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1、第21卷 第7期光 学 学 报Vol.21,No.72001年7月ACTAOPTICASINICAJuly,2001文章编号:025322239(2001)0720825204瞬态光谱量子分析及其测量吴宝宁 刘建平 宋一兵 李宇鹏 岳文龙(西安应用光学研究所国防科工委光学计量一级站,西安710065)杨 利(北京理工大学机电工程学院,北京100081)摘要:介绍了新近研制的瞬态光谱测量仪,详细分析了瞬态光谱测量中的量子转换过程,进而表述出瞬态光谱信噪比表达式、图像参数和光电转换量子效率、光电成像有效积分时间和CCD光敏面的作用,最后给出了在此理论指导下的实测光谱曲
2、线。关键词:瞬态光谱学;光电成像;CCD探测;量子分析中图分类号:TH744.1 文献标识码:A1 引 言论落后于实践,为其进一步发展成为瞬态光谱分析仪器带来了困难,只有对其光电量子转换效率进一传统的光谱测试仪器,由于采用机械式的波长步分析,才能促使瞬态光谱测试进一步发展。扫描技术,无法对超快变化目标瞬间光谱进行采集。如火炸药的爆炸闪光光谱、导弹尾部火焰的瞬时光2 瞬态光谱测量系统的组成谱、脉冲氙灯的闪光光谱以及各种脉冲激光器的光谱都无法用传统的光谱仪进行测试。2.1 瞬态光谱测量系统原理我国对瞬态光谱测试的研究是从80年代后期瞬态光谱测量系统如图1所示,采
3、用光电手段,开始的,随着列阵元件硅靶摄像管及CCD器件研通过一次闪光获得光源辐射光谱。具体工作原理制和应用技术的进一步发展,瞬态光的空间分布及是:被测光源通过分光后,在CCD表面成像,进行光光谱测量技术迅速得到发展,各种测量瞬态光源光电转换,然后经放大电路放大,被放大的模拟信号再谱特性的仪器也相继问世。近几年,由于真空紫外经过控制系统进行A/D转换和数据采集,最后由微用于光栅刻线技术的提高以及电子技术的发展为高机进行数据处理,通过监测系统输出测试结果(包括分辨率瞬态光谱测试仪器的研制扫除了障碍,得到相对光谱功率曲线、色坐标、主波长、色温、色纯度、了突飞猛近的发展。
4、但是,在瞬态光谱测试方面,理显色指数等)。Fig.1Theprincipleframeofsystemfortransientspectrummeasuring 收稿日期:2000203213;收到修改稿日期:2000206209 光 学 学 报 82621卷 2.2 瞬态光谱测试光学系统组成和n2,这时CCD成像系统能否分辨出这两个像元,1)闪光光路系统取决于n1与n2的差异,这一差异就代表了瞬态光闪光光路如图2所示。闪光光路为一专用闪耀谱细节的信号。其瞬态光谱信号值可表示为:光
5、栅摄谱仪。其作用是将从入射狭缝射入的复色光S=n1-n2.(1)色散成所需的光谱带,再聚焦到出射狭缝外成像于如取相邻的两个有亮暗差异的像元,像元是边长为探测器的光敏面上。h的正方形,n1为亮像元,n2为暗像元,其亮度分别为L1和L2,且L1>L2,L1=dΦP(dΩdAcosφ),(2)式中,Φ表示像元发出的光辐射通量,Ω表示立体角,A表示像元的面积,φ表示像面法线与探测面法线的交角。则CCD成像系统接受来自亮像元的辐射通量为:ΩΦ=k∫L1cosφdΩds=A0Fig.2ThepictureofflarebeampathΦ2)探测器件222∫L1h2πsinφc
6、osφdφ=πL1hsinφ.(3)根据所测波长范围的不同,选用光谱响应不同0的CCD作为列阵探测器件,同闪光光路配合使用。 如光电转换的量子效率为η,有效积分时间为探测器件由列阵光电转换器件(CCD)、驱动电路和t,取Q表示每流明光通量在每秒所通过的光子数。处理电路三部分组成。其功能是将在光谱面上并行对于白光(取其有标准A光源的光谱分布)的Q值16-1-1排列的光谱带转换成为与光谱分布强弱成正比的串近似等于1.3×10lms。由此可列出CCD成行光电信号输出。像系统在有效积分时间内接收亮像元辐射的平均光3)微机系统子数为:22微机系统与探测系统之间所用的模数转
7、换电路…n1=πL1hQtηsinφ.(4)须采用程控手段,以便控制进入转换器前放大电路同样过程,可求出CCD成像系统在有效积分时间内的放大量,确保模数转换电路在高精确度的中心数接收暗像元辐射的平均光子数为:22字区进行运转,使强光谱区大电荷数据不会溢出,弱…n2=πL2hQtηsinφ.(5)光谱区小电荷数据能采取多次曝光的办法采集到,根据(1)式可知,由CCD成像所获得输出的瞬态光从而得到高精度相对光谱强度的测量结果。谱信号S为:22以硬软件手段保证闪光这一高速测量过程的全S=…n1-…n2=π(L1-L2)hQηsinφ.(6)自动化操作,用程控手段保证探测
8、器驱动电路
