[發明專利]近紅外微弱脈沖光譜輻亮度校準裝置

有效

• 申請號: 201410001652.7
• 申請日: 2014-01-01
• 公開（公告）號: CN103776531A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 李宏光;袁良;劉瑞星;俞兵;楊鴻儒;韓占鎖;吳寶寧
• 申請（專利權）人: 西安應用光學研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種近紅外微弱脈沖光譜輻亮度校準裝置，包括光源組件(1)，光柵光譜儀(3)，裝有光譜輻亮度校準數據處理軟件包的計算機(4)，其特征在于：還包括含有耦合透鏡(2-1)和陣列光纖束(2-2)的光纖組件(2)，所述光柵光譜儀(3)含有濾光片(3-1)、狹縫(3-2)、平場凹面光柵(3-3)、面陣EMCCD(3-4)；所述光源組件(1)包含一維移動平臺(1-6)，用于標定光柵光譜儀(3)的高溫黑體(1-1)、白光光源(1-2)、高壓汞燈(1-3)和脈沖開關(1-5)，高溫黑體(1-1)、白光光源(1-2)和高壓汞燈(1-3)一字排列安裝在一維移動平臺(1-6)上且三者的發光面均位于同一個平面即標定面；標定時，推動一維移動平臺(1-6)使高溫黑體(1-1)、白光光源(1-2)、高壓汞燈(1-3)的發光面的中心逐個對準脈沖開關(1-5)的中心，脈沖開關(1-5)的中心與所述耦合透鏡(2-1)的中心正對；

所述耦合透鏡(2-1)為凸透鏡，所述陣列光纖束(2-2)的輸入端為單根光纖，輸出端含有n根按一字排列的光纖,n≥10，n的取值取決于所述狹縫(3-2)的長度；耦合透鏡(2-1)通過光纖連接器與陣列光纖束(2-2)的輸入端相連；陣列光纖束(2-2)和狹縫(3-2)長度相同且平行正對，平場凹面光柵(3-3)的刻線方向與陣列光纖束(2-2)和狹縫(3-2)的長度方向垂直，同時與面陣EMCCD(3-4)的長度方向一致；

當對被測脈沖光源(1-4)校準時，將被測脈沖光源(1-4)放置在一維移動平臺(1-6)上，其發光面與所述標定面重合且發光面的中心對準耦合透鏡(2-1)的中心；被測脈沖光源(1-4)發出的脈沖光束經耦合透鏡(2-1)耦合到陣列光纖束(2-2)的輸入端，由陣列光纖束(2-2)輸出端出射的一列光束照射到濾光片(3-1)上，經濾光后到達狹縫(3-2)，由狹縫(3-2)出射的光束入射到平場凹面光柵(3-3)上；光束經平場凹面光柵(3-3)色散后聚焦到面陣EMCCD(3-4)的光敏面上并形成n行線光譜，面陣EMCCD(3-4)將接收到的線光譜信號轉換為電信號后送入計算機(4)；

計算機(4)帶有存儲器和數據采集卡且內置有光譜輻亮度校準數據處理軟件包，存儲器存有波長標定數據庫、光譜輻亮度修正系數數據庫、光譜輻亮度標定數據庫和校準過程中所用的已知參數：其中，波長標定數據庫為通過高壓汞燈(1-3)獲得的面陣EMCCD像元列j所對應的波長λ_j數據表；光譜輻亮度修正系數數據庫為通過高溫黑體(1-1)獲得的面陣EMCCD像元列j所對應的光譜輻亮度修正系數K(λ_j)數據表，光譜輻亮度標定數據庫為通過白光光源(1-2)獲得的面陣EMCCD像元列j所對應的標準光譜輻亮度L_CC(λ_j)數據表；

光譜輻亮度校準數據處理軟件包包括菜單模塊、采集模塊、計算模塊：

所述菜單模塊的功能是在計算機顯示器上顯示一組功能按鈕、光譜采集選擇菜單、參數設置欄和顯示窗口；功能按鈕包括背景測試按鈕、脈沖光源測試按鈕、計算按鈕；光譜采集選擇菜單包括單光譜采集和多光譜采集兩個選項；參數設置欄用于輸入被測脈沖光源的脈寬參數τ，顯示窗口用于顯示背景電壓測試曲線、被測脈沖光源的電壓測試曲線以及光譜輻亮度曲線；

所述采集模塊的功能是，在單光譜采集選項下,當接收到背景測試按鈕指令時，通過數據采集卡采集面陣EMCCD一個積分周期輸出的隨像元列j變化的背景測試信號V_Bi(j)，調用波長標定數據庫將背景測試信號V_Bi(j)轉換為隨波長λ_j變化的背景電壓測試信號V_Bi(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中顯示隨波長λ_j變化的背景電壓測試曲線；當接收到脈沖光源測試按鈕指令時，通過數據采集卡采集面陣EMCCD一個積分周期輸出的隨像元列j變化的脈沖光源測試信號V_Ci(j)，并調用波長標定數據庫將脈沖光源測試信號V_Ci(j)轉換為隨波長λ_j變化的脈沖光源測試信號V_Ci(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中顯示隨波長λ_j變化的脈沖光源電壓測試曲線；其中：i=1、2、.......、n,i表示面陣EMCCD中成像區域的像元行數,n取決于陣列光纖束2-2輸出的光纖數量，即各行成像與陣列光纖束中各光纖的輸出光束一一對應；j表示面陣EMCCD中成像區域的像元列數,j=1、2、.......、J,J取決于光束經平場凹面光柵3-3色散后聚焦在面陣EMCCD光敏面上的線光譜寬度以及面陣EMCCD的像元尺寸，λ_j表示與像元列j所對應的波長值；在多光譜采集選項下，當接收到背景測試按鈕指令時，通過數據采集卡采集面陣EMCCD在τ時間段內輸出的M個隨像元列j變化的背景測試信號V_Bim(j)，調用波長標定數據庫將背景測試信號V_Bim(j)轉換為隨波長λ_j變化的背景測試信號V_Bim(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中逐條顯示隨波長λ_j變化的背景電壓測試曲線；當接收到脈沖光源測試按鈕指令時，通過數據采集卡采集面陣EMCCD在τ時間段內輸出的M個隨像元列j變化的脈沖光源測試信號V_Cim(j)，并調用波長標定數據庫將脈沖光源測試信號V_Cim(j)轉換為隨波長λ_j變化的脈沖光源測試信號V_Cim(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中逐條顯示隨波長λ_j變化的脈沖光源電壓測試曲線；其中：m=1、2、..........M,m為面陣EMCCD的積分周期數，M＝τ/T，T為面陣EMCCD的積分周期；

計算模塊功能是：在單光譜采集選項下,當接收到計算按鈕指令時，調用光譜輻亮度修正系數數據庫和光譜輻亮度標定數據庫，根據以下一組公式計算被測脈沖光源的光譜輻亮度值L(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中顯示被測脈沖光源隨波長變化的光譜輻亮度曲線：

L(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_C(λ_j)-V_B(λ_j)]

VB(λj)=Σi=1nVBi(λj)]]>

VC(λj)=Σi=1nVCi(λj)]]>

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

式中，j=1、2、.......、J，L_CBB(λ_j)是高溫黑體在2856K色溫下的理論光譜輻亮度值，L_CC(λ_j)為白光光源的標準光譜輻亮度值，L_CC0為白光光源出廠時的光譜輻亮度值，V_CBB(λ_j)是高溫黑體在2856K色溫下的測試電壓值，V_CC(λ_j)是白光光源的測試電壓值，上述五個參數均為已知值；在多光譜采集選項下,當接收到計算按鈕指令時，調用光譜輻亮度修正系數數據庫、光譜輻亮度標定數據庫，反復根據以下一組公式計算被測脈沖光源從第一周期數至第M周期數的光譜輻亮度值L_m(λ_j)，并在菜單模塊的顯示窗口中按周期數的順序逐條顯示被測脈沖光源隨波長變化的光譜輻亮度曲線；

L_m(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_Cm(λ_j)-V_Bm(λ_j)]

VCm(λj)=Σi=1nVCim(λj)]]>

VBm(λj)=Σi=1nVBim(λj)]]>

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

采用上述一組公式的計算過程為：在m=1時，將j=1、2、.......、J時的λ_j代入上述公式獲得第一個光譜輻亮度值L₁(λ_j)，在m=2時，將j=1、2、.......、J時的λ_j代入上述公式獲得第二個光譜輻亮度值L₂(λ_j)，直到m=M時，將j=1、2、.......、J時的λ_j代入上述公式獲得第M個光譜輻亮度值L_M(λ_j)。

2.根據權利要求1所述的近紅外微弱脈沖光譜輻亮度校準裝置，其特征在于：所述平場凹面光柵(3-3)的波段范圍為0.9μm～1.1μm,色散后光譜面的寬度為25.3830mm；所述狹縫(3-2)的寬度為10μm；所述面陣EMCCD(3-4)的像元尺寸為16μm×16μm，取n=19，J=1587，T=0.6ms。