專利名稱：一種新型全波段的ccd檢測器性能評價系統(tǒng)以及評價方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及一種光譜分析裝置，尤其涉及一種光譜儀器中光信號檢測器的性能 進行評價的系統(tǒng)以及該系統(tǒng)實現(xiàn)評價的方法。
背景技術(shù)：
光譜儀器的光信號檢測器主要有三類，即熱檢測器、光子檢測器、半導(dǎo)體圖像 傳感器?，F(xiàn)代光譜儀器的光信號檢測器主要是以普通的不同規(guī)格的PMT檢測器為主，也 有的以CCD為檢測器的。PMT作為常用主要檢測器，它以增益高、靈敏度高、響應(yīng)快、 成本低在原子吸收光譜儀發(fā)展中有過光輝的歷程，并且其技術(shù)現(xiàn)在也在不斷的發(fā)展更新 中。而CCD檢測器是通過電子的存儲和轉(zhuǎn)移來檢測信號的，其量子效率高，基于對檢測 信號的測量方式不同，它相對PMT來說在配備連續(xù)光源和大色散的中階梯光柵時可以提 高測定的線形范圍5-6個數(shù)量級，也可以同時進行多元素分析。CCD檢測器在整個光譜 分析區(qū)范圍內(nèi)有比較高的靈敏度，更適合微弱光的檢測，在對弱光的檢測時可適當增加 光積分時間，因為它是一種積分型檢測器。由于其具有很低的分布電容，因此其讀出噪 聲較低，暗電流(受溫度影響，需要制冷恒溫環(huán)境)也明顯比PMT的低。不論從光子效 率、暗電流、讀出噪聲、多元素同時分析、線型范圍等各方面來說其性能都具有很明顯 的優(yōu)勢，是以后原子吸收光譜儀發(fā)展的一種必然趨勢。電感耦合高頻等離子體ICP-AES光譜儀的檢測器已有不少在使用30萬像素 CCD,光譜分辨率達0.0035nm。因此，紫外可見區(qū)高靈敏度的CCD檢測器在光譜儀器的應(yīng)用也是中高檔光譜儀 器發(fā)展的方向。由于CCD接收器件具有寬光譜響應(yīng)、高分辨率、低噪聲、高的光響應(yīng)一致性、 直接光電轉(zhuǎn)換、高動態(tài)范圍等優(yōu)點，廣泛用于空間圖像遙感、實時監(jiān)視、科學(xué)研究等領(lǐng) 域，成為攝像的關(guān)鍵部件。國外通過改進CCD結(jié)構(gòu)，開發(fā)新工藝，研制的CCD工作波 長范圍可達190nm lOOOrnn，能很好的滿足光譜儀的要求，國外先進的大型光譜儀器上 廣泛采用了寬光譜CCD。要將CCD接收器件用于光譜儀器，必然要對CCD接收器件的性能指標有特定 的要求，但目前高靈敏度的CCD檢測器件對自身參數(shù)性能指標只有獨立的測試方法和檢 測手段，測試儀器為大型的可見光積分球測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)體積大(直徑>80Cm)， 費用昂貴，測試時間長，并且僅能提供CCD檢測器件的有效像元(如800 X 800 (逐行掃 描))、靈敏度(如0.01Lx(640nm))、光譜響應(yīng)范圍(如190nm IOOOnm)、響應(yīng)不 均勻性(如S 10%)等參數(shù)，部件提供者所提供的部件參數(shù)局限性很大(無紫外波段的性 能)，而光譜儀器要求了解部件在整個測試光譜范圍內(nèi)器件的靈敏度和穩(wěn)定性，所以不能 讓使用者接受。因此，設(shè)計一套廉價、輕便、全波段(紫外可見段)的CCD檢測器性能 評價系統(tǒng)及該系統(tǒng)的實現(xiàn)方法是非常必要和有現(xiàn)實意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)在對CCD接收器件的性能指標進行檢測所存在的一系列問 題，而一種廉價、輕便、快速、全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)以及該系統(tǒng)評價CCD 檢測器性能的方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紫外可見段分光檢測 系統(tǒng)、CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，所述紫外可見段分光檢測系統(tǒng)包括光源、分光器、CCD檢測器，所述光源作為 光信號來源，并將光線匯聚至分光器入口，所述分光器將入射的光束以一定的光學(xué)分辨 率分散為不同波長的光，并使分散的光呈線狀分布的投射到安置在分光器出口的CCD檢 測器的接收面內(nèi)；所述CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅(qū)動控制CCD檢測器，并將CCD檢測器各點接 收到的光電流放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；所述CCD檢測器性能評價系統(tǒng)包括CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊、CCD影象和圖 形顯示模塊、波長校正模塊、CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊；所述 CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊實時采集CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得到的CCD檢測器面陣 各點數(shù)據(jù)；所述CCD影象和圖形顯示模塊利用CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)展現(xiàn) CCD檢測器面陣數(shù)據(jù)數(shù)值大小的空間分布；所述波長校正模塊將獲取的CCD檢測器面陣 各點數(shù)據(jù)與光譜波長數(shù)值之間建立一一對應(yīng)的相互關(guān)系；所述CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn) 定性和靈敏度分析模塊根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度進行測 試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)對CCD檢測器進行全波長性能評價。所述光源包括一空心陰極燈和一石英透鏡，所述空心陰極燈配置一可調(diào)電源， 可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源對空心陰極燈電流大小進行調(diào)節(jié)；所述空心陰極燈通過石英透鏡匯 集所發(fā)出的光線至分光器入口。所述空心陰極燈具有194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、 640.22nm、724.52nm、871.67nm 八條特征譜線。所述分光器包括一凹面平場光柵，一波長調(diào)節(jié)機構(gòu)，一暗室外罩，一光路底 板；所述暗室外罩安置在光路底板上形成一暗室，所述暗室側(cè)面與凹面平場光柵相應(yīng)的 位置開設(shè)有一狹縫形成入口和一出口用于安置CCD檢測器；所述凹面平場光柵安置在該 暗室內(nèi)，通過波長調(diào)節(jié)機構(gòu)控制其旋轉(zhuǎn)角度，以改變光譜波長接收的范圍。所述凹面平場光柵為平場凹面消像差光柵。所述CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡，所述 CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)提供CCD檢測器所需的工作點電壓，并驅(qū)動控制CCD檢測器接收 CCD檢測器面陣上各點的光電流，且將接收到光電流放大并轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)字信號輸出； 所述數(shù)據(jù)采集卡采集CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)輸出的圖像數(shù)字信號。
檢測器數(shù)據(jù)采集模塊301負責(zé)CCD檢測器實時數(shù)據(jù)的采集。其通過數(shù)據(jù)采集卡 202的設(shè)備驅(qū)動程序，在軟件的應(yīng)用層和采集卡設(shè)備間建立數(shù)據(jù)通訊鏈路，實時快速獲取 CCD檢測器面陣上各點的數(shù)據(jù)，并實時將數(shù)據(jù)存儲于計算機內(nèi)存中事先定義好的數(shù)組空 間，以其它模塊的利用
所述CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊根據(jù)波長校正模塊得到的 對應(yīng)關(guān)系，測試得到在多個特征波長下CCD檢測器面陣各點相應(yīng)的穩(wěn)定性和靈敏度，并 以此來分析評價CCD檢測器在全波長下的性能。所述穩(wěn)定性包括零漂和瞬時噪聲兩個指標，零漂指標用來表征CCD檢測器的長 時間穩(wěn)定性，瞬時噪聲指標用來表征CCD檢測器的短時間噪聲大小，且評價標準為零漂 和瞬時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好；其中零漂通過以下公式測定零漂=(Ifmax-Ifmin)/If X 100%式中Ifmax為檢測時間內(nèi)光強 度最大值，Ifmin為檢測時間內(nèi)光強度最小值，If
為光強度初始值；瞬時噪聲通過以下公式測定瞬時噪聲=(IFmax-IFmin)/IF X 100 %式中IFmax為檢測時間內(nèi)CCD檢測器的噪聲最大值，IFmin為檢測時間內(nèi)
CCD檢測器的噪聲最小值，IF為CCD檢測器的噪聲初始值。所述靈敏度為單位光強下CCD檢測器產(chǎn)生的信號大小，即空心陰極燈在一定電 流下CCD檢測器產(chǎn)生的信號大小?；谏鲜鲈u價系統(tǒng)的評價方法，其包括以下步驟(1)系統(tǒng)波長的校正通過系統(tǒng)中波長校正模塊對光源的空心陰極燈的特征波 長進行波長位置校正，并在特征波長和CCD檢測器面陣各點數(shù)據(jù)之間建立一個非線性關(guān) 系；(2)系統(tǒng)能量的標定選取一塊具有代表性的線陣或面陣CCD檢測器作為參考 器件進行標定，標定后安裝入本系統(tǒng)中進行測試，測得在全波長下多個特征點的能量系數(shù)。(3)CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度的測試與參考器件相同測試條 件下，通過系統(tǒng)中的CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊對待評價的CCD檢 測器進行測試得到該CCD檢測器面陣各點在相應(yīng)特征波長下的穩(wěn)定性和靈敏度數(shù)據(jù)；(4) CCD檢測器全波長性能評價根據(jù)步驟(3)得到的CCD檢測器面陣各點在 相應(yīng)特征波長下的的穩(wěn)定性和靈敏度數(shù)據(jù)對CCD檢測器進行全波長綜合評價；其中穩(wěn)定 性指標中的零漂和瞬時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好；靈敏度越高，CCD檢測器的相對光電 轉(zhuǎn)換能力越好。所述步驟(2)在系統(tǒng)只進行相對測量時，可不進行系統(tǒng)能量的標定，標定系數(shù) 為1。根據(jù)上述技術(shù)方案得到的評價系統(tǒng)由于采用了凹面平場光柵進行分光，和普通 的平面光柵相比，由它組成的單色器非常簡潔，無須輔助的準直鏡，而且光路更短，能 量損失小，當它和線陣和面陣探測器結(jié)合使用時，CCD中波長位置呈線性分布，并可達 到高速分析的目的，實現(xiàn)儀器的小型化和輕型化，因此，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積??；同 時使用具有紫外到可見區(qū)不同特征波長的空心陰極燈作為光源，使得系統(tǒng)可實時進行波 長自校，保證了系統(tǒng)的波長精確度；另外性能評價軟件系統(tǒng)采用8個特征波長(全波長 內(nèi)均勻分布)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度來評價分析CCD檢測器的動態(tài)性能，能全波長評測CCD檢測器的性能是否滿足光譜儀器的要求。同時本發(fā)明提供的評價方法操作簡單，與系統(tǒng)相配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)對CCD檢測 器的低費用、快速以及全波段的性能評價。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明中評價系統(tǒng)的框圖。圖2為本發(fā)明中分光器的主視圖。圖3為本發(fā)明中分光器的俯視圖。圖4為本發(fā)明中方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，而提供一種廉價、輕便、快速、全波段 (紫外可見段)的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)以及與該系統(tǒng)配套使用的評價方法，使得 CCD檢測器性能評價變得簡單快速和全面，且更有利于CCD在光譜儀器中的應(yīng)用。參見圖1，本發(fā)明提供的全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)包括紫外可見段 分光檢測系統(tǒng)100、CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)200以及CCD檢測器性能評價系統(tǒng)300三 部分。其中紫外可見段分光檢測系統(tǒng)100是評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)部分，由一套完整的 光路組成；所述CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅(qū)動控制CCD檢測器，并將CCD檢測器各點 接收到的光電流放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；CCD檢測器性能評價系統(tǒng)300為系統(tǒng)進行評價 的最終實現(xiàn)部分，用于進行數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及最后進行CCD檢測器性能評價。參見圖2和圖3，紫外可見段分光檢測系統(tǒng)包括光源101、分光器102、CCD檢 測器103三個部分。其中光源作為光信號的來源，包括一空心陰極燈104和一石英透鏡 105?？招年帢O燈104用來提供不同光波長的銳線光，具體實施時，可使用一個H元素空 心陰極燈，其波長特征譜線有 194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、 640.22nm、724.52nm、871.67nm?？招年帢O燈配置的電源為一種可調(diào)電源，以達到空心 陰極燈電流大小可以根據(jù)用戶需要進行調(diào)節(jié)的目的。石英透鏡105設(shè)置在空心陰極燈104 前面，用于匯聚空心陰極燈發(fā)出的光線至分光器102入口。分光器102主要包括一凹面平場光柵106、一波長調(diào)節(jié)機構(gòu)107，一暗室外罩 108，一光路底板109等部件。該分光器102作用是將入射的光束以一定的光學(xué)分辨率分 散為不同波長的光在某處呈線狀分布。其中暗室外罩108安置在光路底板109上 形成一暗室，同時凹面平場光柵106安 置在該暗室內(nèi)，受波長調(diào)節(jié)機安置光路底板109上以實現(xiàn)對凹面平場光柵106的控制；暗 室側(cè)面與凹面平場光柵相應(yīng)的位置開設(shè)有一狹縫110形成光路入口和一光路出口 111用于 安置CCD檢測器103。同時光源100整體安置在光路底板109上，并與分光器102中作 為入口的狹縫110相對安置。
凹面平場光柵106是一個分光主要部件，它將一個復(fù)合光分為單色光譜，可采 用一種平場凹面消像差光柵，這種光柵的光譜連續(xù)分布在一個平面上，非常適合與線陣 和面陣探測器結(jié)合使用，達到高速分析的目的，并實現(xiàn)儀器的小型化和輕型化。波長調(diào) 節(jié)機構(gòu)107用來改變凹面平場光柵106的旋轉(zhuǎn)角度，從而改變連續(xù)光譜在光路出口 111的 投影位置，即改變了 CCD檢測器103接收光譜波長的范圍。本發(fā)明中波長范圍可固定 為190-1000nm，這樣能夠使得H元素空心陰極燈的八個特征波長均勻的分布在全段波長 內(nèi)。但波長范圍可以調(diào)節(jié)，波長范圍調(diào)節(jié)后須使用光源的特征波長進行波長位置校正， 校正后即可使用。根據(jù)上述技術(shù)方案得到的分光器102具體運行是來自光源101空心陰極燈104 的光線從狹縫110進入分光器102，光線然后入射到分光器102中凹面平場光柵106中， 經(jīng)凹面平場光柵106分光后，光線直接投射到光路出口 111處的CCD檢測器112的接收 面陣內(nèi)。根據(jù)評價要求不同，CCD檢測器112可為面陣或線陣檢測器類型。該部分作用 是將一段連續(xù)的光譜信號轉(zhuǎn)換為電信號。并將該電信號傳至CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 200。CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)200包括CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)201以及數(shù)據(jù)采集卡 202。CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)201可提供CCD檢測器需要的工作點電壓和必要的控制信 號，將CCD檢測器面陣各點接收到的光電流信號放大并轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)字信號并傳至數(shù)據(jù) 采集卡202。數(shù)據(jù)采集卡202置于工作計算機內(nèi)部的PCI接口型圖像數(shù)字采集卡，數(shù)據(jù)采 集卡202的輸入端和CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)201的輸出相連，其能夠高速采集CCD檢測器 驅(qū)動系統(tǒng)201輸出的圖像數(shù)字信號并傳至CCD檢測器性能評價系統(tǒng)300進行最終的CCD 檢測器性能評價。CCD檢測器性能評價系統(tǒng)300用于進行數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示及最后進行 CCD檢測器性能評價。由CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊301、CCD影象和圖形顯示模塊 302、波長校正模塊303、CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊304組成。其中CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊301負責(zé)CCD檢測器實時數(shù)據(jù)的采集。其通過 數(shù)據(jù)采集卡202的設(shè)備驅(qū)動程序，在軟件的應(yīng)用層和采集卡設(shè)備間建立數(shù)據(jù)通訊鏈路， 實時快速獲取CCD檢測器面陣上各點的數(shù)據(jù)，并實時將數(shù)據(jù)存儲于計算機內(nèi)存中事先定 義好的數(shù)組空間，以其它模塊的利用。CCD影象和圖形顯示模塊302提出CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊301獲得的CCD面 陣各點的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)用圖像或3維或2維圖形的形式來展現(xiàn)數(shù)值大小的空間分布。 即該模塊利用CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進行不同功能的繪圖，例如圖像或3 維或2維圖形。其中繪制CCD圖像以CCD各點的位置建立x-y平面，以CCD各點 的數(shù)據(jù)(表征光能量高低)為x-y平面中對應(yīng)像素的灰度值，建立一張位圖；繪制3維圖 形以CCD各點的位置建立x-y平面，以CCD各點的數(shù)據(jù)為Z軸，建立(x，y，ζ) 3維 圖形；繪制2維圖形以CCD的某行或某列的所有點為X軸，以CCD相應(yīng)點的數(shù)據(jù)為 y軸，建立x-y平面圖形)。
CCD影象和圖形顯示模塊302可依據(jù)用戶需要將圖形數(shù)據(jù)或圖像保存到磁盤文 件中，便于CCD檢測器性能的評價，其中CCD圖像和3維圖形可直觀的了解CCD檢測器的整體靈敏度，通過對比不同CCD器件同一位置的圖像亮度，越亮的器件其靈敏度越 高；2維平面圖形可以直觀的了解CCD檢測器的某行或某列的靈敏度和穩(wěn)定性，通過對 比不同CCD器件同一行或列的數(shù)據(jù)線高低，直觀的比對它們的靈敏度和穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線 越高的器件其靈敏度越高，數(shù)據(jù)線波動的噪聲越小器件其穩(wěn)定性越高。波長校正模塊303用于對光源的空心陰極燈的特征波長進行波長位置校正，本 發(fā)明利用的光源為銳線光源空心陰極燈，其發(fā)出的光譜線是空心陰極燈對應(yīng)元素所固有 的物理特性；本系統(tǒng)的Hg元素空心陰極燈發(fā)出的銳線光源中包含了 8個特征譜線波長， 分別為 194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、 871.67nm ；利用這8個特征譜線在CCD物理位置的分布，通過CCD圖像數(shù)據(jù)，可以獲得 8個波長的特征譜線位置，并建立CCD各點的物理位置的波長值的對應(yīng)關(guān)系。波長校正模塊303從CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊301中調(diào)取該模塊實時采集到 的CCD檢測器面陣上各點的數(shù)據(jù)序列(數(shù)組的形式)，每個數(shù)據(jù)的存儲位置即代表CCD 各點的物理位置，本系統(tǒng)中，CCD各點的物理位置即表征了該點的波長值，各點的物理 位置的具體波長值由波長校正后確定，通過數(shù)據(jù)的位置號可以找到該點的波長值，同樣 的，通過波長值可以找到該點的位置號，并由位置號返回采集到的數(shù)據(jù)值，在光譜波長 和點數(shù)據(jù)間建立了一一對應(yīng)的相互關(guān)系。CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊304根據(jù)波長校正模塊303得到 的對應(yīng)關(guān)系，測試得到在多個特征波長下(具體實施采用上述八個特征波長下)CCD檢測 器面陣各點相應(yīng)的穩(wěn)定性和靈敏度，并以此來分析評價CCD檢測器在全波長下的性能。本發(fā)明采用8個特征波長(全波長內(nèi)均勻分布194.23nm、253.65nm、 365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm)下 CCD 檢測器面陣 各點數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度來評價分析CCD檢測器的在全波長下的動態(tài)性能。其中穩(wěn)定性指標指的是零漂和瞬時噪聲兩個指標。零漂指標用來表征CCD檢 測器的長時間穩(wěn)定性，瞬時噪聲指標用來表征CCD檢測器的短時間噪聲大小。零漂和瞬 時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好。1)CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊304采用公式(1)測定零漂值零漂=(Ifmax-Ifmin)/If X 100% (1)式中Ifmax為30min內(nèi)測得光強度最大值，Ifmin為30min內(nèi)測得光強度最小
值，If為光強度初始值。具體測定時，將系統(tǒng)調(diào)試到正常工作狀態(tài)，空心陰極燈為汞(Hg)元素?zé)?，調(diào)節(jié) 燈電流，使檢測到某特征波長下光強度初始值為500士50，按0.5min內(nèi)測定一次，連續(xù)測 量30min，將測定結(jié)果取其極大值和極小值，按公式(1)計算出基線零漂值。依此方法 測出8個特征波長下的零漂值。2)CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊304采用公式(2)測定瞬時
噪聲值瞬時噪聲=(IFmax-IFmin)/IF X 100 % (2)式中IFmax為檢測時間內(nèi)CCD檢測器的噪聲最大值，IFmin為檢測時間內(nèi)
CCD檢測器的噪聲最小值，IF為CCD檢測器的噪聲初始值。具體測定時，將系統(tǒng)調(diào)試到正常工作 狀態(tài)，空心陰極燈為汞(Hg)元素?zé)簦{(diào)節(jié)燈電流，使檢測到某特征波長下光強度初始值為500士50，按0.5min內(nèi)測定一次，連續(xù)測 量3min，將測定結(jié)果取其最大值和最小值。按式(2)計算瞬時噪聲。依此方法測出8個 特征波長下的瞬時噪聲值。靈敏度指標指的是特定條件下，單位光強下CCD產(chǎn)生的信號大小。本發(fā)明 中，使用空心陰極燈在某一特定電流下的信號大小來衡量。靈敏度指標用來表征CCD檢 測器的相對光電轉(zhuǎn)換能力。靈敏度越高，CCD檢測器的相對光電轉(zhuǎn)換能力越好。CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊304測定靈敏度值為相應(yīng)特征 波長下光強度值的平均值。具體測定如下
將系統(tǒng)調(diào)試到正常工作狀態(tài)，空心陰極燈為汞(Hg)元素?zé)簦{(diào)節(jié)燈電流在 ImA,測量時間間隔為1秒，連續(xù)測量7次，記錄某特征波長下光強度值，將測定結(jié)果取 其平均值即為該特征波長下的靈敏度。依此方法測出8個特征波長下的靈敏度值。根據(jù)上述技術(shù)方案得到的評價系統(tǒng)，具體的實施流程如下(如圖4所示)第1步，系統(tǒng)波長的校正通過系統(tǒng)內(nèi)的波長校正模塊303使用光源H元素空心陰極燈的特征波長(特征 譜線有 194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、 871.67nm)進行波長位置校正，特征波長和CCD檢測器面陣各點數(shù)據(jù)之間建立一個非線
性關(guān)系。第2步，系統(tǒng)能量的標定本發(fā)明中涉及的系統(tǒng)能量是指本評價系統(tǒng)的某一個 具體應(yīng)用，即在光源和分光器件固定不變條件下，CCD檢測器反映的系統(tǒng)規(guī)定的幾個波 長下的數(shù)據(jù)值，它用來表征系統(tǒng)的整體數(shù)值響應(yīng)。為了獲取CCD檢測器靈敏度的絕對量化數(shù)據(jù)，必須對本系統(tǒng)進行標定，本系統(tǒng) 所稱的標定是指用某個特定的物件作為統(tǒng)一的性能規(guī)格，并做為參照體系，便于量值的 溯源。標定具體方法選取一塊具有代表性的線陣或面陣CCD檢測器作為參考器件到專 業(yè)測定單位進行標定，標定后安裝入本系統(tǒng)中進行測試，記錄從190nm至IOOOrnn范圍內(nèi) 多個特征點的能量系數(shù)。該能量系數(shù)用來表征本系統(tǒng)測試出的數(shù)據(jù)和CCD器件絕對靈敏 度之間的關(guān)系。具體表示為某特征波長點的能量系數(shù)=專業(yè)測定獲得的某特征波長點 的靈敏度數(shù)據(jù)值/本系統(tǒng)下某特征波長點的數(shù)據(jù)值X 100%，該能量系數(shù)可以用來獲得某 CCD檢測器靈敏度的絕對值。如果只進行相對測量，可不進行系統(tǒng)能量的標定，標定該 能量系數(shù)為1。第3步，CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度的測定與參考器件相同測試條件下，通過系統(tǒng)中的CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和 靈敏度分析模塊測量CCD檢測器在8個特征波長(特征譜線有194.23nm、253.65nm、 365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm)下的能量值，即為 本系統(tǒng)所獲得的相應(yīng)波長下CCD檢測器的響應(yīng)數(shù)據(jù)值；并進行動態(tài)時間掃描，獲得CCD 檢測器面陣上每點的穩(wěn)定性，并用零漂和瞬時噪聲來表示(具體方法與前述一致，此處 不加以贅述)，以上各波長點的測試均在同一時間段內(nèi)快速完成。同時，測出CCD檢測 器面陣上每點在8個特征波長下的靈敏度值(具體方法與前述一致，此處不加以贅述)。第4步，CCD檢測器全波長性能評價依據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，定制出相應(yīng)的性能評價執(zhí)行標準(該標準可依據(jù)產(chǎn)品的企業(yè)標準、國家標準、行業(yè)標準或用戶要求來制定)。根據(jù)步驟(3)獲取CCD檢測器面 陣各點在8個特征波長下的的穩(wěn)定性和靈敏度數(shù)據(jù)，對照執(zhí)行標準的要求，對該CCD檢 測器進行全波長綜合評價，評測CCD檢測器的性能是否滿足光譜儀器的要求。一般的， 零漂和瞬時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好；靈敏度越高，CCD檢測器的相對光電轉(zhuǎn)換能力越 好。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的 技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是 說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改 進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán) 利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括紫外可見 段分光檢測系統(tǒng)、CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及CCD檢測器性能評價系統(tǒng)；所述紫外可見段分光檢測系統(tǒng)包括光源、分光器、CCD檢測器，所述光源作為光信 號來源，并將光線匯聚至分光器入口，所述分光器將入射的光束以一定的光學(xué)分辨率分 散為不同波長的光，并使分散的光呈線狀分布的投射到安置在分光器出口的CCD檢測器 的接收面內(nèi)；所述CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驅(qū)動控制CCD檢測器，并將CCD檢測器各點接收到 的光電流放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；所述CCD檢測器性能評價系統(tǒng)包括CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊、CCD影象和圖形顯 示模塊、波長校正模塊、CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊；所述CCD檢 測器數(shù)據(jù)采集模塊實時采集CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所得到的CCD檢測器面陣各點數(shù) 據(jù)；所述CCD影象和圖形顯示模塊利用CCD檢測器數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)展現(xiàn)CCD 檢測器面陣數(shù)據(jù)數(shù)值大小的空間分布；所述波長校正模塊將獲取的CCD檢測器面陣各點 數(shù)據(jù)與光譜波長數(shù)值之間建立一一對應(yīng)的相互關(guān)系；所述CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性 和靈敏度分析模塊根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度進行測試， 并根據(jù)測試數(shù)據(jù)對CCD檢測器進行全波長性能評價。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述光源包括一空心陰極燈和一石英透鏡，所述空心陰極燈配置一可調(diào)電源，可通 過調(diào)節(jié)可調(diào)電源對空心陰極燈電流大小進行調(diào)節(jié)；所述空心陰極燈通過石英透鏡匯集所 發(fā)出的光線至分光器入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征 在于，所述空心陰極燈具有 194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、 640.22nm、724.52nm、871.67nm 八條特征譜線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述分光器包括一凹面平場光柵，一波長調(diào)節(jié)機構(gòu)，一暗室外罩，一光路底板；所 述暗室外罩安置在光路底板上形成一暗室，所述暗室側(cè)面與凹面平場光柵相應(yīng)的位置開 設(shè)有一狹縫形成入口和一出口用于安置CCD檢測器；所述凹面平場光柵安置在該暗室 內(nèi)，通過波長調(diào)節(jié)機構(gòu)控制其旋轉(zhuǎn)角度，以改變光譜波長接收的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述凹面平場光柵為平場凹面消像差光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡，所述 CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)提供CCD檢測器所需的工作點電壓，并驅(qū)動控制CCD檢測器接收 CCD檢測器面陣上各點的光電流，且將接收到光電流放大并轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)字信號輸出； 所述數(shù)據(jù)采集卡采集CCD檢測器驅(qū)動系統(tǒng)輸出的圖像數(shù)字信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊根據(jù)波長校正模塊得到的對應(yīng) 關(guān)系，測試得到在多個特征波長下CCD檢測器面陣各點相應(yīng)的穩(wěn)定性和靈敏度，并以此 來分析評價CCD檢測器在全波長下的性能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述穩(wěn)定性包括零漂和瞬時噪聲兩個指標，零漂指標用來表征CCD檢測器的長時間 穩(wěn)定性，瞬時噪聲指標用來表征CCD檢測器的短時間噪聲大小，且評價標準為零漂和瞬 時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好；其中零漂通過以下公式測定零漂=(Ifmax-Ifmin) /IfX 100 %式中Ifmax為檢測時間內(nèi)光強度最大值，Ifmin為檢測時間內(nèi)光強度最小值，If為 光強度初始值；瞬時噪聲通過以下公式測定瞬時噪聲=(IFmax-IFmin) /IF X 100 %式中IFmax為檢測時間內(nèi)CCD檢測器的噪聲最大值，IFmin為檢測時間內(nèi)CCD檢 測器的噪聲最小值，IF為CCD檢測器的噪聲初始值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，其特征在 于，所述靈敏度為單位光強下CCD檢測器產(chǎn)生的信號大小，即空心陰極燈在一定電流下 CCD檢測器產(chǎn)生的信號大小。
10.基于權(quán)利要求1所述的一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)，的評價方 法，其特征在于，包括以下步驟(1)系統(tǒng)波長的校正通過系統(tǒng)中波長校正模塊對光源的空心陰極燈的特征波長進 行波長位置校正，并在特征波長和CCD檢測器面陣各點數(shù)據(jù)之間建立一個非線性關(guān)系；(2)系統(tǒng)能量的標定選取一塊具有代表性的線陣或面陣CCD檢測器作為參考器件 進行標定，標定后安裝入本系統(tǒng)中進行測試，測得在全波長下多個特征點的能量系數(shù)。(3)CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度的測試與參考器件相同測試條件 下，通過系統(tǒng)中的CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和靈敏度分析模塊對待評價的CCD檢測 器進行測試得到該CCD檢測器面陣各點在相應(yīng)特征波長下的穩(wěn)定性和靈敏度數(shù)據(jù)；(4)CCD檢測器全波長性能評價根據(jù)步驟(3)得到的CCD檢測器面陣各點在相應(yīng) 特征波長下的的穩(wěn)定性和靈敏度數(shù)據(jù)對CCD檢測器進行全波長綜合評價；其中穩(wěn)定性指 標中的零漂和瞬時噪聲越低，穩(wěn)定性能越好；靈敏度越高，CCD檢測器的相對光電轉(zhuǎn)換 能力越好。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)及其評價方法，該系統(tǒng)包括紫外可見段分光檢測系統(tǒng)、CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及CCD檢測器性能評價系統(tǒng)；所述紫外可見段分光檢測系統(tǒng)通過CCD檢測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與CCD檢測器性能評價系統(tǒng)相接。評價方法包括以下步驟(1)系統(tǒng)波長的校正；(2)系統(tǒng)能量的標定；(3)CCD檢測器全波長數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和靈敏度的測定；(4)CCD檢測器全波長性能評價。本發(fā)明提供了一套廉價、輕便、快速、全波段的CCD檢測器性能評價系統(tǒng)及評價方法，使得CCD檢測器性能評價變得簡單快速和全面，且更有利于CCD在光譜儀器中的應(yīng)用。
文檔編號G01M11/02GK102012310SQ200910195319
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者劉志高, 王曉慶, 陳建鋼 申請人:上海光譜儀器有限公司