专利名称：一种采集光谱的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采集光谱的方法和装置，特别涉及时间采集光谱的方法和装置。
背景技术：
光谱分析中，有时需要研究不同时间的光谱特征，时间解析光谱技术就是一种从时间上分解光谱的技术，它的目的是将持续一定时间的光谱按时间分解成很多小段光谱， 从而可以分析光谱随时间的变化，也可以从中获取感兴趣的一段或几段光谱。时间解析光谱技术应用在金属成分分析等领域中。由于时间解析光谱是将一段持续的光谱分解成很多段光谱，因此对探测器的时间响应速度和稳定性都要求比较高。传统的时间解析光谱技术主要是通过控制光电倍增管的开闭实现的，例如通过控制光电倍增管负高压的开闭在需要采集光谱的开始阶段打开负高压，光电倍增管将光信号转换为电信号，采集结束后，迅速断开光电倍增管的负高压，光电倍增管停止光信号向电信号的转换。光电倍增管负高压的开闭速度可以做到很快，但由于光电倍增管本身只能探测特定位置特定波长的谱线，因此不能实现全谱测量。随着阵列式探测器的发展，越来越多的人开始研究基于电荷耦合元件(Charge Coupled Device，简称(XD)的时间解析光谱技术的实现方法。C⑶传感器主要包括光电传感器阵列、读出转移开关、寄存器阵列和时钟控制等。首先光电传感器阵列感受到光信号后，生成电荷信号，电荷信号的多少与光信号的强度有关。生成的电荷信号在传感器阵列中。当读出开关打开后，传感器阵列中的电荷全部转移到寄存器阵列中，这个过程一般在几到十几纳秒内完成。转移结束后，读出开关关闭，传感器阵列继续电荷，此时再通过时钟脉冲控制，将寄存器中的电荷顺序逐个转移读出，读出速率一般在几兆到几十兆。CXD实现时间解析光谱的主要难点在于最后顺序读出速率较慢，例如对于2048像素的线阵CCD而言，如果读出速率为1兆，读出的时间为2048/(1000000)秒，即2. 048毫秒。对于持续时间较短的光谱，是不能完成时间解析光谱要求的。目前，利用CCD实现时间解析光谱的思路有两种，一种是采用面阵CCD，每次只让一列传感器阵列曝光，这样，在光谱持续的过程中，通过控制各列在不同时间曝光，达到时间解析光谱的目的，这种方法是将面阵CXD当做线阵CXD用，但由于光谱要分布到整个面阵CXD上，因此，到达每个像素的能量会降低，不利于提高信噪比。另一种是采用线阵CCD加多个电荷转移存储单元的模式，CCD 采集到的信号，先逐步转移到各个存储单元中，这样，在各存储单元中就保留下了不同时间的光谱信息。无论是采用面阵CCD或是线阵CCD加多个电荷转移存储单元的做法，都会对器件提出很高的要求，制作工艺复杂，器件的成本较高。普通的CCD是无法实现的这些功能的。 事实上，很多时候不需要将光谱分解成很多段，只需要避开前一段或后一段光谱即可。例如利用火花光谱仪分析钢铁成分的时候，由于火花刚开始的一段光谱中包含很多的背景光谱，因此，如果避开前一段光谱，就可以减小背景光谱的影响。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种方法简便、成本低的采集光谱的方法，以及一种结构简单、成本低的采集光谱的装置。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案一种采集光谱的方法，包括以下步骤a、在Ttl时刻，光谱开始出现，给出同步信号；b、在T1时刻，将CXD传感器阵列中的T1时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据；开始采集光谱，CXD传感器阵列中重新累积电荷；(、在1~2时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕；在T1时刻到T2时刻内仅有一个光谱脉冲出现；将CCD传感器阵列中T1时刻到T2时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中；d、读取寄存器中的数据，从而得到从T1时刻到T2时刻的光谱强度A10进一步，当光谱脉冲是周期性出现时，在之后的光谱脉冲出现时，采用所述步骤 a_d中的方式得到从T'工时刻到T' 2时刻的光谱强度A'工，从而得到T1时刻到T3时刻内的光谱强度A = A1-A' 1;T3时刻到T'工时刻间隔一个或多个周期，T2时刻到T' 2时刻间隔一个或多个周期，且1~2时刻到T'工时刻内寄存器内的数据已经读取。进一步，采用所述步骤a_d中的方式，利用另一 CCD传感器阵列同时得到T'工时刻到T2时刻内的光谱强度A'工，从而得到T1时刻到T'工时刻内的光谱强度A = A1-A' 10为了实现上述方法，本发明还提出了这样一种采集光谱的装置，所述装置包括在光谱出现时的Ttl时刻给出同步信号的信号产生�？椋籆⑶传感器，包括传感器阵列、读出开关、寄存器阵列；控制�？椋糜谑沟迷谕叫藕懦鱿趾蟮腡1时刻，先将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T2时刻结束光谱采集，并将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列中；处理�？椋糜诙脸鲈�1~2时刻转移到寄存器阵列中的数据，从而得到从T1时刻到 T2时刻内的光谱强度A1。作为优�。鯟CD传感器的数量为一个，使得在控制�？榭刂葡孪群蟮玫焦馄浊慷華1和A' 1； A'工为！1'工时刻到T' 2时刻的光谱强度；利用所述处理�？榈玫絋1时刻到T3时刻的光谱强度A = A1-A' 1； T3时刻到T'工时刻间隔一个或多个周期，T2时刻到 T' 2时刻间隔一个或多个周期。作为优�。鯟CD传感器的数量为两个，使得在控制模块控制下同步得出光谱强度、和々'ι;Α'工为！1'工时刻到T2时刻的光谱强度，T'工兴T1 ；利用所述处理�？榈玫絋1时刻到T'工时刻的光谱强度A = A1-A' 10与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果1、与目前CXD的光谱采集方法相比，可以避开前一段光谱，在一些特殊场合可以提高光谱分析精度2、与采用特殊CXD的方法相比，本发明使用的是普通(XD，制作工艺成熟，成本低
图1是CXD的结构示意图；图2是光谱采集装置的结构示意图；图3是实施例1中光谱采集时序控制示意图；图4是实施例2中光谱连续采集时序控制示意图；图5是实施例3中采集周期性光谱中某一段的时序控制示意图；图6是实施例4中光谱采集时序控制示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。实施例1 如图1、图2所示，一种光谱采集装置，包括给出同步信号的信号产生�？椋籆CD传感器1，包括光电传感器阵列2、寄存器3、电荷转移开关4、电荷\电压转换单元5 ；所述光电传感器阵列2中的每个光电传感器单元，都对应寄存器3中的一个存储单元。所述电荷转移开关4由ROG的电压控制，ROG为高电平时，电荷在光电传感器阵列2中， ROG经历一次负脉冲时，电荷从光电传感器阵列2中转移到寄存器3中。寄存器3中的电荷顺序转移由CLK电压控制，CLK经历一次正脉冲时，寄存器3中的电荷就会顺序转移一位， 最前端的一位会通过所述电荷\电压转换单元5转换成电压信号，由Vott输出。控制�？椋糜谑沟迷谕叫藕懦鱿趾蟮腡11时刻，先将光电传感器阵列2中的光生电荷转移到寄存器3阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T14时刻结束光谱采集，并将光电传感器阵列2中的光生电荷转移到寄存器3中；处理模块，用于读出在T14时刻转移到寄存器3中的数据，从而得到从T11时刻到 T14时刻内的光谱强度A1。A/D转换器件7，该器件的输出端与CXD传感器1的电压输出Vot连接，输出端与处理�？榱樱敝有藕庞蒝 m控制。上述控制�？楹痛砟？榧稍诳刂萍笆荽淼ピ�6中。所述CCD传感器1中ROG电压和CLK电压由控制及数据处理单元6中的V _和V CLK控制。所述控制及数据处理单元6还有一个同步信号输入端V—SOTffiE。本实施例还揭示了一种采集光谱的方法，如图1、2、3所示，包括以下步骤a、在Tltl时刻，信号产生模块发送一个同步脉冲信号至处理单元6的接收端V ，根据光谱需要延迟的时间，计算光谱开始采集时刻T11 ；b、Tn时刻到来时，光谱8已经产生，处理单元6 WVroe输出一个负脉冲，光电传感器阵列2中已的电荷转移到寄存器3 ；光谱采集开始，光电传感器阵列2重新开始电荷；T12时刻，处理单元6的Vto输出一系列的正脉冲，将寄存器3中存储单元的电荷转移出，T13时刻寄存器3中所有电荷全部转移出，寄存器中无剩余电荷；C、在T14时刻，光谱采集结束，此时处理单元6的Vjmk输出一个负脉冲，光电传感器阵列2中的电荷转移到寄存器3 ；d、在T15时亥lj，处理单元6 WV roe输出一系列的正脉冲，将寄存器3中的电荷转移出(在1\6时刻，电荷完全转移出寄存器)，每经历一次脉冲，A/D转换器件7就将Vot端的电压信号转换为数字信号，并传输给处理单元6，处理单元6将这些数据存储下来，这些数据的大小与光电传感器阵列2中相应位置在T11时刻至T14时刻内接收到的光谱强度A1有关。实施例2:请一并参阅图1、图2、图4所示，一种光谱采集方法，实现光谱连续采集，具体方式为采用实施例1中的方式采集光谱，如T11时刻至T14时刻内接收到的光谱强度A” T21时刻至Tm时刻内接收到的光谱强度A2等，但下一次开始采集光谱的时刻必须处于上一次电荷完全转移出寄存器的时刻，如T21时刻必须在T16时刻之后。实施例3 请一并参阅图1、图2、图5所示，一种采集光谱的方法，用于采集周期性光谱中某一段，如一个光谱脉冲中T11时刻至T17时刻内的光谱强度，具体方式为在一个光谱脉冲出现时，采用与实施例1相同的方式得出T11时刻至T14时刻的光谱强度A1 ；在下一个光谱脉冲出现时，采用与实施例1相同的方式得出T21时刻至T24时刻的光谱强度A2, T17时刻至T21时刻相隔一个周期(当然也可以是多个周期)，T14时刻至T24 时刻相隔一个周期(当然也可以是多个周期)，从而得出T11时刻至T17时刻内的光谱强度 A — A-^-A 2 ο实施例4 一种光谱采集装置，与实施例1不同的是还包括另一 CCD传感器，所述控制及数据处理单元6用于控制该传感器以及传感器输出数据的处理，具体控制和处理方式和实施例1相同。一种光谱采集方法，如图6所示，具体方式为采用与实施例1相同的方式，在一个光谱脉冲出现的过程中，分别利用不同的CCD 传感器同时得出T11时刻至T14时刻内的光谱强度Ai、T21时刻至T14时刻内的光谱强度A2, 从而得出T11时刻至T21时刻内的光谱强度A = A「A2。上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种采集光谱的方法，包括以下步骤a、在Ttl时刻，给出同步信号；根据所述同步信号和延时采集时间，得出光谱采集时刻T1 ；b、在T1时刻，将CCD传感器阵列中的T1时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据；开始采集光谱，CCD传感器阵列中重新累积电荷；(3、在1~2时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕；在T1时刻到T2时刻内仅有一个光谱脉冲出现；将CCD传感器阵列中T1时刻到T2时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中；d、读取寄存器中的数据，从而得到从T1时刻到T2时刻内的光谱强度~。
2.根据权利要求1所述的采集光谱的方法，其特征在于当光谱脉冲是周期性出现时， 在之后的光谱脉冲出现时，采用所述步骤a-d中的方式得到从T'工时刻到T' 2时刻的光谱强度A'工，从而得到T1时刻到T3时刻内的光谱强度A = A1-A' ”T3时刻到T'工时刻间隔一个或多个周期，T2时刻到T' 2时刻间隔一个或多个周期，且T2时刻到T'工时刻内寄存器内的数据已经读取。
3.根据权利要求1所述的采集光谱的方法，其特征在于采用所述步骤a_d中的方式， 利用另一 CCD传感器阵列同时得到T'工时刻到T2时刻内的光谱强度A'工，从而得到1\时刻到T'工时刻内的光谱强度A = A1-A' 10
4.一种采集光谱的装置，其特征在于所述装置包括在Ttl时刻给出同步信号的信号产生�？椋籆CD传感器，包括传感器阵列、读出开关、寄存器阵列；控制�？椋糜谑沟迷谕叫藕懦鱿趾蟮腡1时刻，先将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列并清除，再开始采集光谱；以及使得在同步信号出现后的T2时刻结束光谱采集，将传感器阵列中的光生电荷转移到寄存器阵列中；在T2时刻所述清除已完毕；处理模块，用于读出在T2时刻转移到寄存器阵列中的数据，从而得到从T1时刻到T2时刻的光谱强度A1。
5.根据权利要求4所述的采集光谱的装置，其特征在于所述CCD传感器的数量为一个，使得在控制�？榭刂葡孪群蟮玫焦馄浊慷華1和A' 1； A' W工时刻到T' 2时刻的光谱强度；利用所述处理模块得到T1时刻到T3时刻的光谱强度A = A1-A' 1； T3时刻到 T'工时刻间隔一个或多个周期，T2时刻到T' 2时刻间隔一个或多个周期。
6.根据权利要求4所述的采集光谱的装置，其特征在于所述CCD传感器的数量为两个，使得在控制�？榭刂葡峦降贸龉馄浊慷華1和A' ι;Α'工为！1'工时刻到1~2时刻的光谱强度，T'工^T1 ；利用所述处理�？榈玫絋1时刻到T'工时刻的光谱强度A = A1-A' 10
全文摘要
本发明涉及一种采集光谱的方法，包括以下步骤a、在T0时刻，给出同步信号；根据所述同步信号和延时采集时间，得出光谱采集时刻T1；b、在T1时刻，将CCD传感器阵列中的T1时刻之前累积的光生电荷转移到寄存器中，并开始清除所述寄存器中的数据；开始采集光谱，CCD传感器阵列中重新累积电荷；c、在T2时刻，光谱采集结束，所述寄存器中的数据已清除完毕；在T1时刻到T2时刻内仅有一个光谱脉冲出现；将CCD传感器阵列中T1时刻到T2时刻累积的光生电荷转移到所述寄存器中；d、读取寄存器中的数据，从而得到从T1时刻到T2时刻内的光谱强度A1。本发明还公开了一种实现上述方法的装置。
文档编号G01J3/28GK102175317SQ20101062239
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者吕全超, 寿淼均 申请人:聚光科技(杭州)股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
