（光学工程专业论文）多通道快速光谱仪的设计及光谱法测平板对比度的研究.pdf

浙江大学硕士论文 y8 7 7 7 s s 摘要 本文主要涉及多通道快速光谱测试系统的设计和光谱法测平板显示器对比 度的研究这两个部分。 传统的光谱仪采用光电倍增管作为光电接收器件，并配以波长扫描机构实现 波长扫描，该类仪器结构复杂、体积大、光谱扫描时间长，不能做多波长的同时 检测及野外检测，只适合在实验室条件下使用。本文介绍了用多通道的自扫描光 电二极管阵列传感器s s p d 作为光电接收器，通过平场凹面全息光栅分光后测量 不同波长光的强度来实现光谱的测量，不仅提高了测量速度，而且体积小、重量 轻，适合在线和野外工作。在本设计中：采用紫外一可见多通道列阵传感器和高 分辨率的双狭缝平场凹面全息光栅相结合设计了一种新颖的紫外可见宽波段快 速列阵式光谱仪，提高了光谱分辨率；文章对传感器的驱动、信号的放大和采集、 数据自q 存储以及和计算机的通信等部分作了仔细的分析；最后对光谱仪的波长定 标方法作了相应的论述。实现了m s 量级的测试速度、1 9 0 n m 9 0 0 i l l 的光谱测 量范围，1 0 5 的动态范围等性能要求的测量系统。 平板显示器作为一个新兴产业正在不断的增加其在显示产品市场的份额，逐 渐成为电子行业中的一个支柱产业。对比度则是评价显示器好坏的一个很重要的 参数。传统的对比度的测量方法尽管测量的条件有所不同，但都是通过测量平板 显示器在白场和暗场情况下的亮度，来获得亮室条件下的对比度。在我们的研究 中，通过测量显示屏暗场和白场在一定亮室条件下的光谱反射函数，就可以获得 该显示屏在各种亮室条件下的对比度。本文介绍了光谱反射法亮室对比度的测量 方法和实验平台的构建，并对实验数据进行了分析和验证。最后，针对某些有机 发光型显示屏亮室对比度测量中可能产生的荧光效应提出了一种改进了的实验 方案。 关键词：平场凹面全息光栅、自扫描光电二极管阵列( s s p d ) 、c 8 0 5 l f 0 2 0 、平 板显示器、亮室对比度 浙江大学硕士论文 a b s 劬c t n ep a p e ri sm a d eu po f 铆os e c 畦o n s f i r 砒s e c t i o ni sa b o u tt h ed e s i 弘o fa m u m _ c h 锄e l 龃df a s tm e 舔i l r e m e n ts y s t e ! mo fs p e c 恤皿，s e c o n ds e c t i o ni sa b o u t 曲i e r e s e a r c ho fd i 丘u s e 锄b i e n tc o n l 删m e 越m 砌e n tb a s e do ns p e c t n d r a d i o m e 缸yf o rn a t p a i l e ld i s p l a y s i nt l l e 删t i o i l a ls p e c 仃。删o m g 拄e s ，p m t sa r eu s e da sm cr e c e i v e r ，a n da w a v e l e l ：u g ms c a n l l i n g 曲m c t i l r ei su s e dt 0r e a l i 髓w a v e l e n g ms c 趾m i l l g t 1 1 i s “n do f s p e c 廿o r a d i o m e 仃e s 凫a 嘶sc o m p l e xs 仇j c t u r e ，1 a p g ev o l u m e 趾d1 0 gs c a t l i n gt i i n e ， 也e yc a l l 、r e a l i z em l l l t i w a v e l e n g l h sm e 船l l r e m e n ts i i n u l t a n e o l l s l y ，c a n 、b eu s e df b r f i e l d 、o r k sa n dc a n o l l l yb e u s e d i n t l l e l a b o r a t o r y i n t h i s p 叩e r ，a m 弛o do n h o w t o d e s i g nam l l l t i c h 釉n e ls p e c t r o r a d i 0 i n c t r ei si n 廿o d u c c d i i lt l l ed e s i g n ，、eu s e da m l l l t i c h 籼e ld c t e c t o ra st h er e c e i v e r ，an a tf i e l dh o l o 伊印t l i cc o n c a v e 铲a t i n ga st h e d i s p e r s i n ge l e r n 咖蛐di tr e s m t sf 酗ts c 枷n g 、m u c h 锄a 1 1 e r 锄di tc a i lr e a l i z em u l t i w a v e l c n g m sm e a s u r e m e n ts i 姗l t a n e o u s l yf o ro n - l i i l ea n df i e l d 、 ，o r k i nt h ed e s i g n w ef i n i s h e d 出ef o l l o 、v i n gw o r k ：f i r s t ，d e s i g l lo fa 锄a l ld i s 邮啦s y s t e mi n 删c h n l e r ea r eo n l y 如，0c o m p o n e n t s ：am l l l t ic h 籼e ld c t e c t o ra n dan a tf i e l dh o l o f 印h i c c o n c a v e 掣a t i n g ，i ta v o i dt i l ei n t e 西嬲l c e 丘d ms u b - d i 债a c t i o n - s p e c 仇l i na n di m p m v e m er e s o l v i n gp o 、v e r ；s e c o n d ，d e 咖皿o fd r i v i n g 、s 锄p l i n gs y s 咖f o rm u l t i c h a i l n e l d e t e c t o r s ；a 1 1 y ，恤w a v e l e n g t l lc a l i b 枷o nm c n l o di sd i s c u s s e da c c o r d m g l y s s y s t e mr e a l i z e sm sr a i l g em e a s u r i n gs p e e d ， 1 9 0 m n 一9 0 _ l n s p e c m l mm n g e ， 1 0 5 d y n 锄i c 啪g e ，m o u g h o m y 、i t l l 0 5 m o 2 m o 3 ms i z e a sap f o m i 血gi n d u m y ，t 1 1 ef l a tp a l l e ld i s p l a yh a sb e e nd r 拗撕c a l l y 抽c r e a s i n g i t ss h a r ei nt l l ed i s p l a ym a r k e t ，a 1 1 dh a sb e c o m eo n es 协no ft 1 1 ee l e c 州c si n d u 曲弭 c o n 仃a s ti sa n 呻o n a i l tp a r a m e t e rt oe v a l l l a t et l l eq u a l i t yo ff p d s n a d i t i o n a l l y ， c o n 舰s “sm e a s u r e db yt h el 啪i n a n c eo ff p d s ，a l 也o u g ht 1 1 em e a s u r e m e n tc o n d i t i o n m a yb es l i g h t l yd i 扛b r e m ，i n 出e s cm e t l l o d s ，m el i i l a i l c ea i l di 1 1 啪i n a i l c ea r e m e a s u r e df i o rf u l l s c r e e n 、v h i t ea n df i l l l - s c r e e nb l a c ku n d e rl i g h t i l l ge r i m r m l e n t i n o l l rs n l d y ，、eu s e das t a i l d a r di l l u m i n a t i o ns o u r c et og e tm es p e c 仃a 1r e n e c t a n c e 如n c t i o no ft h es c r c e nf o rm 1 1 s c r e e nw b i t ea j l d 蜘】一伽e nb l a c k ，r e s p e c t i v e l yt h e n ， 浙江大学硕士论文 b a s e do nm i ss p e c 仃a lr e f l e c t 甜i c e 如n c t i o 玛w ec a nc a i c l l ta _ t et h ec o n t r a s to fm ef p d 嬲l o n ga st l l es p e c 劬md i s 缸i b u t i o no nt h ef p d i sa v a i l a b l e o l l rw o r km a i n j y 协c l u d e sd e s i 鲈a i l dc o n s t r u c t i o no ft h ce 印e r i m e mp l a t f b 姗，d e d u c t i o no fs p e c 缸m r e n e c t a n c e 向n c t i o no ft h es c r e e nf b rb o 山削l - s c r e e nw l l i t ea n df i l 一s c r c ! e i lb l a c k ， a 1 1 a l y s i so f t l l ee x p e r i m e n t a ld a t a ，锄dv a l i d a t i o n0 f t h i sm e 也o d f 抽a 1 1 y ，w ep r o p o s e d a ni m p r o v e de x p e r i m e mm e t l l o dt od e a l 如t l lt 1 1 en u o r e s c e n c e - e f f e c to fs o m ef p d s 、j l ，：b e ni l h i m j n a t e d k qw o r d s ：n a tf i e l dh o l o 鲫h i cc o n c a v eg r a t 证g ，s e l fs c a 加_ i 1 1 9p h o t o d i o d ca m i y ， c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，n a tp a n e ld i s p l a y b r i g h t - r o o mc o n 嘲tr a t i o i l i 浙江大学硕士论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 光谱技术及光谱仪器发展的历史背景及趋势 光谱技术是现代获取物质信息的重要手段，己经广泛应用于航空航天、遥感 遥测、生物医学、环境生态、军事科技、以及日常生活和工业控制领域中【。 光谱仪是光学仪器的重要组成部分，是用来研究物质特征光谱的仪器，所谓 特征光谱就是在光的作用下物质的分子或原子内部能级发生变化，产生反映物质 特性的光谱，利用这些光谱可以用来测定物质的组成和结构，对物质成分进行定 性和定量分析。光谱仪器主要有测量发射光谱的摄谱仪、光电直读光谱仪：测量 吸收光谱的紫外可见分光光度计、红外分光光度计等。 自1 8 5 9 年制成了世界上第一台结构完整的光谱仪器以来，光谱技术和仪器 在全世界一直得到广泛重视和迅速发展1 2 】。早期的光谱技术和仪器主要应用在天 文学以及对自然界的物质元素的发现上，证明了在地球以外星体上的物质和地球 组成物质一样，都是由相同化学元素组成的，从而为我们人类进一步探索太空中 的生命形式提供了坚实的理论基础。在二十世纪6 0 年代，光谱技术和光谱仪器 得到了比较完善的发展和应用，从各方面来讲，似乎都满足了当时的科技和产业 发展的要求，从真空到紫外，都建立了相当完善的光谱定性、定量分析方法以及 整套光谱线图、谱图，和与之相应的各波段光谱仪器。 随着二十世纪下半叶世界科技的发展，如激光、光纤、新型光谱探测元件及 探测技术的发展，集成电路工艺、c a d ( c o i n p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，c a m ( c o m p u t e r a i d e dm 删f a c t u r e ) 技术的发展，计算机软件、硬件技术的发展，使得传统光谱 技术和仪器已经不适应科学技术的发展和应用的需要。光谱技术和仪器的发展趋 向于更高分辨率、更高灵敏度、更快的分析速度、更小的体积、更智能化、更牢 固稳定的机构、遥感遥测、以及远程控制、故障诊断和网络化等。新的科学技术 和工艺的发展和应用为发展新型的光谱技术和光谱仪器提供新的有利条件。因 此，新型的光谱技术和光谱仪器不断出现：基于光散射原理的激光散射光谱仪、 浙江大学硕士论文 激光拉曼光谱仪，基于原子和分予荧光发射原理的各种荧光光谱仪，基于干涉调 频、调幅的傅立叶变换光谱仪，以及光电二极管阵列光谱仪，显微光谱仪，超微 弱光光谱仪等，这些都是在新的科学技术的迅猛发展中突破传统的光谱原理和机 构而出现的新型光谱仪。目前大多已经广泛应用于天文、化学，物理等科学研究 领域以及工业控制、农业等领域。 近年来，现代科学仪器正在朝着微型化，智能化、自动化、网络化、虚拟化 的方向发展，虚拟仪器概念是将来仪器发展的方向，因此，广泛渗透到人类的生 活、生产领域的光谱仪器作为现代科学仪器的一员，也势必朝着这个方向去发展。 1 1 2 小型化、现场应用的光谱仪的研究意义 光谱仪器主要是由三部分组成的：光源和照明系统、准直系统、色散( 分光) 系统以及接收、检测显示系统1 5 】。光谱仪器的具体结构如图1 1 所示，其中分光 系统是光谱仪器的核心部分，它是一个能够使复色光分解的系统，由狭缝、准直 镜、色散元件和成像物镜所组成。光源0 照明位于准直镜l l 焦点上的入射狭缝 s 1 ，从狭缝上每一点射出的光经过准直镜后成为平行光，光束经过色散元件产生 色散，使不同波长的光以不同的角度分开，然后经过成像物镜l 2 ，将色散后的 光束分别聚焦于焦面f f 上，形成入射狭缝的一系列单色像s l ，s 2 ，s 3 。 这些按波长顺序排列的单色像总和就称为光谱。如果在成像焦面上放置出射狭缝 或摄谱底版、光电接收系统，便可进行记录，组成不同类型的光谱仪器。 r 心瓜 r 说颧技辕 b 信号移僦嚣羽 了 谚 弋 ， ! 仨厂在龉光强j 输m f 一摅光d 影驴 ；鏖豢磐。， ab 图2 9 单个像素等效电路及工作波形图 浙江大学硕士论文 如果再次接通读出开关，一个相当于积分时间里放电的电荷就从电流通过负 载电阻月，向光敏二极管结电容充电。在负载足上输出一个负极性的微分波形， 这种信号读出方法叫电流一电压变换法。 实用上常采用负反馈的运算放大器来实现电流一电压变换。 图( a ) 为使用运算放大器的电流一电压变换等效电路图，这种读出方法优 点是可以高速读出，读出电路简单，但是由于输出是一个微分脉冲信号，且微分 输出波形的峰值是作为输出信号读出的，给后续的信号处理带来困难。 图( b ) 一个使用电荷放大器的电流积分读出等效电路图 ab 啦。 圈2 - 1 0 信号读出电路 这样通过s s p d 我们就可以将光的信号转换为电的信号，通过后面的电路对 s s p d 输出的数据的采集以及处理就可以得到光强等方面的信息了。s s p d 的基 本特性参数有： 、输入输出特性：辐照在图像传感器光敏面上的光能量与输出电信号的关 系叫输入输出特性，对于电流积分型，有： s ：立：竺：旦 e ee e t h e 其中，l 为放电电流、e 为照射在光敏元件上的辐照度，t 为放电时间，只为 辅曝光量，q 为电荷量。 、暗电流：和其它光探测器一样，s s p d 在无光照时亦会有输出，叫做暗 输出a 暗输出表达为暗电流和积分时间的乘积，即奶= 厶丁。暗输出电压为， 圪：q c ，：冬三，这里c ，为电流积分电路的积分电容，t 为积分时问。在室 1 6 浙江大学硕士论文 温时，通常暗电流小于1 p a ，可忽略。但如果器件的温度升高，积分时间较长， 暗电流的作用就十分显著。暗电流的增加就减小了器件的动态工作范围。通常温 度每增高5 。c ，暗电流就增加一倍。 、光谱响应特性：s s p d 光谱响应取决于光敏二极管的材料，通常采用硅 材料，因此它有类似硅光电二极管的相对光谱响应曲线。器件的光谱响应会随器 件温度的变化而改变，主要原因是吸收系数随温度上升而增高，波长越大，灵敏 度变化亦越大。 相比于c c d ，s s p d 有如下方面的优点： 、它比c c d 有更好的灵敏度和光谱响应； 、信号电荷无须转移，因此没有o c d 的转移损失引起的图像失真和转移 噪声： 、它适宜于满足大光敏元尺寸，大信息容量的要求，而c c d 由于受转移 沟道不宜过长，势阱容量不宣过大的限制，c c d 图像传感器的光敏元尺寸、信 息容量均受到一定限制。 、集成度高，c h o s 图像传感器和v l s i 之间具有良好的亲和力，一块c h o s 图像传感器芯片上集成了驱动电路，信号处理电路，d 转换，图像压缩和编码， 对数变换电路，噪声抑制电路等，甚至可以把分光系统( 滤光片) ，存储器( d r a 卜1 ) 都集成在一块芯片上。 n h o s 传感器一般是专门为光谱测量而设计的多通道检测器，与其他的多通 道器件相比，它具有极高的信噪比，因此更适合于信噪比要求极高的仪器之中。 所以由上面我们对这四种光电探测器的介绍和分析可以看出，最适合我们设计的 就是s s p d 了。 而对于s s p d 的选择我们又要根据下面的几个主要参数进行选择 3 】： 、光谱响应范围：我们的光栅分光的范围是1 9 0 9 0 0 n m ，所以我们的探 测器应该达到相当的光谱响应范围。 、像元个数：探测器的像元个数和分辨率息息相关，像元个数多的话探测 器的分辨率就会相应的提高。 、动态范围：对微弱光信号检测以及对信噪比要求极高的检测时，要求有 较大的动态范围，这样可以保证微弱信号不会被噪声所湮灭。 1 7 浙江大学硕士论文 、像元高度：像元高的图像传感器的势阱一般都能够存储更多的电荷，可 以提高信号的输出强度，更有利于较弱的单色光信号检测，提高整个系统的信噪 比。 综合上述，我们选择了款n m o s 传感器作为探测器。n m 0 s 线性图像传 感器是专门为多通道光谱仪而设计的，电路是由n 沟道的m o s 管组成，它的工 作功耗很低而且易于操作，每个光电二极管都有着比较大的像元面积、高的紫外 灵敏度而且很小的噪声，同样n m o s 有着出色的输出线性度以及宽的动态范围。 该s s p d 主要的一些性能参数【1 4 】【1 5 】： 、比较大的光敏面有效面积：每个像素的大小是2 5 胛l ，像素的高度是 2 5 m m 。 、光谱响应范围为2 0 0 1 0 0 0 姗，而且具有高的紫乡 灵敏性以及稳定性。 、在室温条件下，具有很低的暗电流和比较高的饱和电荷量，允许有比较 长的积分时间和更宽的动态范围。 、信号输出线性度好，而且灵敏度比较高。 、低功耗：最大的功耗不超过1 m w 。 、开始信号和时钟信号和c m o s 兼容。 2 3 传感器驱动电路、主控单片机和信号采集电路的选择 2 3 1 传感器驱动电路 由于s s p d 工作是需要在一定的时序条件下才行的，时序模块包括两个部分： 驱动信号放大电路及脉冲发生器。 脉冲发生器的主要作用是产生一个时钟信号和一个s t a n 信号提供给驱动信 号放大电路。其内部电路如下所示【1 4 】： 1 8 浙江大学硕士论文 图2 1 l 脉冲发生器内部电路 由图可以看到，在脉冲发生其中采用了一个3 2 m h z 的有源晶振来产生精确 的时钟，通过对可编程逻辑器件p i d 的编程来获得分频后精确的时钟分频信号， 如m a s t c rs t a n 及m a s t e rd o c k 信号等。 驱动，信号放大模块的结构示意图如下所示： 十n c 晰r o l s 岵帆任n 吣r 中1 2 。，叫阼目hp l o 鹾叫r r 鞠落 e 0 8 卅d e d 蠲g m l p 瞄曲蝴l - v d 日。；厂畦河 ； 8 日r l 躞 ：乏飘l l ：二一 li v o l l g e踞g u l t o r 鱼氆n d s 柚t c l k 甚嚣确口p * v c c g d + 1 s v s v 图2 - 1 2 驱动 言号放大模块 该模块主要有三部分组成： 、视频信号处理部分： 该视频信号的处理部分包含了一个3 级放大电路。第一级是一个电荷放大电 1 9 霉罐堂 4 2 4 2 一 一 一 一 一 一 沪争2 j 扣 忙忙 忙俨 巾 浙江大学硬士论文 路，通过电容的积分将探测器单元上的信号转换为电压信号；第二级是一个增益 为2 的电压放大电路；第三级是一个缓冲电路。通过这三级放大电路后，最后的 得到的是三倍于原来视频信号的信号。 、时序信号产生器： 时序信号产生器是有可编程逻辑器件( p l d ) 和一些缓冲电路组成，用以产 生许多s s p d 工作需要的时序信号。此外，它也同时提供一个触发脉冲供a d 转换 器使用。所有的这些时序信号都是和信号发生器上的c l k 及s 姗同步。 、电源管理模块： 该管理模块产生s s p d 需要的+ 2 v 电压、数字信号部分需要的+ 3 3 v 及+ 5 v 电 压，模拟电路部分的9 v 电压。 其内部电路如下所示： 2 3 2 主控单片机 图2 1 3 驱动信号放大模块内部电路 由于前面的s s p d 的驱动电路使最后视频信号的输出速率可以达到5 0 0 k 1 1 z ， 所以为了能够达到一定的采样速率我们的主控单片机和a 转换器也应该至少 可以采样到5 0 0 k 速率的数据。显而易见，一般的单片机如8 0 5 l 等根本不可能达到 这么高的速率。所以很自然，我们需要考虑其他的控制器。 浙江大学硕士论文 除此之外，电路系统的设计不但要完成电气系统所要求的功能，还要考虑到 电路板的大小，保证能够满足仪器体积小的要求。所以，我们在选择电子元器件 时，一定要首先考虑选择占用空间和面积较小的表面贴封装电子元器件。尽量使 用多功能的集成元器件，使电路板上的电子元器件数量尽量少。 最后，我们采用了c 8 0 5 1 f 0 2 0 快速单片机。c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件是完全集成的混 合信号系统级的m c u ，具有6 4 个数字口，它的主要特点如下【1 7 】【1 8 】： 、高速8 0 5 1 微控制器内核： 流水线指令结构，7 0 的指令的执行时间为一个到两个系统时钟周期 一速度可达2 5 m s ( 时钟频率为2 5 m h z ) 、存储器 4 3 5 2 字节的内部数据r a m ( 4 k + 2 5 6 ) 6 4 k 字节的闪速存储器，可以在系统编程，扇区大小为5 1 2 字节 外部6 4 k 字节的数据存储器接口( 可编程为复用或非复用方式) 、数字钋设 8 个字节宽的端口i ，o ，所有口线均耐压5 v 可同时使用的硬件s m b u s 、s p i 及两个u a r t 串口 可编程的1 6 位计数器定时器阵列，有5 个捕捉比较单元 一专门的看门狗定时器：双向复位引脚 、系统功耗 一c y g i l a l8 0 5 1 实现了片内模拟与数字电路的3 v 供电标准( 电压范围2 7 3 6 v ) ，大大降低了系统功耗 一完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均 时钟频率最低： 众多的复位源使系统在调电方式下，可随时唤醒，从而可灵活地实现 零功耗系统设计。 、指令兼容 一m c s 一5 1 指令完全兼容，因此可以使用8 0 3 划8 0 5 x 的汇编器编译器及软 件包进行软件开发，这使熟悉m c s 一5 l 系列单片机的工程技术人员可 以很容易地掌握c y 印a 18 0 5 l 的应用技术和进行软件移植。 2 1 浙江大学硕士论文 2 3 3 加转换电路 由上面的探测器的驱动电路、我们所选择的控制器以及我们需要达到的速 度、精度可知，采样电路应该具有高的模数转化速度，并且具有高的精确度，从 而完成对光信号的采样任务。 最后我们选择了一款1 6 b i t 的高速a d 芯片。其内部有4 0 9 6 v 的电压基准，它 的采样速率为2 m h z ，从而从采样速率上来说，它就达到了我们的要求；另一方 面，它提供了两种不同的采样精度，当要求精度不是很高的时候，可以使采样位 数为8 位，而要求采样精度比较高的时候，可以使采样位数为1 6 位，当然在我们 的设计中要求采样的精度达到比较高，所以要求采样位数为1 6 位。速度和精度是 我们对d 转换器最大的要求。 该芯片的结构框图如下【l6 】： 2 4 数据通信口的选择 图2 1 4 a d 内部结构图 b 艇 1 润一涨 酬融懿t a 0 喇蝴酗$ 两! 噩野 覆黼 b l ，s y 嚣 而 由单片机的结构性能可以知道，它没有处理复杂数据的功能，而在我们的设 计中，不仅要采样1 0 2 4 个单元的数据，而且之后还要对这些数据进行定标，并绘 制出最后的谱线图，并显示出来，所以，最后的处理将放在计算机里面去完成。 这样，就需要把单片机采样进来的数据传到计算机中，同时要用计算机来控制单 片机，如积分时间的选择、时钟频率的设置等等。所以，就要选择计算机和单片 机的通信方式了。 浙江大学硕士论文 u s b 叫j l i v e r s a ls 甜a lb l l s ) 接口由于其强大的功能正在被越来越多的应用在 工程中，但是由于c 8 0 5 l f 0 2 0 中并没有专门的u s b 接口，如果需要必须进行转换 才可以，所以我们最后没有采用这种方法。目前的计算机中，一般都有两个串口 和一个并行口，而c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机内部有一个功能很强的全双工串行口，该串 行口有4 种工作方式，以供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内的定时 器计数器产生，接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用非常灵活。 而我们选用的控制板上带有r s 2 3 2 接口。因此，利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的串行口 与p c 机的串行口c o m l 或c o m 2 进行数据通信，将单片机采集的数据送到p c 机 中，由p c 机的高级语言或者数据库语言进行整理及统计等复杂处理和显示工作。 r s l 2 3 2 c 提供了单片机与单片机、单片机与p c 机间串行数据通信的标准接口，为 了增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力，r s 2 3 2 c 提高了信号的传 输电平，该接口采用双极性信号、公共地线和负逻辑，使用r s 2 3 2 c ，数据通 信的最大传输速率位2 0 k b ，s ，最大传输距离可达1 5 m ，适当降低传输速率可以增 加传输距离。 因此，在计算机和单片机的通信方式上，最终我们选择了串行通信的方式， 这样就使设计方便了许多，也简单了许多。 2 5 本章小节 在上面的四个小节中，我们分别介绍了光学系统、多通道传感器、驱动电路、 控制器以及，d 转换器和单片机和p c 机数据通信方式四个方面的选择。最终我们 的选择是：、光学系统：融c l m r d s o n 公司设计的一款平场凹面全息光栅 、多通道传癣器：日本h u m a m a t s u 公司的n m o s 列阵传感器。 、控制器及a 仍：c y g 枷公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 及一款快速刖d 芯片。 、数据通信方式：串行通信方式 从性能上以及根据我们的要求，选择了最适合我们自己设计的部件或器件。 这样，除了狭缝以及机盒等一些器件没有在这里介绍以外，基本上，我们已经将 这套多通道光谱测试系统的主要部件都进行了介绍。至于，整个系统的设计我们 将在下面的章节中着重进行介绍。 浙江大学硕士论文 第三章多通道快速光谱测试系统的设计 3 1 系统的总体设计 一个光谱测试系统总是会包括三个部分：光源和照明系统、色散( 分光) 系统 以及接收系统，色散系统的前后还应该包括准直系统和成像系统。基于单片机和 串口通信的多通道快速光谱测试系统是集光学技术、机械技术、电子技术和计算 机技术于一体的智能化测试仪器。此仪器的最大特点是体积小，测量时间短，可 连续实时测量，探测器积分时间利用计算机软件可调，而且全部操作可由计算机 控制完成。软件界面友好，操作方便。从结构上来看，该快速光谱测试系统主要 由光学系统，探测器，信号处理电路，单片机主控系统，控制信号产生电路， 如采集系统，串行通信接口和计算机组成，如图3 1 所示。 图3 1 总体系统图 具体步骤如下； 、在我们设计的系统中待测光源是通过光纤引进来的，光通过光纤后经过 一个狭缝射到分光光栅上，由上面的分析可以知道，我们选用的平场凹面全息光 栅具有凹面光栅的聚焦功能，因而可以不用使用聚焦物镜： 、光通过平场凹面全息光栅后，光谱将呈平焦场的形式成像在n m o s 的阵列 传感器上； 、n m o s 阵列传感器的驱动电路根据计算机设置的时钟频率和积分时间，发 出脉冲供传感器使用，同时它将传感器输出的视频信号进行电容积分、放大、以 及缓冲等步骤，将传感器上的光信号最终转化为了电压的信号。 2 4 浙江大学硕士论文 、s s p d 在将每个像素单元的视频信号转换成电压信号以后都会给a d 电路 一个触发信号，然后a d 将采样视频输出，直到s s p d 在1 0 2 4 个单元全部转换完以 后发出一个e o s 信号通知a d 转换器，转换已经结束。 、单片机系统将a d 转换以后的数据保存在自己的r a m 中，等待计算机的读 取。 、单片机通过串口将采样到的1 0 2 4 个数据发送到计算机，计算机通过里面 的软件将这些数据进行进一步的处理，最终完成我们的任务。 3 2 光学系统的设计 在光学系统的设计中，包括了前端的狭缝、中间的作为分光的光栅以及后端 的多通道检测器。光学系统所要做的工作包括：首先，将待测的光源通过光纤引 入到仪器前端的狭缝上，通过狭缝以后，光射到平场凹面全息光栅，经光栅分光 后在呈平焦场供n m o s 阵列传感器采样。它的结构示意图如下所示 1 3 】： ” f 。渤。1| 擎量卿 f 鲻。 图3 - 2 平场凹囱全恳光栅光路图 由图可以看到，在系统中前面有两个狭缝，这是由选用的光栅的参数决定的， 两个不同位置的入射狭缝& 和岛分别将两个光谱区1 9 0 5 4 5 n n l 和5 4 5 9 0 0 呦 的光聚焦到同一个焦平面e e ，通过这种巧妙的结构达到宽光谱区和高分辨率的 目的。图上标出了入射狭缝相对于光栅中心的距离以及角度，这样，入射狭缝的 位置就唯一的确定下来了，同样，出射面的平焦场也一样的被唯一的确定下来了， 所以，只要光栅的位置一定，所有这些光学元件的位置也就确定下来了。在测量 浙江大学硕士论文 中，同个时间只能让一个入光口通光，先屏蔽入光孔& ，打开入光孔岛，测 量在e e 上探测到1 9 0 5 4 5 n m 的光谱；再屏蔽入光孔曲，打开入光孔岛，澳4 量 在舅最上探测到5 4 5 9 0 0 力m 的光谱，一次全谱测量分两个步骤来进行。如果对 光孔的切换用电子控制或光开光就几乎感觉不到切换时间的延迟。 影响光谱测试系统分辨率的因素主要有狭缝宽度、物方焦距、像方焦距、角 色散率和光栅分辨率等。狭缝的几何宽度影响光谱仪的实际分辨率，这是因为光 谱仪也是一个光学系统，狭缝处于物方焦平面和狭缝的像在像方焦平面上的缘 故。狭缝的几何像宽可由成像公式求出： ，要a ， 式中，口和口1 分别是狭缝宽度和狭缝像宽度；口为与波长有关的宽度系数， 在光谱仪中心波长处为1 ：石、以分别为光谱仪物方焦距和像方焦距。 由于这是一个成像系统，由物理光学的知识可以知道，当光线通过光栅以后 必然存在衍射效应，因此我们有必要考虑衍射宽度的影响。衍射宽度用下式计算： 呸= 告。石 ( 3 _ 2 ) 式中，吒是衍射宽度；五是入射波长；石为物方焦距；d 是孔径光阑尺度， 在光谱测试系统中，光栅为孔径光阑，即d 为光栅的尺度。可见，当系统光阑 和像方焦距确定后，衍射宽度也基本确定下来了。实际像宽q 为几何像宽与衍射 宽度之和，即 吩= q + 呸一鲁口+ 告五 c ，。， 当狭缝宽度很小时( 满足q 时，光谱仪能够分辨开的最小波长差由口决 定。 在像平面上，狭缝像宽对应的光谱宽度为 浙江大学硕士论文 蝇= 吩等 。舢 式中，是线色散率的倒数。把式上式代入分辨率公式可得 r ：三：互旦( 3 5 ) 以码d 可见，光谱仪的实际分辨率随着狭缝宽度的增大而降低，与光谱仪的线色散 率( 或光栅的角色散率) 成正比。所以当狭缝的宽度减小的时候，光学系统的分辨 率就会相应的提高，但是，必须考虑到另外一个问题，就是随着狭缝宽度的减小， 入射到光栅的光的能量也会相应的减小，如果狭缝太小了，使得入射光的能量太 小，几乎和杂散光一个数量级的时候，有用的信号将被这些噪声所湮灭。所以， 我们在考虑狭缝宽度的时候，应该综合考虑分辨率和入射光能量这两个因素。最 后我们选择的狭缝的宽度为0 0 3 7 m m 。 3 3 电路电子系统的设计 3 3 1 多通道传感器s s p d 的电路设计 s s p d 的电路部分包括了多通道传感器和它的驱动电路的设计。下圈是多通 道传感器的引脚图： 2 v v e c g n c v 刊 v 0 a c t l v e v o e o d u h m y v o e o v t 曲 n c n c n c n c n c n c n c e n d o f e 0 n v * 垤吣锄d h ce t l o u d b 胛u n d e d 图3 - 3s s p d 的引脚图 由图我们可以看到，对于s s p d 主要需要做的工作包括； 、v s s 、v s c d 电源电压的供给及管理。 渐江大学硕士论文 、仍、仍时序脉冲的供给。 、对视频信号a c t i v ev i d e o 的放大等处理。 在上面介绍的时候，我们提到s s p d 比较常用的有两种信号读出电路，电流 电压变换电路和电流积分电路。在我们的设计中，采用了电流积分电路，它的等 效电路如下图所示口1 】： + s v 0 甜 巾l 中2 + 2 v 图3 4 电流积分读出电路 在这个电路中，电荷放大器的反馈电容c ，在读出开关接通前由外加复位脉 冲放电。读出开关接通时，相当于积分时间内( 两个起始脉冲之间的时间) 放电 的电荷又由电流向光敏二极管电容充电。同时，反馈电容c ，也由同一个电流充 电，这样就在积分电路输出端得到一个正极性输出信号电压： = q c r ( 3 - 6 ) 式中，q 为充电电荷，输出信号是一个箱形方波( b o x c a r ) 。电流积分读出法的 优点是：后续信号处理比较容易；可以通过加大光积分时间达到探测低光强信号 的目的。但是，由于输出波形响应是由反馈电容c ，的放电时间常数决定，因此 读出频率要降低。下图是电流输出型s s p d 输入输出脉冲的时序图： 浙江大学硕士论文 m s t e r c l o c k c l k 门几nn 几nnn 几几唧几n 几几几n 几几几厂 撇s t e r s n r r 8 h 广1 _ 一 针黼广 k ，厂 厂 厂r 广 厂 厂 k 簪z _ 1 广 厂l 广1 广_ 广 削粥n 广广1广广 c l 狮 厂 广 广1 广 厂 僦t 岍r j _ 乙n 厂l j l l v m o u t p 忻帖。广f 厂1 b 盹do f 6 g n1 甄i 一 l j _ 一 图3 - 5 输入输出脉冲时序图 图中，两相脉冲竹、晚既可以互补关系，也可无关。为使移位寄存器稳定工作， 、鲲、晚的脉冲宽度要大于2 0 0 n s 。竹和仍，和仍在它们的半极大值宽度 内必须有重叠，和讫的重叠时间要大于2 0 0 i l s 。由于视频信号是与绝同时刻获 得的，因此时钟频率要与读出频率相匹配。移位寄存器在高电平时开始工作， 因此间隔决定了光信号积分时间。由于妒l 仅用于扫描工作，可允许仍的宽度 大予仍，然而如工作在大于1 m h z 或者更高的高速读出模式时，仍和仍占空比应 设置为1 ：l 。在使用外电路电流积分模式时，需要一个附加的积分电容复位控制 脉冲时序用来控制积分电位的复位，为维持稳定的光敏二极管复位电位，复位脉 冲高电平韩。与仍高电平至少有5 0 n s 的间隔。但复位脉冲的宽度不能太窄，否则 积分电容不能复位，相反会产生延时。由传感器的驱动电路的结构可以知道，时 序电路中最重要的两个时序是m a s t e rc l o c k 和m a s n 双s t a r t ，这两个时序 脉冲由脉冲发生器产生。、蚂、仍及等，都是根据这两个脉冲而产生的， 所以，我们如果控制了m a s t e rc l o c k 和m a s n 泯s 弘就可以控制视频读出 电路的频率，如果控制了两个伊。的间隔就控制了视频信号的积分时间，所幸的 是在我们的脉冲发生器和驱动电路中有相应的电子开关用以控制s s p d 的时钟频 率以及积分时间。读数频率按钮( c l ks 、 ，i t c h ) 对应表如下： 表3 1 c l ks 、i t c h 序号时钟频率读数频率 i o 3 2 珏i z 新江大学硕士论文 1 1 6 毗z 28 2 m h z 34 m 明21 m h z 42 m h z5 0 0 k h z 5l 瑚z2 5 0 k h z 65 0 0 此 1 2 5k h z 72 5 0 k h z6 2 5 k h z 81 2 5 l 出i z3 1 2 5k h z 9 6 2 5 k h z 1 5 6 2 5k h z 积分时间设置按钮( s ts 诵t c ha n d1 2 5s 、 ，i t c h ) 对应表如下： 表3 2 s ts w i t c h1 2 5s w i t c h 积分时间 o 1l u s 2 2 “s 55 u s l 1 1 0 s 22 0 u s 55 0 l l s 2 11 0 0 u s 22 0 0 u s 55 0 0 u s 3l1 m s 2 2r n s 55m s 4 11 0 m s 22 0m s 55 0 m s 5 1 1 0 0 m s 22 0 0 m s 浙江大学硕士论文 55 0 0 m s 61l s 22 s 5 5 s 7l1 0 s 22 0 s 5 5 0 s 这些电子开关是由单片机来控制的，我们将s s p d 和驱动电路根据要求连接 起来，这样我们就可以在d a 诅d e o 端获得传感器的视频信号了，而这些信号是 电压信号，所以下一步的工作就是a d 采样电路对这些信号的采样。 3 3 2 主控电路及柚采样电路的电路设计 由于在系统中主控单片机并不是自己重新布板的，而是购买了国内一家公司 已经做好的e v m 板，它给我们提供了我们需要的控制引脚帮助我们后面的电路 设计，所以在这里就不介绍主控单片机部分的电路图了，只需要利用上面的引脚 进行设计就够了，后面会对利用到的单片机的引脚资源进行说明，下面主要来介 绍下刖d 采样电路这部分。 我们选用的。气仍采样芯片的引脚图如下所示： i l 基螽嚣釜釜蓉基客i + v 8 d r e s e t b y t e c o # s t 丽 c s + v a a g n d a g n d + 、，a r e f m r e f m 3 6 3 s3 43 33 23 13 0 器玛刀2 62 51 2 4 口+ v b d 2 3 口d b 8 2 2 口d b 9 2 1 口d b l o 2 口口d b l 1 9 口o b l 2 1 8 口d b l 3 7 口d b 4 1 6 臼d b l 5 1 5 口a g n d 1 4 日a g n d 123456 7b9 1 1 7 巾+ “ i 砉芏享墓芋军g 摹摹gg i 右 嗄 图3 6 a d 采样芯片引脚图 通过上面对多通道传感器s s p d 电路的介绍后知道，在驱动电路以及脉冲电 ”骆鼻“鸵躬“朽聪盯拈。 浙江大学硕士论文 路的工作下，最后从这一模块的输出端已经获得了电压信号，待刖d 采样。所以 在a ，d 采样这模块中，就要将信号采样进来并将数据传到单