光谱课程设计报告(邓萍萍).doc

物理与电子科学学院课程设计报告专业班级： 光电12101班 学生姓名： 邓萍萍 学生学号： 201211040112 指导教师： 刘长青 设计时间： 2014.12.152014.12.29 * 课程设计项目一 * 一、课程设计题目 LED彩色显示屏亮度及光强测试二、课程设计目的：1、学习stc4000 快速光谱仪、远方CBM-8光度色度智能测试管理系统硬件和软件的安装方法及使用方法。2、学习利用stc4000 快速光谱仪测LED灯所发光的稳态及光度、利用远方CBM-8及光度色度智能测试管理系统测量光度和色度。3、掌握利用工具软件来实现LED测试的基本概念、基本原理的方法。三、设计内容与时间安排1、stc4000 快速光谱仪、远方CBM-8光度色度智能测试管理系统的安装；2、利用工具软件来LED测试的基本概念、基本原理的方法。3、时间安排：2014年 12月 15 日2014年 12 月 29日 四、设计一：stc4000 快速光谱仪稳态及光度测试（一）设计原理 1、系统描述CCD 阵列外部触发USB2.0光学分光装置光度测量通道MCU微处理器上位机EEPROMCCD驱动电路16 Bit高速AD图一：系统原理图 被测光源的光经过采光适配器（或光纤）入射到仪器内，经光学分光装置后上，并被 CCD 阵列转化为电信号输出，信号经滤波放大等处理后，经高速 A/D转换为 16 位的数字信号。微处理器将读取到的数字信号通过 USB 接口上传到计算机，通过 STC4000 光谱分析系统软件进行数据处理。2、系统特点1）光学分辨率高。本仪器核心器件 CCD 阵列是目前为止国内外所采用的最先进的 CCD 线阵之一，该款 CCD 有 3648 个像素点,而当前主流的快速光谱分析仪所采用的 CCD 均只有 2048 个像素点。所以本款仪器的光学分辨率将近提高了一倍。2）独有的光度测量通道。仪器配备了光度探测器接口，可增配光度探测器、积分球测量光通量等光度参数。利用积分和分光相结合的专利要求，光度测量可达到极高精度和极宽的线性测量动态范围。3、相关理论本仪器主要涉及“光辐射测量”的“光度学”和“色度学”两大领域，由于本仪器的综合性功能，本仪器可以说是光、色测量的最重要仪器之一，其主要设计依据CIE（国际照明委员会）关于光和颜色测量的标准出版物。为客观、统一地评价光源或物体的颜色，CIE 在大量心理学和物理学实验基础上推荐了“CIE 1931 XYZ标准色度系统”，其三刺激函数如图 图二 所示。图二：CIE 1931 XYZ系统三刺激值函数对于一发光物体假设其发射光谱为 P（），则人眼的刺激值响应为：色品坐标为:自然界中的全部颜色均能用色品坐标（x,y）表示，且均能在 CIE 1931 XYZ色度系统的马蹄形色品图中找到，如图 3.3 所示。图三：CIE 1931 XYZ系统色品图由于 CIE1931 XYZ 标准色度系统在实际应用中存在诸如色差容限不均匀等问题，CIE 又推荐了“CIE1976 均匀色品图”，其色品图如图 3.4 所示。其颜色坐标由(u,v)表示，与 CIE 1931 色品图中的（x,y）存在以下坐标变换关系：事实上,(x,y)和(u,v)存在一一对应关系，均表示颜色的坐标位置，只是两种不同色度空间的表示法。图四中，中间的一条曲线表示黑体在不同温度下辐射的颜色坐标点(u,v)的轨迹。如果某一发光体颜色与一定温度下的黑体辐射光有相同的颜色，即在色品图上坐标相同，则称该黑体的温度为发光体的色温，现实世界中，大部分的发光体，如三基色荧光粉或荧光灯，它的色度的坐标点一般不处在黑体轨迹上，此时用相关色温表示。当发光体颜色与某一温度下的黑体辐射颜色最接近，则称该黑体的温度为发光体的相关色温。在 CIE 1960 UCS 均匀色品图上，通过发光体的色品坐标点向黑体轨迹作垂线，得到垂足点所对应的黑体温度即为该发光体的相关色温。可见，测得了发光体的色品坐标即可计算出其相应的相关色温。相同色品坐标的荧光粉或荧光灯照明物体时产生的客观效果并不一定相同，有的荧光粉或荧光灯的颜色显现能力较强，即显色指数高，另外也有显色指数低的。为了考核发光体（或照明体）的显色指数，CIE 规定了 14 种标准试验色，见表 1。号数近似孟塞尔标号在昼光下的色貌17.5R6/4带浅灰的红色25Y6/4带暗灰的黄色35GY6/8深黄绿色42.5G6/6适中黄的绿色510BG6/4带浅兰的绿色65PB6/8浅兰色72.5P6/8浅紫罗兰色810P6/8带浅红的紫色94.5R4/13深红色105Y8/10深黄色114.5G5/8深渌色123PB3/11深兰色135YR8/4带浅黄的粹色（白人的肤色）145GY4/4适中的青果绿色（树叶绿）计算被测光源和相同色温的黑体辐射(大于 5000K 时,为平均日光辐射)分别照明试验色板时两者的颜色差E，即可求得特殊显色指数 Ri:必要时，可计算特殊显色指数 R15：其中，15E 为被测光源和相同色温的黑体辐射(大于 5000K 时,为平均日光辐射)分别照明 15 号试验色板（东方女性肤色）时两者的颜色差E。试验色 1-8 号求得的 8 个特殊显色指数之和的平均值称为一般显色指数 Ra: 综上所述，只要测得被测对象的相对光谱功率分布就可以计算出其色品坐标，相关色温和显色指数等色度学参数。对于式（1）中 k 值进行标定，并计算出 Y值即可得到其光通量、照度、亮度等光度学参数。4、基本系统的组成STC4000 快速光谱仪的基本组成主要包括 STC4000 主机一台、采光适配器一个、USB 通讯线等。为保证仪器正常工作，用户还应配置 P以上计算机一台(可由用户自行配置，要求配彩色显示器、鼠标、USB 接口、RS232 通信接口、Win98以上操作系统及光驱)，并配置远方光谱分析系统_STC4000 专用操作软件一份。STC4000 快速光谱仪实物图见图五所示。图五：STC4000快速光谱仪图5、系统连接计算机及测控软件STC40000快速光谱仪USB通讯线积分球图六：系统连接图STC4000 的使用方法有很多种，可以单独测试被测试光源的色参数，也可以与其他仪器配合使用。如：配合远方 LED300 光色电综合测试系统可以快速测量LED 光色电性能参数。不同配置的 STC4000 有不同的连接方法：STC4000 提供的光学入射口，可根据需要配置采光适配器或光纤。将采光适配器（或光纤）接至 STC4000 快速光谱仪的入光口上（如图 4.1 所示），固定，不能使其松动。本仪器还提供固定孔，可将仪器固定于三脚架上进行定点测量。若需要测量光通量，则必须配置光度探测器和积分球，如图 4.2 方式连接，积分球与光谱仪之间的连接可用光纤或采光适配器。6、系统功能如图 4.1 所示，仪器有四个外接口：1、采光适配器接口：可根据需要换成光纤。2、光度探头接口：仪器独有的光度测量通道。仪器配备了光度探头接口，可根据需要增配光度探测器、积分球测量光通量、光照度等光度参数。3、触发接口：根据客户需要，还可以提供触发功能。4、USB 接口：仪器通过此接口与计算机相连，通过计算机进行数据分析处理等。（二）实验步骤1、启动软件2、光谱定标为保证测量的准确度，用户可以在每次测量时对仪器进行光谱定标。按照要求连 接好仪器后，点亮标准灯，如配有远方 WY 系列电源，可选择“使用 WY 系列电源”，可以使用软件开灯，更加方便（在界面上输入标准灯电流和电压）。待标准灯稳定一段时间后（几分钟或者更长），可以开始定标。输入标准灯标定的色温和光通量（如需要测试光通量，必须将标准灯放入积分球中），选择合适的积分时间，保证光信号不溢出的情况下，使信号尽量处于较大的值（界面上 Ip 值大于 50%）。等标准光源稳定后，可以停止采样并按“保存定标数据”完成定标。定标的准确性会直接影响测量结果的准确性。3、波长校验校正仪器出厂前已经完成校正，一般用户不需要重新校正，如果用户发现波长不准确，可以重新校正，但不正确的校正会使测试结果严重出错。波长校正方法按如下步骤进行：a)选择菜单“操作”，然后点击“波长校正校验”菜单，弹出如图 5.5 中“波长校正校验”对话框，进入波长校正界面如图 5.5 所示。b)设置积分时间，可以手动设置，也可以选择“自动积分”，自动积分较慢。c )点击“单次测量”或者“连续测量”，等待界面上出现明显的谱线（404.66nm、35.88nm、546.07nm），调节积分时间，使信号较大且不溢出，观察界面右侧框中误差值，如误差值均不超过 0.3nm 说明波长准确，不需要校正，若误差较大，点击“波长校正”，然后重新测量观察。4、快速光谱分析1）系统设置a）点击“操作”菜单中“系统设置”进入相应界面。b）自动积分调节上限：范围在 1000ms 到 60000ms 之间，设置的时间越长自动积分的调节时间可能会越长，如信号较强可以将此时间改小，如信号较弱无法自动积分时，可以将此时间改大或者调节光信号；c）选择光度测试类型 d）波长测量范围设置：在仪器的可测量范围内可以任意设置测量波段进行测量。比如对于 VIR 型仪器测量范围为 350nm-1050nm，如只需要测量可见光，可以设置测量范围为 380nm-780nm 即可。5、光谱测试在菜单上设置好测量的积分时间和平均次数，如选择“自动积分”，仪器开始自动调节测量的积分时间，但有可能测量较慢。也可以手动输入积分时间，合理的范围为测量得到的 Ip 值在 5090之间。a) 单次测量点击“操作”菜单下“单次测量” 快捷键 F3），或者点击工具条上“开始”按钮仪器开始一次测量。如积分时间发生变化的时候软件自动测量一次暗电流，如不改变积分时间的情况下需要测量一次暗电流，可以点击“操作”菜单下“采样系统暗电流”。b) 连续测量点击“操作”菜单下“连续测量” 快捷键 F4），或者点击工具条上“双箭头”按钮，仪器开始连续测量。如积分时间发生变化的时候软件自动测量一次暗电流，如不改变积分时间的情况下需要测量一次暗电流，可以点击“操作”菜单下“采样系统暗电流”停止点击工具栏“stop”按钮即可。6、稳态测试选择“操作”下“快速光谱仪稳态测试”菜单，进入稳态测试界面有保存、打开、打印、导出功能，可以快速分析单个光信号的变化情况。可自动选择积分时间。（三）实验数据1、实验：实验室钠灯稳态测试 2、测试对象：实验室钠灯稳态测试产品型号:LIGHT 环境湿度:65.0% 环境温度:25.3 制造厂商:EVERFINE测试人员：邓萍萍（四）数据处理：1）颜色参数：2）光度参数 白光分类：out 分级：仪器状态：自动积分时间：100ms Ip：38078（58%）五、设计二：CBM-8 型彩色亮度计光度、色度的测量（一）实验原理 CBM-8 型彩色亮度计是照明工程、光源和发光器件、电影电视、交通信号、建筑、大气光度等领域常用的测试仪器。 CBM-8 型彩色亮度计选用高稳定的,光谱响应曲线 x(l ) 、 y(l ) 、 z(l ) 严格匹配的三色光电探测部件、嵌入式单片机系统、低功耗带背光液晶显示器、 大容量的锂电池，因而，它不仅可满足实验室内使用，而且也十分方便用于野外现场测量。CBM-8 型彩色亮度计内置 4 个视场角，分别为 2、1、0.2、0.1，因此亮度测量范围广。CBM-8 型彩色亮度计配有大口径高象质的优质望远物镜，可对远距离物体或光源的亮度和颜色瞄点测量。加辅助镜后可对近距离的微小物体或光源的亮度和颜色瞄点测量。其基本结构，如图 1 所示。图七：CBM-8型彩色亮度计原理框图信号调理图片七：CBM-8型彩色亮度计原理框图信号调理适度调节RS-232电源管理键盘MCULCD显示望远物镜X Y Z 三色探测部件（二）实验步骤（一）色度测量实现亮度、色坐标（x，y）、色温、色差和三刺激值的分析测量。1、系统连接将 BM-7 和计算机用串行通讯线连接。2、软件操作1）测试操作a选择“操作”菜单，单击“通讯设置”b根据系统连接选择相应的串行口。c地址码和波特率设置的选择与 BM-7 下位机的设置相一致。d选择“操作”菜单，单击“测试数据”e每测试一次都会弹出如图 3 所示的对话框，可根据需要选择是否将测试结果加入列表。f 选择“操作”菜单，单击“显示坐标值”g单击工具条上2）文件操作a装载已有的 BM7 存盘数据。b存储当前测试数据到指定文件，文件扩展名默认为“BM7”。c打印报告。d导出数据。3）定标系数恢复及备份。为防止 BM-7 定标系数被毁或修改而造成测量数据不准，本系统提供定标系数的恢复和备份功能。用户应慎用此功能，防止定标系数被误修改。定标系数恢复：单击“打开”，找到向远方公司索取的 BM-7 定标系数，然后单击“下载”，此定标系数将被下载至 BM-7 下位机程序中，定标系数恢复。定标系数保存：单击“读取”，则 BM-7 定标系数将自动被读取至本软件中，然后单击“保存”，将定标系数保存至指定目录，完成定标系数备份。下次 BM-7 定标系数需恢复，下载此定标系数即可。（二）光度测量实现一台或多台仪器的光通量、照度、亮度的测量。1、系统连接将一台或多台仪器与计算机用串行通讯线相连。2、软件操作1）测试操作a选择“操作”菜单，单击“通讯设置”b选择“操作”菜单，单击“测试数据”2）文件操作a装载已有的存盘数据。b存储当前测试数据到指定文件，文件扩展名默认为“PHP”。c导出数据。（三）实验数据数据：色度测量数据序号xyuv色温Tc(K)亮度Y色差duv三刺激值XYZ主波长(nm)色纯度(%)10.5860.4130.3460.5481596179690.00525505.117968.8351.859299.8220.5870.4120.3470.5481582179690.00525641.1517968.8352.14592.299.8230.5860.4130.3460.5481593179730.00525542.2117972.952.1359299.8240.5860.4130.3460.5481595181410.00525754.418141.1252.0359299.8250.5860.4120.3460.5481591181410.00525797.2118141.1252.4659299.8260.5860.4130.3460.5481593181450.00525787.5318145.452.259299.8370.5860.4130.3450.5481599181450.00525727.8718145.452.63591.999.8180.5860.4130.3460.5481593181500.00525790.5818149.8852.5659299.8290.5860.4130.3460.5481596181500.00525754.9418150.2252.6159299.82100.5870.4110.3470.5481581181560.00525920.9418155.5652.56592.299.82色品坐标:X=0.5682 Y= 0.4126 Z=0.3461色温:Tc(K)= 1591.9 亮度Y=18093.9 色差duv=0.05三刺激值:X= 25722.193 Y=18093.926 Z=52.312六、总结及体会每次都是快期末的时候接触课程设计，虽说实验做得不是挺好，挺成功；但是在这整个过程中却收获良多。也许结果对有些人来说是非常重要的，我个人的感觉是在这几个实验中，过程比结果重要。 首先，这些光学仪器我们都没见过，也没用过。所以我们首先要做的事情就是花时间把实验说明书看上数遍，并把它弄懂；这正是培养我们的自学能力。 在此过程中我们会碰到许多问题，但是我们只能一次又一次的尝试，实践，翻阅资料去解决这些问题。从软件安装到仪器调试每一个步骤都需要我们细心的去处理这些问题。还有另外一点我个人感受是比较深的，与小组成员展开激烈的讨论。换做平时，大家从来都没有这样认真的讨论过类似的问题，但是这次的体验真的很难得。感觉实践中学到的东西比书本上的更容易接受，也让我更加确定了今后专业的发展方向。 * 课程设计项目二 * 一、课程设计题目光纤光谱综合技术及应用二、课程设计内容.1. 使用反射探头探测物体颜色系统搭建a) 根据实验原理图链接各个器件。在使用中应保护光纤断面不接触到其他物体，以免磕碰污染光纤端面影响测量精度；在连接光纤时应避免光纤弯曲角度大导致光纤折断。b) 根据实验原理搭建光纤探测平台c) 搭建光路完成后，打开Avasoft7.5软件连接光谱仪d) 将白色参考白板紧贴在积分球采样口上，在scope mode下调节integration times参数值，使得光谱仪探测强度在10000以上，调节average参数值，使得光谱谱线平稳。系统标定a） 关闭照明光源，稳定后单击save dark记录暗背景。b） 打开照明光源，稳定后单击save reference记录白参考测试数据a) 打开application菜单栏，选定color measurement，在LABchart界面设定illuminant参数为D65，设定CIE standard observer参数为0degrees（前面两项也可根据需要选择其他标准选项），在reference color栏选定参考颜色，然后单击OK。b) 将反射探头对准物体即可开始测量，若dE等参数过大（大于0.1）或者数据变动很大，可适当增大average的参数再试，c) 数据测试：随即测试色标卡中5种色标。记录实验相关数据测试仪器：光纤光谱仪avaspec-2048测试波长范围：350-1100nm,=2.4nm采用漫射照明，温度10度，标准照明体D65.蓝色黄色红色 本实验所遇到的问题主要是选择参考光的时候参考光颜色不稳定，很难选定，色标卡颜色标定时屏幕上显示颜色不明显。2. 利用透射光谱测定滤光片透过率概述：光学透过率是所有的透光器件的重要指标，掌握光学器件的透过率检验方法可以帮助我们研究各种光学器件，系统的功能。光学滤光片产品主要应用于医疗仪器，金融，冶金，照相器材，航空，航天，军事，生化仪器，光学仪器，科研等领域。滤光片的主要指标有：光谱透过率，中心波长，半波宽，截止波长等。实验目的：利用RLE-SA02-PRO光纤光谱综合测试系统搭建滤光片透过率测试平台，掌握光纤光谱仪的工作原理和运用，掌握滤光片的主要性能指标和相应的检验方法。实验仪器：光纤光谱仪，积分球，卤钨光源，照明光纤，光纤准直镜，探测光纤，二维可调棱镜台，窄带滤色片，中性密度透过率测试样品，长波通带滤色片，Avasoft-Full软件，电脑等。设计参考：A) 实验系统搭建与标定根据实验仪器框图和测试实物图连接光纤卤钨光源，准直镜，积分球和光谱仪。a） 根据实物图，安装各夹持部件。并调整各器件同心等高。有些定制产品配置，光纤准直镜调节支架可能与实物图不符。b） 打开光谱仪，在不开光纤光源的情况下记录黑背景。打开光纤光源，调整光纤准直镜与积分球采样口等高，并使得光束正入射进采样口，待光纤光源预热30分钟后，并调整光谱仪和average值使得光谱强度在10000以上，并稳定。此时保存白参考。根据上图结果可以大致观察该滤光片的透过率为20%该实验遇到的困难主要是光源加热时间很难掌握，光强不够的情况下测试得到多次结果偏差都非常大，待光强加热时间充足稳定光强达到需要的稳定值后，测试所得到的结果才误差较小，还有就是软件操作不熟练，里面的很多专业英语词汇也不认识，所以操作的时候比较慢 3. 利用白光干涉测定薄膜厚度测量概述：随着信息产业的发展，光学薄膜的需求补不断增大，对器件特性的要求也越来越高。物理厚度是薄膜最基本的参数之一，它会影响整个器件的最终性能，因此快速而精确的测量薄膜厚度具有重要的意义。台阶仪是最常用的的厚度测试方法，然而它需要在样品上制作台阶，同时测试中机械探针与样品接触，会对一些软膜的表面造成损伤，因而非破坏的光学手段是更为理想的方法。传统的测量薄膜物理厚度的光学方法主要有光度法和椭偏法两种。其中光度法是通过拟合分光光度计测得的透/反射率曲线来得到薄膜厚度的一种方法，但它要求膜层较厚以产生一定的干涉振荡并且只能测量弱吸收膜；图便宜测量具有灵敏度高的优点，但是受外界面层等因素的干扰，需要复杂的数学模型来求解厚度，上述这些方法已经成功而广泛的应用在各个领域，然而随着近年来微光机电系统等微加工技术的发展，经常需要在高低起伏的基板上沉积薄膜，因此用测量表面轮廓的白光干涉仪来进行薄膜厚度测试的方法引起了人们的关注。实验目的：利用RLE-SA02-PRO光纤光谱综合测试系统搭建薄膜厚度测量平台，掌握光纤光谱仪的工作原理和运用，掌握基于白光干涉的原理来确定光学薄膜厚度的方法。实验仪器：光纤光谱仪，Y型反射式光纤，光纤卤钨光源，探测光纤支架，Avasoft-thinfilm应用软件，薄膜测试片，电脑等。系统设计原理：薄膜测量系统是基于白光干涉的原理来确定光学薄膜的厚度。白光干涉图样通过数学函数被计算出薄膜厚度，对于单层膜来说，如果已知薄膜介质的n和k值就可以计算出它的物理厚度。一束光从空气垂直入射到薄膜表面，由菲涅尔反射定律，其振幅反射系数为：R=N1-N2/(N1+N2)其中，N1=N-IK，称为复折射率，K为消光系数。振幅透射系数为：T=2N/(N1+N2)透射光在薄膜/基底界面再次发生反射，其振幅反射率为：R1=S-N1/(S+N1)反射光在两界面间多次发生反射。则第一次的反射光和多次反射的透射光在空气中发生多光束干涉，其干涉的总振幅相对于入射光的反射比为： R2=(R+R1e-2i)/(1+RR1e-2i)其中，=2d(N-IK)/,则光强反射比R=|r|*|r