专利名称：一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子、电路设计技术领域，具体地说是一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统。
背景技术：
随着航空航天、遥感遥测、生物医学，食品卫生、机载探测、跟踪，微光夜视侦察跟踪和光电武器制导系统等领域的突破性发展，对光谱分析、光谱检测提出了更高分辨率、更高灵敏度等要求。在光谱测试中，检测光的光探测器对分析结构有决定性作用。高灵敏度光电探测器因为能探测一定波长范围内的所有谱线，在现代光谱采集系统中获得了越来越广泛的应用。光谱采集系统的主要任务是将来自于色散系统的输出光信号转化并显示为被研究物质的参数的数值或图样。这些数值或图样是进行后续光谱信号处理及分析的基础， 并且接收系统的性能直接影响到光学系统的设计以及整个光谱仪的灵敏度、分辨率等。目前，国内使用的光谱仪均采用CCD阵列探测器，CCD阵列探测器的响应光谱慢， 积分时间长，分辨率和灵敏度都比较低，虽然光谱仪在PC机的支持下可以快速、直观的对物质进行定性、定量分析，但便携性较差，尤其是野外条件下则不便于检测。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统，它采用量子点-量子阱光电探测器与CDS对接的读出电路和基于ARM 的嵌入式信号采集和处理电路，实现256像元探测器在20(Tl IOOnm波段的光谱在仪器终端进行采集、显示和存储，具有结构简单，体积小，微光探测精度高，快速便捷，适于便携移动使用，有利于推动光电探测器在微光低辐照度探测领域的广泛应用。本发明的目的是这样实现的一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统，其特点是该测试系统由光源、采集光路、光电器件、信号采集电路、ARM处理电路和触摸显示屏组成，光源由氙灯和溴钨灯组成连续可调光谱范围为20(T2500nm波段辐射的点光源；采集光路为准直透镜、全息光栅和聚焦透镜构成的光学平台；光电器件为量子点-量子阱光电探测器与CDS对接的读出电路；信号采集电路由时序发生器、A/D转换器和缓冲器组成的信号采集装置；ARM处理电路由缓冲芯片、ARM主板和接口组成的信号处理装置；光源通过石英光纤将模拟的全太阳光谱由狭缝入射进入采集光路，模拟的全太阳光谱经准直透镜成为平行光，然后经全息光栅照射到聚焦透镜，由聚焦透镜汇聚后入射到光电器件的光电探测器上，并由读出电路将光谱的电流信号转换成电压信号输入信号采集电路，信号采集电路的A/D转换器将信号转换后由缓冲器输入ARM处理电路，ARM处理电路将接入的光谱信号经缓冲芯片输入ARM主板，ARM主板将输入的光谱数据由嵌入系统运行的ARM信号处理软件进行数字滤波、显示和保存处理后由触摸显示屏进行光谱的采集和测试。所述时序发生器为产生驱动光电器件控制信号、A/D转换器控制信号和缓冲器写信号的时序逻辑器件。
本发明与现有技术相比具有以下优点
(1 )、灵敏度高，信噪比大，探测波段范围宽，覆盖到近紫外、可见光和近红外波段，弥补了 CCD器件探测波段的不足；
(2)、增益自动可调，积分时间短，最短的积分时间可达IOms ；
(3 )、实现256像元探测器在20(Tl IOOnm波段的光谱在仪器终端进行采集、显示和存储的一体化，结构简单，体积小，微光探测精度高，快速便捷，适于便携移动使用，有利于推动光电探测器在微光低辐照度探测领域的广泛应用。


图1为本发明结构示意图； 图2为采集光路结构示意图3为信号采集电路结构示意图； 图4为ARM处理电路结构示意图。
具体实施例方式参阅附图1，本发明由光源1、采集光路2、光电器件3、信号采集电路4、ARM处理电路5和触摸显示屏6组成，光源1通过石英光纤将模拟的全太阳光谱入射采集光路2，采集光路2将模拟的全太阳光谱汇聚后入射到光电器件3，光电器件3为量子点-量子阱光电探测器与CDS对接的读出电路，读出电路将探测器产生的电流信号转换成电压信号，并且在信号采集电路4的信号控制下依次输入ARM处理电路5，ARM处理电路5将接入的光谱信号由嵌入系统运行的ARM信号处理软件进行数字滤波、显示和保存处理后由触摸显示屏6进行光谱的采集和测试。光源1由氙灯和溴钨灯组成连续可调光谱范围为20(T2500nm波段辐射的点光源， 氙弧辐射被认为是最能模拟全太阳光谱，因为它能产生紫外光、可见光和红外光，光谱范围为200 2500歷，但是氙灯在800 1 IOOnm波段光功率谱不平滑，在200 400歷光功率谱比较平滑；溴钨灯的色温约为30(Γ3200Κ，可以提供30(T2500nm光谱范围，光效高，光通稳定，光功率谱平滑；所以在20(T400nm波段采用氙灯光源，在可见光和近红外波段采用溴钨灯光源，因此光源1的模拟全太阳光谱辐射能量大且发光稳定。光电器件3为量子点-量子阱光电探测器与CDS对接的读出电路，读出电路是探测器阵列和后续信号处理电路之间的接口电路，它可以将探测器产生的电流信号转换成电压信号，并且在时序发生器41的时钟和扫描信号控制下依次输出，读出电路性能的好坏决定着成像系统的性能。将异质结量子点-量子阱光电探测器与CDS读出电路对接在一个基板上并焊接在杜瓦瓶里，以减少外部电磁干扰，实现256像元探测器在20(Tl IOOnm波段的光谱测量。该读出电路根据探测器输出信号的大小自动调节积分电容的大小，实现对光电探测器微弱信号的高灵敏度和信噪比、大动态范围的读出，积分时间短，最短的积分时间可达10ms。基于光电测试平台，采用Kelthley 4200-SCS半导体特性分析仪和波长为633nm 的氦氖激光器，测试量子点-量子阱光电探测器的I-V特性、C-V特性参数等，根据测试得到的光电探测器的基本数据，计算和分析探测器的响应率、光电特性和信噪比，以此确定探测器的最佳工作偏压和其工作条件。
参阅附图2，采集光路2为准直透镜21、全息光栅22和聚焦透镜23构成具有高光通量和精确的光学特性平台，由光源1模拟的全太阳光谱由狭缝M入射进入采集光路2，模拟的全太阳光谱经准直透镜21成为平行光，然后经全息光栅22照射到聚焦透镜23，由聚焦透镜23汇聚后入射到光电器件3的光电探测器上。参阅附图3，信号采集电路4由时序发生器41、A/D转换器42和缓冲器43组成的信号采集装置，A/D转换器42输出连接缓冲器43输入；时序发生器41分别与、A/D转换器 42与缓冲器43连接；A/D转换器42输入连接光电器件3的读出电路；缓冲器43输出与ARM 处理电路5的缓冲芯片51连接；时序发生器41为产生驱动光电器件3控制信号、A/D转换器42控制信号和缓冲器43写信号的时序逻辑器件。参阅附图4，ARM处理电路5由缓冲芯片51、ARM主板52和接口 53组成的信号处理装置，接口 53为USB和串口的接入或输出端口 ；缓冲芯片51与信号采集电路4的缓冲器43输出端连接，缓冲芯片51将采集的光谱信号接入ARM主板52，ARM主板52将接入的光谱信号由嵌入系统运行的ARM信号处理软件进行数字滤波、显示和保存处理，经数字滤波、显示和保存处理后的光谱信号接入触摸显示屏6，由触摸显示屏6进行光谱的采集和测试。ARM处理电路5采用了基于ARM的嵌入式系统，它接收采集到的光谱信号，通过嵌入式系统运行的信号处理软件，对光谱数据进行数字滤波、处理、显示以及保存等处理，移植QT/ Embedded图形库和设计了光谱仪操作界面，支持图形化应用软件，操作直观方便。以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统，其特征在于该测试系统由光源、采集光路、光电器件、信号采集电路、ARM处理电路和触摸显示屏组成，光源由氙灯和溴钨灯组成连续可调光谱范围为20(T2500nm波段辐射的点光源；采集光路为准直透镜、全息光栅和聚焦透镜构成的光学平台；光电器件为量子点-量子阱光电探测器与CDS对接的读出电路；信号采集电路由时序发生器、A/D转换器和缓冲器组成的信号采集装置；ARM处理电路由缓冲芯片、ARM主板和接口组成的信号处理装置；光源通过石英光纤将模拟的全太阳光谱由狭缝入射进入采集光路，模拟的全太阳光谱经准直透镜成为平行光，然后经全息光栅照射到聚焦透镜，由聚焦透镜汇聚后入射到光电器件的光电探测器上，并由读出电路将光谱的电流信号转换成电压信号输入信号采集电路，信号采集电路的A/D转换器将信号转换后由缓冲器输入ARM处理电路，ARM处理电路将接入的光谱信号经缓冲芯片输入ARM主板，ARM主板将输入的光谱数据由嵌入系统运行的ARM信号处理软件进行数字滤波、显示和保存处理后由触摸显示屏进行光谱的采集和测试。
2.根据权利要求1所述覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统，其特征在于所述时序发生器为产生驱动光电器件控制信号、A/D转换器控制信号和缓冲器写信号的时序逻辑器件。
全文摘要
本发明公开了一种覆盖可见光的宽波段高灵敏度光谱采集测试系统，其特点是该测试系统由光源、采集光路、光电器件、信号采集电路、ARM处理电路和触摸显示屏组成，光源通过石英光纤将模拟的全太阳光谱由狭缝入射进入采集光路，光谱经准直透镜成为平行光，然后经全息光栅照射到聚焦透镜汇聚后入射到探测器上，由读出电路将光谱的电流信号转换成电压信号输入信号采集电路，信号采集电路将读出电路的信号输入处理电路，由嵌入的ARM信号处理软件进行数字滤波、显示和保存处理后由触摸显示屏进行光谱的采集和测试。本发明与现有技术相比具有采集、显示和存储的一体化，微光探测灵敏度高，信噪比大，快速便捷，适于便携移动使用。
文档编号G01J3/28GK102538963SQ201110393570
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者刘剑, 张淑骅, 朱汇, 沈建华, 王明甲, 茅惠兵, 越方禹, 郑厚植, 郭方敏, 顾文荃 申请人:华东师范大学