專利名稱：一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子、電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著航空航天、遙感遙測、生物醫(yī)學(xué)，食品衛(wèi)生、機(jī)載探測、跟蹤，微光夜視偵察跟蹤和光電武器制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域的突破性發(fā)展，對光譜分析、光譜檢測提出了更高分辨率、更高靈敏度等要求。在光譜測試中，檢測光的光探測器對分析結(jié)構(gòu)有決定性作用。高靈敏度光電探測器因?yàn)槟芴綔y一定波長范圍內(nèi)的所有譜線，在現(xiàn)代光譜采集系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。光譜采集系統(tǒng)的主要任務(wù)是將來自于色散系統(tǒng)的輸出光信號轉(zhuǎn)化并顯示為被研究物質(zhì)的參數(shù)的數(shù)值或圖樣。這些數(shù)值或圖樣是進(jìn)行后續(xù)光譜信號處理及分析的基礎(chǔ)， 并且接收系統(tǒng)的性能直接影響到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及整個(gè)光譜儀的靈敏度、分辨率等。目前，國內(nèi)使用的光譜儀均采用CCD陣列探測器，CCD陣列探測器的響應(yīng)光譜慢， 積分時(shí)間長，分辨率和靈敏度都比較低，雖然光譜儀在PC機(jī)的支持下可以快速、直觀的對物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析，但便攜性較差，尤其是野外條件下則不便于檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而設(shè)計(jì)的一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)，它采用量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路和基于ARM 的嵌入式信號采集和處理電路，實(shí)現(xiàn)256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜在儀器終端進(jìn)行采集、顯示和存儲，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，微光探測精度高，快速便捷，適于便攜移動(dòng)使用，有利于推動(dòng)光電探測器在微光低輻照度探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)，其特點(diǎn)是該測試系統(tǒng)由光源、采集光路、光電器件、信號采集電路、ARM處理電路和觸摸顯示屏組成，光源由氙燈和溴鎢燈組成連續(xù)可調(diào)光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點(diǎn)光源；采集光路為準(zhǔn)直透鏡、全息光柵和聚焦透鏡構(gòu)成的光學(xué)平臺；光電器件為量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路；信號采集電路由時(shí)序發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器和緩沖器組成的信號采集裝置；ARM處理電路由緩沖芯片、ARM主板和接口組成的信號處理裝置；光源通過石英光纖將模擬的全太陽光譜由狹縫入射進(jìn)入采集光路，模擬的全太陽光譜經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成為平行光，然后經(jīng)全息光柵照射到聚焦透鏡，由聚焦透鏡匯聚后入射到光電器件的光電探測器上，并由讀出電路將光譜的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入信號采集電路，信號采集電路的A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換后由緩沖器輸入ARM處理電路，ARM處理電路將接入的光譜信號經(jīng)緩沖芯片輸入ARM主板，ARM主板將輸入的光譜數(shù)據(jù)由嵌入系統(tǒng)運(yùn)行的ARM信號處理軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進(jìn)行光譜的采集和測試。所述時(shí)序發(fā)生器為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)光電器件控制信號、A/D轉(zhuǎn)換器控制信號和緩沖器寫信號的時(shí)序邏輯器件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1 )、靈敏度高，信噪比大，探測波段范圍寬，覆蓋到近紫外、可見光和近紅外波段，彌補(bǔ)了 CCD器件探測波段的不足；
(2)、增益自動(dòng)可調(diào)，積分時(shí)間短，最短的積分時(shí)間可達(dá)IOms ；
(3 )、實(shí)現(xiàn)256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜在儀器終端進(jìn)行采集、顯示和存儲的一體化，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，微光探測精度高，快速便捷，適于便攜移動(dòng)使用，有利于推動(dòng)光電探測器在微光低輻照度探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為采集光路結(jié)構(gòu)示意圖3為信號采集電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為ARM處理電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參閱附圖1，本發(fā)明由光源1、采集光路2、光電器件3、信號采集電路4、ARM處理電路5和觸摸顯示屏6組成，光源1通過石英光纖將模擬的全太陽光譜入射采集光路2，采集光路2將模擬的全太陽光譜匯聚后入射到光電器件3，光電器件3為量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路，讀出電路將探測器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并且在信號采集電路4的信號控制下依次輸入ARM處理電路5，ARM處理電路5將接入的光譜信號由嵌入系統(tǒng)運(yùn)行的ARM信號處理軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏6進(jìn)行光譜的采集和測試。光源1由氙燈和溴鎢燈組成連續(xù)可調(diào)光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點(diǎn)光源， 氙弧輻射被認(rèn)為是最能模擬全太陽光譜，因?yàn)樗墚a(chǎn)生紫外光、可見光和紅外光，光譜范圍為200 2500歷，但是氙燈在800 1 IOOnm波段光功率譜不平滑，在200 400歷光功率譜比較平滑；溴鎢燈的色溫約為30(Γ3200Κ，可以提供30(T2500nm光譜范圍，光效高，光通穩(wěn)定，光功率譜平滑；所以在20(T400nm波段采用氙燈光源，在可見光和近紅外波段采用溴鎢燈光源，因此光源1的模擬全太陽光譜輻射能量大且發(fā)光穩(wěn)定。光電器件3為量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路，讀出電路是探測器陣列和后續(xù)信號處理電路之間的接口電路，它可以將探測器產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并且在時(shí)序發(fā)生器41的時(shí)鐘和掃描信號控制下依次輸出，讀出電路性能的好壞決定著成像系統(tǒng)的性能。將異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS讀出電路對接在一個(gè)基板上并焊接在杜瓦瓶里，以減少外部電磁干擾，實(shí)現(xiàn)256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜測量。該讀出電路根據(jù)探測器輸出信號的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)積分電容的大小，實(shí)現(xiàn)對光電探測器微弱信號的高靈敏度和信噪比、大動(dòng)態(tài)范圍的讀出，積分時(shí)間短，最短的積分時(shí)間可達(dá)10ms?；诠怆姕y試平臺，采用Kelthley 4200-SCS半導(dǎo)體特性分析儀和波長為633nm 的氦氖激光器，測試量子點(diǎn)-量子阱光電探測器的I-V特性、C-V特性參數(shù)等，根據(jù)測試得到的光電探測器的基本數(shù)據(jù)，計(jì)算和分析探測器的響應(yīng)率、光電特性和信噪比，以此確定探測器的最佳工作偏壓和其工作條件。
參閱附圖2，采集光路2為準(zhǔn)直透鏡21、全息光柵22和聚焦透鏡23構(gòu)成具有高光通量和精確的光學(xué)特性平臺，由光源1模擬的全太陽光譜由狹縫M入射進(jìn)入采集光路2，模擬的全太陽光譜經(jīng)準(zhǔn)直透鏡21成為平行光，然后經(jīng)全息光柵22照射到聚焦透鏡23，由聚焦透鏡23匯聚后入射到光電器件3的光電探測器上。參閱附圖3，信號采集電路4由時(shí)序發(fā)生器41、A/D轉(zhuǎn)換器42和緩沖器43組成的信號采集裝置，A/D轉(zhuǎn)換器42輸出連接緩沖器43輸入；時(shí)序發(fā)生器41分別與、A/D轉(zhuǎn)換器 42與緩沖器43連接；A/D轉(zhuǎn)換器42輸入連接光電器件3的讀出電路；緩沖器43輸出與ARM 處理電路5的緩沖芯片51連接；時(shí)序發(fā)生器41為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)光電器件3控制信號、A/D轉(zhuǎn)換器42控制信號和緩沖器43寫信號的時(shí)序邏輯器件。參閱附圖4，ARM處理電路5由緩沖芯片51、ARM主板52和接口 53組成的信號處理裝置，接口 53為USB和串口的接入或輸出端口 ；緩沖芯片51與信號采集電路4的緩沖器43輸出端連接，緩沖芯片51將采集的光譜信號接入ARM主板52，ARM主板52將接入的光譜信號由嵌入系統(tǒng)運(yùn)行的ARM信號處理軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示和保存處理，經(jīng)數(shù)字濾波、顯示和保存處理后的光譜信號接入觸摸顯示屏6，由觸摸顯示屏6進(jìn)行光譜的采集和測試。ARM處理電路5采用了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，它接收采集到的光譜信號，通過嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的信號處理軟件，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、處理、顯示以及保存等處理，移植QT/ Embedded圖形庫和設(shè)計(jì)了光譜儀操作界面，支持圖形化應(yīng)用軟件，操作直觀方便。以上只是對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非用以限制本專利的實(shí)施應(yīng)用，凡為本發(fā)明等效實(shí)施，均應(yīng)包含于本專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)，其特征在于該測試系統(tǒng)由光源、采集光路、光電器件、信號采集電路、ARM處理電路和觸摸顯示屏組成，光源由氙燈和溴鎢燈組成連續(xù)可調(diào)光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點(diǎn)光源；采集光路為準(zhǔn)直透鏡、全息光柵和聚焦透鏡構(gòu)成的光學(xué)平臺；光電器件為量子點(diǎn)-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路；信號采集電路由時(shí)序發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換器和緩沖器組成的信號采集裝置；ARM處理電路由緩沖芯片、ARM主板和接口組成的信號處理裝置；光源通過石英光纖將模擬的全太陽光譜由狹縫入射進(jìn)入采集光路，模擬的全太陽光譜經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成為平行光，然后經(jīng)全息光柵照射到聚焦透鏡，由聚焦透鏡匯聚后入射到光電器件的光電探測器上，并由讀出電路將光譜的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入信號采集電路，信號采集電路的A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換后由緩沖器輸入ARM處理電路，ARM處理電路將接入的光譜信號經(jīng)緩沖芯片輸入ARM主板，ARM主板將輸入的光譜數(shù)據(jù)由嵌入系統(tǒng)運(yùn)行的ARM信號處理軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進(jìn)行光譜的采集和測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)，其特征在于所述時(shí)序發(fā)生器為產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)光電器件控制信號、A/D轉(zhuǎn)換器控制信號和緩沖器寫信號的時(shí)序邏輯器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統(tǒng)，其特點(diǎn)是該測試系統(tǒng)由光源、采集光路、光電器件、信號采集電路、ARM處理電路和觸摸顯示屏組成，光源通過石英光纖將模擬的全太陽光譜由狹縫入射進(jìn)入采集光路，光譜經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成為平行光，然后經(jīng)全息光柵照射到聚焦透鏡匯聚后入射到探測器上，由讀出電路將光譜的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入信號采集電路，信號采集電路將讀出電路的信號輸入處理電路，由嵌入的ARM信號處理軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進(jìn)行光譜的采集和測試。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有采集、顯示和存儲的一體化，微光探測靈敏度高，信噪比大，快速便捷，適于便攜移動(dòng)使用。
文檔編號G01J3/28GK102538963SQ201110393570
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者劉劍, 張淑驊, 朱匯, 沈建華, 王明甲, 茅惠兵, 越方禹, 鄭厚植, 郭方敏, 顧文荃 申請人:華東師范大學(xué)