一种同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法

摘要

本发明公开了一种同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法，其特征是以积分球光源为检测光源，利用电压控制器调节积分球光源的输出信号的光强，将积分球光源的输出信号通过光纤传导至微型光谱仪，利用计算机采集获得微型光谱仪的输出信号，并经信号处理获得微型光谱仪的增益和读出噪声。本发明方法通过去除微型光谱仪的暗电流噪声及固定模式噪声使微型光谱仪增益及读出噪声的测量结果更加准确，精确度更高，能够同时完成对微型光谱仪的增益及读出噪声的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体是一种同时测量微型光谱仪的增益及读出噪声的方法。

背景技术

光谱仪通过对光谱的检测与分析，完成对光谱成分、物质属性的测量，是一种基本的光学检测器，广泛应用于生化研究、医学、天文、食品安全、物理研究等众多领域。然而，传统光谱仪通常具有体积庞大，结构复杂，成本昂贵，使用环境受限等一系列的缺点。近年来，随着微电子技术与微加工技术的日益成熟，微型化已经成为光谱仪发展的主要趋势。微型光谱仪相比较于传统光谱仪具有结构紧凑、体积小、质量轻、耗能耗材少、性能稳定、寿命长、价格低廉且便于批量生长等优点。微型光谱仪同时也满足了现场检测与实时检测的需求。增益及读出噪声是微型光谱仪的两个重要的参数。增益是微型光谱仪光探测器输出的电子数(e^-)与微型光谱仪输出信号的数字量(ADU)之比。读出噪声是无光线入射微型光谱仪时，微型光谱仪输出的信号的均方根起伏，是微型光谱仪电路部分产生的噪声。精确的测量微型光谱仪的增益及读出噪声，不仅可以用于分析评价微型光谱仪的性能，更对后期的数据处理至关重要。目前微型光谱仪增益的测量方法因为未对微型光谱仪内部的噪声进行系统的完整的分析，使得提出的理论模型与实际情况有所偏差，导致测量结果不够精确。由于在测量时忽略了其它噪声的影响，按照该方法拟合得出的曲线的线性度往往不高，这就使测量出的增益往往低于实际值，现有技术中关于同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法未见报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法，一方面同时完成对微型光谱仪的增益及读出噪声的测量，另一方面使微型光谱仪增益及读出噪声的测量结果更加准确，精确度更高。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法，是以积分球光源为检测光源，利用电压控制器调节所述积分球光源的输出信号的光强，将所述积分球光源的输出信号通过光纤传导至微型光谱仪，利用计算机采集获得所述微型光谱仪的输出信号，并经信号处理获得微型光谱仪的增益和读出噪声。

本发明中同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法按如下步骤进行：

步骤a、设定测量条件为：所述积分球光源的输出信号的光强为固定值I，所述微型光谱仪的放大系数G为固定值1，所述微型光谱仪的积分时间为固定值t；

步骤b、在设定的测量条件下，利用计算机对所述微型光谱仪的输出信号进行采集，获得两个连续的采集信号分别记为信号S_A1及信号S_B1，所述信号S_A1及信号S_B1为微型光谱仪输出的相对光谱功率分布强度；

步骤c、令：信号S_A1'为S_A1'＝S_A1-S_dark1，信号S_B1'为：S_B1'＝S_B1-S_dark1；

其中，S_dark1是指在关闭积分球光源的情况下，利用计算机采集获得的所述微型光谱仪的输出信号；

令：平均信号强度为平均信号强度为其中，S_A1(j)和S_B1(j)是微型光谱仪中光探测器像素j所对应的相对光谱功率分布强度，n是微型光谱仪光探测器所含有的像素的总数；

信号S_A1'和信号S_B1'的平均信号强度比r为：

步骤d、令:S_C1'为S_C1'＝S_B1'×r，则，平均信号强度为时微型光谱仪输出信号的总噪声的平方N_ADU²₁由式(1)获得：

$N_{ADU}{{}^2}_1=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({S_{A1}}^{\prime }\right(j)-{S_{C1}}^{\prime }(j)-M)}^2}{2n}---\left(1\right)$

其中M由式(2)获得：

记录数据组

步骤e、利用电压控制器(2)调节所述积分球光源(1)的输出信号的光强为不同的固定值I，并在积分球光源(1)的输出信号的光强为不同的固定值I的条件下重复步骤a-步骤d，得到m个数据组i＝1,2……m,m为步骤a-步骤d执行的次数；

步骤e、对于所述m个数据组的数据进行最小二乘线性拟合，得到直线y＝kx+b，则微型光谱仪的增益g＝1/k,读出噪声

本发明同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法的特点也在于设置所述m不小于5。

本发明方法基于微型光谱仪的噪声理论分析，得出微型光谱仪噪声及输出信号的函数关系，并以此为依据，在测量过程中消除暗电流噪声及固定模式噪声，最后同时得到增益及读出噪声的精确数值。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法通过去除微型光谱仪的暗电流噪声及固定模式噪声使微型光谱仪增益及读出噪声的测量结果更加准确，精确度更高。

2、本发明方法可以同时得到微型光谱仪的增益及读出噪声,完成在相同的环境条件及仪器工作状态下微型光谱仪性能参数的测量。

附图说明

图1为应用于本发明方法的测量系统构成图；

图2为本发明方法流程图；

图3为针对本发明方法进行实验所获得的平均信号强度-总噪声的平方的拟合直线。

具体实施方式

参见图1，本实施例是以积分球光源1为检测光源，利用电压控制器2调节积分球光源1的输出信号的光强，将积分球光源1的输出信号通过光纤5传导至微型光谱仪4，利用计算机3采集获得微型光谱仪4的输出信号，并经信号处理获得微型光谱仪的增益和读出噪声。

参见图2，本实施例中同时测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法按如下步骤进行：

步骤a、设定测量条件为：积分球光源1的输出信号的光强为固定值I，微型光谱仪4的放大系数G为固定值1，微型光谱仪4的积分时间为固定值t。其中，放大系数G取定值1是为了使测量得到增益及读出噪声的是微型光谱仪本身的增益及读出噪声。

步骤b、在设定的测量条件下，利用计算机3对微型光谱仪4的输出信号进行采集，获得两个连续的采集信号分别记为信号S_A1及信号S_B1，信号S_A1及信号S_B1为微型光谱仪输出的相对光谱功率分布强度。

步骤c、令：信号S_A1'为S_A1'＝S_A1-S_dark1，信号S_B1'为：S_B1'＝S_B1-S_dark1；

其中，S_dark1是指在关闭积分球光源1的情况下，利用计算机3采集获得的微型光谱仪4的输出信号；

令：平均信号强度为平均信号强度为其中，S_A1(j)和S_B1(j)是微型光谱仪中光探测器像素j所对应的相对光谱功率分布强度，n是微型光谱仪光探测器所含有的像素的总数；

信号S_A1'和信号S_B1'的平均信号强度比r为：

步骤d、令:S_C1'为S_C1'＝S_B1'×r，则，平均信号强度为时微型光谱仪输出信号的总噪声的平方N_ADU²₁由式(1)获得：

$N_{ADU}{{}^2}_1=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left({S_{A1}}^{\prime }\right(j)-{S_{C1}}^{\prime }(j)-M)}^2}{2n}---\left(1\right)$

其中M由式(2)获得：

记录数据组

步骤e、利用电压控制器2调节积分球光源1的输出信号的光强为不同的固定值I，并在积分球光源1的输出信号的光强为不同的固定值I的条件下重复步骤a-步骤d，得到m个数据组其中,i＝1,2……m,m≮5；m为步骤a-步骤d执行的次数，m不小于5是为了使拟合出的直线更加的准确。

步骤e、对于m个数据组的数据进行最小二乘线性拟合，得到直线y＝kx+b，则微型光谱仪的增益g＝1/k,读出噪声

理论模型：

微型光谱仪的噪声主要有光电子噪声暗电流噪声读出噪声以及固定模式噪声各个噪声之间相互独立，若均以电子数(e^-)为单位表示，其满足的关系如式(3)：

${N_{e^{-}}}^2={R_{e^{-}}}^2+{N_{S_{e^{-}}}}^2+{N_{D_{e^{-}}}}^2+{N_{F_{e^{-}}}}^2---\left(3\right)$

微型光谱仪的参数可以以e^-为单位，也可以以ADU为单位，两者的转换关系如式(4)所示：

e^-＝g×ADU(4)

其中g是微型光谱仪的增益。

微型光谱仪的信号采集过程中，为了消除暗电流噪声的影响，一般取较短的积分时间。若在较短的积分时间内微型光谱仪的暗电流噪声仍然很大，可以采用暗电流校正技术处理输出信号，去除信号内的暗电流噪声。微型光谱仪的固定模式噪声是由于微型光谱仪内的光探测器的各个像素对光强的反应不同而产生的。这种噪声是固定的，可以被轻易地消除。于是，消除了暗电流噪声及固定模式噪声之后，微型光谱仪以ADU为单位的输出信号可以表示为微型光谱仪的偏置信号与微型光谱仪的光探测器由于光电效应产生信号之和，如式(5)所示：

$S_{ADU}=S_{bias}+n_{e^{-}}/g---\left(5\right)$

其中，S_ADU是微型光谱仪以ADU为单位的输出信号。S_bias是微型光谱仪以ADU为单位的偏置信号，是微型光谱仪光探测器产生的所有电子的数目。

在输出信号较弱的情况下，为了使输出信号的特征更为明显或者为了更加有效的测量相应数据，通常会对所得到的信号进行放大，放大的系数用G表示，放大之后的信号为G×S_ADU，或者以e^-为单位表示为噪声是以信号的标准差表示的，放大后信号所产生的总噪声如式(6)所示：

${N_{e^{-}}}^2=\mathrm{var}(G\times S_{e^{-}})=\mathrm{var}(G\times g\times S_{ADU})---\left(6\right)$

将式(5)代入式(6)，进行化简：

${N_{e^{-}}}^2=G^2\times \mathrm{var}(g\times S_{bias})+G^2\times \mathrm{var}\left(n_{e^{-}}\right)---\left(7\right)$

其中，偏置信号的标准差是读出噪声，即是微型光谱仪光探测器光电效应产生的所有电子数，服从泊松分布。根据泊松分布的定义，则式(7)被进一步化简如式(8)：

${N_{e^{-}}}^2=G^2\times {R_{e^{-}}}^2+G^2\times n_{e^{-}}---\left(8\right)$

将式(5)代入式(8)消去并转换为以ADU为单位的参数，得到总噪声与输出信号的函数关系如式(9)：

${N_{ADU}}^2=\frac{G}{g}\times (S_{ADU}-S_{bias})+G^2\times {R_{ADU}}^2---\left(9\right)$

式(9)中的微型光谱仪的输出信号S_ADU、偏置信号S_bias、总噪声N_ADU可以通过微型光谱仪的输出信号计算得出。因此，设置放大系数G＝1，对采集的输出信号均消除暗电流噪声及固定模式噪声，记录多组S_ADU-S_bias及相应的N_ADU²的数据并进行最小二乘线性拟合，通过比较拟合后的直线y＝kx+b与式(9)的相应参数得出微型光谱仪的增益g＝1/k及读出噪声

图1所示的本实施例中测量系统，包括积分球光源1、电压控制器2、计算机3、待测量的微型光谱仪4及光纤5。积分球光源1用于输出光强为I的光束通过光纤5传输至微型光谱仪4，电压控制器2改变积分球光源1的电压从而改变输出光束的光强，计算机3用于采集微型光谱仪4的输出信号并处理。

方法的检验：

本实施方式以测量美国海洋光学一款USB2000型号的微型光谱仪为例。利用本发明方法测量该型号微型光谱仪的增益及读出噪声的数值。

该型号微型光谱仪的平均信号强度与相应的总噪声平方的组数组b的拟合直线如图3所示，拟合直线a的方程为y＝0.07726x+6.59675。

因此，该微型光谱仪的增益为12.943(e^-/ADU)，读出噪声为33.243(e^-)。