基于电荷耦合器件的数字光谱分析仪的研究

光谱仪器是光学仪器中一种重要的组成类型。主要研究和搭建了基于电荷耦合器件(CCD)的数字光谱分析仪,将光学系统、CCD、数据采集卡和光谱分析软件组成完整的数字光谱分析系统,实现了系统的数字化、自动化、小型化和便携化。设计了光谱分析软件以实现光谱信号的采集、显示、处理、寻峰、标定和存取,开发了光谱分析类库（SAL）,提高了软件的可移植性,简化了后继软件开发。使用标准汞灯对数字光谱分析仪进行了标定,并使用激光笔发出的红光对软件的正确性进行了验证。该系统主要适用于现场远距离军用目标的实时探测,同时也可兼顾民用。实验结果表明,该数字光谱分析仪有较好的准确性及可重复性。     

电荷耦合器件(CCD)

介绍ＣＣＤ器件的工作原理、性能指标和应用。     

激光对电荷耦合器件硬破坏机理研究

就激光对组成ＭＯＳ结构电荷耦合器件材料和整个器件的产生硬破坏的过程进行了理论和实验研究。提出激光的热作用和等离子体冲击波的机械作用是导致电荷耦合器件结构被破坏的主要原因。得到了ＹＡＧ激光致使组成电荷耦合器件的半导体材料的光学击穿阈值、视见损伤阈值、热熔融阈值和致使整个器件失效的激光功率阈值等有关结果。 关键词：     

凝视型电荷耦合器件探测器数学模型

首先分析了电荷耦合器件(CCD)的工作特点和电荷的产生、存储、传输及输出的特征,然后,根据光电理论和探测器的工作原理,由电荷耦合器件的探测器面阵列图推导出一种军用电荷耦合器件(CCD)摄像机的探测器面阵调制传递函数,最后得到了一定入射条件下探测器元的输出电子数目,这一结果对从理论上分析这种光电结构的性能具有参考意义.     

电荷耦合器件光电响应特性标定研究

 电荷耦合器件(CCD)光电输入输出响应特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数,介绍一种新的标定方法——小孔衍射方法：即利用小孔衍射图像的零级谱的能量相对分布作为CCD能量的标准参考输入,依据最小二乘拟合准则,根据CCD的灰度输出标定其响应特性。介绍了数据处理方法并完成了校核实验及误差分析。     

电荷耦合器件光电响应特性标定研究

电荷耦合器件(CCD)光电输入输出响应特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数,介绍一种新的标定方法——小孔衍射方法：即利用小孔衍射图像的零级谱的能量相对分布作为CCD能量的标准参考输入,依据最小二乘拟合准则,根据CCD的灰度输出标定其响应特性。介绍了数据处理方法并完成了校核实验及误差分析。     

电荷耦合器件中子辐照诱发的位移效应

为研究电荷耦合器件空间辐照效应、参数退化机理,对国产64×64像元电荷耦合器件进行了中子辐照位移损伤效应研究。样品在中子辐照下,暗信号、暗信号非均匀性和电荷转移效率等关键性能参数退化显著。研究结果表明:暗信号的退化是由于中子辐照产生的体缺陷能级在耗尽层中充当复合-产生中心,增大了热载流子的产生率所致,而各像素单元暗信号退化的不一致性使暗信号非均匀性增大;电荷转移效率显著减小则是由于中子辐照在转移沟道中产生的体缺陷不断捕获、发射电子所引起。在整个实验过程中,饱和输出电压的退化可以忽略不计,表现出较好的抗位移损伤能力。     

质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

电子倍增电荷耦合器件的调制传递函数测量

基于傅里叶功率谱理论,提出应用随机白噪声图案透射靶标的测量方法分析倍增过程对系统调制传递函数的影响.通过建立系统综合模型,给出了倍增调制传递函数的分析方法,并利用实验测量获得了不同倍增增益时的倍增调制传递函数.实验结果表明,与无倍增时相比,倍增对系统调制传递函数的影响很大,尤其是在高倍增增益时,在Nyquist频率处,调制传递函数平均下降达30%.对实验中辅助成像光学系统的调制传递函数、混叠噪声和对焦判断的方法等也进行了讨论.     

电荷耦合器件的γ辐照剂量率效应研究

对电荷耦合器件进行了不同剂量率的γ辐照实验,通过多种参数的测试探讨了剂量率与电荷耦合器件性能退化的关系,并对损伤的物理机理进行分析。辐照和退火结果表明:暗信号和暗信号非均匀性是γ辐照的敏感参数,电荷转移效率和饱和输出电压随剂量累积有缓慢下降的趋势;暗场像素灰度值整体抬升,像元之间的差异显著增加;电荷耦合器件的暗信号增量与剂量率呈负相关性,器件存在潜在的低剂量率损伤增强效应。分析认为,剂量率效应是由界面态和氧化物陷阱电荷竞争导致的。通过电子-空穴对复合模型、质子输运模型和界面态形成对机理进行了解释。     

基于CCD成像的侧向散射激光雷达几何标定方法

通过分析CCD成像特点,设计了侧向散射激光雷达几何标定实验,得到CCD各像元的角宽度,并确定了CCD像元与散射光位置之间的对应关系.对两次实验中采集的回波信号进行标定,并分别与POM02进行相函数比对、与后向散射激光雷达进行探测信号比对,结果表明:相函数廓线和POM02测量结果相吻合;侧向散射激光雷达信号与后向散射雷达的距离修正信号在650m以上的变化趋势一致.侧向散射激光雷达弥补了后向散射激光雷达在近地面段不能探测气溶胶的不足,该标定方法可靠,为进一步利用侧向散射激光雷达研究近地面气溶胶的时空分布奠定了坚实的基础.     

Direct Current Arc Atomic Emission Detected by a Handheld Spectrometer Based on a Charge Coupled Device

Abstract

A mini-review of recent applications of direct current (DC) arc atomic emission spectrometry is provided. A handheld spectrometer based on a charge coupled device (CCD) is described. This was used as the dispersion and detection unit for a direct current (DC) arc optical emission spectrometer. Atomic emission of barium, copper, iron, lead, magnesium, and zinc from the DC arc source was monitored. Rapid quantitative analysis was realized with limits of detection (LODs) of 1.8 (Zn) to 9.3 (Mg) µg/g for direct solid sampling, and the upper linear ranges of the calibration curves extended at least to 1000 µg/g. In general, the LODs by the CCD compared favorably to those obtained by the traditional photographic method. The advantages include ease of operation, rapid measurement, low cost, digitized signals, downsized and automated instrumentation, and the solid sampling and multielement capabilities for the DC arc source are retained.     

质谱分析与检漏技术在成像器件研究中的应用

运用四极质谱计对微光成像器件的制管工艺质量进行大量质谱分析监测，分清了各道工序污染对制管的影响。通过对制管工艺进行改进，使制管成品率提高了50％。     

电荷注入检测器件的光谱特性和使用中应注意的若干问题

本文介绍了电荷注入器件（ＣＩＤ）的光谱特性,详细地讨论了低温状态下谱线定位和ＣＩＤ保护,分析谱线的选择,混合溶液制备一量分析的数据处理等问题。     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

Effect of charge transfer efficiency on image quality in CCD line scan-based web inspection

Charge transfer efficiency limits the performance of a CCD line scan-based imaging system. Even though the degradation of the image quality due to the inefficiency in the charge transfer is often neglected in practical work it may have considerable effect on the system performance in applications where high resolution and uniform image quality are needed. In this paper the relationship between the charge transfer efficiency and the image quality in paper web inspection and, especially, in streak detection is discussed. A simple method for the estimation of the charge transfer efficiency is proposed. The method is based on the imaging of a square wave test pattern. The degradation of the image quality due to the charge transfer is analysed both theoretically and with practical imaging experiments. The results show clearly the variation in the system performance along the CCD scan. This is emphasised in the case of small and low-contrast surface defects on the web.     

基于CCD检测器的便携式液体阴极辉光放电光谱仪快速测定卤水中的锂

锂是绿色能源和轻质合金的理想材料,作为一种重要的战略资源而备受各国重视.锂主要来源于盐湖卤水,我国盐湖卤水资源丰富,但主要分布在西部偏远地区,现场勘探和开采急需便携分析仪器的支持,然而目前现有实验分析技术均达不到野外现场分析的目标.近十年来,基于大气压液体阴极辉光放电光谱仪(SCGD-AES)因无需燃气,载气等气流条件及真空环境而受到关注.在前人研究基础上,自行开发了基于CCD光谱仪检测系统的便携式大气压液体阴极辉光放电光谱仪(简称Li-K分析仪),仪器长,宽,高分别为35,19和27 cm,重约为10 kg,十分有利于便携.选择Li的分析谱线波长为67078 nm,以取自西藏两种不同卤水水化学类型样品为研究对象,建立了卤水中Li的快速分析方法.在最佳工作条件下测得Li的检出限为4 ng·mL-1,方法的精密度(RSD)＜2％.研究表明,不同稀释倍数时,Li的分析结果与ICP-MS分析结果相差较大,这可能与溶液的基体效应有关,而采用标准加入法可有效减小基体效应的影响,获得了与ICP-MS较为一致的分析结果,可提高分析结果的准确度.大量实验结果表明,标准加入法只需2个点即可得到Li准确的分析结果,大大减少了实验工作量,为便携式Li-K分析仪在野外现场测定盐湖卤水中的Li奠定了方法学基础.     

光谱重构油菜叶绿素含量快速检测方法及设备研制

为了实现油菜叶片中叶绿素含量的快速无损检测,开发了手持式多光谱成像系统用于采集油菜叶片在460,520,660,740,840和940 nm 六个波段的光谱图像。将一台能够采集可见光/近红外（380～1 023 nm）512个波段光谱图像但是价格高昂且体积大的室内高光谱成像系统作为参考仪器,将手持式多光谱成像系统作为目标仪器后,采用伪逆法（pseudo-inverse method）求得高光谱成像系统和多光谱成像系统两台仪器之间的转换矩阵F,从而实现6个波段的多光谱图像向512个波段的高光谱图像的重构,提高了手持式设备的光谱分辨率。运用偏最小二乘回归算法（PLSR）建立了重构的光谱与油菜叶片的叶绿素含量之间的关系模型。结果表明,重构的可见光范围内的光谱反射率与叶绿素浓度之间具有很强的相关性,PLSR回归模型建模集的决定系数R2_c为0.82,建模集均方根误差RMESC为1.98,预测集的决定系数R2_p为0.78,预测集均方根误差RMESP为1.50,RPD为2.14。虽然应用本文开发的手持式成像系统结合PLSR模型实现油菜叶绿素含量快速无损预测的精度低于基于室内高光谱成像系统获得的高光谱图像建立的PLSR模型（R2_c,RMESC,R2_p,RMESP和RPD分别为0.90,1.41,0.82,1.36和2.37）,但是明显优于基于原始多光谱成像系统4个波段（460,520,660和740 nm）反射率建立的PLSR模型得到的结果（R2_c,RMESC,R2_p,RMESP和RPD分别为0.78,2.06,0.72,1.85和1.88）。表明光谱重构技术可提高多光谱成像预测油菜叶绿素含量的精度,并且与室内高光谱成像系统相比,开发的手持式设备具有体积小、成本低廉和操作简便等优点,可为田间油菜叶片的生理状态和养分检测及可视化表达提供技术支持。     

CCD功耗分析与计算

在CCD内部结构的基础上,分析了CCD的动态功耗和静态功耗两部分.静态功耗是CCD片上输出放大器所消耗的功率;动态功耗是由于CCD驱动时钟对时钟电极的串联等效电容或极间电容进行充放电,充放电电流流过多晶硅电极电阻或串联等效电阻引起功率耗散.分别给出了二者的估算方法,其中动态功耗的估算方法有集总模型估算法、分布式模型估算法及PSpice仿真估算法三种.结合具体项目,在对CCD47-20的工作模式和工作时序分析的基础上,采用集总模型估算法对其功耗进行了估算,并通过实验估测验证了估算方法的有效性.     

Effects of electron multiplication on the CCD SNR in remote sensing application

A mathematical model describing the effect of electron multiplication (EM) gain on the detector signal to noise ratio (SNR) is presented, and then two types of experiment have been made to test their relationship. The experimental results of the radiometric calibration and imaging in practice both show that the initial EM gain amplification makes the most significant improvement on the EM charge coupled device (CCD) SNR, while as the gain factor continues to increase, the EMCCD SNR improvement will become negligible.