一種同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法，其特征是以積分球光源為檢測光源，利用電壓控制器調(diào)節(jié)積分球光源的輸出信號的光強，將積分球光源的輸出信號通過光纖傳導(dǎo)至微型光譜儀，利用計算機采集獲得微型光譜儀的輸出信號，并經(jīng)信號處理獲得微型光譜儀的增益和讀出噪聲。本發(fā)明方法通過去除微型光譜儀的暗電流噪聲及固定模式噪聲使微型光譜儀增益及讀出噪聲的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，精確度更高，能夠同時完成對微型光譜儀的增益及讀出噪聲的測量。
【專利說明】
一種同時測量微型光譜儀増益及讀出噪聲的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光電檢測領(lǐng)域，具體是一種同時測量微型光譜儀的增益及讀出噪聲的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜儀通過對光譜的檢測與分析，完成對光譜成分、物質(zhì)屬性的測量，是一種基本 的光學(xué)檢測器，廣泛應(yīng)用于生化研究、醫(yī)學(xué)、天文、食品安全、物理研究等眾多領(lǐng)域。然而，傳 統(tǒng)光譜儀通常具有體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，使用環(huán)境受限等一系列的缺點。近年來， 隨著微電子技術(shù)與微加工技術(shù)的日益成熟，微型化已經(jīng)成為光譜儀發(fā)展的主要趨勢。微型 光譜儀相比較于傳統(tǒng)光譜儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、耗能耗材少、性能穩(wěn)定、壽命 長、價格低廉且便于批量生長等優(yōu)點。微型光譜儀同時也滿足了現(xiàn)場檢測與實時檢測的需 求。增益及讀出噪聲是微型光譜儀的兩個重要的參數(shù)。增益是微型光譜儀光探測器輸出的 電子數(shù)(e_)與微型光譜儀輸出信號的數(shù)字量(ADU)之比。讀出噪聲是無光線入射微型光譜 儀時，微型光譜儀輸出的信號的均方根起伏，是微型光譜儀電路部分產(chǎn)生的噪聲。精確的測 量微型光譜儀的增益及讀出噪聲，不僅可以用于分析評價微型光譜儀的性能，更對后期的 數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要。目前微型光譜儀增益的測量方法因為未對微型光譜儀內(nèi)部的噪聲進行 系統(tǒng)的完整的分析，使得提出的理論模型與實際情況有所偏差，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠精確。由 于在測量時忽略了其它噪聲的影響，按照該方法擬合得出的曲線的線性度往往不高，這就 使測量出的增益往往低于實際值，現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的 方法未見報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種同時測量微型光譜儀 增益及讀出噪聲的方法，一方面同時完成對微型光譜儀的增益及讀出噪聲的測量，另一方 面使微型光譜儀增益及讀出噪聲的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，精確度更高。
[0004] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法，是以積分球光源為檢測光 源，利用電壓控制器調(diào)節(jié)所述積分球光源的輸出信號的光強，將所述積分球光源的輸出信 號通過光纖傳導(dǎo)至微型光譜儀，利用計算機采集獲得所述微型光譜儀的輸出信號，并經(jīng)信 號處理獲得微型光譜儀的增益和讀出噪聲。
[0006] 本發(fā)明中同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法按如下步驟進行：
[0007] 步驟a、設(shè)定測量條件為:所述積分球光源的輸出信號的光強為固定值I，所述微型 光譜儀的放大系數(shù)G為固定值1，所述微型光譜儀的積分時間為固定值t;
[0008] 步驟b、在設(shè)定的測量條件下，利用計算機對所述微型光譜儀的輸出信號進行采 集，獲得兩個連續(xù)的采集信號分別記為信號SA1及信號S B1，所述信號SA1及信號SB1為微型光譜 儀輸出的相對光譜功率分布強度；
[0009] 步驟c、令:信號Sai ' 為 Sai ' = SAi-S-ki，信號SB1 '為:SB1 ' = SB1-Sdarki;
[0010] 其中，Sdarkl是指在關(guān)閉積分球光源的情況下，利用計算機采集獲得的所述微型光 譜儀的輸出信號；
[0011]令:平均信號強度C為C = 平均信號強度f為= 其 J:叫: / / 中，SA1(j)和SB1(j)是微型光譜儀中光探測器像素j所對應(yīng)的相對光譜功率分布強度，η是微 型光譜儀光探測器所含有的像素的總數(shù)；
[0012] 信號SA1 '和信號SB1 '的平均信號強度比r為：r = 57/；^;
[0013] 步驟d、令:?'為&1'=5811^則，平均信號強度為57時微型光譜儀輸出信號的 總噪聲的平方ΝαβΛ由式（1)獲得：
(1)
[0015] 其中Μ由式⑵獲得： ，、 (2)
[0016] 記錄數(shù)據(jù)組（^7;
[0017] 步驟e、利用電壓控制器(2)調(diào)節(jié)所述積分球光源（1)的輸出信號的光強為不同的 固定值I，并在積分球光源（1)的輸出信號的光強為不同的固定值I的條件下重復(fù)步驟a_步 驟d，得到m個數(shù)據(jù)組（57，);i = 1，2……m，m為步驟a-步驟d執(zhí)行的次數(shù)；
[0018] 步驟e、對于所述m個數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)進行最小二乘線性擬合，得到直線y = kx+b，則 微型光譜儀的增益g = l/k，讀出噪聲A丨=▲/々，
[0019] 本發(fā)明同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法的特點也在于設(shè)置所述m不小 于5。
[0020] 本發(fā)明方法基于微型光譜儀的噪聲理論分析，得出微型光譜儀噪聲及輸出信號的 函數(shù)關(guān)系，并以此為依據(jù)，在測量過程中消除暗電流噪聲及固定模式噪聲，最后同時得到增 益及讀出噪聲的精確數(shù)值。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0021] 1、本發(fā)明方法通過去除微型光譜儀的暗電流噪聲及固定模式噪聲使微型光譜儀 增益及讀出噪聲的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，精確度更高。
[0022] 2、本發(fā)明方法可以同時得到微型光譜儀的增益及讀出噪聲，完成在相同的環(huán)境條 件及儀器工作狀態(tài)下微型光譜儀性能參數(shù)的測量。
【附圖說明】
[0023] 圖1為應(yīng)用于本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)構(gòu)成圖；
[0024]圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[0025]圖3為針對本發(fā)明方法進行實驗所獲得的平均信號強度-總噪聲的平方的擬合直 線。
【具體實施方式】
[0026] 參見圖1，本實施例是以積分球光源1為檢測光源，利用電壓控制器2調(diào)節(jié)積分球光 源1的輸出信號的光強，將積分球光源1的輸出信號通過光纖5傳導(dǎo)至微型光譜儀4,利用計 算機3采集獲得微型光譜儀4的輸出信號，并經(jīng)信號處理獲得微型光譜儀的增益和讀出噪 聲。
[0027] 參見圖2,本實施例中同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法按如下步驟進 行：
[0028] 步驟a、設(shè)定測量條件為:積分球光源1的輸出信號的光強為固定值I，微型光譜儀4 的放大系數(shù)G為固定值1，微型光譜儀4的積分時間為固定值t。其中，放大系數(shù)G取定值1是為 了使測量得到增益及讀出噪聲的是微型光譜儀本身的增益及讀出噪聲。
[0029] 步驟b、在設(shè)定的測量條件下，利用計算機3對微型光譜儀4的輸出信號進行采集， 獲得兩個連續(xù)的采集信號分別記為信號Sm及信號S B1，信號SA1及信號SB1為微型光譜儀輸出 的相對光譜功率分布強度。
[0030] 步驟C、令:信號SA1 ' 為SA1，= SAl-Sdarkl，信號SB1，為：SB1，= SB1-Sdarki;
[0031] 其中，指在關(guān)閉積分球光源1的情況下，利用計算機3采集獲得的微型光譜 儀4的輸出信號；
[0032] 令:平均信號強度巧為心' =1>,山.)/7，平均信號強度57為&; = 1>81(/)/?，其 /=1 / Μ' / 中，SA1(j)和SB1(j)是微型光譜儀中光探測器像素j所對應(yīng)的相對光譜功率分布強度，η是微 型光譜儀光探測器所含有的像素的總數(shù)；
[0033] 信號SA1 '和信號SB1 '的平均信號強度比r為:r = €/57;
[0034] 步驟d、令:SC1'為&1'=5'\^則，平均信號強度為^7時微型光譜儀輸出信號的 總噪聲的平方ΝαβΛ由式(1)獲得：
(1)
[0036]其中Μ由式(2)獲得：
(2)
[0037]記錄數(shù)據(jù)組（^7，嫁#^)。
[0038] 步驟e、利用電壓控制器2調(diào)節(jié)積分球光源1的輸出信號的光強為不同的固定值I， 并在積分球光源1的輸出信號的光強為不同的固定值I的條件下重復(fù)步驟a_步驟d，得到m個 數(shù)據(jù)組_( 其中，i = l，2......111，1]1永5;1]1為步驟3-步驟(1執(zhí)行的次數(shù)，1]1不小于5是 為了使擬合出的直線更加的準(zhǔn)確。
[0039] 步驟e、對于m個數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)進行最小二乘線性擬合，得到直線y = kx+b，則微型 光譜儀的增益g = l/k，讀出噪聲。
[0040] 理論模型：
[0041] 微型光譜儀的噪聲主要有光電子噪聲7^、暗電流噪聲、讀出噪聲代^以及固 定模式噪聲#&_。各個噪聲之間相互獨立，若均以電子數(shù)(ej為單位表示，其滿足的關(guān)系如 式⑶：
[0042] N_2 =Ra+Ns. 2+Nd2+Ν^ (3| 紀(jì). ^ e . +e e '
[0043] 微型光譜儀的參數(shù)可以以eT為單位，也可以以ADU為單位，兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式 (4)所示：
[0044] e-= gXADU (4)
[0045] 其中g(shù)是微型光譜儀的增益。
[0046] 微型光譜儀的信號采集過程中，為了消除暗電流噪聲的影響，一般取較短的積分 時間。若在較短的積分時間內(nèi)微型光譜儀的暗電流噪聲仍然很大，可以采用暗電流校正技 術(shù)處理輸出信號，去除信號內(nèi)的暗電流噪聲。微型光譜儀的固定模式噪聲是由于微型光譜 儀內(nèi)的光探測器的各個像素對光強的反應(yīng)不同而產(chǎn)生的。這種噪聲是固定的，可以被輕易 地消除。于是，消除了暗電流噪聲及固定模式噪聲之后，微型光譜儀以ADU為單位的輸出信 號可以表示為微型光譜儀的偏置信號與微型光譜儀的光探測器由于光電效應(yīng)產(chǎn)生信號之 和，如式(5)所示：
[0047] SADU=Sbias+ne_lg (5)
[0048] 其中，SADU是微型光譜儀以ADU為單位的輸出信號。Sbia^微型光譜儀以ADU為單位 的偏置信號，是微型光譜儀光探測器產(chǎn)生的所有電子的數(shù)目。
[0049] 在輸出信號較弱的情況下，為了使輸出信號的特征更為明顯或者為了更加有效的 測量相應(yīng)數(shù)據(jù)，通常會對所得到的信號進行放大，放大的系數(shù)用G表示，放大之后的信號為G XSadu，或者以eT為單位表示為。噪聲是以信號的標(biāo)準(zhǔn)差表示的，放大后信號所產(chǎn)生 的總噪聲如式(6)所示：
[0050] iV : = var( C/ x 5 ) = var(G' x g x S ,!>ι:) .(:6:)
[0051] 將式(5)代入式(6)，進行化簡：
[0052] Nj' = G2 xvarig x Sbkls) + G'2 X￥ar(?e_) (7)
[0053] 其中，偏置信號的標(biāo)準(zhǔn)差是讀出噪聲，即皿(，以心,、）：'、'是微型光譜儀光探 測器光電效應(yīng)產(chǎn)生的所有電子數(shù)，服從泊松分布。根據(jù)泊松分布的定義，var(〃f-) = ;貝1J式 (7)被進一步化簡如式(8):
[0054] Ne2 = + Q2 x n^ (8)
[0055] 將式(5)代入式(8)消去^并轉(zhuǎn)換為以ADU為單位的參數(shù)，得到總噪聲與輸出信號 的函數(shù)關(guān)系如式(9):
(9)
[0057] 式(9)中的微型光譜儀的輸出信號Sadu、偏置信號Sbias、總噪聲Nadu可以通過微型光 譜儀的輸出信號計算得出。因此，設(shè)置放大系數(shù)G=l，對采集的輸出信號均消除暗電流噪聲 及固定模式噪聲，記錄多組SADU-Sblas及相應(yīng)的Nadu2的數(shù)據(jù)并進行最小二乘線性擬合，通過比 較擬合后的直線y = kx+b與式（9)的相應(yīng)參數(shù)得出微型光譜儀的增益g=l/k及讀出噪聲 R - ^[b j k 0
[0058]圖1所示的本實施例中測量系統(tǒng)，包括積分球光源1、電壓控制器2、計算機3、待測 量的微型光譜儀4及光纖5。積分球光源1用于輸出光強為I的光束通過光纖5傳輸至微型光 譜儀4,電壓控制器2改變積分球光源1的電壓從而改變輸出光束的光強，計算機3用于采集 微型光譜儀4的輸出信號并處理。
[0059]方法的檢驗：
[0060]本實施方式以測量美國海洋光學(xué)一款USB2000型號的微型光譜儀為例。利用本發(fā) 明方法測量該型號微型光譜儀的增益及讀出噪聲的數(shù)值。
[0061]該型號微型光譜儀的平均信號強度與相應(yīng)的總噪聲平方的組數(shù)組b的擬合直線如 圖3所示，擬合直線a的方程為y = 0.07726X+6.59675。
[0062]因此，該微型光譜儀的增益為12.943(e-/ADU)，讀出噪聲為33.243(e一）。
【主權(quán)項】
1. 一種同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法，其特征是以積分球光源（1)為檢 測光源，利用電壓控制器(2)調(diào)節(jié)所述積分球光源（1)的輸出信號的光強，將所述積分球光 源（1)的輸出信號通過光纖(5)傳導(dǎo)至微型光譜儀(4)，利用計算機(3)采集獲得所述微型光 譜儀(4)的輸出信號，并經(jīng)信號處理獲得微型光譜儀的增益和讀出噪聲;所述方法按如下步 驟進行： 步驟a、設(shè)定測量條件為:所述積分球光源（1)的輸出信號的光強為固定值I，所述微型 光譜儀(4)的放大系數(shù)G為固定值1，所述微型光譜儀(4)的積分時間為固定值t; 步驟b、在設(shè)定的測量條件下，利用計算機(3)對所述微型光譜儀(4)的輸出信號進行采 集，獲得兩個連續(xù)的采集信號分別記為信號Sm及信號Sb1，所述信號Sm及信號Sb1為微型光譜 儀輸出的相對光譜功率分布強度； 步驟c、令:信號 Sai ' 為Sai '= SAi-SdarkI，信號 Sb1 '為:Sb1 '= SB1-Sdarki; 其中，指在關(guān)閉積分球光源（1)的情況下，利用計算機(3)采集獲得的所述微型 光譜儀(4)的輸出信號； 令:平均信號強度平均信號強其中，SA1(j)和SB1(j)是微型光譜儀中光探測器像素 j所對應(yīng)的相對光譜功率分布強度， η是微型光譜儀光探測器所含有的像素的總數(shù)； 信號Sm '和信號Sb1'的平均信號強度比r)步驟d、令:5^為&1'=5'乂^則，平均信號強度為^7時微型光譜儀輸出信號的總噪 聲的平方由式(1)獲得：⑴ (2) 步驟e、利用電壓控制器(2)調(diào)節(jié)所述積分球光源（1)的輸出信號的光強為不同的固定 值I，并在積分球光源（1)的輸出信號的光強為不同的固定值I的條件下重復(fù)步驟a_步驟d， 得到m個數(shù)據(jù)組(_為步驟a-步驟d執(zhí)行的次數(shù)； 步驟e、對于所述m個數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)進行最小二乘線性擬合，得到直線y = kx+b，則微型 光譜儀的增益g = I /k，讀出噪：2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時測量微型光譜儀增益及讀出噪聲的方法，其特征是設(shè)置 所述m不小于5。
【文檔編號】G01M11/00GK106017681SQ201610630651
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月3日
【發(fā)明人】夏果, 黃禪, 金施群, 胡明勇, 吳骕
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)