（光学工程专业论文）快速多通道光谱测量技术的若干应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 p 蛳9 _ f 本文阐述r 快速多通道光潜测量技术在现场光谱测量和生物超微 弱发光的光子计数和光谱测量巾的应用研究。 我们开发了小型l e d 光谱特性参数测试仪，可进行现场光谱测量。 此仪器体积小，携带方便，测量速度快，可以实时测量l e d 的各项光 参数，特别是能对l e d 芯片进行光参数测量，目前在国内同行中还没 有类似仪器。本文对此仪器的原理、组成和开发过程进行了详细的说 明并给出了实际测量结果。 在生物超微弱发光的光子计数和光谱测量的应用研究中，我们利 用日本滨松公司提供的光子计数成像采集系统( p i a s ) 对几种癌细胞 和植物分别进行了超微弱发光的光子计数研究，在实验结果的基础上 取得了一些定性的认识。通过增加自行设计的光学分光系统，我们扩 展了p i a s 的测量功能，使之能对超微弱发光进行光谱测量，这在国内 外都不多见。本文对p i a s 的工作原理和自行设计的光学分光系统都进 行了说明，并给出了超微弱发光光子计数和光谱的测量结果。 关键词：发光二极管、光谱测量、多通道探测器、超微弱光子辐射 _-_-_-_-一一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e rd i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e o ff a s tm u l t i c h a n n e l s p e c t r a l m e a s u r e m e n ti no n l i n e s p e c t r a lm e a s u r e m e n t a p p l i c a t i o n i n p h o t o nc o u n t i n ga n ds p e c t r a l m e a s u r e m e no fu l t r a w e a kp h o t o ne m i s s i o n f r o mb i o l o g i c a ls y s t e mi sa l s og i v e n w ed e v e l o p am i n i a t u r ei n s t r u m e n tt h a tc a r lm e a s u r e s p e c t r a l p a r a m e t e r so fl i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d l a n di t sc h i po n l i n e t h i sc o m p a c t a n dp o r t a b l ei n s t r u m e n tc a nw o r ki nc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n tm o d e s i m i l a r i n s t r u m e n th a sn o ta p p e a r e dt od a t e t h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n dr e s u l t sa r eg i v e n w ed os o m ee x p e r i m e n t sf o rt e s t i n gu l t r a w e a kp h o t o ne m i s s i o nf r o m c a n c e rc e l l sa n dp l a n t su s i n gp h o t o n - c o u n t i n gi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m r p i a s ) w h i c hp r o v i d e db y h a m a m a t s up h o t o n i c sk k b a s e do nt h e e x p e r i m e n t sw eg e ts o m en e w r e s u l t s w ee x t e n dt h ef u n c t i o no fp i a sb y a d d i n gt h es p e c t r a ls y s t e mm a d eb y o u r s e l v e s ，s oi tc a nm e a s u r et h e s p e c t r u mo f u l t r a w e a kp h o t o ne m s s s i o n t h ec o m m e r c i a ls y s t e ms i m i l a rt o p i a sw i t hf u n c t i o no fs p e c t r a lm e a s u r e m e n th a sn o tb e e nr e p o r t e d t h e p r i n c i p l e o fp i a sa n ds p e c t r a l s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e r e s u l t so f p h o t o nc o u n t i n ga n ds p e c t r u m o fu l t r a w e a k p h o t o n e m i s s i o na r eg i v e n k e y w o r d s ：l e d ，s p e c t r a lm e a s u r e m e n t ，m u l t i c h a n n e ld e t e c t o r , u l t r a w e a k p h o t o ne m i s s i o n 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 光谱测量系统及发展背景 自1 8 5 9 年k i r c h h o f f 和b u n s e n 制成世界上第一台光谱仪器以来， 光谱技术和仪器在全世界一直得到广泛重视和迅速发展。在物理、天 文、化学等基础学科研究中，在地质、化工合成、冶金、高纯材料、 石油化工等物质生产领域中，光谱仪器的重要性和广泛应用已经众所 周知。近2 0 年来，在生物化学、医疗卫生、药物制造和分析、污染物 监测、环境保护等关系人类生存、发展的各领域中，光谱仪器的重要 性也日益被全世界科技界和社会各阶层所认识，光谱仪器因此有了更 广阔的市场。 近二、三十年来，激光、光学信息、微电子、计算机、新材料、 新工艺的理论和技术迅猛发展，为现代光、机、电、算一体化光谱仪 器发展提供了坚实的物质基础。世界先进的光谱测量技术也层出不穷： 傅立叶变换光谱技术( f t s ) ，激光光声光谱技术( p a s ) ，感应耦合等 离子体( i c p ) 光谱技术，原子荧光光谱技术( a f s ) ，气相色谱联用 技术( g c f t i r ) ，激光喇曼光谱技术( l r s ) 等一系列原理新颖的光 谱技术都已经逐渐成为真正实用化的技术。此外，光电二极管列阵快 速光谱仪、显微光谱仪，超微弱光光谱仪等也是光谱技术近期发展的 明显成果。 1 1 2 多通道光谱测量技术在现场光谱测量中的意义 传统的光谱仪一般由棱镜或光栅等光学元件组成，在光谱的焦平 面上开一道狭缝让某波长的光通过，并用能量计测量其能量，每次 浙江大学硕士学位论文 只能测量单个波长的光，应用很不方便且测量时间较长。采用多通道 探测器的光谱仪较传统的光谱仪优越得多，每次能测量很多非连续或 连续波段的光谱且能准确地读出各光谱的波长值和相对强度值；测量 的光谱范围可以从真空紫外到远红外。光学多通道光谱仪在拉曼光谱、 激光光谱、激光医学、大气光学、海洋光学、可调谐激光器的研究中 起着重要的作用，特别是用该光谱仪可以对水环境和大气环境的污染 进行光学方法遥感测量，为环境监测提供了一种新方法，推动了我国 环保事业的发展。 传统光谱仪利用步进马达做机械扫描使得不同波长的光依次通过 狭缝，狭缝后的光电倍增管对其进行放大，放大后的光入射到光电传 感器上变成电信号输出，通过对电信号的处理来得到整个波段的光谱 功率分布。整个系统体积大，测量时间长，不能满足现场、实时测量 的需要。 在科技日新月异的今天，光谱仪也向着小型、便携、快速的方向 发展，多通道技术正好能满足这些需求，各种多通道探测器的出现为 此技术发展提供了物质保障。电荷耦合器件( c c d ) ，自扫描光电二极 管列阵( s s p d ) 等都是现今应用最广泛的多通道光电探测器。被测光 源经过分光装置后直接由多通道探测器接受，这样整个波段的光信号 同时得到了处理。这样的装置不但减小了体积，而且省去了步进马达 转动扫描的时间，从而大大缩短了测量时间，为实时、现场光谱测量 提供了保障。 1 1 3 生物超微弱发光的研究和发展背景 对大多数人来说，提起生物的发光现象往往只会想到萤火虫的闪 光或是波涛起伏的海面上出现的“磷光”，后者主要指的是海洋里原生 动物如软体珊瑚虫、海蛰、水母和双鞭甲藻的发光，还有与许多鱼类 共生的发光细菌。这类生物发光的一个共同特点是发光强度高，例如， 每个发光细菌每秒钟可以发射1 0 2 1 0 3 个光子，是肉眼可见的。现在 知道，这种称之为生物发光的光都是生物体内的一种称之为萤光素或 黄素单核苷酸的物质在一种叫萤光素酶的蛋白质的催化下氧化时发出 的。我们要研究的是另一类也许是更为普遍存在的生物的发光现象， 只要是活的生物，小至细菌微生物，大到植物，动物甚至人，都有自 发的光子辐射，这种光发射一般来说极其微弱，大约在l 一1 0 2 光子 ( c m 2 s i ) 的数量级，相当于一支蜡烛在1 0 公里外造成的照度，显然 已经低于人眼的感光阈值，这种发光常称为生物的超微弱发光。 生物超微弱发光现象最早是由前苏联科学家a g g u r w i t s c h 于1 9 2 3 年在研究洋葱鳞茎根尖细胞分裂的机理时发现的。迅速分裂的细胞产 生紫外辐射，促进邻近另一洋葱鳞茎根尖的细胞分裂，当时称这种辐 射为“有丝分裂”( m i t o g e n i c ) 辐射。由于生物超微弱发光的强度极低， 在相当长的时间内由于光电探测器的限制，生物超微弱发光研究的进 展不大。直到光子计数技术成熟后，才使超微弱发光的实验方面有 较大进展。1 9 5 6 年意大利l c o l i 等首次利用光电倍增管检测到高等植 物发芽种子发射的蓝一绿光；6 0 年代前苏联科学家除对植物之外还对 动物组织如青蛙神经，肌肉，老鼠的肝脏等的超微弱发光进行了研究； 7 0 年代以后，德国的p o p p 等科学家对超微弱发光进行的系统研究极 有代表性，他们的研究结果指出超微弱发光是自然界普遍存在的现象， 是生物体固有的一种功能；8 0 年代以后，超微弱发光的研究已在前苏 联，美国，日本，欧洲以及我国展开，并已开始向细胞，亚细胞，分 子水平深入。 对于生物超微弱发光的产生机理，国际上主要流行两种假说：一、 认为它只是由生物机体内自发的、随机出现的化学发光反应引起的， 没有特别的生物学意义。这种观点是以通常的光生物化学为基础，把 引起超微弱光子辐射的激发态与生命体内的“代谢缺陷”联系起来， 通常把这种观点叫做超微弱发光的“混沌理论”。二、认为一部分生物 系统自发发射或光诱导发射的光子起源于生物系统内的一个完全相干 的电磁场，这种由生物体相干电磁场释放的光子叫做“生物光子”，而 且，这种相干的电磁场很可能是活组织内通讯联络的基础。提出这 假说的代表人士德国生物物理学家f a p o p p ，他在理论物理学家 浙江大学硕l 一学位论文 h f r o e h l i c h 提出的活组织里存在着构成生物系统空间和时间有序基础 的相干的长程相互作用的概念的基础上，提出和建立了生物光子的“相 干理论”。这个理论可以解释某些借助生物化学无法解释的重要的实验 现象，开辟了人们对生物系统超微弱发光现象认识的新的一页。 1 1 4 多通道光谱测量技术在生物超微弱发光研究中的应用 任何有生命的物质都有超微弱光子辐射现象，其发射光谱从红外 经可见到近紫外的很宽谱区( 2 0 0 - - 8 0 0 n m ) ，强度虽有变化，但不超过 4 5 个数量级。k h l i 从理论上预言，d n a 碱基对之间形成的激发复 合物( e x c i p l e x ) 很可能是生物系统内能级反转的物质基础，还可以从 理论上证明，f 1 ( 入) 一常数正是一个开放的激发态复合物系统保持准稳 定的必要条件。 若我们能从实验上证明生物系统的光子辐射与波长无关，即 f 1 ( 九) 常数 那么我们可以认为活的生物系统中存在着高度的能级反转状态，具备 受激辐射的条件。而此条件正是“相干理论”的重要依据之一，从而 强有力地支持了“相干理论”的正确性。 多通道光谱测量技术正是利用线阵或面阵多通道光电探测器对生物 超微弱发光的整个波段同时进行测量，得到其光谱功率分布曲线，完 成以上实验。多通道光谱测量方法具有测量时间短，信噪比高等特点， 非常适合于超微弱光的测量。 1 2 本论文的研究工作 1 2 1 小型l e d 光谱特性参数测试仪 这是多通道光谱测量技术在现场光谱测量中的一个应用，有别于 传统光谱测量技术，我们开发的仪器具有体积小、重量轻，携带方便 等特点。发光二极管( l e d ) 是一种能把电能直接转化为光能的半导 体器件，具有寿命长、耗电少、体积小、重量轻、成本低等优点，目 前在显示、照明等方面使用越来越多，全国年需求量在几十亿j i 以h 除了普通照明指示作用之外，l e d 还广泛用于l e d 火屏幕显示屏，信 息处理和光通信中，l e d 的光参数对生产厂家和使用单位都是卜分重 要的。传统的测量方法只使用于单管的逐次测量，测量速度慢，n j 作 为生产中的抽样检查，不适用于工业生产线上的大量实时测量。在小 课题中开发的小型l e d 光谱特性参数测试仪，可以实时、快速测董l e d 的各项光参数，如：峰值波长、峰值波长半宽度、色坐标和卜波长。 测量精度完全可以满足l e d 的开发、研究之用。本课题涉及到光、机、 电、算各个方面，在以下的章节中将逐步对这些方面加以说明。 1 2 2 生物超微弱发光的光子计数和光谱特性研究 这是多通道光谱测量技术在超微弱光中的应用。任何生物都存在 超微弱的自发辐射发光，通过测定每种生物的发光光谱，得到光子辐 射随波长的分布曲线，从而可以了解生物超微弱发光到底是相干光还 是非相干光，这对研究生物的发光本质和从生物光予的角度探索，t 命 过程的物理本质是具有重要意义的。 我们在p i a s ( p h o t o n c o u n t i n gi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，光子训 数成像采集系统) 的基础上增加了自行设计的光学分光系统，使得此 系统能对超微弱光进行分光后由面阵探测器接受，从而得到不同波k 的光子计数值。 光学分光系统的设计原理将在后面章节中阐述。除了对超微弱光 的光谱特性进行研究外，我们还进行了植物和病菌的自发超微弱发光 的计数探测实验，实验数据和分析结果也将在后面章节中说明。考虑 到经过光学分光系统后光能将有很大衰减，目前手头没有自发发光较 强的生物样品，所以在超微弱光的光谱研究中，我们用微弱电流i - 的 l e d 发光来模拟生物的超微弱发光，得出超微弱发光的光谱曲线、 第二章l e d 光谱特性参数测试原理 2 1 发光二极管概述 发光二极管( 简l e d ) 的材料主要使用i i 卜”v 族化合物半导体 单晶，特别是g a a s 、g a p 及g a a s 的一部分被其它元素替代而成的g a ( a s 。一。p 。) 和( g a 。一。a 1 。) a s 三元晶体。因为这些晶体的带隙宽度适 合于发出可见光和近红外光，并具有其它合适的电学和光学性质。l e d 波长和亮度主要取决于复合半导体材料的物理性质。 1 红色l e d 为了提高亮度，所用材料以由原来的g a a s p ，改为现在的g a a i a s ， 使用g a a l a s 后可以生产亮度高达1 0 0 0 0 m c d 的l e d 。 2 橙色和黄色l e d 橙色和黄色l e d 最初也同样用g a a s p 作为发光材料，后来改用 g a p ，最后采用g a a s p g a p 材料以提高亮度。现在g a a s p g a p 用 在特殊波长范围：橙色使用g a a s p ，波长为5 9 0 6 3 0 n m ；黄色使 用g a p ，波长为5 6 0 5 7 0 n m 。 3 绿色l e d 绿色l e d 用g a p 制造，在g a p 中掺入n 可制造出黄绿色( 5 6 0 5 7 0 n m ) 的l e d 。如果不掺入n ，控制蒸汽压温差外延法可以制造 纯绿色( 5 5 5 n m ) 的l e d 。 4 蓝色l e d 蓝色l e d 以前使用s i c 材料，但因为期发光强度太低( 一般为 1 2 m c d ) ，现在已经改用g a n 材料来生产高亮度的蓝色l e d 。 l e d 的基本结构是p n 结，在p 型材料的规定区域掺入施主杂质， 使它变成n 型材料，交接处形成p n 结，p n 结上加正向电压时注入少 数载流子，少数载流子的复合发光就是发光二极管的工作机理。 在l e d 的应用中，最常见和最简单的应j 钉又可称是首屈一指的应 用是作为各种简单指示光源。它以牢固、寿命长，因而有极高的可靠 性的优点替代了传统的钨丝白炽灯，广泛作为小灯泡使用。l e d 的寿 命为十万小时乃至一百万小时，这比白炽灯的约一万小时的寿命要长 得多。l e d 显示以平面性、低电压、高速反应等特点使得发光二极管 不仅能构成单纯数字和文字的低位数显示器，而且目前也广泛用于高 位数的图像显示板。此外，l e d 还广泛用于信息处理、光通信和光耦 合器中，这些应用对我们的日常生活乃至科学研究都起着十分重要的 作用。 2 2 发光二极管光谱特性参数 2 2 1 发光二极管相对光谱功率分布曲线 l e d 的发光光谱的半宽度为3 0 1 0 0 纳米，不能期望它象白炽灯 或荧光灯那样有很宽的几乎日光的光谱。但光谱宽度窄意味着发光颜 色鲜明，清晰可见。l e d 的发光光谱如图22 1 1 所示。 1 0 0 图2 2 1 1l e d 光谱功率分布曲线 l e d 相对光谱功率分布曲线的重要参数用峰值波长凡。和峰值波长 半宽度a 入这两个参数表示。峰值波长定义为相对光谱功率分布曲线 上发光强度值最大时所对应的波长。它由半导体材料的带隙宽度或发 光中心的能级位置决定。峰值波长半宽度定义为相对光谱功率分布曲 线上，两个半极大值强度处对应的波长差，它标志着光谱纯度，同时 也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散程度。 其中入= 2 m 九，；得到l e d 相对光谱功率分布曲线后，就可 以利用此曲线进一步计算l e d 的色度学参数。 2 2 2 色度学概述 颜色是由于各种光谱能量对人的视觉系统的刺激而引起的感觉。 而色度学则是研究颜色视觉机理、颜色测量的门学科。它在工程中 应用的基本方法是通过对人眼的大量研究制定一些适当的标准，使人 们有可能用数学方法来描述由视觉系统得到的感觉颜色，应用了 适当的标准和计算方法就有可能测量颜色，计算颜色，同时还有可能 制造出入们希望的某种颜色。 颜色信息与日常生活及工农业生产密切相关，在众多的工业与科 学研究l 卜i ，颜色特征已成为不可缺少的重要参数，对光源和物体欧色 进行快速而精确的测量已经成为颜色领域一个重要发展方向，而光源 颜色与其光谱功率分布是密切相关的。 随着科学技术的发展和光电器件在光度、色度仪器中的广泛应用， 特别是近年来色度学领域中也采用了电子计算机技术，从而大量的、 繁琐的计算工作变得简单可行，各种各样的现代化色度仪器相继研究 成功。现在，在彩色印刷、彩色电视、彩色摄影i 纺织工业、染料、 涂料、造纸、电光源研究、建筑、交通信号及军事科学研究等等领域 都应用这色度学的一些基本理论、测量方法和测试仪器，所以色度学 的应用前景非常广泛。 2 2 3 颜色参数测量方法 颜色测量方法通常分为目视法、分光光度法和光电积分法( 三刺 激值法) 等三种。 目视法是最基本的方法，测量结果中包括许多人为因素，受视觉 的适应性、各人眼睛光谱响应的差异、测量者的身体状况与心理因素 的影响。随着测试技术的发展和国际标准色度系统的建立与完善，该 方法已逐渐被仪器测量方法所替代。 光电积分法是把探测器的光谱响应匹配成所要求的c i e 标准色度 观察者光谱三刺激值曲线，或者是某一特定的光谱响应曲线，来对被 测的光谱功率在整个测量波长区问内进行积分测量，得到被测物体的 三刺激值x 、y 、z 。这种测量仪器具有较快的测量速度和适当的测量 精度，其精度很大程度上取决于光电探测器的匹配精度。 分光光度法测量颜色主要是测量物体反射的或物体本身辐射的光 谱功率分布，然后再由这些光谱数据通过计算的方法求得物体在各种 标准光源和标准照明体下的三刺激值、色品坐标、色温和主波长等参 数。这是一个纯粹的物理测量过程，是精确测量颜色的方法。我们研 制的小型l e d 光谱特性参数测试仪就是用这个方法测量l e d 的色品 坐标、主波长。 分光光度法包括两个过程： 1 用分光光度计测量色刺激函数e 1 ) ( 九) 。当测量光源时，就是测量光 源的相对光谱功率分布p 。( 九) 。 2 根据c i e 标准观察者光港三刺激值计算颜色的三刺激值x 、y 、z 及其它参数。 光源色度学特性包括色品坐标、主波长、相对色温、显色指数等 参数，下面介绍色品坐标和主波长的计算方法。 1 、光源色度坐标的计算： 为了计算光源的颜色，就必须知道进入人眼的光辐射的光谱组成 ( 凡) 。光源的光谱直接进入人眼，所以色刺激函数( 入) 应等于光源 的相对光谱功率分布p ，( 九) 。即 ( 入) = p c ( 入) ： ( 2 21 ) 其中( p ( ) 为色刺激函数。 那么由它引起的c i e 三刺激值可以用下面的三个色度学基本方程 浙江大学硕i 学位论文 求出： x = 庀鼢( a ) 衲觑 y = 七嚣删翮抛 ( 2 2 2 ) z = 七蔗删衲以 在实际计算三刺激值： y 、z 时，常用求和来代替式2 2 2 的积 分式。 = k 矽( 五) x ( 旯) 旯 = 3 8 0 n m y = k 矽( 旯) y ( 名) 旯 ( 2 2 3 ) = 3 8 0 n m z = k 矽( a ) 2 ( a ) 旯 式中x 、y 、z 为1 9 3 1 c i e 色度系统或c i e l 9 6 4 补充色度系统三 刺激值，；( a ) 、了( 旯) 、j ( 兄) 是对应两个色度系统的光谱三刺激值函数， 这些数值可以从c i e l 9 31 标准色度观察者和c i e l 9 6 4 补充标准色度观 察者的光谱三刺激值表查到。该曲线如图2 2 3 1 所示： 9 趔1 5 萋 0 5 0 4 0 05 0 06 0 07 0 0 ( 九n n ) 图2 2 3 1 c i e l 9 31 标准色度观察者光谱三刺激值 浙江人学坝1 学位论义 一一 k 为调整系数。 尼= 对于光源k 定义为 1 0 0 7 8 0h m 一 只( 五) y ( 五) 力 = 3 8 0 月删 ( 2 2 4 ) 式2 2 4 的实际意义是，把光源的v 值调整为1 0 0 ，即： 7 8 072m j ，= k 芝：( 五) y ( 五) 旯= 1 0 0 ( 2 2 5 ) j = 。3 8 0 由式2 2 2 和式2 2 3 计算得到x 、y 、z 三刺激值以后可求得物体 的色品坐标为： x x 2 而了丁 y y 。i 1 歹 2 、光源的主波长计算 1 9 3 1 c i e x y z 色品图如2 2 3 。2 所示： ( 2 2 6 ) oo 2o 4o 6o 8 图2 2 3 2 c i e l 9 31 色品图 在图2 2 3 2 中，我们称w e ( 或另外的一些标准光源) 为参照照 明体，s 代表某一实际颜色，连接w 。和s ，并延长使之与光谱轨迹相 交于九。点，根据加混色定律，s 。可以用w e 和光谱波长为入d 的光谱 色相混合而获得。在图2 2 3 2 中入d = 5 6 5 n m ，我们称5 6 5 n m 为颜色s i 以w 。为参照照明体时的“主波长”。由于选择不同的参照照明体有不 同的色品坐标，对同一颜色有不同的“主波长”。所以，在说明“主波 长”时应附注所对应的参照照明体。 某颜色离开w ，点或接近光谱轨迹的程及代表了颜色的纯度( 相 当于饱和度) ，颜色愈靠近w 。点愈不纯，愈靠近光谱轨迹则愈纯。由 色品图可推算出两种颜色混合得到的各种过渡颜色。例如在图2 2 3 2 上，参照照明体w 。与 。地光谱色混合可获得它们连线上各种不同色 品坐标的颜色。 在我们研制的这个测试仪中，我们选标准照明体d 。，为参照照明 体。标准照明体d 。代表了相关色温为6 5 0 0 k 的日光时相，而照明体 d 是模拟各种目光时相，它们的相对光谱功率分布与它的日光相关进 行实验测量的基础上获得的。通过许多测量和分析表明，日光的相对 光谱功率分布与它的相关色温色品坐标之间有一个简单的关系式，根 据这一关系式，c i e 定义了一些日光模拟标准照明体d ，标准照明体 d 与c i e l 9 31 系统的色品坐标的关系为： 少d = - 3 0 0 0 x j + 2 8 7 0 x 仃一o 2 7 5 ( 2 2 7 ) 式中，x n 在0 2 5 0 0 3 8 0 之间，当标准照明体d 的相关色温t ，( c ，= 1 4 3 8 8 1 0 一2 m k ) 在4 0 0 0 7 0 0 0 k 之间时，由2 2 8 式求得色品坐标x 。为： x 。：- 4 6 0 7 0 警3 9 + 2 9 6 7 8 等2 6 + 0 0 9 9 1l 婴+ 0 2 4 4 0 6 3 ( 2 2 8 ) 1 c 1 c。 c i e 推荐采用d 当不能采用d 。，时，建议用相关色温为5 0 0 0 k 、 5 5 0 0 k 和7 5 0 0 k 的标准照明体d 。d ；。和d ，；。 令t = 6 5 0 0 k ，通过式2 2 7 和2 2 8 我们可以计算出标准照明体d f 、。 的色品坐标，图2 2 3 2 中的色品曲线可以通过c i e l 9 3 1 标准色度观察 者色品坐标表查得。这样w 。和s 。的坐标和曲线轨迹已知后就可以计 算出被测l e d 在标准照明体耽，下的“主波长”。 塑塑叁兰竺! = _ 篓2r 丝 第三章测试仪总体设计 3 1 系统性能指标参数 小型l e d 光谱特性参数测试仪导隼黟学技术、机械设计、f ”子技 术和计算机于一体的多功能测试仪器。此仪器最大特点是体积小，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r t j 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。t 要 测试内容为：光谱功率分布曲线，峰值波长，峰值波长半宽度，色坐 标，主波长。此仪器也是考虑到中国l e d 行业的实际需求而设计开发 的，对于l e d 这种特殊的发光器件，我们给出的各项指标参数如下所 不： 1 光谱测量范围1 4 0 0n m 7 0 0 - m 2 峰值波长测量精度：3 n m 3 探测器光谱分辨率：1 5 n m 4 色品坐标测量精度：2 5 主波长测量精度：2 n m 6 探测器通道数：2 5 6p i x e l s 7 a d 位数：1 2 b i t s 8 积分时间调节范围：1 0 0 m s l s 3 2 系统总体结构设计 从结构上看，小型l e d 光谱特性参数测试仪主要由光学系统，探 测器，信号处理电子系统，a d 卡和计算机组成，如图3 2 1 所卅j 图3 2 1l e d 光谱特性参数测试仪系统图 1 光学系统的选择 本仪器光学系统的作用是使l e d 发出的光能均匀地照射到探测器 上，我们还考虑到对l e d 芯片测量的方便，所以我们选用了两套光学 系统：光纤和积分球。光纤主要用来测量l e d 芯片，因为光纤易于弯 折，测量方位容易调整。积分球主要用来测量l e d 成品管，根据c i e l 9 8 4 年第6 3 号出版物推荐，光谱辐射度测量最精确方法是在单色仪入射狭 缝前加个积分球，这样可使入射狭缝得到均匀照明。在这个仪器中我 们没有使用棱镜或光栅作为单色仪进行分光，我们选用了日本滨松公 司( h a m a m a t s up h o t o n i c sk k ) 出品的m o s 线阵图象探测器( $ 3 9 0 1 2 5 6 l v f ) 作为光谱测量探测器，这种探测器的优点在于它自身带有线 性可变滤光片，这样当光照射到探测器上时将会自动分光，然后由多 通道线阵自扫描光电二极管列阵接受，这样就不需要单色仪进行分光 了，被测l e d 经过积分球后可以均匀的照射到探测器上。 2 探测器的选择 光电探测器是整个系统的核心部件，它的性能特性决定了整个系 统的灵敏度、光谱分辨率、工作波段、采样速率等性能指标，所以针 对l e d 光谱特性参数的测试特点，我们选用了日本滨松公司的m o s 线 阵图象探测器( $ 3 9 0 1 2 5 6 l v f ) ，它是由带有线性可变滤光片的自扫 描光电二极管列阵组成的，如图3 2 2 所示： 渤；】人学帧卜? 位论文 一一 被测光源 l i l ii i i l 孳 1 1 111 111111 1 1 _ 一主 l 自扫描光电二极管列阵l蒌 圈3 2 2 $ 3 9 0 】2 5 6 l v f 示意图 由于线性可变滤光片一 。的每一个滤光片单元是只让某一波长的光 通过其它的波长的光不哉通过，相邻的滤光片单元能通过的光波长 按线性增长，这样整个线性可变滤光片就把入射到它上面的光按波长 依次分开，从而能够快速分光。其后由自扫描光电二极管列阵接受， 进行整个波段的光谱测量。$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 的主要性能参数如f ： 探测器象元数2 5 6 探测器象元尺寸 5 0um x 2 5 m m 滤光片口径1 0 r a m 光谱响应范围4 0 0 n m - - 7 0 0 n m 波长分辨率1 5 n m 象元 3 信号处理电路的选择 信号处理电路主要起到驱动探测器和信号放大的作用。我们选用 日本滨松公司的c 4 0 7 0 电路板作为信号处理电路。c 4 0 7 0 需要得到外 部的主时钟( m a s t e rc l o c k ) 和主起始( m a s t e rs t a r t ) 这两个信号才能 产生$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 所需的驱动信号，而这两个信号的产生我们是通过 a d 卡上的8 2 5 3 定时计数器完成的。另外8 2 5 3 定时计数器和c 4 0 7 0 之间我们还自行做了它们的接v 1 电路。 4 a d 卡的选择 为了能产生c 4 0 7 0 所需的两路输入信号，即：二瑚0 钟信写和i 起 始信号，特别是主起始信号的周期即是探测器的积分时间，考虑剑能 使积分时间方便可调，而利用计算机软件直接设置积分时间是最方便 的了，所以我们选择了北京众人公司出品的p s 一2 1 2 9 带有三路8 2 5 3 定 时h 数器的1 6 路1 2 位a d 忙，此卡主要技术参数如下： 一模拟量输入通道：单端。1 6 路 二a d 转换位数：1 2 位 三输入电压范围：一5 v + 5 v 四a d 转换时间：约7 l as 五输出码制：偏移二进制码 六设有3 路1 6 位定时j i 数电路8 2 5 3 ，其中o 通道配有1 5 m h z 定 时信号。 5 计算机和编程语言的选择 由于系统采集是在中断下完成的采集一个完整曲线所需的最短 时间目前定为1 0 0 毫秒，在1 0 0 毫秒里要进行1 2 6 次中断采集，所以 主频太低的计算机不能达到如此快速的测量要求，奔腾1 6 6 以上兼容 机即可满足要求， w i n 9 8 是目前最为流行的p c 机操作系统，它全图形化的操作界 面，易学易用，为了适应潮流，我们抛弃了d o s 下编程的最初设想， 由于在w i n 9 8 下要大量对硬件操作，所以我们选用v c 6 + + 矛1 1 v t o o l s d 3 0 1 在w i n 9 8 下编程，使得最终软件是符合w i n 9 8 规范的3 2 位应用程序。 软件运行可靠、菜单化的界面易于使用。具体的编程方法将在后续章 节中介绍。 3 3 系统实物图及测量原理 整个系统实物图如3 3 1 所示。除了插在计算机里的a d 卡外，探 测器、驱动电路和信号处理系统均封装在一个小机箱里，机箱实物图 如图3 3 2 所示。 l e d 发光经光纤或积分球后均匀入射到$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 探测器上， 经过探测器上的线性可变滤光片，入射光便按波长线性的分开然后由 其下的自扫描光电二极管阵列( s s p d ) 并行接受，并将光信号转变成 电流信号线性串行输出，输出的电流信号通过c 4 0 7 0 处理后变成0 + 5 v 的视频信号，此信号可直接由a d 卡采样转换为计算机识别的数 浙江大学硕士学位论文 字信号最后通过计算机软件处理后显示测量结果。a d 卡对视频信号 的采样是在中断程序里完成的，这利用了a d 上的一路8 2 5 3 ，a d 卡 上的另两路8 2 5 3 用来产生c 4 0 7 0 所需的主时钟信号和主起始信号。具 体的操作过程将在后续章节中介绍。 图3 3 1 仪器实物体 图3 3 - 2 带有积分球的机箱 第四章$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 工作原理及驱动电路 4 1 $ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 工作原理 $ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 探测器是由带有线性可变滤光片的自扫描光电二极 管列阵组成的。对于线性可变滤光片本论文不作介绍，因为它并不是 本论文的研究重点，它在系统中起分光的作用，从而使我们省去了光 栅或棱镜这样传统的分光光学器件，由于制作工艺难度大，目前国内 还无法生产这样的线性可变滤光片。下面将重点介绍一下$ 3 9 0 1 2 5 6 l v f 探测器的另外一个重要部件：自扫描光电二极管列阵( s s p d ) 。 4 2s s p d 概述及其工作原理 光电二极管有两种列阵型式，一种是普通光电二极管列阵，它是 将n 个光电二极管同时集成在一个硅片上，将其中的一端( n ) 端连 接在一起，另一端各自单独引出。这种器件的工作原理及特性与分立 光电二极管完全相同，象元数也较少，只有几十位，通常也称它们为 连续工作方式。另一种就是我们要介绍的自扫描光电二极管列阵 s s p d ，它是在器件的内部还集成了数字移位寄存器等电路，其工作方 式与普通的光电二极管有所不同，工作在电荷存贮方式。 s s p d 根据象元的排列形状不同，可分为线阵、面阵以及其它形式 的特殊列阵等。线阵的象元数有6 4 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 位，以至4 0 9 6 位 等等，主要用于一维图象信号的测量，例如：光谱测量，衍射光强分 布测量，机器视觉检测等。面阵能直接测量二维图象信号，它的制造 工艺难度和成本比线阵高。自扫描光电二极管列阵( s s p d ) 是具有响 应度高、线性度好、分辨率高、象元几何尺寸及形状设计灵活等优点 的固体图像传感器，它还具有典型的硅光电二极管的光谱响应特性， 用它作为多道成像光谱探测器是比较适宜的。 浙江大学硕士学位论文 4 2 1 光电二极管电荷存贮工作原理 光电二极管电荷存贮工作方式的原理如图4 2 一l 所示， 图4 2 1 光电二极管电荷存贮工作方式 图中，d 为理想的光电二极管，c 。为等效结电容，v 。为二极管的 反向偏置电源( 一般为几伏) ，r l 为等效负载电阻，光电二极管光电信 号主要是通过以下几步实现取出的： 1 、准备首先闭合开关k ，如图4 2 1 ( a ) 。偏置电源v 。通过负载电 阻r t 向光电二极管充电，由于光电流和暗电流都很小，充电达到稳定 后，p - n 结上的电压基本上为电源电压v 。此时结电容c 。上的电荷 q = c d v 。 ( 4 2 1 ) 2 、曝光过程打开开关k ，如图4 2 1 ( b ) 。由于光电流和暗电流的 存在，结电容c 。将缓慢放电。若k 断开的时间为t 。( 电荷积分时间) ， 那么在曝光过程c 。上所释放的电荷是 q = ( i 。+ i o ) t 。 ( 4 2 2 ) 室温下，光电二极管的暗电流为p a 数量级，一般可忽略。如果在曝光 过程中，辐照度e ( t ) 和光电流i 。( t ) 都是时间的变化函数，那么c 。 上所释放的电荷 矿 a q = 【5 i p ( t ) d t = i p t ( 4 2 3 ) 式中j ，为平均光电流。同时，结电流c 。上的电压因放电而下降到v 。 它的值为 一而 d 厂lll悯蜘 叫一1 浙江人学硕士学位论文 够一等 ( 4 2 4 ) 3 、再充电过程光电二极管上的信号经过时间t 。的积分后，再闭合开 关k ，如图4 2 1 ( c ) 所示。电源v 。通过负载电阻r 。向结电容c d 再 充电，直到c 。上的电压达到v 。显然，补充的电荷等于曝光过程中c d 上所释放的电荷。再充电电流在负载电阻上的压降v 。就是输出的光电 信号。输出的峰值电压 y 。：矿。一矿。：掣 ( 4 2 5 2 ) l d 将式( 4 2 3 ) 代入，则 v ：! ! ：王：笠坠 (426)r max，1 ，1 、一。 l d乙d 式中，e = 【e ( t ) d t 为平均辐照度。 若重复( 2 ) 、( 3 ) 两步，就能不断地从负载上获得光电输出信号， 从而是阵列中的光电二极管能连续地进行摄像。若将上述开关k 的 “开”和“闭”分别用低电平“0 ”和高电平“1 ”表示，则结电容上 的电压v 。和输出信号v 。随开关信号的变化关系如图4 2 。2 所示： k 闭合 k 断开 v d 输 出 v r 准备 ：曝光：再充电：曝光：再充电 t 毒 fi lll j 卫：工险!睑 ； 图4 2 - 2 电荷存贮工作方式下的信号波形 上述过程表明，由光照引起的光电流信号的存贮是在( 2 ) 步完成 的。输出信号是在( 3 ) 步再充电过程中取出的。由式( 4 2 6 ) 可见， 浙江大学硕士学位论文 输出信号的最大值v r m 。与入射光的辐照度和积分时间t 。的乘积( 即 曝光量h = e t ) 成正比，与结电容c d 成反比。因此增加积分时间t 。 或减小结电容c 。，均可提高器件的灵敏度。 当然，在积分时间t 。一定的情况下，输出信号并非一直随入射光 的辐照度而增加，且存在一个最大的曝光量h 。即当曝光量h 达到 某一数值时，光电二极管的光电流使结电容c 。上的全部电荷都释放掉， 因此 缘。、= l 霉= g k 那么h 。：( i i ) 。：当 ( 4 2 7 ) o p 在电荷存贮工作方式下负载电阻上的光电流输出信号 护等= 糕= i p * 2 式中，f = r c a 为电路的时间常数。 4 2 。2s s p d 线列阵工作原理及开关噪声的补偿 再充电采样的s s p d 线列阵( n 位) 电路原理图如图4 2 3 所示： s 图4 2 3s s p d 线阵电路原理图 它主要由以下三部分组成： 1 、n 位完全相同的光电二极管列阵用半导体集成电路技术把它们 浙江大学顺士学位论文 等间距地排列成一条直线，故称为线阵。每个二极管上有相同的存贮 电容c 。所有二极管的n 端连在一起，组成公共端c o m 2 、n 个多路开关由n 个m o s 场效应管t 。t 。组成，每个管子的源 极分别与对应的光电二极管p 端相连。而所有的漏极连在一起，组成 视频输出线v 。 3 、n 位数字移位寄存器它提供n 路扫描控制信号e l e 。( 负脉冲) 。 每路输出信号与对应的m o s 场效应管的栅极相连。 s s p d 线阵的工作过程可用图4 2 4 来说明： 图4 2 4s s p d 线阵地工作过程 给数字移位寄存器加上时钟信号中( 实际s s p d 器件的时钟有二 相、三相、四相和六相等等) ，当用一个周期性的起始脉冲s 引导每次 扫描开始，移位寄存器就产生依次延迟一拍的采样扫描信号e ，e 。使 多路开关t t n 按顺序依次闭合、断开，从而把1 n 位光电二极管 上的光电信号从视频线上输出。若照射s s p d 器件上的辐照度为e ( x ) ， 因在积分过程中存贮电容c 。上的电荷变化量与辐照度成正比，因此每 一单元输出的光电信号幅度v o ( t ) 也随不同位置上的辐照度