线阵CCD光谱特性的研究及其应用

发布时间:2021-10-18 05:50:27

第 23 卷第 3 期 浙 江 师 大 学 报 ( 自然科学版) V o l 23, N o. 3 . 2000 年 8 月       JOU RNAL O F ZH EJ I G NORM AL UN I ER S IT Y (N at. Sci )        AN V . A ug. 2000

  文章编号: 1001250512(2000) 032253204

线阵 CCD 光谱特性的研究及其应用
金洪震,  李 勇,  应朝福,  彭葆进
( 浙江师范大学 数理与信息科学学院, 浙江 金华 321004)

摘 要: 设计了一种方法, 将线阵 CCD 作为一个整体, 测量其光谱灵敏度. 线阵 CCD 的整体光谱特性在用线 阵 CCD 作为光谱仪器的接收器件时是非常重要的参数. 同时分析了测量原理并给出了实验结果. 关键词: 线阵 CCD ; 光谱灵敏度; 光谱仪 中图分类号: O 432. 2; O 433    文献标识码: B

0 引 言

光电器件在现代技术中的应用越来越广泛, CCD 元件是重要的光电器件之一, 尤其在一维、 二维光

分布测量以及光机电一体化的应用中, CCD 的优越性是其它光电器件难以替代的 正是由于 CCD 器件 . 的用途广泛, CCD 的成品器件也就越来越多, 为 CCD 的应用开发提供了极好的条件, 但市售的 CCD 成 品器件往往是通用器件, 对于特殊用途必须知道其特殊性能和参数, 这些是成品 CCD 器件难以提供的 . 彩色图像的像质评价是目前国内外图像信息处理的重要问题之一, 彩色图像最终以光的光谱分布 刺激感官[ 1 ]. 因而, 通过对光谱分析来进行像质评价是最客观的方法[ 2 ] , 而这种光谱分析如果脱离了计 算机则是很难进行的, 因为彩色图像的信息量特别大, 若用计算机参与像质评价, 必须首先将光谱信号 转换成电信号. 用线阵 CCD 进行转换可以将整个光谱段数据一次性地输入计算机, 大大提高了测量速 度 为此, 笔者提出了一种切实可行的技术, 能够迅速地测量线阵 CCD 成品器件的光谱特性 本方法对 . . 于 CCD 在各类与光谱分析有关的应用中有着重要的实用意义 .

1 线阵 CCD 光谱特性测量原理
) ? (Κ 0 , ) ?t ( Κ

) 为线阵 CCD 的光谱灵敏度. 要说明的是这里的线阵 CCD 的光谱灵敏度 Υ( Κ 和单个 CCD 的光谱灵敏度 是不同的. 当用线阵 CCD 进行光谱测量时, 线阵中的某一个 ( 或几个) 单元 ( 像素) 对应一条谱线, CCD

的排列覆盖了整个光谱段, 如图 1 所示, 因而 ( 1) 式所表示的是线阵 CCD 中某一单元对其对应的波长灵 敏度, 而不是表示某一单元对所有波长的灵敏度. 当然, 如果线阵中所有 CCD 单元的性能都是一样的, ) Υ( Κ 也可以认为某一 CCD 单元的光谱灵敏度.
Ξ

 第一作者简介: 金洪震 (1965—) , 男 ( 汉族) , 浙江义乌市人, 浙江师范大学数理与信息科学学院讲师. 研究方向: 光学.

) ) 设某一光源的标准功率谱密度为 ? ( Κ , 由线阵 CCD 测得的功率谱密度为 ?t ( Κ , 定义 0
收文日期: 2000201203

) 在测量 ( 1) 式的 ?t ( Κ 时, 必须考虑谱线对位问题, 因为由线阵 CCD 测出 ?t 的仅仅是一个光强的空

) Υ( Κ =

Ξ

( 1)

25                   浙江师大学报 ( 自然科学版)                    2000 年 4 ) 间分布曲线, 可以表示为 ?t ( x ) , x 是某一 CCD 的坐标, 并没有给出谱线强度与波长的对应关系?t ( Κ , 因 ) 而必须对波长进行定位. 定位的方法是在测量 ?t ( Κ 的同一光路上, 再测量一个已知谱线分布的线状光 ) 谱, 同时结合谱面上的光谱分布与坐标 x 之间的关系 Κ( x ) 即可对 ?t ( Κ 进行定标 .
x =

图 1 线阵 CCD 单元与光谱对应示意图 图 2 是一个笔者设计的用线阵 CCD 作为摄谱元件的棱镜光谱仪光路 利用这一光路可以进行线阵 . [3 ] . CCD 光谱特性的测量 本棱镜光谱仪的谱面上光谱分布与坐标 x 之间的关系可*似的表示为 :
7. 712 63 10 12

式中 C 为积分常数, 图 3 是其关系曲线. ) 测量时, 要选择一具有连续光谱的光源作为标准, 首先利用一精密的光谱仪测量出它的 ? ( Κ , 并将 0 数据输入计算机. 然后通过图 2 光路用线阵 CCD 测出同一光源的 ?t ( x ) 和某一具有已知线状光谱光源 ) 的谱线分布 Κ ( x ) , 利用 Κ ( x ) 和 ( 2) 式, 通过计算机即可得到 ?t ( Κ. 0 0 图 2 线阵 CCD 棱镜光谱测量光路  图 3 棱镜光谱仪光谱分布与坐标 x 之间的关系

2 实验结果分析

在实验中我们选取具有连续光谱分布的溴钨灯的光谱作为标准, 用W D G 2 1 型精密单色仪测出它 J 的光谱分布如图 4 所示. 图 5 是采用图 2 光路, 通过线阵 CCD 测出的溴钨灯光谱空间分布 ?t ( x ) , 图 6 是在同样条件下 ( 即线阵 CCD 的位置严格不变的情况下) 测得的汞灯谱线分布, 由其中几条比较明显的 谱线和关系式 ( 2) 式, 通过计算机可以得到线阵 CCD 的某一单元的坐标与波长的关系 图 7 是最后得到 . 出 通过比较可以看出两者在光强较强时是一致的 . .

的线阵 CCD 所测量的溴钨灯功率谱. ) ) ) 得到了 ? ( Κ 和 ?t ( Κ 后, 就可利用 ( 1) 式算出线阵 CCD 的光谱灵敏度 Υ( Κ , 如图 8 所示 为了验证 . 0 它的正确性, 我们用图 2 光路测量了经过滤色处理后的溴钨灯光谱, 直接用线阵 CCD 测出的结果如图 ) 9 所示, 将其乘以 ?( Κ 后, 结果如图 10 所示 用 W D G 2 1 型精密单色仪测出的同一光谱也在图 10 中给 . J

Κ
2

+

3. 315 83 10 17
4 Κ

+ C.

( 2)

第 3 期                金洪震等: 线阵 CCD 光谱特性的研究及其应用                  255

图 4 溴单色仪测得的溴钨灯光谱    图 5 线阵 CCD 测得的溴钨灯光谱空间分布

图 6 线阵 CCD 测得的汞灯谱线分布  图 7 线阵 CCD 得到的溴钨灯的功率谱

图 8 线阵 CCD 的光谱灵敏度   图 9 线阵CCD 测得溴钨灯滤色处理的光谱
( 黄 45 ? + 青 45 ? + 青 50 ? )

25                   浙江师大学报 ( 自然科学版)                    2000 年 6

图 10 线阵 CCD、 单色仪得到的溴钨灯滤色处理的功率谱 本实验的主要目的是将线阵 CCD 作为一个整体测量它的光谱特性, 但同时也看到, 在测量的过程 中, 我们也形成了一个用线阵 CCD 作为谱接收器件的非扫描式的光谱仪 这种光谱仪的最大特点是所 . 要研究的谱段数据可以迅速地同时得到. 这对于大量的颜色数据的分析和评价是极为有利的 我们利用 . 这一仪器进行了彩色全息图的像质评价, 取得了较为满意的效果 . 参考文献:
( 黄 45 ? + 青 45 ? + 青 50 ? )

[ 1 ]  荆其诚等. 色度学 [M ]. 北京: 科学出版社, 1979 [ 2 ]  荆其诚等. 色度学 [M ]. 北京: 科学出版社, 1979

[ 3 ]  母国光等. 光学 [M ]. 北京: 人民教育出版社, 1998

Study on the spectrum sen sitiv ity and the appl ica tion of a l i ear CCD n
J I Hong 2zhen, L I Yong, Y I G Chao 2fu, PEN B ao 2jin N N

(Colleg e of M athem atics, P hy sics and Inf orm ation S cience, Z hej iang N orm al U niversity , Z hej iang J inhua 321004, Ch ina)

Abstract: A m ethod of m easuring fo r the spectrum sen sitivity of a linear CCD w as designed. A s a w ho le, the spectrum characteristics of a linear CCD are very i po rtan t param eters w hen the linear CCD function s m as a spectrum receiver. In th is paper, the p rincip le of the m easurem en t is discussed and the experi en tal m results are p resen ted. Key words: linear CCD; spectrum sen sitivity; spectrograph

( 责任编辑 杜利民)


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