近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置

摘要

本发明公开了一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，属光学计量技术领域。该装置包括用于标定光栅光谱仪的光源组件，含有阵列光纤束的光纤组件，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机，含有平场凹面光栅和面阵EMCCD的光栅光谱仪；阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤；被测脉冲光源发出的脉冲光束经光纤组件、狭缝后被平场凹面光栅色散，色散光聚焦到面阵EMCCD的光敏面上而形成n行线光谱，计算机采集n行线光谱并根据光谱辐亮度计算公式获得被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度值，并在计算机屏幕上显示单幅或多幅光谱辐亮度曲线。本发明解决了近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度的校准难题，具有广阔的应用前景。

主权项

1.一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，包括光源组件(1)，光栅光谱仪(3)，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机(4)，其特征在于：还包括含有耦合透镜(2-1)和阵列光纤束(2-2)的光纤组件(2)，所述光栅光谱仪(3)含有滤光片(3-1)、狭缝(3-2)、平场凹面光栅(3-3)、面阵EMCCD(3-4)；所述光源组件(1)包含一维移动平台(1-6)，用于标定光栅光谱仪(3)的高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)和脉冲开关(1-5)，高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)和高压汞灯(1-3)一字排列安装在一维移动平台(1-6)上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台(1-6)使高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)的发光面的中心逐个对准脉冲开关(1-5)的中心，脉冲开关(1-5)的中心与所述耦合透镜(2-1)的中心正对；所述耦合透镜(2-1)为凸透镜，所述阵列光纤束(2-2)的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n≥10，n的取值取决于所述狭缝(3-2)的长度；耦合透镜(2-1)通过光纤连接器与阵列光纤束(2-2)的输入端相连；阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)长度相同且平行正对，平场凹面光栅(3-3)的刻线方向与阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)的长度方向垂直，同时与面阵EMCCD(3-4)的长度方向一致；当对被测脉冲光源(1-4)校准时，将被测脉冲光源(1-4)放置在一维移动平台(1-6)上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜(2-1)的中心；被测脉冲光源(1-4)发出的脉冲光束经耦合透镜(2-1)耦合到阵列光纤束(2-2)的输入端，由阵列光纤束(2-2)输出端出射的一列光束照射到滤光片(3-1)上，经滤光后到达狭缝(3-2)，由狭缝(3-2)出射的光束入射到平场凹面光栅(3-3)上；光束经平场凹面光栅(3-3)色散后聚焦到面阵EMCCD(3-4)的光敏面上并形成n行线光谱，面阵EMCCD(3-4)将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机(4)；计算机(4)带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯(1-3)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λ_j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体(1-1)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数K(λ_j)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源(1-2)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的标准光谱辐亮度L_CC(λ_j)数据表；光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：所述菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号V_Bi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bi(j)转换为随波长λ_j变化的背景电压测试信号V_Bi(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Ci(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：i=1、2、.......、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j=1、2、.......、J,J取决于光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λ_j表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号V_Bim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bim(j)转换为随波长λ_j变化的背景测试信号V_Bim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Cim(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m=1、2、..........M,m为面阵EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期；计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：L(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_C(λ_j)-V_B(λ_j)]$V_B\left({\lambda }_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_{\mathrm{Bi}}\left({\lambda }_j\right)$$V_C\left({\lambda }_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_{\mathrm{Ci}}\left({\lambda }_j\right)$k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]式中，j=1、2、.......、J，L_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，L_CC(λ_j)为白光光源的标准光谱辐亮度值，L_CC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值，V_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的测试电压值，V_CC(λ_j)是白光光源的测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值L_m(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线；L_m(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_Cm(λ_j)-V_Bm(λ_j)]$V_{\mathrm{Cm}}\left({\lambda }_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_{\mathrm{Cim}}\left({\lambda }_j\right)$$V_{\mathrm{Bm}}\left({\lambda }_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_{\mathrm{Bim}}\left({\lambda }_j\right)$k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]采用上述一组公式的计算过程为：在m=1时，将j=1、2、.......、J时的λ_j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L₁(λ_j)，在m=2时，将j=1、2、.......、J时的λ_j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L₂(λ_j)，直到m=M时，将j=1、2、.......、J时的λ_j代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值L_M(λ_j)。