（信号与信息处理专业论文）线阵ccd光谱仪设计及其光谱数据处理方法研究.pdf

摘要 随着光谱测量仪器技术的发展，光谱测量已广泛运用于科学技术的多个领域，是物 质成分和特性分析的重要手段。传统的光谱仪器不能进行多个波长光的同时检测，而且 结构复杂、体积庞大，不能适应野外作业和实时测试要求，因此研究一种微型化的便携 快速光谱仪器是当今光谱仪器应用研究的热点和重点。 现代光谱测量技术能够通过光谱分布测量物质的成分和含量，其基本原理是运用了 物质对光的吸收或发射特性。本项目研究的现代测量仪器主要特征在于光谱测量仪中使 用了线阵c c d 和光纤。仪器使用了y 型光纤作为导光媒介，平面衍射光栅作为色散元件， 线阵c c d 作为光电转换器件，以及数据采集卡作为数据采集传输装置，实现线阵c c d 与 上位机的通信。 本文给出了针对光谱测量特定的数据采集与处理软件开发过程，编写的人机交互界 面具有数据采集、光谱归一化动态显示、参数设置、数据保存、光谱图像保存、显示任 意波长光强等功能，便于对光谱曲线的观察与分析。 运用窗函数法、小波阈值法、中值滤波法以及组合滤波器法对光谱数据进行了降噪 处理，并对各种降噪效果进行了比较和分析，实验数据表明本文提出的组合滤波器法的 降噪效果最佳，能去除大部分噪声。 通过实验验证，本文给出的光谱测量软硬件系统能够较好地实现光谱测量目的，本 光纤光谱仪可行、实用、可靠，可以达到区分物质成分的目的。本仪器具有测量仪易操 作、成本低廉的特点，可对珠宝石材种类进行快速鉴别，可成为珠宝检测领域的专业检 测仪器，应用前景非常广阔。 关键词：线阵c c d 光谱仪光纤组合滤波器降噪 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p e c t r a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l g y , t h es p e c t r o m e t e rh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ；i ti st h ek e ym e t h o dt oa n a l y s i st h e c o m p n e n ta n df e a t u r eo fm a t e r i a l t h et r a d i t i o n a ls p e c t r a li n s t r u m e n tc a n n o tm e a s u r et h el i g h t i n t e n s i t yo fd i f f e r e n tw a v e l e n g t hs i m u l t a n e o u s l y , a l s ot h es t r u c t u r eo ft h eo l do n ei sc o m p l e x ， l a r g ei nv o l u m e ，c a n n o tw o r ki nt h ef i e l da n df i n i s ht h ew o r ki nr e a lt i m e s o t h er e s e a r c h o f s m a l ls i z ea n de a s yc a r r ys p e c t r a li n s t r u m e n ti st h ek e ya n dh o tp o i n tn o w a d a y s n em o d e r ns p e c t r a la n a l y s i st e c h n i q u ec a nb eu s e dt om e a s u r et h em a t e r i a lc o m p o s i t i o n a n di n g r e d i e n t b yd e t e c t i n g t h ed i s t r i b u t i o no ft h es p e c t r u m t h e p r i n c i p l e o ft h i s m e a s u r e m e n ti st h el i g h ta b s o r p t i o na n de m i s s i o no ft h em a t e r i a l t h em a i nf e a t u r eo ft h e m o d e mm e a s u r e m e n td e v i c ei st h ec o n s t r u c t i o no ft h es p e c t r o m e t e rw i t hl i n e a ra r r a yc c d a n do p t i c a lf i b e r n ey s h a p eo p t i c a lf i b e rb e a mi su s e da sl i g h tg u i d e r , t h ep l a n ed i f f r a c t i o n g r a t i n g a sd i s p e r s i o nc o m p o n e n t s ，c c da sp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n ，a n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d a sd a t at r a n s f o r m a t i o ns e tt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el i n e a rc c d a n dp c t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fd a t ac a p t u r ea n dd a t a p r o c e s s i n gf o rs p e c t r u md e t e c t i o n t h i ss o f t w a r ei n t e r f a c eh a st h ef u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n n o r m a l i z e ds p e c t r a ld y n a m i cd i s p l a y , p a r a m e t e rs e t t i n g ，d a t as t o r a g e ，t h e p r e s e r v a t i o no f s p e c t r a li m a g e ，a n dt h el i g h ti n t e n s i t ys h o wa ta n yp o i n ta n ds oo n i ti sc o n v e n i e n tf o r s p e c t r u mc u r v eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s n ec o l l e c t e ds p e c t r a ld a t ah a sb e e nr e s p e c t i v e l yp r o c e s s e db yw i n d o wf u n c t i o nm e t h o d ， w a v e l e tt h r e s h o l dv a l u em e t h o d ，m e d i a nf i l t e r i n gm e t h o da n dt h ew a v e l e tt h r e s h o l d m e d i a n f i l t e r i n gm e t h o df o rn o i s er e d u c e t h ef i l t e r i n ge f f e c to fd i f f e r e n tm e t h o di sc o m p a r e da n d a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dg i v e ni nt h i st h e s i sh a st h eb e s t s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，c a nr e m o v em o s tn o i s e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mp r e s e n t e di nt h i st h e s i sc a n r e a l i z et h es p e c t r u mm e a s u r e m e n tp u r p o s e sw e l l t h i ss m a l lf i b e rs p e c t r o m e t e ri s f e a s i b l e ， p r a c t i c a l ，r e l i a b l e ，a n dc a na c h i e v et h ea i mt od i s t i n g u i s ht h em a t e r i a lc o m p o s i t i o n t h i s i n s t r u m e n th a sf e a t u r eo fe a s yo p e r a t i o na n dl o wc o s t i tc a nq u i c k l yi d e n t i f yt h ej e w e l r ya n d s t o n e i tc a nb ew i d e l yu s e da st h ep r o f e s s i o n a lj e w e l r yt e s ti n s t r u m e n t ，a n di t sa p p l i c a t i o n p r o s p e c ta r ev e r yw i d e k e y w o r d s ：l i n e a rc c d ，s p e c t r o m e t e r , o p t i c a lf i b e r , c o m b i n df i l t e r , d e n o i s e i i - 第一章绪论 1 1 光谱仪发展简介 第一章绪论 自1 8 5 9 年首台光谱仪测黾仪器被研制出来，因其具有较好的实用价值，光谱技术和 仪器得到普遍认同和快速发展。光谱分析是指通过分析光谱的特性达到分析物质结构 特征或含量的方法。包括对物质吸收光谱、发射光谱、荧光光谱分析等，对于不同波长 段，如：可见、红外、紫外、x 射线光谱分析等都包括在内。通过对获得的光谱数据的 分析，对物质中元素的组成和原子内部的能级结构分析研究增添了实验证明手段。目前 市面上的光谱仪器的开发主要是基于多光束干涉、多缝衍射、物质色散这三种原理 自英国物理学家牛顿于1 6 6 6 年通过使用棱镜将太阳光分解成七色光开始，如今已 经过几百年的科学技术发展，光谱仪器在科学技术的多个领域的作用也逐渐凸现出来， 同时也带来显著的社会效益。纵观光谱仪的发展历程，可将其分成以下四个阶段睇j ：第 一，在1 6 6 6 1 8 5 9 年问光谱仪器初步形成；第二，在1 8 5 9 1 9 2 8 年期问光谱仪器丌始进 入实验室，作为实验室研究工具；第三，在1 9 2 8 1 9 4 4 年期i 日j 光谱仪器得到快速发展， 在工业生产领域得到广泛使用；第四，得益于半导体技术的进步，在1 9 4 4 年以后光谱 仪器已朝着光电化、自动化的新阶段发展。 光谱仪的发展是离不开电子技术及电子计算机技术进步和发展的，可以说，二者的 发展是同步的。为了满足社会需求，光谱仪正朝着智能化、微型化、质量轻、成本低廉、 高性能的方向快速发展。在光谱信号的测量分析上，也由静态转变到动态；光谱仪j 下处 在不断改进当中，仪器操作也越来越简便。如今光谱仪器的发展，为现代天文学、化学、 物理学等领域的研究提供了有力的工到引。 目前，市面上销售的实验室光谱仪精度高，但其体积较大、价格昂贵、使用不便等 不足。因此，各国已经把研究微型化的光谱仪作为研究的重点，这就是目前光谱仪器发 展的趋势1 4 训。 随着光纤技术的快速发展，将光纤应用于光谱仪中，便于光谱信号的传导和抗干扰 能力，光经由光纤传输，最终把光信号传输至光谱仪内，就构成了光纤光谱仪。 1 2 国内外光谱测量技术介绍 1 9 世纪中叶，世界上第一台光谱仪问世，至今，光谱仪器得到了突飞猛进的发展【7 1 。 目前国内外有很多研究单位和机构郜在加大对微型光谱仪研制的投入，其中微小型光谱 仪工作模式也存在不同，主要包括以下几类：第一类，微型光谱仪具有较为新型的滤光 技术1 8 1 ，第二类微型光谱仪是基于调制原理形成的【9 1 ；第三类是指二元光学微型光谱技 第一章绪论 术的光谱仪【1 0 1 ；第四类是指在集成光学波导技术上有突破的微型光谱仪【】；第五类是指 运用光栅作为分光器件的微型光栅光谱仪。从国外来看，主要由荷兰代尔夫特理工、美 。 国斯坦福大学集成系统中心、美国东北大学、英国u n i v e r s i t yo fs t i r li n g 、美国o c e a n o p t i c 公司等，其中美国的o c e a no p t i c s 就丌发出一款微小型光纤光谱仪【12 1 。图卜1 显示的是美国o c e a no p t i c 公司的型号为h r 2 0 0 0 的高分辨率微小型光谱仪。 r 。譬|j 。| | ? | _ 一| | j 簟爹纂 澄麓一 誓也澄j 。誊i 。互_ 图1 - 1h r 2 0 0 0 型高分辨率微小型光谱仪 图卜2m 2 5 0 0 型直读光谱仪 图i - 2 是英国阿朗公司m 2 5 0 0 型直读光谱仪，具有多基体分析能力，可以分析铁基， 镍基，铝基，铜基，锌基，钛基，镁基，钴基，锆基等九种基体材料中的各种合金成分。 第一章绪论 图卜3 紫外及可见光微型光纤光谱仪 图卜3 是美国莱特太平洋公司s t e l l a r n e tb l a c k w a v e 系列紫外及可见光微型光纤 光谱仪，可以探测紫外及可见光的光谱。 在国内，重庆大学研制的微型光谱仪已在批量生产、销售之中。图卜4 是重庆大学 微系统中心研制的型号为m s i i 的微小型光纤光谱仪。其他研究机构还包括台湾工研院、 石油化工科学研究院等。 图1 - 4m s - ii 微小型光纤光谱仪 1 3c c d 光谱测量理论基础 如图i - 5 是线阵c c d 光谱测量原理图，其基本的工作原理为：光源发出的光经过准 直透镜，将发散光转变成平行光照射在平面衍射光栅上进行色散，色散光再经过聚光透 镜成像在线阵c c d 光电转换器的接受面上，线阵c c d 将接收到的光信号变成与光强成比 例的模拟电信号，即实现光一电转换。模拟电信号通过模数转换变成数字信号，经过数 据采集卡的采集与传输，最终以视频信号呈现在计算机上。 第一章绪论 图卜5c c d 光谱测苗原理 从c c d 电路部分按序列输出的离散电压信号与c c d 的感光区相应的感光元接收的光 强大小相对应，且信号输出的时序位置都与c c d 感光元的位置相对应。c c d 能够实现信 息由空间域转变到时间域，这个过程是通过c c d 自扫描的独特方式来自动完成的。但是， 从c c d 输出的电信号是模拟的，因此，为了信号在电路中较好的传输，需要进行模数转 换【i3 1 ，然后再将数字信号放置数据采集卡上存储及传输，计算机便可通过读方式获得采 集卡上的数据进行相关处理。 在光谱测量中，将c c d 的每一个感光元称为“道”，即一个像素，c c d 不同，其像素 数也可能不同，像素越多，分辨率就越高。光栅产生衍射时，若衍射角变化很小，则波 长与衍射角几乎成线性关系。线阵c c d 构成的光谱仪具有数据采集速度快、大容量数据 存储、使用便利等特点，适于野外作业，拓展了光谱测量仪的应用范围。 1 4 本课题研究工作 在本论文中作者主要进行了三方面的研究工作： 1 ) c c d 光谱采集系统的设计 为了能够获得较为完备，受外部干扰较小的光谱图，必须合理地设计光谱仪光路并 选择适当的元器件。考虑到光谱测量仪的结构和重量等方面约束，分光器件选用光栅。 光栅的作用非常之关键，衡量分光效果的角色散和线色散参数是光栅特性的重要指标， 这将直接影响光谱仪的性能，光栅的色散愈大，就愈容易分丌两条靠近的谱线：其次是 线阵c c d 的选择，用于测量光谱的线阵c c d 不但要求其分辨率要高，而且要有较好的光 谱响应，大的动态范围，对噪声的抑制要强，以便于提高光谱仪的测量精度。与传统光 谱仪比较，微小型光谱仪在结构上进行了较大改动【1 4 】 2 ) 光谱测量软件丌发 由于现有的光谱测试软件只能进行光谱信号的直接显示，没有预处理，如：归一化 操作等，所以现有的光谱测量不能对被测样品光谱信号进行实时分析，因此本文给出在 测鼍数据之后的颅处理，极大地提高了光谱仪的数据显示性能，便于观测者对样品光谱 进行分析。 第一章绪论 3 ) 光谱数据的噪声处理 在光谱测量过程中，样品、光源和光路等都会引入各种噪声。为准确获得光谱数据， 降低噪声是十分有必要的。如果不能有效的降低噪声干扰，将不能准确观察光谱中的重 要信息，因此，本文在分析实验测量数据中噪声特点的基础上，使用多种数据处理方法 ( 如窗函数分析法、滑动平均滤波法、小波分析，中值滤波等) 进行了噪声消除实验， 通过比较不同方法的降噪效果，给出一种优化的数据处理方法。 1 5 本论文的内容安排 本文共分为七章，其内容简要如下： 第一章为绪论部分，介绍了光谱仪发展史以及目前国内外研究现状， 原理作了简要分析。 第二章为光谱学基础与光谱分析原理，主要介绍了光的波粒二象性、 学光谱、光与物质的相互作用，并介绍了光谱分析方法。 对光谱仪测量 电磁辐射和光 第三章为线阵c c d 的工作原理，包括：c c d 的基本概念和特点、c c d 器件的基本结 构和工作原理、c c d 器件的性能参数三方面，该阐述为后续如何选择c c d 提供了理论基 础。 第四章为线阵c c d 光纤光谱仪设计，提出光纤光谱仪设计方案，主要分光学结构设 计和数据采集系统设计，文章对光学结构中各元器件的选择及性能做了详尽的叙述，对 线阵c c d 的工作原理以及数据采集软硬件接口作了详细介绍。 第五章为光谱软件设计，该软件是基于v c + + 平台开发的一款人机互动界面，用于显 示光谱曲线，便于对光谱数据进行处理和观察。 第六章为光谱数据的噪声处理，文章采用了四种较为常用的降噪方法对光谱数据进 行了降噪处理，通过对比各种降噪方法，提出了新的降噪方法，即组合滤波器法，该方 法具有较好的降噪效果。 第七章为结论与展望部分，总结了本文工作内容的优缺点，并对后续要做的工作提 出了展望。 第二章光谱学基础与光谱分析原理 第二章光谱学基础与光谱分析原理 2 1 光的波粒二象性 古代人类对于光现象的认知就已经积累了很多的知识。到1 7 世纪，关于光的本性 问题，就形成了以牛顿为代表的微粒学说和以惠更斯为代表的波动说这两种不同的学 说。光作为一种电磁波，因此它具有电磁波所固有的波粒二象性【1 5 1 。 微粒说认为，光是由发光体发出的光粒子( 微粒) 流所组成的，红光的感觉是由最 大的微粒在到达人眼时引起的，而紫光的感觉是由最小的微粒到达人眼时引起的。微粒 说能很好地解释光的直进、反射和折射等现象。但对于折射现象，微粒说在解释这一现 象时，需要假设光在水中的光速大于在空气中的光速。实验中发现，当光从光疏媒质进 入到光密媒质时，光线是折向法线方向的。 1 9 世纪人们发现光具有干涉、衍射、偏振等现象，从而产生了波动学说。波动学说 认为光是一种波动，是由机械振动的传播而引起的一种波动，可以很好地解释所观测到 的光学现象，然而微粒说却不能。至1 8 5 0 年，佛科通过实验成功地测出了光在水中的 传播速度，即d u 牵勺，从而有力的支持了波动说。 对于波动说，有一个问题尚无法解决，即不能确定传播光波的媒介。按照力学理论， 机械波是由弹性媒介中的机械振动的传播形成的，而且理论证明，横波在固体媒介中的 传播速度为 ( 2 - i ) 式中：g 为媒质中的切变弹性模量；p 是媒质的密度。 1 9 世纪6 0 年代，英国人麦克斯韦( j c m a x w e l l ) 在总结前人和自己的研究成果基 础上提出了电磁场理论，并总结出一组称为麦克斯韦方程组的电磁场运动方程。电磁场 理论认为，光是一定频率范围的电磁波。2 0 世纪开始，在普朗克、波尔、德布罗意、薛 定谔等学者的努力下，建立了量子力学理论【】，成为了光谱学的的强有力的理论基础。 2 1 1 光的衍射 当光孔线度明显大于波长五时，不会有明显的衍射效应，可认为直线传播。当 光孔逐渐缩小时，衍射效应将慢慢变的明显，在衍射图谱上会呈现明暗分布的条 纹。当光孔线度的尺寸与光波长相近时，此时会出现最佳的衍射效应。 光的波长通常在微米量级，当光射向一个针孔或一条狭缝时，物体的尺度和 光的波长相当时，可以清楚地观察到光的衍射现象。当用单色光照射时，衍射效 第二章光谱学基础与光谱分析原理 果明显且容易观察，如果用复色光，则看到的是彩色的衍射图案。 衍射现象有如下两个特点： 当光束在某个方向受到阻碍时，则衍射强度将会沿着这个方向扩展丌来。 若光孔线度越小，则光的衍射范围越加宽泛。理论上已经证明了光孔横向线 度p 与衍射发散角a 0 之间是反比关系： 2 1 2 光的散色 p a 秒允 ( 2 - 2 ) 光的色散是指将复色光分解为单色光而形成光谱的现象。通常我们都是利用三棱镜 或光栅来实现色散的。由于棱镜对各种频率的光具有不同的折射率，各种色光按照不同 的方向进行折射的，因而光从棱镜出射时就各自分散丌来，颜色按照一定顺序排列形成 光谱。 2 2 电磁辐射和光学光谱 人们可以看见各种不同的颜色的光，如红光、蓝光和白光等，我们把能够被人们看 得见感觉得到的光称为“可见光”。此外，还存在人眼不能感知的光，例如：红外线、 紫外线、x 射线、y 射线、微波及无线电波等。 电磁辐射是物质内部分子或原子激烈运动的外在表现形式，是能量的辐射形式。经 典电动力学认为电磁辐射是一种波。遵循m a x w e l l 波动方程式。可以借助波长、速度和 频率等参数来描述其运动形式。 在电磁波传播方向上，同一瞬间两相邻相位相同点问的距离叫波长，用力表示；在 单位时间内通过一固定点的完整周期数目叫频率，用y 表示。频率的单位为赫兹( h z ) ， 即周秒。设光速为c ，则： c 允 = y ( 2 - 3 ) 光在真空中的传播速度为2 9 9 7 9 2 5 1 0 8 朋s 。通常也可以通过“波数”来描述电磁 波的特征，而波数的定义是指单位长度中波的数目，用“矿表示。波数与波长有如下 关系： 一 l l ，= 一 兄 波数的单位常用c m 一。 ( 2 - 4 ) 第二章光谱学基础与光谱分析原理 通常人们将电磁辐射按照波长的顺序排列起来，统称为电磁波谱。 在电磁波谱当中，波长从l x l 0 娟c m 至l 1 0 。1 c m 的区域包括远紫外光谱、近紫外光 谱、可见光谱、近红外光谱、中红外光谱及远红外光谱，统称为光学光谱。 2 3 光与物质的相互作用 光与物质相接触时，其作用的形式视光的波长以及物质的性质不同而不同。当光遇 见物质时，可以透过物质，也可能发生被物质吸收、反射、散射或反射偏振等现象。另 外，如果物质受到诸如电磁辐射或其他能量作用而被激发后，通常会有能量释放，而这 股能量就是光。这些光学光谱与物质作用的关系，提供了建立光谱分析的依据【1 7 】。 1 ) 原子吸收 当原子受到外来能量为j l ，的光子照射时，当外来光子能量恰好等于两个能级的能量 间隔，即h v = e ，一e ，于是处在低能巨上的原子将会吸收这个光子使自己达到高能级臣 上，吸收物质称为基念原子。可以把原子的能级变化归结为原子中介电子跃迁的结果， 我们把基于这种吸收性质而建立的分析方法叫做原子吸收光谱分析法。 2 ) 分子吸收 吸收物质多数是多原子的分子或离子。一般而言，分子的总能量为： e 总= e 。t i - t - + e 振动+ e 转动 ( 2 - 5 ) 式中：e 乜于是电子的运动状态能量；e 振动是分子中原子之间的相对振动能量； e 如是分子围绕其质量中心的转动能量。 在分子中，每个电子能级可能会有多个振动能级，而对与每个振动能级又可能包含 多个转动能级。之所以紫外和可见光会引起分子中价电子的跃迁，是因为紫外和可见光 的能量是与价电子跃迁时吸收的能量相对应的。但是，通过前面分析，我们知道分子中 的每个电子能级都附带许多振动能级和转动能级，所以分子对紫外和可见光的吸收光谱 呈现具有较宽波长范围的吸收带，基于这类吸收性质建立的分析方法叫做紫外一可见吸 收光谱分析方法。 红外光不能引起电子的跃迁行为，这是因为红外光的波长较长，且能量比较小的原 因造成的，因此只能产生转动能级和振动能级的跃迁，即产生许多狭窄且连接紧密的吸 收峰，通常把因红外吸收而建立的分析方法叫做红外吸收光谱法。 3 ) 光的发射 光的发射是由于分子、原子或离子受n ； l - 界其他粒子或能量作用后由高能级回到低 能级时产生的能量羞通过光的形式释放出来的现象。 发射光的频率遵循： ( 2 - 6 ) 式中e 粒子基念的能量；e 粒子较低能级或基念的能量。 发射光谱按其发生的本质可以分为：原子发射光谱、离子发射光谱、分子发射光谱 和x 射线发射光谱等。原子发射光谱和离子发射光谱是由原子的价电子能级变化而产生 的；分子发射光谱则是由分子中的电子能级及分子的振动、转动能级变化而产生的；发 射光谱是由原子中最内层的电子跃迁至高能级后返回到基态时发射的。 发射的光谱按其形状可分为：线光谱、带光谱和连续光谱。线光谱是原子和x 射线 发射所形成产生的光谱；我们把由一些简单的气态分子发射的光谱称为带光谱；带光谱 是由许多紧靠的谱线组成的。而当复杂分子和固态物质受激发后，发出的波长是连续的， 而且是范围非常宽广的连续光谱。 2 4 光谱分析原理 不同物质其光谱也不同，光谱是物质的特有属性，这是由于不同物质内的分子或原 子的运动形式是不同的，从而导致分子或原子的外在表现形式也不一样，即光谱的不同 有。因此，可以用光谱来区分不同的物质，通过对光谱的分析可以判断物质的属性，就 是所谓的光谱分析的内容和目的。 对于光谱分析的分类，主要通过以下方式来分类：第一，按光谱分析目的来分；第 二，按光谱形成机理来分；而光谱的的形成机理是主要有发射光谱分析和吸收光谱分析， 是与本文研究相关的。因此，以下将主要介绍发射光谱分析和吸收光谱分析。 2 4 1 发射光谱分析 发射光谱分析是指采用目视观察、谱片拍摄或光电接收等方法来观察物质发射光的 光谱组成，从而获得物质的成分、含量等信息。该分析方法具有以下优点： 1 ) 灵敏度高： 2 ) 准确度高； 3 ) 可进行多元素同时分析； 4 ) 简单易行，分析速度快； 5 ) 可进行遥测； 6 ) 分析费用低。 当然发射光谱分析也有其缺点，发射光谱分析是一种相对分析方法，需要化学分析 等其他方法来标定，且测量仪器价格比较昂贵，一次性投资较大。 2 4 2 吸收光谱分析 通常把基于分子光谱学原理或原子吸收原理而实现物质分子或原子探测、获取相关 含量、成分、表l f i i 状态、结构等信息的光谱分析工作称为光谱分析。但在实际分析时常 一 丝竺军 喜岵 第二章光谱学基础与光谱分析原理 常会产生狭义的理解，即认为吸收光谱分析都是针对分子光谱分析的，而原子吸收光谱 分析则属于其他类。 第二章线阵c c d i ：作原理 第三章线阵o c d 工作原理 o 3 1c o d 的基本概念和特点 目前，光电转换器件已由线阵c c d 替代了传统的光电倍增管【i 引，美国贝尔实验室 的w s 波涅尔、g e 史密斯是最早提出电荷耦合这一新概念和一维c c d 器件模型，这些 成果都是基于他在6 0 年代未期发现了电荷在通过半导体势阱会发生转移的现象，他还 预测了c c d 器件在信号处理、存储及图像传感将会有非常巨大的应用潜力。目前市场上 的线阵c c d 传感器都具有高灵敏度、高速度和宽光谱响应等特点，而且有很多不同的公 司都在生产线阵c c d ，其种类和规格较多。例如美国仙童公司推出了6 0 0 0 位的c c d ，其 光谱动态包括紫外光、可见光至近红外光波段；同本在c c d 方面发展也相当迅速，索尼、 夏普、松下、同立等公司都大批生产了实用型的高、中、低档器件或整机。尤其以同本 最为突出，同本在c c d 制作方面已经取得了世界霸主的地位。总之，c c d 的发展是异常 迅速，运用也将更加广泛，随着微电子技术的发展，c c d 技术将会不断的向前发展。根 据c c d 对信号传输、处理的特点，本文对c c d 特点总结如下： 1 ) c c d 器件具有质量轻、体积小、功耗低、寿命长等优点； 2 ) c c d 器件具有较高的空间分辨率： 3 ) 具有较为理想的“扫描”线性，可以达到行像素寻址的目的； 4 ) 具有较强的数字扫描能力： 5 ) 具有精确的光敏元问距，可以获得良好的测量精度和定位精度； 6 ) c c d 数据可以调节； 7 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 3 2c o d 器件的基本结构和工作原理 在现代光谱仪器中所使用的光电阵列探测器可分为电荷耦合器件( c c d ) 1 9 】、自扫 描光电二极管阵列( s s p a ) 、c m o s 图象传感器【2 0 】【2 i 】等几种。c c d 成像器件也是新型m o s 型 集成电路芯片【2 2 1 。c c d 结构有两种类型，即线阵c c d 和面阵c c d ，线阵c c d 其光敏元排列成 行，而面阵c c d 其像元排列成一个面，虽然排列形式不一样，但二者的工作原理基本相 同，c c d 被广泛应用于数码相机、数码摄像机、监视器、医疗用内视镜、可视电话、p c 以及p d a 等领域【2 引。c c d i 作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、转移和读出【2 4 儿2 5 】。 第二章线阵c c di ：作原理 3 2 1 光电转换、存储 c c d 光电转换器制作使用了感光度非常高的半导体材料1 2 6 1 ，信息的转移和存储都是 通过电荷的形式完成的，c c d 器件的每个象元都可以等效为个m o s 电容器，如图3 1 所示。m o s 电容器的制作方法为：首先在p 型s i 衬低上运用氧化技术生成一层厚度约为 1 0 0 0 h - 1 5 0 0 a 的s i o ，然后在s i o ，的表面添加一层金属层，最后在金属电极和衬底问加 一偏置电压。目前使用m o s 电容的c c d 逐渐减少，这是因为m o s 电容器对波长较短的光 不敏感，即吸收较少，从而无法检测波长较短的光信号。所以，市面上出现了很多运用 光敏二极管来制作c c d 光电二极管能够产生一个定向电荷区，而定向电荷区可以收集由 光转换的电信号，常常把定向电荷区能够存储的最大电荷量称之为势阱容量。光敏二极 管具有光谱响应宽，灵敏度高，暗电流小，蓝光响应好等特点，是m o s 电容无法比拟的， 以下给出了c c d 的结构示意图和实验中的c c d 实物图： 图3 - 1c c d 结构示意图 图3 2c c d 实物图 塑 二 譬 第二章线阵c c di ：作原理 3 2 2 电荷转移 电荷的转移是将一列紧缩排列的m o s 电容器上累积的电荷转移到电荷读出器，即转 移栅处，便于进行信息读取。具体实现步骤是将彼此之问相位关系固定，且频率和波形 相同的多相位分钟脉冲进行分组，然后按照一定的顺序加在c c d 转移部分的电极上，此 时，相应电极上的电压将会发生有律可循的变化，在电荷转移时有一特点，就是在电荷 转移方向上总会有个相对较深的势阱是处于等待状态的，且电荷总是从一个较浅的势阱 运动到一个较深的势阱，最后都会到达转移栅内。 3 2 3 电荷读出 当c c d 读出最后一个转移栅下势阱中的电荷时就可以产生c c d 输出，它是由输出耦 合电路、输出栅和输出二极管共同组成的。c c d 的输出电路与c c d 输入电路类似，也会 对c c d 器件的性能造成一定的影响，比如c c d 的动态响应范围以及信噪比等技术指标。 信号电荷是从势阱中依次有序地移出的，因此可以判断读出的电荷是来自哪个势阱，通 过分析接收光的强弱和电荷量的多少可以测量光的强度。 3 3c c d 器件的性能参数 对c c d 器件的性能评价，可以通过灵敏度、信噪比、动态范围、分辨率、光谱响应 等参数来进行说明。 ( 1 ) 光电转换特性与响应度 可以知道c c d 的光电转换特性与硅靶摄像管基本相同，这是因为c c d 传感器都是用 硅材料制成的，假设曝光量用x 轴表示，输出信号强度用y 轴表示，可以得出特性曲线 线性段的表达式： y = c o c r + 6 ( 3 - 1 ) 式中x 为曝光量，y 为输出信号电压，口为直线段的斜率，即表示c c d 的光响应度， b 代表没有光照时c c d 输出的电压，也称暗电流电压v d a r k 。假定曝光量不变，则c c d 的输出电压幅度将受口大小的影响。所以判断c c d 传感器的性能高低，应看它是否具有 高的光响应度以及暗电流输出电压是否足够小。图3 3 是c c d 的光电转换特性，饱和曝 光量( s 。) 是指特性曲线在拐点处所对应的曝光量，把相应的输出电压称为饱和输出电 压( v s a t ) 。 第二章线阵c c di ：作原理 ( v ) se(lxsee) 图3 - 3c c d 光电转换特性 ( 2 ) 光谱响应 根据线阵c c d 的特性，可以知道对于不同波长，其光的响应也是不相同的，而光谱 响应特性就是用来表征线阵c c d 对不同波长光的相对响应程度，若按响应程度的大小可 以划分不同波长，而常说的峰值响应波长就是指响应度最大的波长，其中峰值响应波长 有两个截止波长，即长波和短波，而长波与短波之间的波长范围就是光谱响应范围【2 7 1 ， 其中光谱响应范围是c c d 的重要参数【2 8 】。 构造线阵c c d 的材料将决定其光谱响应范围，此外，它还与所用的电极材料和光敏 元结构也有着密切的关系。 ( 3 ) 分辨率 分辨率是指摄像器件对物象的分辨能力1 2 8 1 ，也是c c d 的重要的参数之一。目前有两 种通行的方法来表征分辨率，一个是“调制传递函数”( m t f ) ，另一个是空间频率。我 们可以通过傅利叶变换把任意物像在特定方向上的光强分布分解成具有不同空间频率 的周期性变化成分。但是在光谱仪小型化的过程中，传统光谱仪的分辨本领在1 0 3 一1 0 5 之间，微型光谱仪的分辨本领约1 0 1 0 3f 2 9 】。 ( 4 ) 噪声 线阵c c d 的噪声源可以总结为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。 a ) 散粒噪声：可以把光生电信号看成一个独立、均匀连续发生的随机过程。在单位 时间内产生电荷的多少随着时| 日j 变化而变化的，但是总是围绕一个均值进行微小波动， 而这种细微的波动称为散粒噪声。 b ) 暗电流噪声：暗电流的噪声有两部分。分别可用泊松分饰和复合一产生中心非均 匀分布来描述，文献【3 0 】说明了暗电流对摄像器件的影响。 c ) 转移噪声：转移噪声是由转移损失体态俘获引起的噪声和界面念俘获引起的噪声 引起的。 第四章线阵c c d 光纤光谱仪设计 由客耋耋竺差二娄量光登竺竺三待曼理，给出了线阵c c d 光纤光谱仪结构，对光路结构 嘉曩耋耋嚣竺譬鐾譬、性能参数进行了详细溉介绍了茹c c u d 诮荔舅篡茹鼋翟了 数据采集软硬件接口。 一一“ 叫化剀川呸1 ”吧阳 4 1 总体方案设计 本文设计的线阵c c d 光纤光谱仪结构如下图： 图4 - 1 线阵c c d 光纤光谱仪结构 晤酣篓拿娄莩踅鎏篓嚣尝竺誊譬兰光纤束i 中的入射分支传输并照射到样品上，经样品 譬竺黎妻譬量苎辫罂砻纤束中的反射分支传输磊函裂嚣鼍h 赫著盖蕞 瑟：耋粪黧毙差妻麓氅好在会聚透镜l 2 的焦距i ：谳矗苁薹蓁薹磊美筹 警誊曼薹孑眷i 毽姜墨线誊竺翌在衍射光栅g 上进行光的色散：磊言藉蔷磊冕嵩嘉罢篙 要墨雾譬曼，之誓錾言雾：。鼍后将量秽崇来的会聚光照射在磊诨1 c 三苦。芏送荐凳笔粪蓑 t 霁 把转换得剑的电信号传输到p c 机中 3 l 】 一一心儿吧竹伙升 翱钋耋冀警奏茭券光源、色散系统、光电转换与接收系统三部分组成，下面就对各组成 部分进行功能介绍。 。 删删v q 仃组腆 第五章光谱测鼙软什设计 4 2 光纤光谱仪光学结构设计 4 2 1 光源 当研究电火花、气体火焰，电弧时，光源将充当研究对象：当研究吸收光谱、荧光 光谱等时，此时光源将作为激发源，辅助实现二次光的研究。因此光源既可以是研究对 象，也可以是辅助工具。在本课题中，光源仅仅充当照射工具。 在光谱测量研究中，为了满足测量需求，在选用何种光源时应充分考虑光源功率的 大小，同时还要考虑输出的光信号是否足够稳定。一般情况下，光源的辐射功率与电功 率呈指数变化【3 引。 光源按其光谱特性来分，有连续分柿光源和线分布光源两种，其用途各不相同，根 据线光源产生机理及其特点，线分布光源通常用来对特定物质进行检测，而连续分布光 源发射出的辐射强度随波长的变化十分缓慢，该类光源常用在多通道光谱分析中。本课 题使用的光源属于连续分布光源，且是冷光源。 冷光源是继传统光源产品之后又一种新型光源。冷光源是利用化学能、电能、生物 能等激发的光源( 萤火虫、霓虹灯等) ，当光源发光时，其温度并不比环境温度高，这 种发光叫冷发光，这类光源叫做冷光源。冷光源工作时发热很少，降低了热量积累带来 的影响。 冷光源的发光效率高，能几乎把所有激发能量转化为可见光，其他波长的光很少； 而热光源就不同，除了发射可见光外，还有相当一部分能量转化为对照明没有贡献的红 外光。热光源在加红外滤波片后，其光谱和冷光源发出的光谱就差不多了，但添加滤光 片会使光源成本提高，使用不便。本文在相同中所用了冷光源设备，其实物照片如图4 2 所示。 图4 - 2 测黛系统j h ；j 冷光源 第五章光谱测域软什没计 4 2 2 光纤束 光纤是一种能够传送光频电磁波的介质波导。英国科学家j c b a i r d 在1 9 2 7 年提 出了石英纤维可以用来解析图像。1 9 6 6 年，英籍华人高锟等发表“光频介质纤维表面波 导”的学术论文中提出了光纤传输线的概念。早期的光纤传输损耗较大，如今，光纤损 耗已经减少到零点几个d b k m ，甚至更小。光纤具有传输损耗低、传输容量大，抗干扰 能力强、质量轻、体积小等优点，使得光纤在各个领域得到了越来越广泛地使用。 为便于光学传输，本项目设计的光谱仪使用了特殊设计的光纤束结构，这是一个可 以传导激发和荧光双向光传输传导器件，其截面结构如图4 3 所示。此光纤光纤束的外 观呈y 形状，该光纤的光源光纤用来传输光源发出的光，接收光纤用来接收外界的光信 号【3 3 1 ，光纤束结构示意图如图4 4 所示。 图4 - 3 光纤束截面 图4 - 4 光纤束结构示意图 c 探头 在本实验系统中，外层光纤束连接光源端，内层光纤束接收到样品端。在内层光纤 束和外层光纤束之自j 有一内套层，起着光离作用：在最外层是外套层，起保护光纤作用。 光纤可按不同方式进行分类【3 4 1 ： 第五章光谱测鲑软什设计 1 ) 按光纤折射率剖面分类，可分为阶跃光纤和梯度折射率光纤； 2 ) 按模式分，可分为单模光纤和多模光纤； 3 ) 按材料分，可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤和晶体光纤等； 4 ) 按波长分，可分为传输紫外、可见光、红外几种光纤； 5 ) 按用途分，可分为普通光纤和特种光纤。 通常用两种基本方法来研究光纤导光，一是几何光学方法，二是波动光学方法。 几何光学方法也可称为光纤光学方法，该方法是把光比作光线，用光线来表示光的 传播方向和强度，该方法不能解释和分析光场的相位和偏振特性。光线在光纤芯与包层 界面上全反射，使光纤中的光能够沿着光纤传输。 波动光学是将光看成光频电磁场。电磁场在光纤中的一种分布就代表光纤的一个模 式。因为光纤界面对电磁场具有约束作用，所以场的分不是连续的，而是分立的，因此 光纤中传播的各模式也是分立的。 4 2 3 狭缝 本课题所用到是s z 一2 2 型单面可调狭缝，如图4 - 5 。狭缝微调可以精确到百分位 ( 0 o l m m ) ，估读到千分位。通过狭缝我们可以达到衍射的目的，衍射的定义是：光在 传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为 光的衍射。由于我们使用的光源为可见光，通过衍射，在接收屏上可以得到平行于单缝 的一组直条纹，中央明纹最亮，而且宽度是其他明纹的两倍。 4 2 4 双凸透镜 图4 - 5 可调狭缝 透镜是光学系统常用光学元件，单透镜有两个折射面，其折射率由透镜介质决定【3 5 1 。 透镜有正透镜和负透镜之分，正透镜的光焦度为正，它对光起着会聚作用，亦称会聚透 镜；负透镜的光焦度为负，它对光具有发散作用，亦称发散透镜。 f 透镜按其形状的不同可分为双凸、平凸和月凸三种形式；负透镜可分为双凹、平 凹和月凹三种形式。可以从结构上对形、负透镜进行区分，i f 透镜的中心厚度大予边缘 第五章光谱测缱软f ，l ：设计 厚度，反之，负透镜的中心厚度小