专利名称：快速探测宽谱面光谱的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光栅摄谱仪快速探测宽谱面光谱的技术，应用该项发明能够使常 规光栅摄谱仪升级为三维显示方式的快速探测宽谱面的光栅摄谱仪器。
背景技术：
目前，国内生产的各种型号光栅摄谱仪的共同特点是用感光胶片摄取谱面上 的光谱，曝光后再经过冲洗才能获得谱面的光谱。冲洗出来的光谱图还必须进行 谱图分析，实在耽误时间，冲洗过程中因时间的掌握与控制、药液的浓度、温度 控制与熟练程度等原因不可避免地对光谱强度或图像灰度的控制不可能具有很 高的重复性，影响光谱强度的测量；另外由于感光胶片的感光度和感光响应的线 性均存在误差，不可能准确反映实际的即时光谱，因此，直接影响光谱分析的质 量和效率。尽管以线阵CCD为光电传感器的多通道光谱探测器基本能够解决上 述问题，但是，线阵CCD的几何尺寸太小，不会超过50mm，而摄谱仪谱面很 宽， 一般为240mm，因而单个线阵CCD多通道光谱探测器不能满足宽谱面光谱 探测的要求。
发明内容
为加快光谱探测与分析的速度，准确、及时采集宽范围的光谱，提升光栅摄 谱仪的先进性和科学性而提出此发明。此项发明的实施必将有利于光栅摄谱仪在 物质成分的分析方面提供更为科学的数字化三维数据显示的信息资料。
本发明的快速探测宽谱面光谱的装置，包括CCD探测板1， A/D转换板2， 计算机数据采集接口电路板3，与光栅摄谱仪连接壳体4，与摄谱仪连接口 5， 与计算机的接口6和电源接口7;其中，在光栅摄谱仪的谱面位置安装8个线阵 CCD器件拼接组成的宽波长范围光谱探测器l，它输出的多路信号直接送到装在 其后的并行A/D转换板2上进行模数转换，并将转换的数据存于板内的静态存 储器中，装在A/D转换板2后面的电路板为计算机数据采集接口电路板3，计算 机数据采集接口电路板3在计算机软件控制下将存于转换板2静态存储器中的多 路数据通过与计算机接口 6与USB数据线送入计算机内存。
所述的8个线阵CCD器件拼接组成宽波长范围的光谱探测器1安装在与光 栅摄谱仪连接的壳体4内。光栅摄谱仪连接的壳体4上设计有4个斜坡结构的光
栅摄谱仪连接的接口5，光栅摄谱仪上的旋转紧固旋纽，恰好能够使光谱探测器 1牢固地连接到光栅摄谱仪上，并保证摄谱仪的谱面准确地成像于多个线阵CCD
器件的光敏面上。
所述的光栅摄谱仪连接的壳体4上安装有两个接口 ， 一个为与计算机相连接 的USB2.0接口 6，另一个为电源接口 7，通过接口 7向光谱探测器提供所用的 电源，通过接口6将计算机软件的控制命令送入光谱探测器，并将光谱探测器采
集到的光谱数据送入计算机内存。
多个线阵CCD在同步驱动器的作用下并行输出所探测的光谱信号，采用多 路同步并行A/D转换器进行同步并行转换使探测谱面宽度为240mm的时间仅为 一个线阵CCD信号的输出时间，例如发明装置采用8只线阵CCD传感器并行数 据采集的时间要比用一个线阵CCD传感器探测240mm宽的谱面至少要进行8 次旋转光栅和采集8次线阵CCD传感器的输出信号，所花费的时间远远大于专 利方案所用时间的8倍。另外，扫描方式不可能像感光胶片那样获得同一时刻整 个谱面上的光谱，而本发明的光谱探测装置不但能够像感光胶片那样获得同一时 刻整个谱面上的光谱，还能够在最短时间内得到整个谱面上的各个光谱数据，这 是胶片方式无法比拟的优点。
同步并行转换方法的实施方案为由同步逻辑控制器产生控制各路A/D转 换器件(51~58)均按线阵CCD驱动器的行同步与像元同步脉冲进行启动、转换 与存储，由于光谱采集的特点是采集时间较转换时间长，而计算机传输数据的时 间很短。因此，在线阵CCD的一行光积分时间内完全可以将同步转换的数据送 到计算机内存。即整个数据采集过程能够在一个光积分时间内完成。
本发明提供的技术不仅含有线阵CCD器件按机械拼接方式实现无缝拼接的 技术、多路并行数据采集的技术还包括以三维空间图像显示方式显示所采光谱的 技术。不仅加快探测速度，而且能够探测不同时间段光谱的变化和同一时刻谱面 各光谱的强度。这对动态分析物质成分的变化过程具有非常重要的意义。
图l:快速三维光谱探测器结构图； 图2:光谱探测板图； 图3:多路A/D数据采集板； 图4: USB接口板。
其中1—CCD探测板，2—A/D转换板，3_计算机接口板，4—光栅摄谱 仪连接壳体，5—探测器与摄谱仪快速连接器，6—计算机接口， 7—电源接口， 11~18—放大器，19~探测板插针，21~28—线阵CCD器件，31~38—同步驱动
器，39—同步脉冲发生器，41 48—A/D转换器的控制器，49一转换板插座，50 —多路A/D数据采集板控制线输入接口， 51-58—A/D转换器件，59—控制器信 号产生器，60—多路A/D数据采集板的数据单排插针，61 68—静态存储器，69 一读写控制器，71—USB接口板制电源接口， 72—标准USB2.0总线管理与控制 器，73—USB2.0总线管理与控制脉冲发生器，74—标准USB2.0总线接口， 75 一单排插座。
具体实施方式
本实用新型的实施方式是如图1所示，包括CCD探测板1， A/D转换板
2，计算机数据采集接口电路板3，探测器的壳体4，探测器与摄谱仪快速连接器 5， USB接口 6和电源接口 7。在光栅摄谱仪的谱面位置安装由8个线阵CCD器 件21~28拼接组成的宽波长范围的CCD探测板1，它在同步驱动器31~38的作 用下输出的多路信号通过放大器11~18放大后，经CCD探测板1上的探测板插 针19直接与装在A/D转换板的转换板插座49连接，如图2所示。将多路信号 送到A/D转换板2上，由A/D转换器件51 58进行并行模数转换，在A/D转换 器的控制器41~48发出的控制脉冲作用下将转换的数据存于板内的静态存储器 61~68中，静态存储器61 68的数据通过装在A/D转换板2上的单排插针60送 出，静态存储器61 68的控制信号通过读写控制器69获得，读写控制器69的控 制信号由A/D转换板2上的单排插针60送来，如图3所示。A/D转换板2上的 单排插针60与计算机数据采集接口电路板3上的单排插座75相连接，单排插座 75将A/D转换板2的单排插针60上的数据送给计算机数据采集接口电路板3上 的USB2.0总线管理与控制脉冲发生器73， USB2.0总线管理与控制脉冲发生器 73与标准USB2.0总线管理与控制器72相连接，将采集到的光谱数据通过标准 USB2.0总线管理与控制器72和标准USB2.0总线接口 74送给计算机。在计算 机软件控制下将存于A/D转换板2静态存储器中的多路数据通过USB接口 6与 USB数据线送入计算机内存。而读写控制线分别接到读写控制器69上，读写控 制器69的输入线也连接到单排插针60上，单排插针60再与USB接口板3的单 排插座75将计算机软件发来的控制命令通过标准USB2.0总线接口 74回送给读 写控制器69，完成数据的双向传输工作。
三个电路板的电源从计算机数据采集接口电路板3上的电源接口 71送来， 再经过A/D转换板2上的电源接口 50送给A/D转换板2，经A/D转换板2的插 座49送给CCD探测板1上的插针19给CCD探测板1供电。
所述的8个线阵CCD器件拼接组成宽波长范围的CCD探测板1、 A/D转换 板2和计算机数据釆集接口电路板3都安装固定在探测器的壳体4上。探测器的 壳体4上有4个斜坡结构的探测器与摄谱仪快速连接器5，它使探测器的壳体4 能快速安而牢固地固定到光栅摄谱仪上，并保证摄谱仪的谱面准确成像于多个线 阵CCD器件的光敏面上。
探测器的壳体4上安装有两个接口， 一个为USB接口6，另一个为电源接 口 7，通过USB接口 6将计算机软件的控制命令送入光谱探测器，并将光谱探 测器采集到的光谱数据回送给计算机，通过电源接口 7向光谱探测器提供所用的 电源。光谱由三维图谱的显示，送入计算机的数据在软件支持下将所采集的光谱 数据按采集时间间隔、光谱波长和光谱强度等三维坐标以图像与三维坐标的方式 显示所采集的光谱，在计算机显示器上以X、 Y、 Z直角坐标系显示快速测出的光 谱线与光谱图。
快速宽谱面光谱探测器的3维显示技术是在计算机软件的支持下将所采集 的光谱数据按采集时间间隔、光谱波长和光谱强度等三维坐标以图像与三维坐标 波形的方式显示。其中，若用x轴表示光谱波长A，用j轴表示采样时间"而 用灰度。表示光谱的强度/，则所表述的平面为三维光谱分布图像；若用x轴表 示光谱波长入，用y轴表示光谱的强度/，而用z轴表示采样时间"则画出的图 像为光谱分布的三维坐标波形图。这两种显示图像都能直观而又清晰地表述所采 光谱的空间信息。
采用本发明的快速探测宽谱面光谱的方法及装置，在实际应用中不但能够代 替胶片同时采集整个谱面的光谱而且以最快的速度计算、处理与显示出各时段的 光谱分布，使利用光栅摄谱仪对物质组成元素的分析速度加快。例如选用每毫米 1200条线的lm光栅摄谱仪，其光谱分辨率为0.8nm/mm;若采用2160像元的 单个线阵CCD (像敏面长为30.24mm)采集摄谱仪整个谱面240mm (对应谱面 宽度为192nm)至少进行8次扫描，若每次扫描运动时间为2s，读、写、显示 与光积分时间为2s，则完成整个谱面光谱的探测至少花费32s的时间，而专利所 述的装置只需要2s的时间足以完成，节省30s时间。
本发明公开和提出的快速探测宽谱面光谱的装置，本领域技术人员可通过借
鉴本文内容，适当改变结构和组件等环节实现。本发明的仪器已通过较佳实施例
子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文
所述的仪器进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，
所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包
括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求1.一种快速探测宽谱面光谱的装置，包括CCD探测板(1)，A/D转换板(2)，计算机数据采集接口电路板(3)，与光栅摄谱仪连接壳体(4)，与摄谱仪连接口(5)，与计算机的接口(6)和电源接口(7)；其特征是在光栅摄谱仪的谱面位置安装8个线阵CCD器件拼接组成的宽波长范围光谱探测器(1)，它输出的多路信号直接送到装在其后的并行A/D转换板(2)上进行模数转换，并将转换的数据存于板内的静态存储器中，装在A/D转换板后面的电路板为计算机数据采集接口电路板(3)，计算机数据采集接口电路板在计算机软件控制下将存于转换板静态存储器中的多路数据通过与计算机接口(6)与USB数据线送入计算机内存。
2. 如权利要求1所述的快速探测宽谱面光谱的装置，其特征是所述的8个线阵CCD器件拼 接组成宽波长范围的光谱探测器(1)安装在与光栅摄谱仪连接的壳体(4)内，光栅摄 谱仪连接的壳体上设计有4个斜坡结构的光栅摄谱仪连接的接口 (5),光栅摄谱仪上的 旋转紧固旋纽，恰好能够使光谱探测器牢固地连接到光栅摄谱仪上，并保证摄谱仪的谱 面准确地成像于多个线阵CCD器件的光敏面上。
3. 如权利要求1所述的快速探测宽谱面光谱的装置，其特征是光栅摄谱仪连接的壳体4上 安装有两个接口， 一个为与计算机相连接的USB2.0接口 (6)，另一个为电源接口 (7)， 通过电源接口向光谱探测器提供所用的电源，通过USB2.0接口将计算机软件的控制命令 送入光谱探测器，并将光谱探测器采集到的光谱数据送入计算机内存。
专利摘要本实用新型属于光栅摄谱仪快速探测宽谱面光谱的装置，包括CCD探测板，A/D转换板，计算机数据采集接口电路板，与光栅摄谱仪连接壳体，与摄谱仪连接口，与计算机的接口和电源接口，在光栅摄谱仪的谱面位置安装8个线阵CCD器件拼接组成的宽波长范围光谱探测器，它输出的多路信号直接送到装在其后的并行A/D转换板上进行模数转换，并将转换的数据存于板内的静态存储器中，装在A/D转换板后面的电路板为计算机数据采集接口电路板，计算机数据采集接口电路板在计算机软件控制下将存于转换板静态存储器中的多路数据通过与计算机接口与USB数据线送入计算机内存。不仅加快探测速度，而且能够探测不同时间段光谱的变化和同一时刻谱面各光谱的强度。
文档编号G01J3/28GK201069387SQ20072009704
公开日2008年6月4日 申请日期2007年8月10日 优先权日2007年8月10日
发明者王庆有 申请人:天津市耀辉光电技术有限公司