（光学专业论文）基于虚拟仪器的可见光谱数据采集与处理系统.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 光谱分析测试技术和光谱仪器的应用非常广泛，在物理化学基础 理论研究、天文观测、矿产资源勘测和工业产品质量分析等领域发挥 着重要作用。随着p c 机的广泛使用，其配置越来越高，功能越来越 强。 针对高精度、高速度的光谱测量要求，本文设计了一个基于虚拟 仪器的可见光谱数据采集与处理系统，包括光学系统设计、硬件设计 及应用程序设计三部分工作。 文章首先对整个光学系统以及光电转换和采集模块进行了理论 的分析，从理论上证明系统的可行性。用彩色线阵t c d 2 2 5 2 d 图像 传感器采集光谱信号；然后通过硬件对模拟信号进行放大和低通滤波 基本信号调理，去除高频噪声；信号与计算机之间的通讯是借助于 n i 公司的一款p c i 6 2 51 采集卡实现的，通过软件设置对采集卡进行 控制。 对采集到的光谱信号采用帧减法消除背景杂波、增强目标，将目 标信号从背景杂波及系统噪声中提取出来；利用l a b v i e w 8 5 编写测 试程序，实现了光谱数据的采集、处理、分析、显示及传输等功能。 利用软件编程再次对信号进行了滤波处理，增加了增益调整功能；采 用最小二乘法对系统进行波长标定，实现了光谱的峰值查找功能，且 与传统的线性定标法进行对比，进一步改善了测量精度。实验结果表 明测量误差在可接受的范围内。通过网络实时发布测量数据，远程用 户可方便地浏览测量情况。 关键词：虚拟仪器，l a b v i e w ，c c d ，光谱，数据采集 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s p e c t r a la n a l y z e r a n d s p e c t r o m e t e r a r eu s e d w i d e l y , p l a ya n i m p o r t a n tr o l e i nr e s e a r c ho fp h y s i c a lc h e m i s t r yb a s i c s ，a s t r o n o m i c a l o b s e r v a t i o n ，m i n er e c o n n a i s s a n c e ，p r o d u c tq u a l i t ya n a l y s i sa n ds oo n a s t h ep cw i d e l yu s e dc a p a b l i t yb e c o m em o r ep o w e r f u l a i m i n ga t t h ed e m a n do fh i g hp r e c i s e ，h i g h s p e e d i n s p e c t r a l m e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dad a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e mo fv i s i b l es p e c t r u mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tw a sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h r e ep a r to f w o r k , o p t i c ss y s t e m 、h a r d w a r es y e t e m 、a n da p p l i c a t i o n s o f t w a r ed e s i g n f i r s to fa l l ，m a d et h e o r ya n a l y s i sf o rt h ew h o l e o p t i c ss y s t e m 、 p h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s i t i o na n da c q u i s i t i o nm o d u l e ，t e s t i f yf e a s i b i l i t yi nt h e o r y u s i n gc o l o rl i n e a rt c d 2 2 5 2 da c q u i r es p e c t r u ms i g n a l ，m a g n i f ya n df i l t e r s i m u l a n ts i g n a lb yh a r d w a r es y e t e m ，e l i m i n a t eh i g hf r e q u e n c yn o i s e ，u s i n g p c i - 6 2 51c a r dc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m m p u t e r , w h i c hi sp r o d u c e db yn i c o m p a n y t h ec a r di sc o n t r o l l e db yt h ep r o g r a m m es e t t i n gp a r a m e t e r s u p p r e s st h eb a c k g r o u n dc l u t t e ra n de n h a n c et h et a r g e tb yt h em e t h o do f f r a m es u b t r a t i o n ，t od i s t i l lt h et a r g e ts i g n a l t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mw a s d e s i g n e dw i t hl a b v i e w8 5 t oa c h i e v et h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n ， p r o c e s s i n g ，a n a l y s i s ，d i s p l a ya n dw e bt r a n s m i s s i o n f i l t e rd i s p o s a la g a i nb y s o f e w a r ep r o g r a m ，a d dp l u sa d j u s t m e n tf u n c t i o n b yu s eo ff i t t i n gs c a l e s t a n d a r dw a v e l e n g t h ，r e a l i z e da u t o s e a r c hp e a kv a l u e ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t m e a s u r e m e n te r r o ri sw i t h i na c c e p t a b l er a n g e t h et e s td a t aw a sp u b l i s h e dt o i n t e r n e tr e a l t i m e ，t h e r e f o r et h er e m o t eu s e r sc a nb r o w s i n gt h es p e c t r u m m e a s u r e m e n te a s i l y k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，c c d ，s p e c t r u m ，d a t e a c q u i s i t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名： 莹童亟 日期： 幽年上月卫曰 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 醐：弩啦也日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光谱仪器概述 第一章绪论 1 1 1 光谱仪器的发展简介 随着2 0 世纪下半叶航空航天、遥感遥测、生物医学等领域突破性的发展， 计算机技术的成熟及普及，激光、光纤、固态探测器等技术的出现和发展，不但 对光谱分析、光谱检测提出了更高分辨率、更高灵敏度等要求，而且为新型光谱 仪器的发展提供了原理上、工艺上的有利条件。因此在2 0 世纪后期光谱技术和 光谱仪器获得了突破性进展，基于光散射原理的激光散射光谱仪、基于干涉调频 调幅的傅立叶变换光谱仪、基于非线性光学原理的各种激光光谱仪等等，都是 6 0 年代以来突破传统光谱仪原理和结构得到迅速发展和广泛应用的新颖光谱 仪，己成为现代天文、化学、物理各研究领域和生产领域的有力工具n 明。 光谱仪器一般包含三部分：入射准直系统、色散系统、探测系统口1 。入射准 直系统一般由物镜和狭缝组成，用来产生平行光束，照射到平面光栅上。然而随 着凹面光栅的出现，实现了成像与色散功能的融合，简化了光学系统，使仪器更 加小型化。下面将分别具体介绍分光元件和探测元件的发展历程。 1 ) 分光元件的发展历程 在光谱仪核心元件分光器件的发展历程中，经历了色散棱镜、衍射光栅到采 用干涉调制元件和信息变换技术的演化。棱镜的色散率受材料折射率的限制，分 光效果不佳。继而光栅的使用解决了这个问题，当时系统体积依然庞大。1 8 8 2 年，罗兰( h a r o w l a n d ) 发明了凹面光栅，还建立了一套罗兰园理论，使得光栅 的色散功能和聚焦功能合二为一，使系统向小型化又迈进了一步。随着光栅刻划 和复制技术的日臻完善，能够制造出从红外到真空紫外很宽光谱范围的光栅，并 可以得到高分辨率、高色散率，性能优越而且价格便宜的光栅h 刊。随着全息技 术的发展，已经设计出了非球面全息凹面光栅，其具有像差小，信噪比高和制作 成本低的特点，使得光栅光谱仪器发展更加迅速，应用范围更加广泛，但其广泛 应用还需一段时间。总之，在很多情况下，光栅光谱仪己成为主要的光谱仪器。 2 ) 探测元件的发展历程 在光谱探测器的发展历程中，从传统的肉眼、感光板、光电池到光电倍增管、 热电偶、热释电器件，己发展到全固态的光电探测器，如c m o s 线性成像传感 器、光电二极管阵列、c c d 等，不但提高了探测效率，而且可实现全光谱快速 扫描口1 。对于特殊波段( 紫外) 可在c c d 上采用增强镀膜，其优缺点比较如下： 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) c c d 探测器 c c d 探测器中储存着电荷，而当光子照射到其光敏面时电荷就会被释放。 在积分时问的结尾，剩余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到 a d 转换卡。c c d 探测器具有自然积分的特性因此具有非常大的动态范围，它 只受暗电流和a d 转换卡速度的限制。其优点是象元数多、灵敏度高、响应速度 快；缺点是信噪比低睛刮。 ( 2 ) 紫外( ( u v d u v ) 增强镀膜 对于波长小于3 5 0 n m 的应用，未镀膜的c c d 探测器对波长小于3 5 0 n m 的 光信号的响应很低，d u v 镀膜增强了探测器在1 5 0 3 5 0 n m 的响应，u v 镀膜则 增强了探测器在2 0 0 3 5 0 n m 的响应。 ( 3 ) 光电二极管阵列 一个硅光电二极管阵列是一个由多个象素( 二极管单元) 组成的线性阵列。 当信号光照射到光电二极管上时，电子就会被激发并输出电信号。大部分光电二 极管阵列都包括读出积分放大器一体式的集成化信号处理电路。其优点是在近 红外区灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。 ( 4 ) c m o s 线性成像传感器 所谓的c m o s 线性成像传感器比c c d 阵列传感器具有较低的电荷一电压转 换效率，因此具有较低的光灵敏度，但是却具有较高的信噪比。c m o s 的内部电 路中有筘位电路，可以把噪声抑制到一个很低的水平。优点是信噪比高、紫外波 段灵敏度高；缺点是读出速率低、灵敏度低、成本相对较高。 基于c c d 探测器象数多、灵敏度高、响应速度快的特点，特别是近几年c c d 的飞速发展，象素尺寸越来越小，在探测精度、效率等方面有了很大提高。因此， 适合于全光谱快速扫描。 在光谱仪控制和分析检测数据处理显示传输和应用技术发展历程中，计算机 技术的发展实现了仪器自动化甚至智能化。而且近年来网络技术的发展又推动了 光谱仪器网络化的发展，不但可以完成光谱信息远距离传输交换，而且可实现比 实验室信息管理系统更高一层的远距网络化。 随着新技术的不断出现和发展，光谱技术和光谱仪器也将在更高层次更广范 围向高科技知识密集化发展。值得注意的若干新动向有：光谱传感器微型化生物 化，如采用光纤与化学试剂或生物材料的种种结合，构成微型光纤化学、光纤生 化光谱传感器。纳米技术和纳米材料的发展，及芯片技术从半导体集成电路移植 到微型传感器，都促进着光谱传感器微型化进程。光谱仪器网络化。光谱仪器配 备上调制解调器及相应的网络接口、应用软件，可以大大方便远在几千公罩以外 的制造商即时诊断用户仪器的工作状态排除仪器故障。光谱仪器虚拟化，即使用 2 硕士学位论文 第一章绪论 软件直接通过计算机实现对仪器的主要操作。像光谱仪这样常用的仪器，虚拟、 模糊的新概念影响了下一代光谱仪器的设计制造和使用。 1 1 2c c d 在光谱测量中的应用 光谱仪的光谱接收系统可分为三种：目视接收系统、摄谱接收系统和光电接 收系统。其中光电接收系统的测量光谱范围最宽，具有精度高、速度快等优点。 对于获取的电信号可以经过量化处理输入计算机，进行相应的信号处理和分析。 光电接收系统中，光电光谱仪根据光学结构的不同，可分为单通道机械扫描型和 多通道电子扫描型两类n 们。最早采用的是单个的光电转换元件，它需要光栅转动 机构与之配合才能获得整段光谱信号，可随意选择分析谱线和其他参量，具有很 好的灵活性。但这种采用机械扫描方式的光谱仪不但结构复杂，而且不利于光谱 仪的微型化和集成化，并且它对分析谱线逐一顺序测量，故分析速度慢，工作参 数较容易漂移。多通道同时型的光学系统与分析通道相对固定，多通道同时测量， 分析速度快，漂移小，精度高。随着半导体技术的发展，各种阵列探测器不断涌 现，阵列探测器的优点是不再需要单个光电转换元件系统中的扫描装置，大大简 化了光谱接受系统的体积，并且能一次性、快速地获取整段光谱信号。现在的微 型光谱仪几乎已经全部采用阵列式光电接收系统了。 光谱信号的采集和处理其实就是对光谱仪器所用的探测器( c c d ，s s p a 等) 的 输出信号的采集及处理。直到九十年代，电荷藕合器件c c d 技术才从航天走向 民用。由于c c d 器件的结构特点，能同时探测空间中分布的多点信号，如一幅 图像( 面光源) ，一排光信号，被称为同时型或并行接收型探测器件1 引。c c d 是 一种以电荷量表示光量大小，用藕合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、 动态范围大、光谱响应范围宽、灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低、寿命 长及可靠性高等一系列优点n 引。c c d 现在己广泛应用于生活中，如数码相机等， 也正因为这些优点使其成为现代光谱仪器中探测器的最佳选择。有了c c d ，加 上计算机技术的发展，使光谱仪器测量有更快的速度和更高的灵敏度，实现多通 道同时采集和计算机的实时处理，能够非常简便快捷地完成光谱测量任务。 c c d 有光电倍增管无法比拟的优势。曾作为主要检测器沿用了数十年的光 电倍增管( p m t ) 虽然具有很高的灵敏度和宽的光谱响应范围，但是单个p m t 的 致命缺点是不具备多道同时检测信号能力，因而也不能一次同时获得所有数据， 故速度上是瓶颈。而c c d 与可以提供二维光谱的光栅结合，能够同时采集到分 布在空问的多个信号，突破了p m t 的局限，大大地提高了全光谱的检测效率。 将c c d 与计算机技术相结合，把同时获得的各波长点的数据输入给计算机进行 处理，几乎实时地得到全部光谱的光强分布图1 。目前，c c d 趋向于大型阵列 发展，为提供更好的分辨率，大规模小尺寸象素c c d 己成为今后设计的热点n 引。 3 硕士学位论文第一章绪论 目前c c d 的象素已经普遍到百万数量级，甚至千万象素，技术逐渐成熟。采用 光栅作为分光元件、c c d 作为探测器的多通道光谱测量系统有高速度、结果可 靠、操作简便、损耗小，且成本不高的优点，利用其成像传感和自扫描功能可以 很方便的进行光谱分析口6 1 。以c c d 作为探测元件，可以同时采集各个波长点的 数据，并串行地输出给计算机进行分析与处理，这就实现了光谱的快速分析口7 1 。 对本课题来说是非常理想的光谱仪方案。 在国内，重庆大学曾延安、北京理工大学李全臣等对基于c c d 的成像光谱 的信息采集与数据处理进行了研究；南京理工大学对微光c c d 噪声测试进行了 研究；浙江大学项震对基于c c d 器件特征的图像噪声消除进行了研究。 在2 0 0 1 年，美国马萨诸塞州的a c t o n 研究公司将光谱仪和c c d 组合为一个 标准组件，并设计了易于连接的u s b 接口，极好地解决了c c d 元件集成的问题。 在这个i n s p e c t r u m 系统中，起决定性作用的是其采用的c c d 器件，其组件非常 适于集成化，具有内置制冷能力，可形成低于2 2 的环境。 a n do rt e c h n o l o g i e s 公司新近也研制出一种新式b r d d 型近红外喇曼光谱 测量用c c d 摄像机，在8 0 0 n m 附近的光谱，达到了9 4 的峰值量子效率。目前， c c d 趋向于大型阵列发展，为提供更好的分辨率，大规模象素c c d 将成为今后 设计的热点。此外，虽然c c d 作为光谱检测器已有不少应用，但在质谱中作为 离子检测器的潜力才刚刚被认识。总之，随着c c d 技术的不断革新和发展，c c d 在光谱检测中的应用前景是非常广阔的。 1 1 3 光谱测量仪器的发展潮流 传统的光谱仪器不但是“大型精密、贵重仪器 ，而且对工作环境条件( 温 度、湿度、振动、电磁干扰) 要求严酷，必须要由专业分析人员操作。为了 适应全球发展形势，上世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的 需求，并己出现光谱仪器小型化的潮流，研发小型化光谱仪器成为各国科技、产 业部门的关注重点。在国家“十五”科技攻关项目工作中，北京普析通用仪器公 司与天津大学合作，已开发出便携式紫外可见分光光度计，现已成为热销的产品。 至于现代军事科技发展迫切需求的战场、现场快速放射、生物、化学武器侦查的 便携式光谱仪，今后若干年会成为各国研发的重点。 可以预计，由于新世纪全球多领域的新发展对新型化光谱仪器的研发、生产、 应用需求会更加迫切，一定会成为今后相当长时期内备受关注的热点。 在科技国际化、经济全球化的新世纪新形势下，现代科技、现代产业的专业 化发展是今后继续重视的方向，因此对光谱仪器专用化的要求仍会不断增强。通 用型的大型光谱仪不但大而且贵，而且在应用中往往有“大而不当”的问题，不 能满足多领域( 尤其是专门化科技应用、在线、现场分析检测等) 的要求。例如 4 硕士学位论文第一章绪论 家用、个人用仪器、专业大生产线检测仪器，战场实地快速( 放射、化学、生物 武器) 侦察仪器等，要求仪器功能专门、性能可靠、体积小、故障少、价廉物美， 这些专用化光谱仪器( 尤其下述的家用、个人光谱仪器) 门类繁多、市场前景极 好m 1 。 至于家用、个人用( 所谓p i 仪器，p e r s o n a li n s t r u m e n t ) ，更是新世纪的 重要发展方向。全球经济、社会、文化、军事领域的持续发展，使生态环境、生 物医学、医疗康复、家庭和个人安全、健康等都已提到重点关注地位，生活得更 健康、更安全已成为人类的新要求，因此可适应家用、个人用的光谱分析、监测 仪器发展被提升到人们眼前。近一二十年来，已经出现家用、个人用的血糖检测 仪、尿液分析仪、饮用水质分析仪、危险气体( 一氧化碳、甲醛) 监测仪、 药效检测仪等新颖光谱仪器，可以预计今后很长时期内将成为市场热门仪器n 引。 对于家用、个人用光谱仪器，除了小型化、专用化、价廉物美等要求，故障 少( 如结构系统无活动部件，光学系统无调整部件，电子系统无分立元件等) 成 为主要研发目标，以保证非专业人员、老幼可方便使用，并可达到安全、结实、 长寿命等民众关注的要求。 近一二十年来，由于科技和产业的发展成果累累，已为光谱仪器小型化、专 有化提供有广泛选择余地的理论和物质基础，例如信息理论、数据处理、抗感染、 小型化设计的理论和方法、小型化甚至微型化的光源、分立器件、全固态探测器 件，微电子器件、微处理器等，都可供选用。 应该指出，光谱仪器的小型化、家用化、个人化的发展并不是简单的删繁就 简，并不意味着低质量、低性能水平，而是在高水平基础上的进一步发展。例如 美国o c e a n 光学公司推出的$ 2 0 0 0 型高灵敏度微型化光谱仪，尺寸只有 1 3 7 x l o 4 x 3 8 ( c 一) ，却装有全息光栅，2 0 4 8 像元的c c d 探测器、可在2 0 0 - - - 1l o o n m 波长范围工作、完全固态华无活动部件、可与计算机直接相连。 今后光谱仪器仍会沿着上世纪术已开始的应用面拓宽、转移的方向发展，将 由传统科技基础学科( 理、化、天文、生物) 、矿物分析、工业产品质量控 制等理论研究、物质生产领域继而向生物医学、环境生态、社会安全、国防建设 等与人直接相关的领域拓展伽1 。近年来，国内外已经发展种种直接与人相关的光 谱仪器，例如e g & g 公司推出的s p e xs k i n s k a n 光纤荧光光谱仪，可直接获取来 自人体皮肤的荧光，从而检验化妆品、应用效果、皮肤增生、头发损伤、紫外线 防护效果等，仪器无需样品制备，也无样品池，使用方便；我国北京瑞利分析仪 器公司、海光仪器公司等推出的a f 一6 1 0 、a f 一2 3 0 等型号的原子荧光光谱仪，也 可用于水质分析、土壤分析、环境分析以及农产品、食品、化妆品分析等。 可以预计，今后相当长时期内光谱仪器事业仍然将继续拓展应用面：科技部 5 硕士学位论文第一章绪论 门将继续提出开发出新的应用领域或新的应用要求，尤其是与人相关的应用新要 求；仪器研发、生产单位会不断根据种种新的应用要求、推出种种新颖光谱仪器， 而且市场前景将会成为光谱仪器或系统的研发、生产重点；在多领域大发展形势 下，光谱分析检测的应用会不断更新，广大的光谱分析用户会开发出种种新的光 谱分析方法，提出新的应用要求和推动新颖光谱仪器的开发要求。我们会面临前 所未见的光谱仪器事业方方面面的不断获得新应用成果的持续发展局面。 1 2 论文主要工作以及内容安排 本文在充分总结和分析光电检测技术的研究现状和水平的基础上，以系统的 实用化应用为出发点和落脚点，将虚拟仪器技术应用于光电检测系统，设计了一 套成本低、高性能的应用于可见光的光谱检测系统。 论文的主要工作和组织结构如下： 本课题将利用线阵c c d 作为接收器，以虚拟仪器( l a b v i e w ) 技术为开发平 台设计一套适用于可见光波段的光谱数据采集和处理系统，着重从对线阵c c d 输出信号的几种噪声补偿方式以及光谱数据处理方面进行研究。 主要包括三部分内容： 1 ) 对整个光电转换和采集系统进行全面的理论分析，从理论上证明系统的 可行性。结合c c d 器件的特点，选用合适的外围电路器件，构建一套适合测量可 见光光谱的硬件模块。 2 ) 通过编程控制数据采集卡，对c c d 输出的模拟电压信号进行采集和预处 理，将模数转换后的数字信号送入计算机处理系统。 3 ) 软件界面，实现对数据的处理和显示功能，包括数字滤波、自动寻峰、 曲线平滑、最小二乘拟合等处理，实现动态显示功能，通过软件调试完成对系统 的优化，并通过实验检验系统的准确性。 内容安排： 论文第一章主要说明了光谱测试仪器的发展、现状、趋势和可应用的领域； 第二章分析了多通道光谱测试的基木原理，包括平面光栅的分光成像原理、多通 道光谱成像测试系统的基本结构、光谱测试应用中相关的光色度参数定义；第三 章介绍了本课题系统的设计方案，硬件采集系统设计。第四章介绍了系统的软件 设计，系统实现的功能。第五章介绍了本课题系统的性能测试结果和远程测量应 用。第六章总结了本论文的成果和本论文课题系统的特点，并提出改进的意见。 6 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的工作原理 第二章光栅光谱仪的工作原理 2 1 测量系统基本结构 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。所有的光谱仪 器都可分成三部分：分光系统，以及接受系统和处理系统乜。光源可以是研究对 象，也可以作为工具照射被研究的物质。本系统中光源的作用显然为光源。 在该系统中，光源、单色仪构成光学部分；线阵c c d 和数据采集卡组成数 据采集部分；计算机及虚拟仪器软件是该系统的数据处理模块。光学部分完成分 光以及准直功能，形成按波长分布的连续或离散光谱；数据采集和处理部分完成 光电信号转换和光谱数据的采集与处理。c c d 把入射光谱的强度按波长分布转换 成模拟电信号，将此电信号通过数据采集卡传送给计算机处理。系统原理框图如 图2 一l 嘲。 光 线 数 学珲 据 部o 采 分 n 集 o 卡 计 一l 软a 件b v 骀i e w 算 机 图2 1系统原理框图 分光系统是任何光谱仪器的核心部分。一般来说它由准直管、色散工作台和 暗箱组成。分光系统的工作原理如图2 2 所示妇3 4 | 。由狭缝发出的光束经过准直 物镜，变成平行光束射入色散元件g ：由于色散元件的作用使进入的单束“白光 分解为多束单色光，再经过暗箱物镜按波长的顺序成像在焦面上。一个由“白光” 照明的狭缝经过分光系统而变为若干个单色的狭缝像，这是目前广泛应用的光谱 仪器分光系统的基本原理。色散元件可以选择棱镜或者光栅。不过，近年来，随 着光栅技术的成熟，棱镜已经很少再用作分光系统中的色散元件了。该系统采用 平面光栅。 光谱仪器的接受处理系统，作用是测量光谱组成部分的波长和强度。接受系 统包括光谱的接受、处理和显示。一般来说，由于计算机技术的迅速发展，在光 谱的处理和显示时，我们几乎都采用了计算机的帮助，使得数据处理方便迅速准 确。在光谱的接受方面，不断有新的技术出现，在第一章已有具体介绍，这里不 再赘述。 7 里垡竺笙型这_ 笙三童 些塑堂堂堡塑三堡堡墨 2 2 光路设计及光学参数 面光震誊黯耄竺耋詈三苎要是竺眷谱仪器 与棱镜光谱仪比较醅平 雾徽黧燮型苫；二蓊蒜嚣嚣薹 舅黧墨詈暑羹主仅篓黧波囊荔圈焉；z 蓄暑磊芸黧 箍篙需黧锶i o 蠕雠校主! 谲茹茹嚣蕊篙 简单，造价也较便宜。 “。刨且叫兀瞄圆。仪器结构 装置舻种典型的平面光栅光觏却尔尼特尔纳( c z e m y - t u m e r ) 型 竺薹篓m 蓑1m ，2 筠蒹嘉嚣蓑磊墨耄篡徼嚣：裟爹蓑箍! 个凹面镜 ， 分别称作准直镜和暗藉荔磊：苫：釜。嘉= ：，s 主射篓警，两 ? d ) 嘶。2 8 1 础般拙瞻箱撕1 - ( ，恂啦接；i 蕊y 兰竺霎兰茎雪曲率中心兄2 处；两个凹面镜的焦距可：纠- - , 不) i 离 1 ) 而i l u _ l 口：1 莆i - i j 分别调 盖筹黧霎嚣豢妻黧婴紫产生的憾可以通过精细调善荔 嚣霉詈拿鬻碧霎篡黧矍囊去嚣磊簇鬻焉嚣 尤其是常用于制造大相对口径的光谱仪毒。一。h h ”尬1 1 。投胃= 1 寻到j 芘的应用， 戡晌要i 竺兰竺径值大的仪器，其离轴角度口、，曰- - 也较大，由此产生的慧差严重 翮燃鳓孰斟张下列条怖置黼可得到完全翥二恭里 s i l l 一r 2 2 c o s 3 , 8 c o s 3 口 s i n 7 r l 2cos3 c o s 3 ( 2 一) 衍射萎中置、恐分别为准直镜和暗箱物镜的曲, 7 率 半径，口，、t 分别为1 入射角和行t 射倡 7 “。7 _ 7 刁j 用仍 8 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的工作原理 当离轴角口、很小时，c o s 3 声c o s 3 口1 ，s i n p ，s i n a 口，而且墨= r 时，得到无慧差的近似条件为： 壁：c o s 3 0 f ( 2 2 )一= z z ， 口 c o s 当平行光束射到平面光栅上时，光栅的每条划痕起着衍射的作用。衍射角的 正弦与波长成正比，所以不同波长的光束偏离不同的角度。各条划痕的同一波长 的衍射光束的方向一致，它们通过物镜的聚合，并在焦面上发生干涉，形成狭缝 的单色像。这就是光栅的色散原理。 平面光栅的普遍形式可以写为： d ( s i n 口+ s i n ) = k 名 ( 2 3 ) 式中的口为入射角，为衍射角，k 为衍射级次，旯为波长。从该公式可看出， 当给定光栅和入射角时，在某确定光谱级中，波长愈长的光束其衍射角愈大，因 此光谱按照波长产生空间排列。 1 ) 色散率 由光栅方程可知，当入射光为非单色光时，不同波长的同级主极大在位置 互相错开，故光栅具有色散作用，可用作分光器件。 色散率是光谱在空间按波长分离的尺度，它可以用角度来表示，成为角色散 率；也可以用线度来表示，成为线色散率。 光栅的角色散率表示波长差为枞的两个波长的光线在光栅分开的角距离的 大小。在光栅确定、入射角不变的情况下，由式( 2 。3 ) 两边微分得光栅的角色 散率万： 万：一d 2 ：l ( 2 4 )d = = l z 一4 ， d p dc o s0 线色散率是聚焦物镜焦面上波长相差擞的两条谱线分开的距离的大小。在 聚焦系统的焦平面上，如果它的焦距为厂，则得光谱的线色散率d ： d ：丝：厂一d p ：厂土 ( 2 5 ) d 丸d 2 dc o s8 角色散率和线色散率是光谱仪的一个纯数学的概念，它是研究光谱分辨率的 前提。光谱仪的色散率越大，就越容易将两条靠近的谱线分开。 当口一定时，由式( 2 - 3 ) 、( 2 5 ) 可得： 9 硕士学位论文 第二章光栅光谱仪的工作原理 d = 厂垒一 ( 2 6 ) 。d 1 - ( - 等- s i n a ) 2 利用上式可求得不同波长的线色散，可知线色散分布是非线性的。在成像面 上c c d 各像素与波长之间的对应关系也是非线性关系，利用多次拟合可以近似 得到c c d 各像素与波长之问的对应关系。 2 ) 光栅的分辨本领 入射光是白光，则同一级衍射谱中，不同的波长成分有不同的衍射角。但是， 由于每一条衍射光谱都有一定的空间分布角宽度，这时，如果波长相差极小的两 条光谱相差很近，则有可能相互重叠而无法分辨。所以分辨本领是针对波长的分 辨，因而也称作色分辨本领。 由瑞利准则得出，任何光谱仪的理论分辨率r 应为色散元件的角色散率和 有效孔径在子午面( 即色散作用的平面) 上的宽度的乘积。光栅的理论分辨率则 是： 尺：鱼垒n c o s ：上n c o s ：树 ( 2 7 ) d 2d c o sp 其中d 为光栅常数，即划痕间距；n 为划痕的总条数。由上式可知，越 大，后越大，分辨本领越大。 实际上由于光栅的光学表面精度存在误差、刻槽间距、深度以及刻槽表面光 洁度存在着不均匀性和随机误差，使得光栅的实际分辨率较上述的理论值要低。 当光栅用于光谱仪器时，仪器光学系统的设计、制造、装校质量和入射狭缝的开 启宽度、照明情况、接收记录系统引进的畸变、以及所测谱线本身的轮廓和相对 位置等，均会造成仪器实际分辨率的下降。 3 ) 光谱级次重叠和自由光谱范围 光栅光谱有许多光谱级次，在给定入射角的情况下，当毛五= k 2 五= = 常 数时，波长为九的第m 级光谱和波长为以的第n 级光谱就会发生重迭。 为了使光谱线不重叠，即第k 级的长波与第足+ 1 级的短波谱线不重叠，必须 满足下式： 五( 尼+ 1 ) ( 五+ a 2 ) k ( 2 - 8 ) 得到： a 2 ；t k ( 2 - 9 ) 五成为自由光谱范围，在这个范围内，光谱线不会发生重叠，也称为光栅 可以自由工作的波长范围。由上式可知，光栅的自由光谱范围和谱线的级次成反 1 0 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的工作原理 比，与波长成正比例。 2 2 2 光学参数确定 ( 1 ) 光栅常数 光谱带宽与光栅常数成正比关系。从性能指标方面看，光栅常数减小，光谱 带宽随之减小，光谱仪的分辨力提高；然而，从像差角度考虑，光栅常数减小， 成像物镜的像方视场角相应增大，则其象散、场曲等轴外像差也就越大，将导 致在探测器上形成较大的弥散斑，光谱仪的分辨率随之降低。为平衡两方面的矛 盾，光栅常数的取值应在一合适范围内。我们选取的是光栅常数为1 6 0 0 m m ， 闪耀波长5 0 0 r i m ，从实验结果看效果是理想的。 ( 2 ) 入射狭缝范围 入射狭缝可调节，调节范围l m m 0 0 2 m m ，调节精度0 0 1m m 。 ( 3 ) 聚光镜焦距 聚光镜的焦距决定于光源物方孔径角及样品池中被测物体的大小。根据能量 要求，光源的物方孔径角2 国。不应小于1 0 0 。聚光镜的焦距由下式确定： f = h 2 t g w ( 2 1 0 ) 最后确定的焦距大小为7 0 m m 。 2 3 光谱分辨率 2 3 1 光谱带宽 光谱仪的工作原理就是把由复合光照明的狭缝经过分光系统分解为若干个 单色的狭缝像，这单色的狭缝像即为通常所说的谱线，它的空间宽度昆( 线色 散) 所对应的光谱宽度觑( 即光谱带宽) ，如图2 3 所示。图中，( x ) 是光谱中轴面 的能量分布函数。光谱带宽意味着光谱仪分辨光谱的能力，光谱带宽越窄，说明 仪器的分辨力越高口0 。 图2 - 3c c i ) 获取光谱示意图 光谱带宽泓与其空间宽度昆的关系为： 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的- t 作原理 其中别以为仪器的色散率： 田：堕觑( 2 1 1 ) d 九 丝：竺j l ( 2 1 2 ) d ；l d c o s 呼oc o s o 式中盯是焦面相对垂直平面的倾角；五是成像物镜的焦距；缈是某波长光的 衍射角；m 是光谱级次；d 为光栅常数。在近场像差较正较好的理想条件下，可 认为盯= 0 ，并将式2 1 2 代入式2 1 1 ，有： 昆= l 五觑 ( 2 1 3 ) au u s ( 另外，由几何光学中物像关系，狭缝像的宽度为： 。：坐立吼 ( 2 1 4 )口，= 口。k z - i q j j ，j c o s ( 口j l 式中z 为狭缝宽度；a 。为狭缝像宽度；a 。为准直物镜的焦距：i 为光线对光 栅的入射角；妒为衍射角。 由光谱带宽的定义，在理想情况下，式2 1 3 应与式2 1 4 相等，即： a 1 = 6 l ( 2 - 1 5 ) 融：坐c o s f( 2 1 6 ) m y , 从式2 1 6 可以看出，在理想情况下，光谱带宽与入射狭缝像的宽度及光栅 常数成正比；与准直透镜的焦距及光谱级次成反比；并且光谱带宽与成像物镜的 焦距无关，成像焦距的大小只影响线色散率，对焦面上光斑的光谱带宽并无影响。 2 3 2 光谱分辨率分析 按瑞利准则所决定的理论分辨率与实际上测得的实际分辨率之间存在着很 大的差异。实际分辨率总比理论分辨率小，两谱线轮廓的不同、光学系统像差的 存在等因素都会严重地影响实际分辨率。下面我们对光谱仪的光谱分辨率略作分 析。 1 ) 狭缝对像宽的影响 实际光谱分辨率不仅由进光的狭缝、多色仪的焦距等因素决定，谱线焦平面 上接受光能量的探测器的线度也是一个不可忽视的因素。如果光谱覆盖范围为 ( 丑五) ，探测器的像元数为n ，则光谱取样间隔为五： 1 2 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的工作原理 a 3 , ：丝 n 每个探测器对应于一个光谱波段，覆盖丑( 1 2 ) a 兄的波长范围，每个波段 的理想光谱响应函数应该是一个对称于a 的矩形门函数。在不同的视场光阑情况 下，理想的光谱响应函数s ( 允) 也不同。下面针对本课题中视场光阑为具有一定 宽度的狭缝时的情形进行讨论。 当狭缝的宽度比光的衍射限大得多时，单色光对系统的贡献正比于狭缝的单 色像落在探测器光敏面上的面积，当狭缝的宽度不同时，系统接受到的能量和光 谱覆盖范围都会发生变化。若探测器的光敏面线度为p ，狭缝像的宽度为a ，对 应不同狭缝宽度的s ( 允) ，如图2 - 4 所示。 j 7 一” 厂 p p 图2 - 4 视场光阑为有一定宽度的狭缝时的光谱响应曲线 当增大狭缝使其像宽度大于探测器光敏面线度时，进入系统的光能量增加， 则系统的信噪比提高，但光谱波段的带宽也随着变大，光谱分辨率也随之变小。 当狭缝像宽度小于光敏面线度时，波段的带宽并不变化，而光能量减少。 图2 5 是不同狭缝像宽时波段的光谱分辨率本领五兄和信噪比s 的变化 关系。从此图可知，在不牺牲光谱与分辨率的情况下，只有当像的线度和光敏面 线度相等时，系统才有最大的信噪比，即达到最佳匹配。 p & 图2 - 5不同狭缝像宽时光谱分辨率和信噪比的变化 2 ) 光学系统对光谱响应曲线的影响 1 3 硕士学位论文第二章光栅光谱仪的工作原理 考虑到系统的光学效率( 五) 、探测器的光谱响应率心( 兄) 、电路系统光谱 响应率r ( 咒) 等因素，系统的光谱响应曲线墨( 五) 可以用高斯曲线来模拟： 删= k e x p 去( 等) 2 】 ( 2 - 1 7 ) 口= 2 瓜 ( 2 1 8 ) 其中，k 是常数；以是波段的中心波长；o - i 是高斯曲线的均方差；a 是高斯 曲线的半宽度。 假如光谱仪器中由于像差引起的弥散斑在波长坐标中的半径为盯。，这样光 学系统的点扩散函数可用高斯曲线近似地表示为： 懈) _ e x p - 圭( 扣( 2 - 1 9 ) 实际系统的光谱响应函数是无像差时的系统响应函数墨( 五) 与办( 力) 的卷积： 跗) = k e x p 卜圭c 等) 2 】魄p _ 圭c 卸 协2 。， 卷积的结果为： s ( 兄) = k e x p _ 1 = z ( 2 - 仃2 , ) 2 】 ( 2 - 2 1 ) 仃2 ：盯，2 + 盯。2 ( 2 - 2 2 ) o 。= g ；七g ： l、) 由此可以看出，由于像差的存在而使波段带宽变大，光谱分辨率下降。在一 般的设计中应使像差的影响小于5 。 2 4 本耄小结 本章介绍了光栅光谱仪的工作原理，给出了整个测量系统的基本结构，本系 统光学部分采用平面光栅进行分光，介绍了常用的却尔尼特尔纳光路设计。对 光学参数以及影响光学系统性能的因素进行了分析，包括对光学色散率、光栅分 辨本领、光谱级次重叠和自由光谱范围给出了理论上的解释，对影响光谱分辨率 的光谱带宽以及狭缝像宽作了分析。 1 4 硕士学位论文第三章光谱信号采集硬件设计 第三章光谱信号采集硬件设计 3 1c c d 器件概述 光经过成像系统之后形成的图像要经过光电转换器转换为电信号才可以进 行观察和计算。在图像传感器中，目前应用最为广泛的是c c d 图像传感器。被 检测对象的光信息通过光学成像系统成像于c c d 的光敏面上，c c d 的像敏单元 将其上的光强度转换成电荷量，存于器件的相应位置。c c d 在一定频率的时钟 脉冲驱动下，将所存信号以一定的方式输出，便在c c d 的输出端获得被测图像 的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号对应于该像敏单元上图像的光 强度。即视频信号任意时刻的输出电压均对应于c c d 像敏面上的一个空间位置， 从而可以用c c d 的自扫描方式完成信息从空间域到时间域的变换。 3 1 1 器件的基本结构 c c d 是一种光电转换器件，采用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式存储 和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。下面以线阵 c c d 为例说明其基本结构和工作原理。 t c d 2 2 5 2 d 是一种典型的线阵c c d ，它是由三条2 7 7 6 个光电二极管并行构成 的彩色线阵c c d 器件，每列之间的间隔为6 8 u m ( 间隔8 行) 。其中前6 4 个和后1 1 个 是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用d n 表示；中间的2 7 0 0 个光电二极管是曝 光像敏单元，图中用s n 表示。每个光敏单元的尺寸为8 9 m 长、8 i t m 高，中心距亦 为8 f t m 。光敏元阵列总长为2 1 6 m m ，光敏元的两侧是用作存储光生电荷的m o s 电容列。m o s 电容阵列的两侧是转移栅电极s h ，转移栅的两侧为c c d 模拟移位 寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成口刳。见图3 1 所示。 图3 - 1t c d 2 2 5 2 d 型线阵c c d 的结构原理图 3 1 2 器件的工作原理 1 5 硕士学位论文第三章光谱信号采集硬件设计 器件的原理结构如图所示。r 、g 、b 三列像敏单元并行排列，每列之间的间 距为6 4 u m 。t c d 2 2 5 2 d 的每列单色像敏单元是有2 7 7 6 个像敏单元的单沟道线阵 c c d 构成，每列的转移栅单独引出到相应引脚。模拟移位寄存器由2 相驱动脉冲 c r l 与c r 2 驱动。器件的输出端加有复位脉冲r s 和箝位脉冲c p 及采样保持栅；