；將CCD傳感器陣列中T1時刻到T2時刻累積的光生電荷轉移到所述寄存器中；d、讀取寄存器中的數據，從而得到從T1時刻到T2時刻內的光譜強度A1。本發明還公開了一種實現上述方法的裝置。
文檔編號G01J3/28GK102175317SQ20101062239
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者呂全超, 壽淼均 申請人:聚光科技(杭州)股份有限公司