CCD致冷技术在小型光谱仪降噪中的应用

与传统光谱仪相比,小型光谱仪在性能上存在着较大的差距,光度准确度较差、信噪比低等问题限制了其在弱光检测中的应用。分析小型光谱仪的噪声来源及其抑制方法,结合CCD设计了其致冷结构,并采用半导体致冷技术对自行设计的小型光谱仪进行了降噪处理。测量了不同温度下CCD的暗电流,发现致冷对CCD噪声起到很好的抑制作用;在此基础上,参照分光光度计的国家机械行业标准和计量检定规程,测量了致冷条件下小型光谱仪的光度噪声和基线平直度。结果表明：致冷能有效地提高仪器的性能,实验用小型光谱仪的光度噪声为±0.002Abs,基线平直度为±0.004Abs。     

面阵CMOS光纤光谱仪研制

研制了一种以非对称交叉Czerny-Turner光路为结构的互补金属氧化物半导体小型光纤光谱仪样机,探讨了以面阵互补金属氧化物半导体图像传感器作为光电探测器的光度测量准确性和线性问题,分析了杂散光对吸光度测量的影响.结论是:通过光强定标和非线性修正后,互补金属氧化物半导体小型光纤光谱仪可以满足一般的应用要求,其光谱测量范围为380~800 nm,光谱带宽约6 nm,积分时间1~500 ms,波长准确度±1 nm,光度准确度±0.03 AU.该光谱仪具有小型化、低成本、速度快等优点.     

高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计

为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求,设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件,为线阵CCD提供多路驱动信号;线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样,变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪,对汞灯谱线进行特征峰测试,光谱分辨率可以达到0.062 nm,满足高分辨率光谱仪的探测要求。     

基于面阵CCD的影像光度快速测试系统

根据光度学的理论,分析了面阵CCD运用在影像光度快速测量中存在的问题和解决办法,讨论了面阵CCD匹配成与人眼视觉相符合的光度匹配器的匹配方法和误差推算方法,详细介绍了运用光电积分法结合面阵电荷耦合器的影像光度快速测试系统的工作原理、组成结构和设计方法。系统一次成像即可实现全画面各个细节的光度信息,为影像光度参数的快速测试提供了较好的应用技术。     

一种同时测量平行偏差、倾斜偏差的方法

提出了一种仅由接收物镜和CCD构成的接收器,通过物镜位置的调整,可以同时完成平行偏差（平偏）和倾斜偏差（角偏）这两个参量的测量.通过对系统像差的分析,提出了可显著降低物镜像差对测量结果影响的算法.理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1/1.6 inch的系统,平偏测量准确度可达0.02 mm,角偏测量准确度可达9.5″.     

线阵CCD立靶系统全视场测量误差分析

基于线阵CCD交汇立靶测量系统空间坐标新误差分析模型,用matlab分析了在图像判读精度为±0.5像素的情况下测量系统整个靶面误差情况。在理论分析基础上,用两相机间距为1664mm的线阵CCD正交交汇立靶测量系统对垂直靶面入射的小钢珠进行了空间坐标测量实验。实验结果表明,在线阵CCD有效靶面内,水平方向误差约为0.5mm,垂直方向误差约为0.8mm;与理论分析结果水平方向误差不超过0.5mm,垂直方向误差不超过1.1mm一致。     

高速便携式近红外光栅光谱仪光电系统设计

设计制作了一种基于线阵CCD和USB2.0数据采集系统的高速便携式近红外光栅光谱仪。分光系统采用平面光栅、球面反射镜的准直和成像系统,实现了平谱面和较小的谱线弯曲（﹤4.2%）,利于CCD探测器接收。测控系统采用FPGA和USB2.0接口技术,不仅优化了硬件电路结构,而且大大提高了数据采集速度,最快可达2MB/S。对测量结果进行分析,并给出了波长标定结果。实验结果表明,该光谱仪高速便携,波长精度可达1nm。     

辊型CCD检测法中轧辊轴线偏移的补偿

根据激光线阵CCD检测技术原理,提出一种快速、高准确度的轧辊辊型检测方法,阐述了系统组成与检测过程.针对辊型检测过程中易出现的轴线偏移现象,从垂直检测平面和平行检测平面两个方向采取补偿措施,有效地提高了系统检测准确度.同时检测系统对CCD信号进行处理时,采用浮动阈值法,有效降低噪音对CCD成像质量的影响,保证了系统的分辨率与检测准确度.实验证明,系统的检测准确度可达到实际生产过程中辊型检测的要求,为实现辊型在线检测的高速、高准确度、高自动化提供了一种新的研究方法.     

基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法研究

针对瞬态光谱检测中对CCD线扫描速度要求高的特点,提出一种基于面阵CCD的瞬态光谱检测方法。该方法通过改变面阵CCD的电荷转移方式,以实现基于面阵CCD的高速线扫描。为了探究此方法的可行性,初步通过改变线阵CCD的电荷转移方式,建立了基于线阵CCD的单点超快探测系统。在发光二极管(light emitting diode,LED)光脉冲探测实验中,系统分别工作在单点超快探测模式和正常模式下。测试结果表明,基于线阵CCD的单点超快探测方法是可行的,单点探测速率可达20MHz。从而在理论上证明,通过改变CCD电荷转移方式以实现基于面阵CCD的瞬态光谱检测也是切实可行的。     

三种光电器件用于天体光度测量时的性能比较

从天体光度测量原理出发推导出光电倍增管、普通CCD和电子倍增CCD在天体光度测量中的信噪比公式,从理论上比较了三种器件在天体光度测量中的性能,并给出了实验结果。结果表明,电子倍增CCD的性能最好;在光辐射度较小的条件下,读出噪声严重地影响了普通CCD的信噪比,光电倍增管的性能较普通CCD的好;而在光辐射度较大的条件下,量子效率成为信噪比的决定因素,普通CCD的性能较光电倍增管的好。最后从误差平方和与信噪比两个方面对理论推导进行了实验验证,结果表明实验结果和理论计算吻合得很好。     

微型光谱仪光学结构研究

光谱仪是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器之一,仪器的小型化对于扩展仪器使用范围有很大的帮助。设计一种微型可见光CCD摄像光谱仪的光学结构,通过理论计算,选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜,并将它们合理组合,采用聚焦反射和分光的方法,将待测光进行色散,直接投射到CCD接收器件的表面。最后对设计的仪器性能进行了分析。结果表明：仪器的光学结构大大简化,整体尺寸减小,且精度有一定程度的提高。     

微型光谱仪的数据噪声处理

原始信号的噪声处理是微型光谱仪器数据处理的重要组成部分,为了提高在弱光照射下便携式微型光谱仪的工作性能,在分析了线阵CCD探测器的各种噪声来源基础上,指出依靠硬件电路去除噪声在微型仪器设备应用的局限性。虽然判断一段离散数据曲线上噪声大小可以采用解析几何或者傅里叶变换得到特征频谱来判断,但是运算复杂,不利于在单片机应用中编程。通过对Freeman方向链码的分析,提出利用Freeman方向链码判断一段曲线上的噪声程度,量化后作为平滑窗口尺寸选择的依据。在处理线阵CCD输出信号中将该方法与固定窗口曲线平滑或者FFT数字滤波器进行了比较,证明了其可行性。Freeman链码的应用简化了在单片机编程中使用数字滤波器的大模块的编程,降低了编程难度,同时使信号噪声的处理仅仅在数学运算阶段中,不引入其他的电路噪声,从而达到比前期增加电子元件处理的方法能更好地抑制噪声的目的。     

高速紫外-可见分光光度计的研制

研制了一种采用线阵CCD的高速紫外-可见分光光度计。报道了该分光光度计的硬件结构、软件系统设计和初步的性能测试结果。初步测试结果：波长范围 200～820 nm,全谱扫描时间<0.1 s,光谱带宽 0.7 nm,波长精度 ±1 nm,光度精度±0.005 AU,杂散光<0.1％,基线平直度<0.001 AU(rms)。该仪器使用操作简便,测量速度快,性能优良,具有强大的光谱数据分析与处理功能,而且还独具远程操作和访问功能。预期该仪器除了可用于常规分析测试外,还适用于化学和生物等领域的动力学反应研究。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

激光告警系统中小型静态傅里叶变换光谱仪的研究

相干激光告警接收机较光谱识别型激光告警接收机有着不可比拟的优点,在相干激光告警中实时可靠地获取敌方来袭激光的光谱细节具有重要意义。文章介绍的基于等效斜楔干涉具和线阵CCD的小型静态傅里叶变换光谱仪,是相干激光告警接收机的重要组成部分,其光学部分由一个等效斜楔干涉具和柱面镜组成,内部不含扫描部件,具有体积小、成本低、结构简单、性能稳定、光谱检测速度快等优点,可以满足脉宽大于等于10 ns脉冲激光信号光谱高速探测的要求。该光谱仪波长范围从400到1 100 nm,波长分辨率小于10 nm。文中详细介绍了该光谱仪的设计方法和关键光学元件的设计原理,进行了相关的性能分析,构建了实验系统,应用该实验系统对7个中心波长分别为635,650 nm等的半导体激光器进行了光谱测试,并将测试结果与使用日本Advantest公司的Q8344A型光谱仪测得的结果进行了比较,得到中心波长平均误差为0.269 nm,绝对平均误差为0.919 nm。波长分辨率最小为1.170 nm,最大为8.845 nm,且有较高的信噪比。     

基于平板波导的小型红外光栅光谱仪光学设计

为实现红外光谱仪器的小型化,通过分析现有小型光谱仪,提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。在平板波导光谱仪中,光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播,看起来像是整个光学系统被压扁了。在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小,从而显著减小光学系统的尺寸。该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、波导结构设计。先根据像差理论设计Czerny-Turner结构,目标是保证光谱分辨率及校正像差;然后根据几何光学理论设计波导结构,包括平板波导和两个柱面透镜,目标是压缩光束并校正像散;最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化,以获得最优的光学系统。据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪,工作波段为8~12 μm,数值孔径为0.22,采用线阵探测器。通过Zemax软件对结果进行分析和评价,表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm,工作波段内光谱分辨率达到80 nm,满足设计指标要求。证明了该优化设计方法是可行的,所得系统尺寸小、性能高。     

基于银膜孔阵列超强透射效应的相敏表面等离子体共振传感器的仿真研究(英文)

We present an ultra compact and high resolution free space optical spectrometer and demonstrate it by using FDTD simulations. The miniature interferometer-based spectrometer is a series of submicron phase objects on a polymethyl methacrylate(PMMA) film with a CCD as the detector. The spectrum is obtained by solving a system of simultaneous linear equations. The Tikhonov regularization method is used to achieve a resolution at the picometer level. Compared with conventional spectrometers, the proposed device...