摘要:介绍了一种使用面阵彩色CCD摄像机和体全息光栅设计的小型光谱仪。该光谱仪使用普通模拟视频信号输出格式,经过带有视频输入接口的计算机显示卡采集信号并实现图像信号的数字化,利用面阵彩色CCD的二维图像特点采用软件去除背景噪声,在达到使用分辨率和精度要求的前提下降低了对CCD器件性能的要求。从而降低了整机的造价。利用特别设计的局部缩放机构和CCD采集的色彩信息实现了对全光谱的频段细分,在有效像素数不变的情况下提高了系统的物理分辨率。
1 引 言
光谱分析仪器是研究颜色和物质成分较重要的工具,在视觉效果比对、彩色显示和生物化学领域有着广泛的应用。在研究物质成分的应用中主要是通过测量样本在投射、反射或激发状态下的光谱组成,对特征谱线的位置和强度加以分析[1];在彩色显示与测量领域的应用主要是通过测量自发光、透射光或反射光的全光谱功率分布函数,通过对功率分布函数进行积分和CIE标准色度空间的坐标转换,求得人眼对应的三刺激值[2]。
目前的颜色测量仪器主要可分为光电积分式测色仪和分光光度色度仪两大类[3]。光电积分式测色仪使用三个分立的光电接受元件模拟人眼的三刺激值响应,通常采用的光电探测元件为光电池或光敏二极管。为了达到绝对坐标测量的目的,分立的光电探测器必须具有与CIE标准色度观察者光谱三刺激值曲线X(λ), Y(λ), Z(λ)完全一致的光谱灵敏度曲线,这一点在硬件上目前还不能达到。因此光电积分式测色仪器在作为颜色测量标准方面略逊一筹,通常作为低精度的色彩比对。积分式测色仪的优点是结构和信号处理简单,便于和计算机接口,因此成本较低。
分光光度色度仪的的核心部分是光谱仪。它通过测量特征光源或反射、投射光的光谱功率分布函数S(λ)来实现对三刺激值的测量。具体转换关系如下
式中Δλ是波长间隔;X、Y、Z是标准色度观察者的光谱三刺激值;S(λ)视具体情况应该为光源光谱功率分布函数、透射率分布函数或反射率分布函数,为简化起见,本文统称光谱功率分布函数S(λ);K为颜色调整因子。为了使三刺激值有统一的尺度,CIE规定光源的Y刺激值为100,此时K取值为
由于这种测量方法直接反映了光源的频谱特性,有效地解决了对同色异谱的识别。另外,由于测量信号转换元件的光学特性均一,可以方便地获得其频谱响应的修正函数。从而通过软件提高总体精度。
现代的分光光度式色度仪主要有采用光电倍增管为探测元件的机械式色度仪和采用CCD器件为探测元件的CCD色度仪。由于实际的测量系统在运动机构、采样方式或数据处理上通常是不连续的,上述公式采用了频谱的离散化处理,这给应用CCD器件作为光谱功率分布的探测器提供了便利。CCD的像素在空间上是均匀分布的,因此可以把CCD的像素间距作为波长间隔Δλ处理。
CCD色度仪的性能很大程度上取决于CCD器件的性能和质量。像素间距、灵敏度、暗电流噪声、动态范围等特征参数是重要因素。为了提高测量的精度和稳定性,现有的典型设计通常采用高像素数双线阵CCD同步实时补偿的方式[4],这种设计在光路布置、机构和数据处理电路方面相对复杂,而且了实现可靠的补偿,对CCD和机构的装调也有较高的要求,因此主要应用在精度要求较高的情况下。本文介绍的光谱仪采用面阵CCD产生视频信号并配合通用的PC视频信号采集卡,将信号处理部分交给PC机的软件完成,大大简化了光学和信号处理电路的设计。由于在信号处理上采用了数字化积分和随机误差消除的方法,使采用普通CCD(512×580像素)就能达到必要的测量精度.
2 测量原理
面阵CCD光谱仪采用一块512×580像素的CCD作为光谱接收元件,见图1,工作原理如下:待测光经过物方孔径光栏照射狭缝,通过狭缝后经体全息光栅分光形成光谱,光谱经过像方视场光栏和反射镜反射,将1级衍射光谱导入CCD图像信号感光面。CCD将照射在感光面上的光谱转换成图像积分信号,经CCD摄像机调制电路调制成视频信号后,通过S-VIDEO或COMPOSIT端口传输至计算机图像采集卡。图像采集卡将视频信号保存为静态24Bit图像,再由专门的软件对其进行数字图像处理和光谱分析。
由于实际使用的CCD像面的物理尺寸为1/2英寸,所以对分光元件的衍射能力要求不是很高,采用典型的衍射分光光路即可。仪器的物理分辨率由CCD有效像素数和测量频谱带宽两个因素决定。设仪器的物理分辨率为D;光谱测量范围为S;CCD单行像素数为N。考虑到奈奎斯特频率的限制,则D、S、N三者的关系为
上述公式是建立在光谱均匀分布的条件下的,实际使用中由于CCD像面与一级衍射的光轴有一定的夹角,镜头成像引进畸变,以及CCD对不同频率响应的差异造成实际分辨率依波段不同而有所差异,需要通过软件加以修正。
对于一块CCD器件,其单行像素数N是不能改变的。例如使用行像素为512的CCD在光谱范围为380nm~780nm波段的物理分辨率只能为1·56nm。由于相临像素之间的信号存在串扰现象,使普通CCD在没有软件的帮助下实际的频谱分辨率在4nm~5nm左右。
3 量程调整
由(3)式可知提高物理分辨率的方法是减小测量的频率范围。即设计一种机构使CCD的量程可调。改变量程的设计使仪器的物理分辨率摆脱了CCD有效行像素数的限制,但同时又提出了新的问题:在不同量程之间如何保证频率绝对坐标的一致性。因为通常光谱仪器的测量结果先要经过标准频谱的标定,以确定各条谱线的绝对中心频率。可作为标定基准的光源,如He-Ne激光和汞灯的谱线有限,通常只用于对可见光全波段的标定,当测量范围缩小到一定程度时可能没有合适的直接标定谱线,另外对每一种测量范围都进行直接标定也是不现实的。因此必须找到一种频率标准的传递方法以替代直接标定,才能使可变测量范围的方法确实可行。这一要求是通过采用彩色CCD的方法实现的。采用单色CCD时,对光谱只能记录强度信息,由于对于不同光源采样,在不同波段可以具有相同的能量强度。因此单靠强度信息无法确定光谱谱线的绝对位置,绝对位置只能依靠标定来确定。由于光谱图像本身带有颜色信息,因此可以利用颜色信息对特征谱线在光谱范围内所在波段进行定位。经过对彩色CCD的颜色响应特性的标定,采用色彩信息定位谱线可以不受测量范围的限制,从而为实现可变光谱测量范围(量程)的功能解决了光谱实时定标的难题。
可变量程的实现方法为:首先对CCD测量的最大范围(通常是可见光谱)进行全光谱响应特性标定,确定不同波长对应的颜色信息。将标定的结果以CCD特性文件的形式存储在软件中,作为调整量程时谱线定位的基准;然后根据实际测量需要调整测量光谱范围,即调整CCD感光面在光路中的位置从而改变像距,使只有部分光谱范围充满全部的CCD成像面;对待测光谱进行采样,由于CCD位置的改变,采集的光谱图像不再对应标定时的全可见光谱范围,为了获得调整后谱线的绝对频谱位置必须从新调整频率坐标以适应这种改变(见图2);将所采集的谱线图像的颜色信息与CCD标定特性文件的颜色信息进行比对,获取改变测量范围后的频率坐标。上述坐标调整是通过数字图像处理实现的,同一块CCD通常只要标定一次即可。
4 误差分离
采用线阵CCD的谱线测量方法对CCD的性能要求较高,尤其在测量动态范围较大的情况。CCD器件的许多特性限制了测量精度的提高,例如拖影、背景噪声、相邻像素信号串扰等[5]。当测量信号较弱时,上述因素的影响就会显现出来,甚至将待测信号淹没在其中。
为了降低CCD性能和光源稳定性等因素的影响,通常采用两路对称线阵CCD光路同步采样,一路用于标准光源,一路用于待测光源,两路比对求得结果[4]。这种设计对测量反射率等参数时消除误差很有效,但对于自发光或激发特征谱线的测量的效果有限。主要是因为仅有两组信号时信号的相关性有限。背景噪声、暗电流等噪声信号不便被分离。减少测量信号误差的另一种有效方法是信号积分法,或称信号累积法。即将光谱图像信号进行时间积分或累加,将待测的频谱信号分量视为严格相关的,而将背景噪声和串扰等误差分量视为不相关的。经过积分可以有效地提高信号的信噪比,从而扩大测量范围、提高系统谱强度分辨率。设图像信号积分或累加的次数为N,积分光谱图像信噪比为R,单次成像的信噪比为R′,则
频谱图像积分的方法可分为CCD电荷累积和数字累积两种[6]。CCD电荷累积需要对CCD采样周期进行调整,这对于采用标准视频信号接口的图像采集设备(CCD摄像机和采集卡)来讲不易实现。因此本设计只采用了数字累积的办法。这种累积是通过对面阵CCD采集的二维图像的逐行累加实现的。
当面阵CCD的行扫描方向与光栅衍射方向平行时,可以认为在各行上形成的衍射光谱图像是严格相关的。而像串扰、暗电流、背景噪声等误差信号可以认为在各行之间是无关的。对行信号进行累加即可实现消除随机误差信号、提高信噪比的目的。
由于采用视频采样接口,对图像的分析由数字图像处理软件完成,数字累积的程度只取决于单帧图像中进行累加的行数,而不是图像的帧数,这是采用面阵CCD的优点。
5 系统实现
根据上述原理,我们制作了一台采用彩色面阵CCD的摄像头作为光谱图像采集器件的光谱仪。使用的CCD为512×580像素、光学格式1/2英寸,不带自动色温平衡和自动曝光补偿。将CCD布置
在一级衍射光轴的垂直方向,并使CCD行扫描方向与衍射方向大致平行(倾角可以通过软件矫正)。用紧固螺栓将CCD锁紧在滑轨上,使其可根据需要可沿一级衍射方向前后移动。调整像方视场光栏使CCD避免0级光线的干扰。分光器件选用了线宽为1·6μm、入射角为10°的体全息光栅,采用非平行光入射以提高衍射分光的带宽。光谱仪配备了高压卤素灯光纤照明和专用狭缝,可用于光源、透射介质和反射介质的分析。视频信号的采集选用了华硕的AGP-V264视频采集卡,该采集卡可支持S-video输入实时采集并且可以采用24Bit色深度保存结果。
系统图像处理软件采用VB开发,可以实现的功能包括CCD全光谱颜色响应特性标定、扫描行倾角自动补偿、图像逐行数字累积积分和图像数字滤波等。经过数字滤波处理可以进一步消除图像的背景噪声,对低照度条件下的分析十分有用。经数字处理的图像与CCD全光谱响应特性图像比对,求得频率坐标位移量和缩放比例,便可以确定实测的频谱中各谱线的频率中心位置、相对强度、半带宽等参数。
对该仪器分别采用低压汞灯、He-Ne激光和以10nm为采样间隔的LED谱线进行了比对。在可见光谱范围内频率分辨率小于4nm,频率稳定性小于2nm,632.8nm谱线的带宽在使用彩色CCD时小于10nm,在使用黑白CCD时小于9nm。部分实测的结果如图3、图4、图5所示。
6 结 论
本文提出了利用通用视频信号接口的彩色面阵CCD设计光谱仪的方案,并对机构实现和数据处理等方面进行了论述。借助于彩色面阵CCD和数字图像处理,我们将光谱测量转化为特征谱线图像中局部特征的亮度和位置的测量,将数据处理工作交给计算机软件,降低了硬件部分的复杂程度和精度要求,为光谱仪器的袖珍化进行了有益的尝试。该仪器已经用于跨媒体图像信息质量保证的研究,并在荧光激发特征谱线的识别、发光、显示元器件(LED、CRT)颜色特性质量控制、物质分析、色彩识别和标定等方面有广泛的应用前景。
参考文献:
[1] Yee G M, Maluf N Iet al. MiNIature spectrometer for biochemicalanalysis. Sensors and actuators. 1997, A58: 61-66
[2] Hunt R W G. Measuring Color. Ellis Horwood
[3]何丽桥,乔亚力,张铁强·两种测色仪器的比较和评价[J]·吉林工业大学学报,1995(3)
[4]毛义,王庆有,吴邦彦·一种新型CCD测色仪的研究[J]·仪器仪表学报,1995(8)
[5]谈新权,梅晓英·高分辨率CCD图像传感器及CCD摄像机的性能评价[J]·光学技术,1999(1)
[6]魏建中,王仲春等·CCD成像型宽量程亮度计系统研究[J]·光学技术,1999(1)
作者简介:何树荣(1945-),男,广西贵港市人,清华大学副教授,从事光电技术与仪器研究。
