（光学工程专业论文）脉冲光源色度评价研究.pdf

滤臻丈学鞭士拳拄沧文 摘要 嗽着脉冲光源在国民经济中的广泛应用，对它的各种光谱特性的测量研究正 传也农飞速发展。由予脉i 巾光源自身特点的原因，决定了不能用普通的光源光谱 测量方法黠其进纷测纛。本论文提出了一秘抉速测量默挣光源光遘特拨的掰型系 统。 程本系统研究中，采瘸瓤型豹多逶遴光电搽测器件一一邀藕耦食器俘 ( c c d ) ，并| 入平场鹜舔光播构成了多遴逶光谱分巍系统一多色议，献蔼为 多通道快速光谱测量准备了物质条件。在完成系统设计之后，研制了高速数据采 集电路，编制了一套控制、采集、分析软件。w 以为脉冲光源的光谱测量研究工 作提供一定的方法手段和理论依据。7 本论文共分七章。第一章，介绍了一下本课题的背景，分析了嚣种测量方法， 阐述了光源测量的原理，弓l 出了课题。第三章，论文详缨她介绍了电赞蠼会器件 c c d 数茗作撮理和驱动彀鼹。第三章，对该系统进露7 憨钵设计，嬲对对光学 系统设计傲了特别豹会缨。篆霞章，奔绥了系统豹硬件电路设计，特别是离速 a d 转换方面的原理和方法。第五章，介绍了系统的软件设计，掇密7 一系列控 制、采集、数据分析的方法。第六章，说嘲了对系统：避 行波长校正、光度定标的 方法和措施。另外，还对系统精度和实验结果做了详尽的分析。最后第七辈总结 了本论文所做的工作。提出了系统的改进方向。 缎过实际使用，本系统取得了满意的结果，能够满足脉狗光源生产单位的测 试要求，达到了研究戆预期县豹。 关t 诩。脉冲光源、c c 。、快速测量、多通邋龟，j 甬延喑 v 游攫太学颈士学垃论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i a n c eo f p u l s el i g h ts o u r c ei nn a t i o n a le c o n o m y , t h er e s e a r c h o fi t ss p e c t r u mh a sb e e na d v a n c i n gt oan e w s t a g e b e c s u s eo f t h ep u l s el i g h ts o u r c e s c h a r a c t e r i s t i c s ，i t sn ow a y t om e a s u r et h es p e c t r u mw i t hn o r m a l t e c h n i q u e sw h i c h a r c u s e df o ro r d i n a r yl i g h ts o u r c e s i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b e das y s t e mf o rf a s t m e a s u r e m e n to f t h es p e c t r u mo f p u l s e l i g h ts o u r c e i nt h i s s y s t e m ，w ee m p l o y e dan e w l yd e v e l o p e dm u l t i - c h a n n e lp h o t o d e t e c t o r c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，a sw e l la sa c o n c a l v eh o l o g r a p h i cd i f f r a c t i v eg r a t i n g ， t of o r mm u l t i - c h a n n e l s p l i t t i n gs y s t e m o fs p e c t r u m p o l y c h r o m a t o r t h e s ea l l s o l i d i f i e dt h ef o u n d a t i o no ft h ef a s tm e a s u r e m e n t s u b s e q u e n t l y as e to fh i g hs p e e d d a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t sh a sb e e nd e v e l o p e d , a n dt h e 曩硝避砖i sa l s op r o g r a m m e df o r c o n t r o l ，c o l l e c t i o n a n da n a l y s i s , a f t e rc o m p l e t i n gt h es y s t e m s o m em e t h o d sa n d t h e o r yc a l lb ed e r i v e df r o m t h i ss y s t e mf o rt h es p e c t r u mm e a s u r e m e n to f p u l s el i g h t s o u r c e t h i sp a p e rc o n s i s t so fs e v e nc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e rt h eb a c k g r o u n do ft h i s t a s ki si n t r o d u c e d ，a n dt h ep r i n c i p l e so fl i g h ts o u r c em e a s u r e m e n ta r ed i s c u s s e d i n t h es e c o n d c h a p t e r t h ee l e m e n t so f c c da r ee x p o u n d e d i nt h et h i r dc h a p t e rt h ew h o l e c o n s t r u c t i o no f m e a s u r i n gs y s t e mi sa s c e r t a i n e d + t h eo p t i c a ls y s t e mi sd e s i g n e da s w e l l i nt h ef o r t hc h a p t e rt h eh a r d w a r eo fs y s t e mi si n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h ea d c o n v e r s i o mi nt h ef i f t hp a r tw ei n t r o d u c e st h es o f t w a r eo f s y s t e m , s u c h a sp a r t sf o r c o n t r o l ，c o l l e c t i o na n da n a l y s i s i nt h es i x t hc h a p t e rt h es y s t e mi sc a l i b r a t e d as e r i e s o fe x p e r i m e n t sa r el a i do u ti ns u c c e s s i o n t h ep r e c i s i o na n de r r o ra r e u l t i m a t e l y a n a l y z e d ，i n t h ee n d ，i nc h a p t e rs e v e nw es u m m a r i z et h ew o r kw h a th a sb e e nd o n ei n t h i sd i s s e r t a t i o n t h es h o r t c o m i n go ft h ew o r ki sp o i n t e do u ta n dt h ef u r t h e rw o r ki s b o k e df o r w a r d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h em e o , s u r es y s t e mi so f h i g ha c c u r a c y t h er e s e a r c ho n p u l s el i g h ts o u r c es p e c t r u mm e a s u r e m e n t h a sr e a c h e dt h e a n t i c i p a t e d d e m a n d s k e y w o r d s ：v u l s el i g h ts o u r c e ，c c d ，f a s tm w i m u l t i c h a n n e l v i 渐江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师侯民贤副教授的悉心指导下完成的。导师治学严谨、务实求 新、平易近人，他敏锐的科研洞察力、丰富的科研经验和一丝不苟的工作态度给 我留下了深刻的印象。我的课题研究取得的点滴进展都是与导师的指导启发分不 开的，在此文完成之际，谨向他致以最衷心的感谢。 同时，还要在此感谢尊敬的叶关荣教授，叶教授在色度学方面的卓越工作莫 定了本论文的理论基础。他高屋建瓴的点拨使我在各方面受益匪浅。感激赵田冬 教授在我求学期间给予的关心。 感谢姚军副教授、龚兆元高工以及光学工程研究所的徐海松、康文刚、朱丹 梧、项震、潘健等各位老师的大力支持。还要感谢项震博士、徐蔚硕士、刘克涛 硕士以及韩军、许明海、邝江涛、孙德印、朱雪珍等各位师兄弟。 借此机会，我要感谢父母给予我的最无私的关怀和默默的支持，在我的求学 生涯中，他们为我的成长倾注了大量的心血。 感谢所有给予我关心、支持和帮助的老师同学和朋友长辈们! 熊凯 2 0 0 2 年3 月于浙江大学 i v 浙江大学硕l 学位论文第一章系统概述 1 1 绪论 第一章系统概述 任何天然或人工制造的物质，凡能发射紫外线、可见光或红外线等电磁辐射 的，都可称之为辐射源【“。例如太阳、白炽灯、电弧、红外辐射源、激光器等。 在许多工业生产和科学研究中，光源光谱特性已成为不可缺少的重要参数。对光 源光谱的精确快速测量以及对光源光谱测量系统的更趋完善的研究，已成为一门 重要的学科，在国民经济发展中发挥越来越重要的作用。 在这些林林总总的光源之中，有一类光源非常值得我们的注意，它就是脉冲 光源。脉冲光源与连续发光的光源不同，它是利用储存在电容器中的电能，在极 短时间内发出高强度脉冲光的光源。现有的脉冲光源可以使人们在瞬时( 1 0 _ 9 l o 。2 秒) 获得除激光外最强的光通( 1 0 9 流明) 和亮度( 1 0 ”c d m 2 ) 伫】。它具有 一般连续光源所没有的优点，加上操作简便，耗电量少，工作稳定的特性，广泛 地应用与摄影、航海、机场、测速等。 但是，正是由于脉冲光源自身的特点决定了很难用常规的光源探测方法进行 检测。因此，本课题的工作，就是采用新型的电荷耦合器件( c c d ) ，采取分光 光度的测量方法，并与计算机联机配套，在精确快速的脉冲光源光谱测量方面作 一些研究探讨，为各脉冲光源生产单位提供新型的检测手段和一定的技术依据。 1 2 光源潮量原理臼一1 为了获得良好的照明效果，光源除了要求有高的发光效率外，还要求它发出 的光有很好的颜色和显色性。衡量一种光源的质量，光源的颜色指标占有重要的 地位。因此，这里介绍一下光源的颜色特性。 光源颜色特性包括光源光谱能量分布、色度坐标、相关色温、显色指数等参 数。 浙江大学硕士学位论文第一章系统概述 1 2 i 光源色度坐标的计算 为了计算光源和物体的颜色，就必须知道进入到人跟的光辐射的光谱组成， 这些光辐射是由光源发出或者是光源经物体反射或透射进入到观察者的眼睛的。 我们假定这部分进入到人眼的光谱能量以符号9a ) 代表，称它为色刺激函数。 特别的，在测量光源颜色时，因为光源的光谱组成直接入射到人眼，所以色刺激 函数矿以) 就是光源的相对光谱功率分布p 。以) ，即： 妒 ) = p 。以) ( 1 一1 ) 因此，光源颜色测量的基本任务就是测定光源的相对光谱功率分布尸。o ) 。 得到了矿以) ，就可以通过色度学的三个基本方程可以求得光源颜色的三刺 激值x 、y 、z ： x 2 七j 伊 ) 川脚 y 2 七j 妒( 五) ) ，( z ) 幽 z 。七j p ( a ) z ( a ) 以 ( 1 2 ) 式中，x ( a ) 、y ( a ) 、z ( a ) 为1 9 3 1 c i e 色度系统或1 9 6 4 c i e 色度系统的光谱三刺激值 函数，曲线如图( 1 1 ) 所示。k 为调整系数。在测量光源时，k 定义为： k = 1 0 0 e 妒。抛m ( i - - 3 ) 由式( 1 - - 2 ) 计算得到的x 、y 、z ，可以求得色品坐标x 、y 、z 及c i e l 9 6 0 均匀色品坐标u 、v i 为： 工= x ( x + y + z 、 y = y ( x + 】，+ z 、 ：= 1 一x y “i = 4 x ( x + 1 5 y + 3 z ) v = 6 y i ( x + 1 5 y + 3 z ) ( 1 4 ) 浙江人学硕l 学位论文第一章系统概述 2 o 1 5 1 0 0 5 0 z ) 厂、 f j ， ) 工( ji州i 、 、 1 | d舣 u 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称 为表面势，用，表示) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子( 少数载流 子) 吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层，如图2 1 ( c ) 所 示。反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。 然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，轻搀杂半导体中的少数载流 9 浙江人学硕士学位论文第二章c c d 工作原理及外围电路 氯化层 p 型半导体 至叫三 i 参予雾现 ( a )( b )( c ) ( a ) 栅极电压为零( b ) 搪极电压小于阈值电压( c ) 栅极电压大于阚值电压 图2 - - 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下。耗尽区将进一步向体 内延伸。而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可获 得少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费米能级o ，的两倍。 在栅极电压不变的情况下，表面势o ，与反型层电荷浓度q 。，有着良好的反 比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”的概念来描述。 电子之所以被加有栅极电压u 。的m o s 结构吸引到氯化层与半导体的交界面处， 是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u 。 的关系恰如m ，与u 6 的线性关系( 如图2 - - 2 ( a ) 空势阱的情况) 。图2 - - 2 ( b ) u 岱 i o v1 0 v 卓釜= = = 二：卓釜= 二二： il u 旷5 v ；i 卜扛t 。v 曼i l l _ i i u f - 1 5 v l ( a ) 空势阱( b ) 轭充l ，3 的势阱( 图2 2 势阱 1 0 浙江大学硕上学位论文第二章c c d 工作原理及外围电路 为反型层电荷填充l ，3 势阱时，表面势收缩。但反型层电荷足够多，使势阱被填 满时，中，降到2 中，。此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出” 现象。这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压u 。、氧化 层的厚度d 。有关，即与m o s 电容容量c * 与u 。的乘积有关。势阱的横截面 积取决于栅极电压的面积a 。所以m o s 电容存储信号电荷的容量为： q = c w u 6 a ( 2 1 ) 2 1 2 电荷耦合 如图2 3 所示，取c c d 中四个彼此靠得很近的电极来观察。假定开始是有 一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有 大于阙值的较低电压( 例如2 v ) 。设图2 - - 3 ( a ) 为零时刻，过t 时刻后，各电 2 v1 i v2 v2 v2 v1 0 v2 一 1 0 v2 v2 v1 0 v1 0 v 三瓣 ( a ) 2 v1 0 2 v1 0 v 2 v2 v2 v1 0 v ：v 蛾l 坐! ：1 w 0 v 引! 些 九1 卫 ( ( e ) ( f ) 图2 - 3 三相c c d 中电荷的转移过程 极上的电压变为如图2 - - 3 ( b ) 所示，第二个电极仍保持为1 0 v ，第三个电极上 的电压由2 v 变为1 0 v ，因为这两个电极靠得很紧( 间隔只有几微米) ，它们各 t l 的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下势阱 所共有，如图2 3 ( b ) 和图2 3 ( c ) 所示。若此后电极上的电压变为如图2 - 3 ( d ) 所示，第二个电极电压由1 0 v 变为2 v ，第三个电极电压仍为1 0 v ，则 共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图2 - - 3 ( e ) 。由此可见，深势 浙江大学硕士学位论文第二章c c d 工作乐理及外围电路 阱及其对应的电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿半 导体表面按一定方向移动。通常把c c d 电极分为几组，每一组称为一相，旌加 同样的时钟脉冲。电荷包在交迭变化的脉冲( 如图2 3 ( f ) 所示) 作用下逐单 元地转移，实现了c c d 的电荷耦合传递 最后值得特别强调的是，c c d 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自 一个电极下转移到相邻电极下。因为如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱 将被势垒隔开，不能合并，电荷也就不能转移。对于大多数c c d ，l 朋的间隙 长度是足够小的。 2 1 3c c d 的电撮结构 c c d 电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构 和信号检测结构。由于更多是涉及到了工艺方面的内容，所以这里只是粗略地介 绍下转移电极的几种类型。 三相c c d ：三相单层铝电极结构、三相电阻海结构、三相交迭硅栅结构 二相c c d ：二相硅一铝交迭结构、城墙状氧化物结构、注入势垒二相结构 四相c c d ：两层金属中间淀积绝缘物、多晶硅一金属交迭橱结构、两层铝电 极用阳极氧化铝绝缘 体沟道c c d ：半导体体内设置信号转移通道 2 1 4 电荷注入 在c c d 中，电荷注入的方法很多。归纳起来，可分为两类：电注入和光注 入。 1 电注入 所谓电注入就是c c d 通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电 压或电流转换为信号电荷。 2 光注入 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章c c d 工作康理及外围电路 多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注 入方式又可分为正面照射式及背面照射式。c c d 中光注入电荷q ，p 为： q 口= ，挎助。爿疋 ( 2 2 ) 式中，r 为材料的量子效率，q 为电子电荷量，a n 。为入射光的光子流速率， a 为光敏单元的受光面积，t 。为光注入时间。 2 1 5 电荷检测 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要的问题。c c d 的重要特性之 一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲对输出电路的影响。 目前c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输 出。其中前两种方法都是属于破坏性一次输出，因此，一般都是使用第三种方法， 可以实现电荷在转移过程中进行非破坏性检测。 2 2c c d 的主要特性参数 2 2 1 转移效率r 和转移损失率占 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。把一次转移后到达下个 势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如在t = 0 时，注入到某 电极下的电荷为q ( 0 ) ：在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转 移，但总有- - + 部分电荷由于某种原因留在该电极下，若被留下的电荷为q ( t ) ， 则转移效率为 刀一q ( o ) - q ( t ) l 一盟 ( 2 - 3 ) q ( 0 )q ( o ) 如果转移损失率定义为 占：皇垃( 2 4 ) q ( 0 ) 浙江人学硕：l 学位论文第二章c c d 工作原理及外宙屯路 则转移效率与损失率的关系为 r = 1 一占 ( 2 5 ) 理想情况下玎应等于1 ，但实际上电荷在转移中有损失，所以，7 总是小于l 的( 常 为0 9 9 9 9 以上) 。一个电荷q ( o ) 的电荷包，在经过n 次转移后，所剩下的电 荷q ( n ) 为 q(n)=q(0)r”(2-6) 这样，n 次转移前后电荷之伺的关系为 业：p w( 2 - - 7 ) q ( 0 ) 虫果r = 0 9 9 , 经2 4 次转移后，舞一7 8 而经过1 9 2 次转移后，舞_ 1 4 由此可见，提高转移效率i 是电荷耦合器件能否实用的关键。 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此。常采用“胖零” 工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。圈2 - - 4 给出两种不同频率下，电 荷转移损失率与“胖零”电荷之间的关系。 图2 - 4 两种频率下电荷转移损失率与。胖零”电荷之间的关系 图中c 代表转移电极的有效电容。q ( 1 ) 代表“1 ”信号电荷，q ( 0 ) 代 表“0 ”信号电荷。从图中可以看出增加“0 ”信号电荷，可以减少每次转移电荷 1 4 浙江人学硕士学位论文 第二章c c d 工作熏理及外豳电路 的损失。 2 2 2t 作频率f 1 工作频率的下限 为了避免由于热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，注入电荷从一个电 极转移到另一个电极所用时问t 必须小于少数载流子的平均寿命f ，即t f 。在 正常工作条件下，对于三相c c d ，= 詈= 万1 r ( 2 - - 8 )33 厂 所以 p(2-9) 可见，工作频率的下限与少数载流子的寿命有关。 2 工作频率的上限 但工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间 t 大于驱动脉冲使其转移的时间冬。那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将 会使转移效率大大降低，为此，要求t s ，即 ，s 二3 t ( 2 1 0 ) 这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快 慢与载流子迁移率、电极长度、衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相 同的结构设计，n 沟c c d 比p 沟c c d 的工作频率高。 图2 5 为三相多晶硅n 沟道s c c d 实测驱动频率f 与损失率占的关系曲线。 由曲线可以看出，表面沟道c c d 的驱动脉冲频率的上限为1 0 m h z 。高于1 0 m h z 后，c c d 的转移损失率将急骤增加。 3 c c d 的暗电流及噪声 c c d 是非稳态下工作的器件。通常，电极上所加的是不断变化的时钟脉冲电压， 势阱中的电荷不时被移动，停留时间短。但由于热激发的电子空穴对中的电子不 断被势阱收集，构成了暗电流。暗电流产生的主要原因是晶格缺陷和工艺过程中 带入的复合中心。室温下，c c d 暗电流一般为1 0 h a c m 2 数量级，但不完善的 浙江大学硕士学位论文第二章c c d 工作原理及外围电路 图2 5 驱动脉冲频率f 与转移损失率g 的关系曲线 晶体和工业过程可使暗电流增大1 2 个数量级。减小暗电流的措施是完善工艺、 提高晶体质量和降低工作温度。 c c d 器件的噪声源有两大类：本征噪声和外来噪声。本征噪声包括与电荷 存储和转移有关的噪声，如暗电流噪声、由于损失率涨落引起的噪声和势阱( 电 荷被俘获和释放) 噪声等。外来噪声是与操作、输入和输出有关的噪声，如电荷 注入和检测输出噪声( 由电容器引起的k t c 噪声和复位噪声) 以及作为光传感 器是的光子噪声等。热激发和光激发引起的噪声可归入散粒噪声。 2 3 电荷耦合摄像器件帆墟1 电荷耦合器件一经问世，人们就对它在摄像领域中的应用产生了浓厚的兴 趣，于是精心设计出各种c c d 线阵摄像器件和c c d 面阵摄像器件。c c d 摄像 器件( 简称i c c d ) 不仅具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等 优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性， 也是其他摄像器件无法比拟的。 2 3 1 基本原理及类型 电荷耦合摄像器件分为两大类：线阵和面阵。二者都需要光学成像系统将景 物图像成在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每一个像敏单元上的图像照度信号 转变为少数载流子数密度信号储存于像敏单元( m o s 电容) 中。然后，再转移 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章c c d 工作原理及外围电路 到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中，在驱动脉冲的作用下顺序的移 出器件，成为视频信号。 线阵c c d 摄像器件有两种基本形式：单沟道线阵i c c d 、双沟道线阵i c c d 。 面阵c c d 摄像器件有三种基本形式：帧转移面阵i c c d 、隔列转移面阵 i c c d 、线转移面阵i c c d 。 2 3 2 基本结构 图2 6 所示为比较典型的三相线阵i c c d d l a o 的基本结构图。它由光敏元 阵列( 图中u ，电极所联，又称光积分单元) 、转移栅( 图中妒。) 、模拟移位寄 存器( 由氟、：、丸三相时钟驱动) 、输入电路( 由以、g ，、g ：所控制) 、输出 电路( 由双栅靠、震。场效应管五、五及五、瓦源极输出放大器构成) 和溢洪电 路( 由溢洪栅g ，及溢洪漏b 所控制) 等六部分构成。光敏元阵列由若干个光敏 单元组成长3 8 4 m m 、宽2 0 # m 的阵列。 g lg 】a 九如 o g 图2 6d l 4 0 型线阵i c c d 结构原理图 每个光敏单元的有效面积为1 0 x 2 0 ( o n ) 2 ，光敏元之间中心距为1 5 n n 。光 敏阵列是由p + 沟阻区隔开的一个个表面m o s 电容阵列构成。每一个独立的m o s 1 7 浙江人学硕士学位论文 第二章c c d 工作原理及外围电路 电容储存光生电荷的最大容量由式( 2 一1 ) 决定。c c d 模拟移位寄存器是构成 i c c d 的重要组成部分，它是由三相多晶硅交迭构成前端为胖零注入电路，后 端为输出电路输出电路由输出二极管、复位场效应管五、疋和放大场效应管五、 l 构成。 光敏元阵列和c c d 模拟移位寄存器之问由转移橱。沟联，转移栅、光积 分电极u ，及模拟移位寄存器三者有如图2 - - 7 所示的交迭结构，可控制光敏单元 图2 7 光生信号电荷由光积分栅向以电撮下转移 中的信号电荷能否向移位寄存器中转移。另外，器件还设置了由溢洪电路，防止 过多的光生电荷溢出势阱影响临近势阱中的信号电荷。 2 3 3 工作原理 d l 4 0 型i c c d 需要在。、妒。、：、九及靠等五路驱动脉冲下工作。五路 驱动脉冲应满足图2 - - 8 所示的时序关系。当。为低电平时，u ，电极下的势阱 虹厂厂 ， 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 如 厂 厂 r 广 一厂 _ 厂 厂 厂 丸广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 z 几n几几几几几几 图2 - - 8d l 4 0 的五路驱动脉冲时序图 浙江人学坝士学位论文第二= 章c c d 工作原理及外围电路 与九单元形成的势阱被。的势垒隔离。光敏元阵列在啡的作用下进行光积分， 即光信号作用产生光电子积存在像敏单元的势阱中。光积分时间结束，矿。由低 变高，妒。电极下形成深势阱，这个势阱将使u ，下的势阱及九电极下的势阱沟 通，结果使以势阱中的光生电荷并行地转移到模拟移位寄存器的九电极下的势 阱中。而后，缸又由高变低，使u ，与丸隔离。u ，再进行光积分，识中的信号 电荷将在妒，、如、九三相交迭脉冲的作用下，一位位地向右转移。 d l 4 0 型c c d 的模拟移位寄存器的最右端为办电极，其后为输出栅电极o g ， 其上加有直流偏置电平u 0 g 。当信号电荷包传送到妒：电极时，办为正脉冲，使 复位m o s 场效应管导通，浮置扩散二极管复位到u d d 电平。当九由高到低时。 信号电荷包将通过o g 电极进入已被复位的浮置扩散二极管，使浮置区的电位降 低a u f o ，输出场效应管的源极o s 跟随它变化。a u f d 的大小与光生信号电荷包 的大小成比例。这样，从妒。由高到低开始，每经过一个矿：周期，九使浮置扩散 二极管复位一次，输出一个信号。那么随空间变化的一行光学图像就转变成了随 时间离散的调幅模拟序列脉冲信号。 2 4i c c d 的外围驱动电路 在此，仍以典型的三相线阵i c c d d l 4 0 为例，介绍下i c c d 的外围驱动电 路 2 4 1 三相交迭脉冲的产生 产生三相交迭脉冲的方法很多，这里只介绍最简单的一种。 如图2 - - 9 所示，用一片4 联d 触发器产生三相交迭脉冲。设d ，= g ， d ：= o ，d 3 = o ：，三个d 触发器的时钟输出端c k 已联在一起，将其接到振 荡器的输出端。三个d 触发器的复位端r 也联在一起接置开机自动复位电路上。 1 9 浙江大学硕士学位论文 第二章c c d 工作原理及外围电路 图2 - - 9 三相交迭脉冲产生电路 开始时刻，三个d 触发器均为置零状态，即d i = 1 ，d 2 = 0 ，d 3 = 0 。经过 一段时间t 。后，电容c 充电到高电平，复位端为“1 ”，不再复位。三个d 触发 器将从零开始接收时钟脉冲的作用，按其d 端的状态工作，于是就产生了图2 一1 0 所示的脉冲波形。定义西= 石，q i = 瓦，q 3 = 万，则石，万，石为三相 交迭脉冲。 涨n n 几nn 几nnn 几 q l 厂 厂 丝 q 2 厂 厂 夏 厂 陌 q 3 厂 几 图2 1 02 相夺i 失脉冲 2 4 2 转移脉冲虹的产生 这里介绍的是分频与译码法。 将上面的三相交迭脉冲电路产生的妒2 脉冲送到十二级二进制计数器c d 4 0 4 0 的时钟输入端，则从它的各级输入端可得到2 至2 ”分频。用1 3 输入端与非门 7 4 l s l 3 3 作译码器便可获得2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 乃至2 0 4 8 的i c c d 所需要的萨脉 浙江火学硕j 。学位论文第二章c c d 工作原理及外围电路 冲。 2 4 3 九的产生 九是使输出浮置扩散二极管复位的复位管控制脉冲，从i c c d 的基本结构中 可以知道，靠= 妒：石。因此只要一个与非门就可产生九。 综上所述，整个d l 4 0 的外围驱动电路如图2 一1 1 所示。 图2 1 1d l 4 0 外围驱动电路图 2 l 浙江犬学硕士学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 第三章系统总体方案及光学系统设计 3 1 脉冲光源的介绍埔_ 7 墟1 脉冲光源的发光机理、发光性质均与一般光源有着明显的差别。在此，先简 单地介绍一下脉冲光源。 3 1 1 脉冲光源的基本介绍 脉冲光源与普通照明光源不同，它必须有一定的工作电路才能点燃。典型的 工作电路如图3 一l 所示。脉冲光源工作时，必须在其触发丝或触发电极上施以 具有一定能量的高频率高电压脉冲，才能使灯闪光。脉冲光源有以下四个特性电 压参数： f 毫 匕 翟 螂 r 图3 一i 脉冲光源的典型工作电路 1 自击穿电压u ，：是指在没有外加触发电压时，使脉冲击穿所需要的最小灯管 电压。 2 着火电压u ，：在有外加触发电压时，使脉冲光源击穿所需的最小灯管电压。 3 工作电压u 。：脉冲光源工作时，灯两端的电压。它应小于自击穿电压，大于 着火电压。 4 剩余电压u 。：电容器向脉冲灯放电后，留有一定电压，称为剩余电压。 浙江人学硕士学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 下面我们来具体分析一下脉冲光源的工作过程： l 图3 一l 中，主电容器c i 存储的能量为c u 。2 。直流电源向主电容器充电 z 至脉冲光源的工作电压( ，同时，通过一个由电阻r 2 和r 3 组成的分压器向触 发电容器c 2 充电。当闭合开关s 后，c 2 放出的能量与脉冲变压器的初级组成一 个振荡回路，在脉冲变压器的次级产生一组具有一定能量的高频高压脉冲，此脉 冲加到绕在脉冲光源的触发丝或触发电极上，使光源内的气体电离，储存在主电 容器c l 中的能量迅速通过脉冲光源释放出来。电流很快自零上升到极大值。然 后，根据主电容器和电路元件的性质，逐渐下降到零。 3 1 2 脉冲光熏的基本光参数 脉冲光源的基本光参数般包括： 到达峰值时间：指脉冲光源自触发脉冲开始，至光通量达到最大值的时间。 有效时间：指光通量从上升到最大值三分之一时开始到下降到最大值三分之 一值的时间。 峰值光通量：指光通量的极大值。 总光通输出：指脉冲光源在其有效时间发出的全部光通量，是以流明秒为 单位。即在有效时间内，测得的瞬时光通量分布曲线以下的面积。 图3 2 是以小型螺旋形脉冲氤灯( 工作电压2 0 0 0 伏，工作电容2 6 微法，氙的 充气压8 x1 0 3 帕) 为例，表示出了它的电压、电流、功率和光通量的瞬时变化 情况。由图可见：约在触发后2 5 微秒左右时，灯电流和功率达到极大值。经过 图3 2 脉冲光源的电压、电流、功率和光通量瞬时变化情况 溺光眺 o o jj，i o 0 如 浙江人学坝 学位论文 第三章系统总体方案及光学系统设计 一毫秒后下降到零。瞬时电流值可达6 5 0 安，瞬时功率约1 0 0 0 千瓦。瞬时光通 量达到极大值的时间略迟后于电流和功率，约经过5 0 微秒达到8 5 兆流明。 在实际测量中，往往以光强来替代光通量的参数。 3 1 3 脉冲光源的光谱特性 通过上面的关于脉冲光源工作过程的介绍，我们知道了它的发光机理是电容 器通过灯管放电，是灯管里的气体发生强烈的电离，形成高温高压的等离子体。 由于带电粒子之间的相互作用以及电子和离子间的复合，发射出强烈加宽的原子 和离子线光谱以及复合和轫致辐射连续谱。所以脉冲光源的光谱是以其连续谱为 特征的，在连续谱上迭加了强烈加宽了的原子和离子谱线。脉冲光源中，以充纯 氤的最为常用。故又称之为脉冲氙灯。脉冲氤灯的辐射光谱在可见光区域基本上 是连续光谱，辐射光谱的最大值约在5 0 0 纳米左右。 3 2 系统性能指标的确定n 玑剐l 嘲 光源测量系统是集光学技术、机械技术、电子技术、计算机技术于体的多 功能仪器。要使仪器既有先进性，又具有符合国情需要的特点，必须合理地确定 仪器的性能指标。 由于是对脉冲光源进行实时的光谱检测，所以主要要考虑到两个因素：一是 快速，二是精确。当然，还要考虑到仪器的性价比，所以综合了一些同类产品及 实际情况，提出了本系统的性能指标如下： 光谱测量范围：3 8 0n m 7 8 0 i l r n 光谱分辨率：ln i n 多色仪焦距：1 1 3 m m 色品坐标：a x = ：l - 0 0 0 1 ，a y = o 0 0 1 探测器通道数：2 1 6 0 p i x e l s a d 位数：1 6 b i t 测量时间： o 1s 以下的设计工作将围绕这个指标进行。 浙江大学硕士学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 3 3 系统总体设计n 3 1 完整的光源测量系统由被测光源、光学系统、电子系统、计算机处理系统组 成。图3 3 为系统框图。 3 3 1c i e 的推荐 图3 3 系统框图 由于光电探测器的探测灵敏度随光谱灵敏面的照度分布不同而变化。因此， 在光源光谱测量时应使光谱灵敏面的照度分布比较均匀。由于它产生的漫射程度 随波长而变，所以即使在多色仪的入射狭缝前加一个漫反射器也不能解决这个问 题。 c i e 推荐在多色仪入射狭缝前加一个积分球( 如图3 4 所示) 。 图3 4 用积分球测量光源 用积分球作输入光学系统是一种比较精确的测量方法。入射孔位于与多色仪 光轴成9 0 度的球壁上。可以固定积分球，使被测光源和标准光源依次照射到入 射光孔上。被测光源和标准光源直接照射的积分球表面最好相同。但一般只要从 多色仪看到的积分球内表面与被光源直接照明的球壁表面不重叠就可以了，即只 浙江大学硕士学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 要经过两次以上反射的光进入多色仪。 使用积分球作光学输入系统，具有以下特点： 通过积分球，光源的光能比较容易被采集。 使用积分球，能使多色仪入射狭缝均匀地得到照明，从而使平场凹面光栅的 受光面积上得到均匀照明。 使用积分球，可以通过调节光源与积分球入射口之间的距离来控制曝光量， 从而提高探测灵敏度。 使用积分球，使被测光源和标准光源的光通量衰减一致，并使两个比较光源 安装非常方便。 使用积分球，使入射光完全消除了偏振，多色仪与光源的偏振相互作用减到 最小。 对使用的积分球提出下面几点要求： 积分球的涂层应没有荧光特性。 积分球的涂层应该尽可能无波长选择性，光谱反射比应尽可能相等。 积分球的尺寸大小应与待测光源大小相匹配。 3 3 2 光路形式 分光光度法测量系统有单光路和双光路两种形式。 在双光路形式中，被测信号与标准信号同时测量，但其机构复杂、设计困难、 成本高。 在单光路形式中，被测信号与标准信号分开测量，结构简单、设计方便、造 价低。在一定的工作条件下，仪器经标准光源定标后，标准光源的数据就保留下 来了，不必每次测量时都定标一次。 在本系统中，采用的是单光路形式。 3 3 3 光学系统 光学系统由照明、多色仪、成像三部分组成。完成光源能量的收集、聚焦、 光谱色散和成像，即实现有效光谱信号的分离。 多色仪采用平场凹面光栅作为色散元件，具有最简单的结构，并使光谱色散 2 6 浙江人学硕l 学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 成像焦面与光电探测阵列光谱灵敏面相吻合。 3 3 4 光度探头 由于在本系统中，不但要测量脉冲光源的光谱特性，同时还要测量脉冲光源 的一些光参数。所以，需要再设置一个测量光强的参考通道。 通过光电探测器将待测脉冲光源的光强转换到测量系统中，在定时器的精确 控制下，通过a i d 转换，就可以计算出光源的脉冲峰值和有效发光时间。同时， 还可以精确控制c c d 探测器的积分时间。 在这里，采用了具有高分流电阻的日本滨松公司的$ 2 9 5 7 一i o i o b r 型硅光电 池，其光谱响应被匹配成符合人眼的光谱光视效率矿( 名) 。 3 3 5 电子系统 电子系统包括多通道探测器及时序控制电路、放大和采样保持电路、a d 转 换电路等。实现有效光谱信号的迅速获取。 a d 转换电路采用1 6 位的a d 9 2 6 a 芯片，采样频率为2 0 0 k h z 。 多通道探测器采用由日本t o s h i b a 公司生产的一种高灵敏度、低噪声的线阵 c c d 器件- - t c d l 2 0 6 s u p ( 2 1 6 0 像元) ，附有驱动器。它外形采用2 2 脚标准双列直 插封装( d i p 2 2 ) 。主要特性参数如下： 光敏像元数目：2 1 6 0 像元尺寸：1 4 a n 1 4 a n x l 4 p m ( 相邻像元中心距) 光谱响应范围：3 0 0 n m 1 0 0 0 n m 光谱响应峰值波长：5 5 0 h m 3 3 6 计算机和数据处理系统 计算机和数据处理系统包括计算机接口电路部分和计算机数据处理软件部 分。实现系统的自动控制、信号收集和快速处理，显示打印需要的数据信息。 浙江大学硕士学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 3 3 7 系统总体方案 综上所述，确定系统的总体结构如图3 5 所示。 图3 5 系统总体结构图 3 4 光学系统设计乜5 蚓 在本系统中，由于采用的光电探测器为平面的列阵结构，对整个光学系统将 提出如下要求： 整个视场范围内成像光谱面平直。 在整个光谱面上谱线成像清晰，谱线轮廓对称。 沿谱线高度方向的一定范围内，强度分布均匀。 3 4 1 照明系统 光源能量经积分球收集后，还需要光学照明系统把光耦合到多色仪的入射狭 缝上。如图3 6 所示，在这里我们采用了成像系统。 浙江人学硕t 学位论文第三章系统总体方案及光学系统设计 图3 6 光学照明系统 这种系统有两个特点： 物面在积分球的出射光孔处，即在光照比较均匀处，保证狭缝受照均匀。 由于透镜l 出射的是平行光，因此能比较容易地通过调节透镜2 把光会聚到 入射狭缝处。 3 4 2 多色仪分光系统 多色仪可以看成是众多单色仪的集合，一次性把全部光谱信息按波长大小有 序地排列在成像焦面上，从而避免了慢速的机械扫描过程。 多色仪的种类很多，其中结构比较简单的是平场凹面光栅多色分光系统，只 需要一块平场凹面光栅的光学零件与狭缝相耦合。 采用平场凹面光栅具有以下特点： 适合探测器平面工作的需要，集准直、聚焦与色散作用于一体。光学元件少， 光能损失少，光路调整比较容易。 准直、聚焦系统都相当于采用了反射镜，因此，能够严格消色差。 在这里的平场凹面光栅的特性参数如下： 工作波长：3 8 0 7 8 0 n m 光栅常数：2 0 0 0 线对a m 坯料直径：3 8 a m 坯料曲率半径：1 1 3 a m 使用