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的制作方法
技術領域：
本發明涉及微電子、電路設計技術領域，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。
背景技術：
隨著航空航天、遙感遙測、生物醫學，食品衛生、機載探測、跟蹤，微光夜視偵察跟蹤和光電武器制導系統等領域的突破性發展，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構有決定性作用。高靈敏度光電探測器因為能探測一定波長范圍內的所有譜線，在現代光譜采集系統中獲得了越來越廣泛的應用。光譜采集系統的主要任務是將來自于色散系統的輸出光信號轉化并顯示為被研究物質的參數的數值或圖樣。這些數值或圖樣是進行后續光譜信號處理及分析的基礎， 并且接收系統的性能直接影響到光學系統的設計以及整個光譜儀的靈敏度、分辨率等。目前，國內使用的光譜儀均采用CCD陣列探測器，CCD陣列探測器的響應光譜慢， 積分時間長，分辨率和靈敏度都比較低，雖然光譜儀在PC機的支持下可以快速、直觀的對物質進行定性、定量分析，但便攜性較差，尤其是野外條件下則不便于檢測。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而設計的一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統，它采用量子點-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，實現256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜在儀器終端進行采集、顯示和存儲，具有結構簡單，體積小，微光探測精度高，快速便捷，適于便攜移動使用，有利于推動光電探測器在微光低輻照度探測領域的廣泛應用。本發明的目的是這樣實現的一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統，其特點是該測試系統由光源、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可調光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點光源；采集光路為準直透鏡、全息光柵和聚焦透鏡構成的光學平臺；光電器件為量子點-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路；信號采集電路由時序發生器、A/D轉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入采集光路，模擬的全太陽光譜經準直透鏡成為平行光，然后經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換成電壓信號輸入信號采集電路，信號采集電路的A/D轉換器將信號轉換后由緩沖器輸入ARM處理電路，ARM處理電路將接入的光譜信號經緩沖芯片輸入ARM主板，ARM主板將輸入的光譜數據由嵌入系統運行的ARM信號處理軟件進行數字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進行光譜的采集和測試。所述時序發生器為產生驅動光電器件控制信號、A/D轉換器控制信號和緩沖器寫信號的時序邏輯器件。
本發明與現有技術相比具有以下優點
(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，彌補了 CCD器件探測波段的不足；
(2)、增益自動可調，積分時間短，最短的積分時間可達IOms ；
(3 )、實現256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜在儀器終端進行采集、顯示和存儲的一體化，結構簡單，體積小，微光探測精度高，快速便捷，適于便攜移動使用，有利于推動光電探測器在微光低輻照度探測領域的廣泛應用。
圖1為本發明結構示意圖； 圖2為采集光路結構示意圖3為信號采集電路結構示意圖； 圖4為ARM處理電路結構示意圖。
具體實施例方式參閱附圖1，本發明由光源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-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生的電流信號轉換成電壓信號，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運行的ARM信號處理軟件進行數字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏6進行光譜的采集和測試。光源1由氙燈和溴鎢燈組成連續可調光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點光源， 氙弧輻射被認為是最能模擬全太陽光譜，因為它能產生紫外光、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光穩定。光電器件3為量子點-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信號處理電路之間的接口電路，它可以將探測器產生的電流信號轉換成電壓信號，并且在時序發生器41的時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的性能。將異質結量子點-量子阱光電探測器與CDS讀出電路對接在一個基板上并焊接在杜瓦瓶里，以減少外部電磁干擾，實現256像元探測器在20(Tl IOOnm波段的光譜測量。該讀出電路根據探測器輸出信號的大小自動調節積分電容的大小，實現對光電探測器微弱信號的高靈敏度和信噪比、大動態范圍的讀出，積分時間短，最短的積分時間可達10ms。基于光電測試平臺，采用Kelthley 4200-SCS半導體特性分析儀和波長為633nm 的氦氖激光器，測試量子點-量子阱光電探測器的I-V特性、C-V特性參數等，根據測試得到的光電探測器的基本數據，計算和分析探測器的響應率、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為準直透鏡21、全息光柵22和聚焦透鏡23構成具有高光通量和精確的光學特性平臺，由光源1模擬的全太陽光譜由狹縫M入射進入采集光路2，模擬的全太陽光譜經準直透鏡21成為平行光，然后經全息光柵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由時序發生器41、A/D轉換器42和緩沖器43組成的信號采集裝置，A/D轉換器42輸出連接緩沖器43輸入；時序發生器41分別與、A/D轉換器 42與緩沖器43連接；A/D轉換器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；時序發生器41為產生驅動光電器件3控制信號、A/D轉換器42控制信號和緩沖器43寫信號的時序邏輯器件。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運行的ARM信號處理軟件進行數字濾波、顯示和保存處理，經數字濾波、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，它接收采集到的光譜信號，通過嵌入式系統運行的信號處理軟件，對光譜數據進行數字濾波、處理、顯示以及保存等處理，移植QT/ Embedded圖形庫和設計了光譜儀操作界面，支持圖形化應用軟件，操作直觀方便。以上只是對本發明作進一步的說明，并非用以限制本專利的實施應用，凡為本發明等效實施，均應包含于本專利的權利要求范圍之內。
權利要求
1.一種覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統，其特征在于該測試系統由光源、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可調光譜范圍為20(T2500nm波段輻射的點光源；采集光路為準直透鏡、全息光柵和聚焦透鏡構成的光學平臺；光電器件為量子點-量子阱光電探測器與CDS對接的讀出電路；信號采集電路由時序發生器、A/D轉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入采集光路，模擬的全太陽光譜經準直透鏡成為平行光，然后經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換成電壓信號輸入信號采集電路，信號采集電路的A/D轉換器將信號轉換后由緩沖器輸入ARM處理電路，ARM處理電路將接入的光譜信號經緩沖芯片輸入ARM主板，ARM主板將輸入的光譜數據由嵌入系統運行的ARM信號處理軟件進行數字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進行光譜的采集和測試。
2.根據權利要求1所述覆蓋可見光的寬波段高靈敏度光譜采集測試系統，其特征在于所述時序發生器為產生驅動光電器件控制信號、A/D轉換器控制信號和緩沖器寫信號的時序邏輯器件。
全文摘要
本發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，其特點是該測試系統由光源、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入采集光路，光譜經準直透鏡成為平行光，然后經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信號處理軟件進行數字濾波、顯示和保存處理后由觸摸顯示屏進行光譜的采集和測試。本發明與現有技術相比具有采集、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 優先權日2011年12月2日
發明者劉劍, 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