一种新型全波段的CCD检测器性能评价系统以及评价方法

摘要

本发明公开了一种新型全波段的CCD检测器性能评价系统及其评价方法，该系统包括紫外可见段分光检测系统、CCD检测器数据采集系统以及CCD检测器性能评价系统；所述紫外可见段分光检测系统通过CCD检测器数据采集系统与CCD检测器性能评价系统相接。评价方法包括以下步骤：(1)系统波长的校正；(2)系统能量的标定；(3)CCD检测器全波长数据的稳定性和灵敏度的测定；(4)CCD检测器全波长性能评价。本发明提供了一套廉价、轻便、快速、全波段的CCD检测器性能评价系统及评价方法，使得CCD检测器性能评价变得简单快速和全面，且更有利于CCD在光谱仪器中的应用。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种光谱分析装置，尤其涉及一种光谱仪器中光信号检测器的性能进行评价的系统以及该系统实现评价的方法。

背景技术：

光谱仪器的光信号检测器主要有三类，即热检测器、光子检测器、半导体图像传感器。现代光谱仪器的光信号检测器主要是以普通的不同规格的PMT检测器为主，也有的以CCD为检测器的。PMT作为常用主要检测器，它以增益高、灵敏度高、响应快、成本低在原子吸收光谱仪发展中有过光辉的历程，并且其技术现在也在不断的发展更新中。而CCD检测器是通过电子的存储和转移来检测信号的，其量子效率高，基于对检测信号的测量方式不同，它相对PMT来说在配备连续光源和大色散的中阶梯光栅时可以提高测定的线形范围5-6个数量级，也可以同时进行多元素分析。CCD检测器在整个光谱分析区范围内有比较高的灵敏度，更适合微弱光的检测，在对弱光的检测时可适当增加光积分时间，因为它是一种积分型检测器。由于其具有很低的分布电容，因此其读出噪声较低，暗电流(受温度影响，需要制冷恒温环境)也明显比PMT的低。不论从光子效率、暗电流、读出噪声、多元素同时分析、线型范围等各方面来说其性能都具有很明显的优势，是以后原子吸收光谱仪发展的一种必然趋势。

电感耦合高频等离子体ICP-AES光谱仪的检测器已有不少在使用30万像素CCD，光谱分辨率达0.0035nm。

因此，紫外可见区高灵敏度的CCD检测器在光谱仪器的应用也是中高档光谱仪器发展的方向。

由于CCD接收器件具有宽光谱响应、高分辨率、低噪声、高的光响应一致性、直接光电转换、高动态范围等优点，广泛用于空间图像遥感、实时监视、科学研究等领域，成为摄像的关键部件。国外通过改进CCD结构，开发新工艺，研制的CCD工作波长范围可达190nm～1000nm，能很好的满足光谱仪的要求，国外先进的大型光谱仪器上广泛采用了宽光谱CCD。

要将CCD接收器件用于光谱仪器，必然要对CCD接收器件的性能指标有特定的要求，但目前高灵敏度的CCD检测器件对自身参数性能指标只有独立的测试方法和检测手段，测试仪器为大型的可见光积分球测试系统，测试系统体积大(直径＞80Cm)，费用昂贵，测试时间长，并且仅能提供CCD检测器件的有效像元(如800×800(逐行扫描))、灵敏度：(如0.01Lx(640nm))、光谱响应范围(如190nm～1000nm)、响应不均匀性(如≤10％)等参数，部件提供者所提供的部件参数局限性很大(无紫外波段的性能)，而光谱仪器要求了解部件在整个测试光谱范围内器件的灵敏度和稳定性，所以不能让使用者接受。因此，设计一套廉价、轻便、全波段(紫外可见段)的CCD检测器性能评价系统及该系统的实现方法是非常必要和有现实意义的。

发明内容：

本发明针对现有技术在对CCD接收器件的性能指标进行检测所存在的一系列问题，而一种廉价、轻便、快速、全波段的CCD检测器性能评价系统以及该系统评价CCD检测器性能的方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种新型全波段的CCD检测器性能评价系统，该系统包括紫外可见段分光检测系统、CCD检测器数据采集系统以及CCD检测器性能评价系统，

所述紫外可见段分光检测系统包括光源、分光器、CCD检测器，所述光源作为光信号来源，并将光线汇聚至分光器入口，所述分光器将入射的光束以一定的光学分辨率分散为不同波长的光，并使分散的光呈线状分布的投射到安置在分光器出口的CCD检测器的接收面内；

所述CCD检测器数据采集系统驱动控制CCD检测器，并将CCD检测器各点接收到的光电流放大并转化为数字信号；

所述CCD检测器性能评价系统包括CCD检测器数据采集模块、CCD影象和图形显示模块、波长校正模块、CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块；所述CCD检测器数据采集模块实时采集CCD检测器数据采集系统所得到的CCD检测器面阵各点数据；所述CCD影象和图形显示模块利用CCD检测器数据采集模块采集的数据展现CCD检测器面阵数据数值大小的空间分布；所述波长校正模块将获取的CCD检测器面阵各点数据与光谱波长数值之间建立一一对应的相互关系；所述CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块根据得到的数据对CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度进行测试，并根据测试数据对CCD检测器进行全波长性能评价。

所述光源包括一空心阴极灯和一石英透镜，所述空心阴极灯配置一可调电源，可通过调节可调电源对空心阴极灯电流大小进行调节；所述空心阴极灯通过石英透镜汇集所发出的光线至分光器入口。

所述空心阴极灯具有194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm八条特征谱线。

所述分光器包括一凹面平场光栅，一波长调节机构，一暗室外罩，一光路底板；所述暗室外罩安置在光路底板上形成一暗室，所述暗室侧面与凹面平场光栅相应的位置开设有一狭缝形成入口和一出口用于安置CCD检测器；所述凹面平场光栅安置在该暗室内，通过波长调节机构控制其旋转角度，以改变光谱波长接收的范围。

所述凹面平场光栅为平场凹面消像差光栅。

所述CCD检测器数据采集系统包括CCD检测器驱动系统以及数据采集卡，所述CCD检测器驱动系统提供CCD检测器所需的工作点电压，并驱动控制CCD检测器接收CCD检测器面阵上各点的光电流，且将接收到光电流放大并转化为图像数字信号输出；所述数据采集卡采集CCD检测器驱动系统输出的图像数字信号。

检测器数据采集模块301负责CCD检测器实时数据的采集。其通过数据采集卡202的设备驱动程序，在软件的应用层和采集卡设备间建立数据通讯链路，实时快速获取CCD检测器面阵上各点的数据，并实时将数据存储于计算机内存中事先定义好的数组空间，以其它模块的利用

所述CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块根据波长校正模块得到的对应关系，测试得到在多个特征波长下CCD检测器面阵各点相应的稳定性和灵敏度，并以此来分析评价CCD检测器在全波长下的性能。

所述稳定性包括零漂和瞬时噪声两个指标，零漂指标用来表征CCD检测器的长时间稳定性，瞬时噪声指标用来表征CCD检测器的短时间噪声大小，且评价标准为零漂和瞬时噪声越低，稳定性能越好；

其中零漂通过以下公式测定：

零漂＝(Ifmax-Ifmin)/If×100％

式中：Ifmax为检测时间内光强度最大值，Ifmin为检测时间内光强度最小值，If为光强度初始值；

瞬时噪声通过以下公式测定：

瞬时噪声＝(IFmax-IFmin)/IF×100％

式中：IFmax为检测时间内CCD检测器的噪声最大值，IFmin为检测时间内CCD检测器的噪声最小值，IF为CCD检测器的噪声初始值。

所述灵敏度为单位光强下CCD检测器产生的信号大小，即空心阴极灯在一定电流下CCD检测器产生的信号大小。

基于上述评价系统的评价方法，其包括以下步骤：

(1)系统波长的校正：通过系统中波长校正模块对光源的空心阴极灯的特征波长进行波长位置校正，并在特征波长和CCD检测器面阵各点数据之间建立一个非线性关系；

(2)系统能量的标定：选取一块具有代表性的线阵或面阵CCD检测器作为参考器件进行标定，标定后安装入本系统中进行测试，测得在全波长下多个特征点的能量系数。

(3)CCD检测器全波长数据的稳定性和灵敏度的测试：与参考器件相同测试条件下，通过系统中的CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块对待评价的CCD检测器进行测试得到该CCD检测器面阵各点在相应特征波长下的稳定性和灵敏度数据；

(4)CCD检测器全波长性能评价：根据步骤(3)得到的CCD检测器面阵各点在相应特征波长下的的稳定性和灵敏度数据对CCD检测器进行全波长综合评价；其中稳定性指标中的零漂和瞬时噪声越低，稳定性能越好；灵敏度越高，CCD检测器的相对光电转换能力越好。

所述步骤(2)在系统只进行相对测量时，可不进行系统能量的标定，标定系数为1。

根据上述技术方案得到的评价系统由于采用了凹面平场光栅进行分光，和普通的平面光栅相比，由它组成的单色器非常简洁，无须辅助的准直镜，而且光路更短，能量损失小，当它和线阵和面阵探测器结合使用时，CCD中波长位置呈线性分布，并可达到高速分析的目的，实现仪器的小型化和轻型化，因此，本系统结构简单，体积小；同时使用具有紫外到可见区不同特征波长的空心阴极灯作为光源，使得系统可实时进行波长自校，保证了系统的波长精确度；另外性能评价软件系统采用8个特征波长(全波长内均匀分布)数据的稳定性和灵敏度来评价分析CCD检测器的动态性能，能全波长评测CCD检测器的性能是否满足光谱仪器的要求。

同时本发明提供的评价方法操作简单，与系统相配合使用能够实现对CCD检测器的低费用、快速以及全波段的性能评价。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中评价系统的框图。

图2为本发明中分光器的主视图。

图3为本发明中分光器的俯视图。

图4为本发明中方法的流程图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明针对现有技术所存在的问题，而提供一种廉价、轻便、快速、全波段(紫外可见段)的CCD检测器性能评价系统以及与该系统配套使用的评价方法，使得CCD检测器性能评价变得简单快速和全面，且更有利于CCD在光谱仪器中的应用。

参见图1，本发明提供的全波段的CCD检测器性能评价系统包括：紫外可见段分光检测系统100、CCD检测器数据采集系统200以及CCD检测器性能评价系统300三部分。

其中紫外可见段分光检测系统100是评价系统的结构实现部分，由一套完整的光路组成；所述CCD检测器数据采集系统驱动控制CCD检测器，并将CCD检测器各点接收到的光电流放大并转化为数字信号；CCD检测器性能评价系统300为系统进行评价的最终实现部分，用于进行数据的采集、处理、显示及最后进行CCD检测器性能评价。

参见图2和图3，紫外可见段分光检测系统包括光源101、分光器102、CCD检测器103三个部分。其中光源作为光信号的来源，包括一空心阴极灯104和一石英透镜105。空心阴极灯104用来提供不同光波长的锐线光，具体实施时，可使用一个H元素空心阴极灯，其波长特征谱线有194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm。空心阴极灯配置的电源为一种可调电源，以达到空心阴极灯电流大小可以根据用户需要进行调节的目的。石英透镜105设置在空心阴极灯104前面，用于汇聚空心阴极灯发出的光线至分光器102入口。

分光器102主要包括一凹面平场光栅106、一波长调节机构107，一暗室外罩108，一光路底板109等部件。该分光器102作用是将入射的光束以一定的光学分辨率分散为不同波长的光在某处呈线状分布。

其中暗室外罩108安置在光路底板109上形成一暗室，同时凹面平场光栅106安置在该暗室内，受波长调节机安置光路底板109上以实现对凹面平场光栅106的控制；暗室侧面与凹面平场光栅相应的位置开设有一狭缝110形成光路入口和一光路出口111用于安置CCD检测器103。同时光源100整体安置在光路底板109上，并与分光器102中作为入口的狭缝110相对安置。

凹面平场光栅106是一个分光主要部件，它将一个复合光分为单色光谱，可采用一种平场凹面消像差光栅，这种光栅的光谱连续分布在一个平面上，非常适合与线阵和面阵探测器结合使用，达到高速分析的目的，并实现仪器的小型化和轻型化。波长调节机构107用来改变凹面平场光栅106的旋转角度，从而改变连续光谱在光路出口111的投影位置，即改变了CCD检测器103接收光谱波长的范围。本发明中波长范围可固定为190-1000nm，这样能够使得H元素空心阴极灯的八个特征波长均匀的分布在全段波长内。但波长范围可以调节，波长范围调节后须使用光源的特征波长进行波长位置校正，校正后即可使用。

根据上述技术方案得到的分光器102具体运行是：来自光源101空心阴极灯104的光线从狭缝110进入分光器102，光线然后入射到分光器102中凹面平场光栅106中，经凹面平场光栅106分光后，光线直接投射到光路出口111处的CCD检测器112的接收面阵内。

根据评价要求不同，CCD检测器112可为面阵或线阵检测器类型。该部分作用是将一段连续的光谱信号转换为电信号。并将该电信号传至CCD检测器数据采集系统200。

CCD检测器数据采集系统200包括CCD检测器驱动系统201以及数据采集卡202。CCD检测器驱动系统201可提供CCD检测器需要的工作点电压和必要的控制信号，将CCD检测器面阵各点接收到的光电流信号放大并转化为图像数字信号并传至数据采集卡202。数据采集卡202置于工作计算机内部的PCI接口型图像数字采集卡，数据采集卡202的输入端和CCD检测器驱动系统201的输出相连，其能够高速采集CCD检测器驱动系统201输出的图像数字信号并传至CCD检测器性能评价系统300进行最终的CCD检测器性能评价。

CCD检测器性能评价系统300用于进行数据的采集、处理、显示及最后进行CCD检测器性能评价。由CCD检测器数据采集模块301、CCD影象和图形显示模块302、波长校正模块303、CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块304组成。

其中CCD检测器数据采集模块301负责CCD检测器实时数据的采集。其通过数据采集卡202的设备驱动程序，在软件的应用层和采集卡设备间建立数据通讯链路，实时快速获取CCD检测器面阵上各点的数据，并实时将数据存储于计算机内存中事先定义好的数组空间，以其它模块的利用。

CCD影象和图形显示模块302提出CCD检测器数据采集模块301获得的CCD面阵各点的数据，并将该数据用图像或3维或2维图形的形式来展现数值大小的空间分布。即该模块利用CCD检测器数据采集模块采集的数据进行不同功能的绘图，例如图像或3维或2维图形。其中绘制CCD图像：以CCD各点的位置建立x-y平面，以CCD各点的数据(表征光能量高低)为x-y平面中对应像素的灰度值，建立一张位图；绘制3维图形：以CCD各点的位置建立x-y平面，以CCD各点的数据为Z轴，建立(x，y，z)3维图形；绘制2维图形：以CCD的某行或某列的所有点为X轴，以CCD相应点的数据为y轴，建立x-y平面图形)。

CCD影象和图形显示模块302可依据用户需要将图形数据或图像保存到磁盘文件中，便于CCD检测器性能的评价，其中CCD图像和3维图形可直观的了解CCD检测器的整体灵敏度，通过对比不同CCD器件同一位置的图像亮度，越亮的器件其灵敏度越高；2维平面图形可以直观的了解CCD检测器的某行或某列的灵敏度和稳定性，通过对比不同CCD器件同一行或列的数据线高低，直观的比对它们的灵敏度和稳定性，数据线越高的器件其灵敏度越高，数据线波动的噪声越小器件其稳定性越高。

波长校正模块303用于对光源的空心阴极灯的特征波长进行波长位置校正，本发明利用的光源为锐线光源空心阴极灯，其发出的光谱线是空心阴极灯对应元素所固有的物理特性；本系统的Hg元素空心阴极灯发出的锐线光源中包含了8个特征谱线波长，分别为194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm；利用这8个特征谱线在CCD物理位置的分布，通过CCD图像数据，可以获得8个波长的特征谱线位置，并建立CCD各点的物理位置的波长值的对应关系。

波长校正模块303从CCD检测器数据采集模块301中调取该模块实时采集到的CCD检测器面阵上各点的数据序列(数组的形式)，每个数据的存储位置即代表CCD各点的物理位置，本系统中，CCD各点的物理位置即表征了该点的波长值，各点的物理位置的具体波长值由波长校正后确定，通过数据的位置号可以找到该点的波长值，同样的，通过波长值可以找到该点的位置号，并由位置号返回采集到的数据值，在光谱波长和点数据间建立了一一对应的相互关系。

CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块304根据波长校正模块303得到的对应关系，测试得到在多个特征波长下(具体实施采用上述八个特征波长下)CCD检测器面阵各点相应的稳定性和灵敏度，并以此来分析评价CCD检测器在全波长下的性能。

本发明采用8个特征波长(全波长内均匀分布：194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm)下CCD检测器面阵各点数据的稳定性和灵敏度来评价分析CCD检测器的在全波长下的动态性能。

其中稳定性指标：指的是零漂和瞬时噪声两个指标。零漂指标用来表征CCD检测器的长时间稳定性，瞬时噪声指标用来表征CCD检测器的短时间噪声大小。零漂和瞬时噪声越低，稳定性能越好。

1)CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块304采用公式(1)测定零漂值

零漂＝(Ifmax-Ifmin)/If×100％    (1)

式中：Ifmax为30min内测得光强度最大值，Ifmin为30min内测得光强度最小值，If为光强度初始值。

具体测定时，将系统调试到正常工作状态，空心阴极灯为汞(Hg)元素灯，调节灯电流，使检测到某特征波长下光强度初始值为500±50，按0.5min内测定一次，连续测量30min，将测定结果取其极大值和极小值，按公式(1)计算出基线零漂值。依此方法测出8个特征波长下的零漂值。

2)CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块304采用公式(2)测定瞬时噪声值

瞬时噪声＝(IFmax-IFmin)/IF×100％    (2)

式中：IFmax为检测时间内CCD检测器的噪声最大值，IFmin为检测时间内CCD检测器的噪声最小值，IF为CCD检测器的噪声初始值。

具体测定时，将系统调试到正常工作状态，空心阴极灯为汞(Hg)元素灯，调节灯电流，使检测到某特征波长下光强度初始值为500±50，按0.5min内测定一次，连续测量3min，将测定结果取其最大值和最小值。按式(2)计算瞬时噪声。依此方法测出8个特征波长下的瞬时噪声值。

灵敏度指标：指的是特定条件下，单位光强下CCD产生的信号大小。本发明中，使用空心阴极灯在某一特定电流下的信号大小来衡量。灵敏度指标用来表征CCD检测器的相对光电转换能力。灵敏度越高，CCD检测器的相对光电转换能力越好。

CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块304测定灵敏度值为相应特征波长下光强度值的平均值。具体测定如下：

将系统调试到正常工作状态，空心阴极灯为汞(Hg)元素灯，调节灯电流在1mA，测量时间间隔为1秒，连续测量7次，记录某特征波长下光强度值，将测定结果取其平均值即为该特征波长下的灵敏度。依此方法测出8个特征波长下的灵敏度值。

根据上述技术方案得到的评价系统，具体的实施流程如下(如图4所示)：

第1步，系统波长的校正：

通过系统内的波长校正模块303使用光源H元素空心阴极灯的特征波长(特征谱线有194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm)进行波长位置校正，特征波长和CCD检测器面阵各点数据之间建立一个非线性关系。

第2步，系统能量的标定：本发明中涉及的系统能量是指本评价系统的某一个具体应用，即在光源和分光器件固定不变条件下，CCD检测器反映的系统规定的几个波长下的数据值，它用来表征系统的整体数值响应。

为了获取CCD检测器灵敏度的绝对量化数据，必须对本系统进行标定，本系统所称的标定是指用某个特定的物件作为统一的性能规格，并做为参照体系，便于量值的溯源。标定具体方法：选取一块具有代表性的线阵或面阵CCD检测器作为参考器件到专业测定单位进行标定，标定后安装入本系统中进行测试，记录从190nm至1000nm范围内多个特征点的能量系数。该能量系数用来表征本系统测试出的数据和CCD器件绝对灵敏度之间的关系。具体表示为：某特征波长点的能量系数＝专业测定获得的某特征波长点的灵敏度数据值/本系统下某特征波长点的数据值×100％，该能量系数可以用来获得某CCD检测器灵敏度的绝对值。如果只进行相对测量，可不进行系统能量的标定，标定该能量系数为1。

第3步，CCD检测器全波长数据的稳定性和灵敏度的测定：

与参考器件相同测试条件下，通过系统中的CCD检测器全波长数据稳定性和灵敏度分析模块测量CCD检测器在8个特征波长(特征谱线有194.23nm、253.65nm、365.01nm、435.83nm、546.07nm、640.22nm、724.52nm、871.67nm)下的能量值，即为本系统所获得的相应波长下CCD检测器的响应数据值；并进行动态时间扫描，获得CCD检测器面阵上每点的稳定性，并用零漂和瞬时噪声来表示(具体方法与前述一致，此处不加以赘述)，以上各波长点的测试均在同一时间段内快速完成。同时，测出CCD检测器面阵上每点在8个特征波长下的灵敏度值(具体方法与前述一致，此处不加以赘述)。

第4步，CCD检测器全波长性能评价：

依据不同的应用环境，定制出相应的性能评价执行标准(该标准可依据产品的企业标准、国家标准、行业标准或用户要求来制定)。根据步骤(3)获取CCD检测器面阵各点在8个特征波长下的的稳定性和灵敏度数据，对照执行标准的要求，对该CCD检测器进行全波长综合评价，评测CCD检测器的性能是否满足光谱仪器的要求。一般的，零漂和瞬时噪声越低，稳定性能越好；灵敏度越高，CCD检测器的相对光电转换能力越好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。