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浙江工业大学硕士学位论文 多功能光栅光谱仪的研制 摘要 光谱仪是精密机械和光学仪器中一个十分重要的组成部分，它同 时也是光谱学和光谱检测技术中最为基本的检测仪器。本课题根据实 验教学光谱检测的要求，在深入分析光谱仪的一般结构和原理的基础 上，研制了一种实用的c c d 和光电倍增管( p m t ) 相结合的多功能光 栅光谱仪。总体来说该项目的研究工作可以分成两个部分：第一部分 是硬件电路的设计和调试，第二部分是操作界面的编写。 第一部分：设计研发了用于光谱测量的光源系统，其主要内容为 氘灯和卤钨灯的稳压模块。介绍了一种基于单片机的线阵c c d 和光电 倍增管( p m t ) 高速数据采集与实时处理系统。其由单片机系统、高 速刖d 转换模块、d m a 控制电路和州存储器等构成。采用了d m a 块传输方式，利用a d l 6 7 4 高速加转换实现了数据的高速采集。 详细表述了系统的工作原理、硬件电路及其控制逻辑。同时完成了线 阵c c d ( t c d l 2 0 6 s u p ) 的驱动电路和前期信号处理电路( c c d 和 p m t ) 。 第二部分：用v b6 o 语言设计开发的光谱仪软件，主要内容包括： 光谱曲线的测量、数据保存、图片保存、波长修正、波长定标等功能。 该软件拥有良好的用户界面、完善的菜单、功能齐全，因此操作方便、 简捷。 光谱仪可以测量的光谱范围有2 种，c c d 的光谱检测范围为3 0 0 r i l 6 0 0 衄，光电倍被增管( p m t ) 的光谱检测范围为2 0 0 呦6 6 0 咖， l l p 疵s ，t 1 1 ef i r s tp 机i s c i r c u i td e s i g na n dt h ed e b u g g i n g ，a n dm es e c o n dp 砒 i sc o m p l i e dt h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e t h ef i r s tp a r t ：m el i 曲ts o u r c es y s t e mi sd e s i g i l e d ，w h i c hc a nb eu s e d t om e a s u r et 1 1 es p e c 仃a l ，a n dt h ev 0 1 t a g es t a b i l i z i n gc i r c u i t so fd e u t e d u m l 锄pa n d h a l o g e n 咖g s t e nl 锄pa r ev 吖i m p o r t 枷ah i 曲- s p e e d d a t a a c i i s i t i o na n d r e a l t i i i l ep r o c e s s i n gs y s t e mf o r l i n e a rc c da n dp m t b a s e d o ns i n g l ec h i pi si n t r o d u c e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fs i n g l ec h i pp i o c e s s o r ， h i g h s p e e da dc o n v e i r t e r d m ac o n t l o l l e dc i r c u i t ，r - 气j mm e m o 巧a n ds o o n w 油t 1 1 ew a yo fd m a b l o c km o v ea n da d o p t i n gh i 曲。s p e d d a d 16 7 4 j ni ti e a l i z e sh i g h s p e e dd a t aa c q u is i t i o n t h ep r i n c i p l e so fs y s t e m w o r k i n g ，h 2 u r d w a r ec i r c u i t ，l o g i co fc o n t r o l l i n ga r ed e s c r i b e d i nd e t a i l t h e d r i v ec i r c u i to fl i n e rc c d ( t c d 12 0 6 s u p ) i sf i n i s h e d ，m ed e s i g no fs i g n a l p r o c e s sc i r c u i t s ( c c d a n dp m t ) i i i t h es e c o n dp a r t ：a d o p t e dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，n e ws p e c 仃o m e t e r s o 胁a r ei sd e s i g n e di nl a n g u a g ev b6 o i tm a i n l yi n v o l v e ss p e c t n 吼c u e c 印t u r i n g ，d a t as a v i n g ，f i l e ss a v i n g ，w a v e l e n 曲c o r r e c t i n ga n dp a r a m e t e r s e t t i n g t h es o 胁a r ei n c l u d e s 衔e n d l yi n t e m c e ，向n c t i o n a l l yc o m p l e t e m e n u ，s oo p e r a t i n gv e 巧e x p e d i e n u ya n de a s i l y t h es p e c 臼o m e t e rh a st w o 虹n d so fm e a s u r e m e n tr a n g e ，t l l ec c d c 眦 m e a s u r et l l es p e c t r u mw a v e 岱d m3 0 0 啪6 0 0r u l l ，a n dt h ep h o t o m u l t i p l i e r ( p m t ) c a n m e a s u l l em es p e c t m mw a v e 仔o m2 0 0n 埘【 6 6 0n m c o n t | r o l l i n g as t e pm o t o r 廿l a tc o o p e r a t i n gw i t had e c e l e r a t i o ns y s t e m ，a n du s i n gt l l e c to p t i c a ls y s t e m ，i nt h e o r y ，m o v i n go o1 啪c a nc a t c has p e c t r a lp u l s e ， t h er e s o l u t i o nc a nr e a c ho 0 6n l l l k e y w o r d s ：g r a t i n g ，c c d ，p m t ，o p e r a t o ri n t e r f a c e ，s p e c t r o m e t e r i v 2 2 光谱测量系统原理7 2 2 1c z e m y - t l l n l e r 系统8 2 2 2 电机驱动9 2 3c c d 的工作原理及性能指标1 0 2 3 1c c d 的工作原理l o 2 3 2c c d 的性能指标1 2 2 4p m t 的工作原理及性能指标1 4 2 4 1p m t 的工作原理1 4 2 4 2p m t 的性能指标1 4 2 5 光谱分辨率分析1 6 第3 章光信号采集系统的设计1 7 3 1c c d 器件t c d l 2 0 6 s u p 的特性1 7 3 2t c d l 2 0 6 s u p 的基本结构1 8 3 3t c d l 2 0 6 s u p 的采集电路1 9 3 4c c d 驱动电路的实现方法2 0 v 浙江工业大学硕士学位论文 一一_ 一 3 5p m t 器件c r l l 4 的特性及结构2 4 3 5 1c r l1 4 的特性2 4 3 5 2c r l l 4 的结构2 5 3 6p m t 的采集电路2 6 第4 章a d 转换模块2 8 4 1a d 转换器件的主要参数2 8 4 2a d l 6 7 4 的概述2 8 4 3a d 转换电路的实现3 l 第5 章光谱仪灯源系统3 6 5 1 氘灯和卤钨灯工作原理3 6 5 1 1 氘灯工作原理3 6 5 1 2 卤钨灯工作原理3 6 5 2 氘灯和卤钨灯稳压电路3 7 5 2 1 氘灯稳压电路3 7 5 2 2 卤钨灯稳压电路3 8 第6 章数字信号传输与操作界面4 0 6 1 单片机a t 8 9 c 5 2 简介4 0 6 28 2 5 5 a 输入输出接口芯片简介4 1 6 3v b 6 0 简介及通信协议4 2 6 3 1v b 6 o 简介4 2 6 3 2 通信协议4 3 6 4 操作界面4 4 6 4 1p m t 操作界面“ 6 4 2c c d 操作界面5 2 第7 章总结与展望5 8 7 1 对本课题的总结5 8 7 2 本课题存在的不足和未来的研究方向- 5 8 参考文献6 0 附录l ：系统实物图照片6 4 附录2 ：单片机代码7 l 附录3 ： 致谢 攻读学 v i i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 光谱仪器是一种分析、测定光辐射的频率、强度特性以及其变化规律的仪器。 它利用光的色散原理、衍射原理或光学调制原理，使不同频率的光辐射按照一定 的规律分解开，形成光谱，同时配合一系列光学、精密机械、电子和计算机系统， 完成对光辐射的频率和强度进行精密测定和分析。光谱仪器具有测量精度高、范 围大和速度快等优点，因此广泛的应用于地质、冶金、环境保护等领域，也是军 事侦察和宇宙探索探测等不可或缺的仪裂1 1 。 在电子、激光、信息处理和计算机技术以及新型元器件的大力推动下，近几 十年来光谱仪器有了很大发展。特别是在应用了微处理技术以后，光谱仪器向着 高精度、高分辨率、多功能以及自动检测等方向发展。并且，光纤光谱仪、激光 光谱仪、调制光谱仪、光谱一色谱技术在很大程度上得到了发展，使该技术在广阔 的领域内具有广泛的发展和应用前景。 1 2 多功能光栅光谱仪发展简介 1 2 1c c d 发展简介 c c d ( c l l a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件是一种半导体器件，于1 9 6 9 年 由a t & t 实验室的波依尔( b o y l e ) 和史密斯( s m i t h ) 发明。单从功能上看，c c d 是一种电荷转移器件( c 1 d ，c i 脚g e t r a l l s 佗rd e v i c e ) 。c c d 器件上集成了一系列 电荷存储单元，可以通过控制外加电压来实现电荷的存储及电荷在相邻单元间的 转移，因此功能而被广泛的应用于内存，显示器，延迟单元等领域。在以后的几 年里，c c d 快速得到发展并趋于成熟。帧转移( f r a m et r a l l s f e r ) 方式的简单构造 c c d 于1 9 7 1 年由a t & t 实验室研发成功。同年还发表了关于电荷检测技术方面的 f d ( f l o a t i n gd i f 觚i o n ，浮置扩散) 电荷检测构造。同时目前广泛应用的行间转移 ( 1 1 1 t e r l i n et r a n s 矗暑r ) 方式的c c d 图像传感器在1 9 7 2 年发表。从1 9 8 2 年开始c c d 图像传感器产品进入实用化阶段。1 9 9 5 年数字照相机登场，开启了c c d 在静止图 像中的应用。在2 0 0 0 年发表了蜂窝式( h o n e y c o m b ) c c d ，它可提高静止图像的 分辨率，也是最适合连续扫描的像素构造，实现了崭新的突破。经过几十年的发 展和突破，c c d 目前已经在摄像扫描等领域占据相当重要的地位，其中线阵c c d 浙江工业大学硕士学位论文 在静态图像处理方面应用十分广泛1 2 j 1 2 2p m t 发展简介 光电倍增管( p h o t o m u l t i p l 衙t u b e 简称p m t ) 是一种具有极高灵敏度和超快 响应时间的光电探测器件。在各种感光元器件中，光电倍增管的性能十分优越， 因为其在灵敏度、噪声系数和动态范围上都优于其它的感光元件，特别值得说明 它输出的信号在相当大的波长范围内保持着良好的线性。上个世纪三十年代第一 只光电倍增管研制成功至今，作为一种非常有效的弱光探测器件已经经历了7 0 多 年的发展历程，鉴证了闪烁计数、光度测量、时间测量等发展阶段。而从上个世 纪七十年代到现在，光电倍增管在以下三个方面取得了显著的发展：一是基础工 艺、设施不断得到改进和完善；二是光电倍增管的各项性能指标不断提高；三是 满足特殊需求的光电倍增管在这一阶段运用而生。 1 2 3 光谱仪发展简介 光谱仪器是分析仪器的主干产品。它集光、机、电、计算机于一体，是技术 比较密集的高科技产品。光谱仪器是对物质的光谱重要特征进行精密分析的装置， 也是分析物质组成成分以及结构的强有力工具【3 】。 光栅发明已经很久，1 8 2 3 年，弗朗霍夫( j f r a l 瑚h o f e r ) 第一次刻划出玻璃投 射光栅。在1 8 8 2 年，罗兰( h a r o w l a n d ) 研制成功可刻划1 英寸的光栅刻划机， 可刻画凹面光栅。直到二十世纪四十年代，大量刻划机投入使用并且采用了复制 光栅技术，从此商用光栅光谱仪的制造和应用才得以很大程度的发展。近几年， 由于光栅刻划和复制技术的日臻完善，已经能够刻画出从近红外到真空紫外很宽 谱线范围的光栅，且高分辨率、高色散率、性价比高的光栅。同时全息光栅和中 阶梯光栅的发明，使得光栅光谱仪发展更快，应用更加广泛1 4 j 。 自1 8 5 9 年飚r c l l l l o f r & b u i l s e n 研制成功第一台结构完整的光谱仪器至今，光 谱仪的发展和应用也发展到了一个相当完善的程度。在上个世纪六十年代左右光 谱技术和光谱仪器的发展几乎已经停滞不前，由于其在原理、设计、应用等各方 面好像也已经满足了当时科技、产业的要求。同时从真空紫外到远红外都建立起 整套的光谱定性、定量的分析方法和完整的光谱谱线及图谱，并研发出了相应各 波段的光谱仪器。上个世纪下半叶由于在航空航天、遥感遥测、生物医学、环境 生态、军事科技等领域有了突破性发展以及计算机硬件、软件技术和产品的普及 2 浙江工业大学硕士学位论文 化，激光、光纤、固态探测器等发明和发展，对光谱仪提出了更高分辨能力、更 高灵敏度、更快分析速度、更小体积等要求，同时也为光谱仪的发展提供了理论 和物质基础【5 】o 到上个世纪后期，已经发展出基于光散射原理的激光光谱仪、干涉 调频调幅的傅里叶变换光谱仪、非线性光学原理的各种激光光谱仪【6 】。近几年来， 微光机电系统( m o e m s ) 理论与技术的发展和日益成熟，光谱仪的微型化研究发 展十分的迅速，目前已经报道了基于各种原理的微型化光谱仪：基于新型滤波技 术光谱仪、微加工光栅光谱仪、光纤光谱仪、可调谐f p 滤波光谱仪和基于调制 原理的微型光谱仪等。 我国于1 9 5 8 年制造了第一台光谱仪器。从此进入了快速发展时期，目前已经 研发了多种型号的摄谱仪、光量计、红外分光光度计、紫外可见分光光度计、激 光拉曼分光光度计、原子吸收分光光度计等设备，并且已经广泛运用于各种领域。 1 3 各种光谱仪的国内外发展现状 2 0 0 4 年，天津大学范世福，万峰等人研制成功了一种多通道凹面光栅紫外可 见分光光度计。光电接收元件是日本滨松公司生产的专门用于光谱测量的 s 3 9 2 4 1 0 2 4 q 型c c d 。采用平场凹面全息光栅作为色散元件，触摸屏作为输入设 备，内部集成光源，测量范围：2 0 0n m 一8 0 0m l r ，j 。 2 0 0 5 年6 月，由中国农业大学信息与电气工程学院承担的“十五”科技攻关课 题“专用近红外光谱仪的研制与开发”顺利通过了科技部专家组的中期检查。课题内 容包括对“近红外聚丙烯专用分析仪”、“短波近红外粮食食品应用分析仪”、“中 药专用近红外分析系统”、“液态中药样品在线近红外分析仪”等的研制及配套软件 开发。其中“连续波长液态中药样品近红外分析仪”和“短波段近红外粮食食品应用 分析仪”的实用样机已经研制完成，“聚丙烯专用分析仪样机也已进入加工阶段【8 】。 2 0 0 6 年，美国德克萨斯州立大学j s i n 等人利用硅微机械加工技术和组装工艺 实现了单片机集成m i c h e l s o n 扫描干涉微光学系统。在一片硅衬底上通过深层离子 刻蚀工艺将线性动镜平移台、分束器、反射镜和组装槽集成在一起【9 】。同年，瑞典 m i d s 、e d e nu m v e r s 蛔报道了利用f p 标准具陈列来实现多通道的微型光谱仪的 理论研究成果【l o l 。 2 0 0 8 年，微型光学行业的领军者，海洋光学研发了一组适用于户外及实验室 的模块化光学传感器j a z 。j a z 是一组堆叠式、模块化的自适应组件，享有共同的 3 浙江工业大学硕士学位论文 电路及通讯设备，可共同或独立工作。由于具有强劲的微处理系统和自带显示屏， 所以j a z 可以脱离计算机进行工作，从而便于用户的户外应用。j a z 具有交叉的c t 光学平台，线性的c c d 探测器及根据不同的配置可选择光栅和狭缝。符合r o h s 标准的扩展平台包含了u v - v i s 光源，可再充式l i “眦一1 0 n 电池以及多达8 个通 道的光谱仪模块，使得系统可以根据不断变化的应用需求而改变【1 1 】。 1 4 本课题的研究意义 光谱仪器是对物质的光谱重要特征进行精密分析的装置，也是分析物质组成 成分和结构的强有力工具【3 l 。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点。 近年来，各种光谱仪器已广泛应用于环境监测、科学实验、社会生产、化学分析、 生物医学和光电子功能材料等科研领域【m 1 6 1 。同时也是军事侦察、宇宙探索、资 源和水文探测等必不可少的遥感设备【1 7 1 9 1 。 光栅光谱仪是一种广泛应用的光学分析仪器f 2 0 1 。目前生产的各种光谱仪中主 要是以单通道和多通道接收光信号为主。单通道光谱仪就是使用步进电机驱动光 栅转动从而对波长进行扫描，用光电倍增管接收不同波长的光信号，从而获得波 长强度谱。多通道光谱仪就是经过光栅分光后直接由c c d 进行光信号接收，从而 获得波长强度谱。然而，在一台光谱仪中同时采用单通道( p m t ) 或多通道( c c d ) 接收光信号还没有得到充分的研究。由于单通道光谱仪结合了多通道接收器，从 而能够同时采集到分布在空间的多个信号，突破了单通道接收的局限，大大提高 了光谱监测的效率。同时结合c t 型光学系统，理论上最小输出一个脉冲光谱移 动0 0 1i l i n 就可采样一次，分辨率可以达到o 0 6n m 。 1 5 本课题的研究工作 在本课题中研究的方面主要有以下几点： l 、光路设计 分析光谱仪的光路结构和特点，采用c z e m y 1 、l r i l e r 分光结构。研究步进电机 带动闪耀光栅( 每毫米刻线24 0 0 条，闪耀波长2 5 0 姗，波长范围2 0 0n m “6 0i m ) 转动分光后如何使线阵c c d ( t c d l 2 0 6 s u p ) 光敏面与光谱成像面的光学匹配方 法和光电倍增管( p m t ，c r l l 4 ) 光敏面与光谱成像面的光学匹配方法。 2 、光源选择及电路设计 选择溴钨灯( 1 2v ，3 0w ) 和氘灯( n 1 2 6 ) 为该光谱仪的常用灯源。溴钨灯 4 浙江工业大学硕士学位论文 是可见一近红外波段的理想光源，可对物质的吸收光谱和荧光光谱进行分析。氘灯 产生连续光谱，波长范围为1 9 0 砌4 0 0 脚的紫外光。目的是为了能够很好的模 拟紫外到近红外的全光光谱。同时设计溴钨灯和氘灯的稳压电路使其正常工作。 3 、信号采集接口 研究总线接口方式u s b 的线阵c c d 和光电倍增管( p m t ) 输出信号的数据 采集方法；研究采集数据的计算机存储方式；研究数据的软件采集算法。由于系 统采用单片机( a t 8 9 c 5 2 ) 进行数字信号采集，串行数据信号输出，而u s b 接口 具有传输速率高、即插即用、总线供电、高性能和系统造价低等一系列优点【2 1 2 2 】。 单片机结合u s b 接口相对于结合采集卡，u s b 接口能够充分利用单片机的外围接 口，具有灵活的可扩展性，简便的连接方式等优势，即能够很好的满足c c d 采集 大量数据信号快速传输，又能够很好的满足光电倍增管( p m t ) 实时数据信号采 集传输的要求。 4 、信号处理 掌握线阵c c d ( t c d l 2 0 6 s u p ) 和光电倍增管( p m t ，c r l l 4 ) 的工作原理， 分析线阵c c d 和光电倍增管( p m t ) 的输出信号特性，根据此特性研究输出信号 的采集及量化方法。由c c d 和p m t 采集到的模拟信号经放大电路信号放大后， 由刖d ( a d l 6 7 4 ，1 2 位高速转换芯片) 转换电路进行信号的模数转换。c c d 接 收转换的信号暂时存在存储器中，而后再通过接口传送到计算机，而p m t 接收转 换的信号直接通过接口传送到计算机。示意图如图1 1 所示。 图1 1 信号处理示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i g n a lp i 0 c e s s i n g 5 、采集数据的计算机处理 根据数据存储方式，研究线阵c c d 和光电倍增管( p m t ) 的光强数据的可视 化软件编程算法和可视化操作界面，使用软件为s u a jb a s i c6 0 ；根据线阵c c d ( t c d l 2 0 6 s u p ) 和光电倍增管( p m t ，c r l l 4 ) 器件的光谱响应曲线特性，研究 线阵c c d 和光电倍增管( p m t ) 采集的光谱分布曲线的光强校正方法和光谱波长 5 浙江工业大学硕士学位论文 定标方法。 1 6 本论文的内容安排 本课题对要研究的多功能光栅光谱仪定性为：检测区间为紫外一可见光( 2 0 0 n m “6 0n m ) ，测量效果好，性价比高，结果稳定可靠。其全文结构安排如下： 第一章绪论，对光谱仪器的发展历程进行了简单介绍，包括分光元件和探测 元器件的介绍，并且着重介绍了各种光谱仪的国内外发展现状以及本课题的研究 工作。 第二章光谱仪测量系统基本原理，介绍了光谱仪参数及性能指标，光谱测量 系统原理，光谱仪最重要的衡量指标：光谱分辨率，并且分析了影响光谱分辨率 的可能因素，同时也介绍了c c d 和p m t 的工作原理及性能指标。 第三章光信号采集系统的设计，主要针对本课题所研究的光谱仪所采用的探 测器件c c d 和p m t 进行了较为全面的介绍，包括t c d l 2 0 6 s u p 的特性和基本结 构，c r l l 4 的特性和基本结构，以及它们的光信号采集电路。 第四章d 转换模块，主要介绍了d 转换器件的主要参数以及该课题所采 用的器件a d l 6 7 4 ，对其结构、性能、工作时序等做了介绍，重点介绍了a d 转换电路的实现。 第五章光谱仪灯源系统，该章首先对氘灯和卤钨灯做了简单的介绍，同时也 简要阐述了氘灯和卤钨灯的工作原理，最后重点介绍了氘灯和卤钨灯的稳压电路。 第六章数字信号传输与操作界面，详细介绍了三款芯片( a t 8 9 c 5 2 ，8 2 5 5 a ， p l 2 3 0 3 ) 的结构特点，工作时序和功能特点，简单介绍了可视化操作界面的编程 软件( v i s u a lb a s i c6 0 ) 以及与p l 2 3 0 3 芯片的通讯协议，重点介绍两个操作 界面( p m t 操作界面，c c d 操作界面) 组成和操作流程。 第七章总结与展望，主要写的是对本课题的总结以及对本课题存在的不足和 未来的研究方向进行了讨论。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章光谱仪测量系统原理 2 1 光谱仪参数及性能指标 焦距 波长检测区间 相对孔径 光栅 杂散光 分辨率 重量 光电倍增管接收： 波长范围 波长精度 波长重复性 移动间隔 5 0 0i i n 2 0 0 0 0m n 6 6 0 0 0n m d f = 1 7 每毫米刻线24 0 0 条闪耀波长2 5 0 o on m 波长范围2 0 0 0 0 姗“6 0 0 0i l l l l 5 1 0 - 3 优于o 0 6i h n 2 5k g 2 0 0 0 0 珈i l 6 6 0 o om n 士o 4 1 1 1 1 1 士0 2m n 1 0 0m 、o 5 0m 、o 1 0i l i i l 0 0 5m 、0 0 2 姗、0 0 1m c c d ( 电荷耦合器件) ： 接收单元 20 4 8 光谱响应范围 3 0 0 0 0n m “6 0 o o 啪 积分时间8 8 档 2 2 光谱测量系统原理 多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、扫描系统、接收单元、电子放大器件、d 转换单元和计算机等组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一 体。光学系统采用c t 型光路，原理图如图2 1 所示，实物如图2 2 所示。 入射狭缝s 1 、出射狭缝s 2 两个均为直狭缝，宽度范围从om m 2m m 连续可 调，出射狭缝s 3 是与c c d 接收器件等大小的狭缝。光源发出的光束进入入射狭 缝s l ，s 1 位于反射式准光镜m 2 的焦面上，通过s 1 入射的光束经m 2 反射成平 行光束投向平面光栅g 上，衍射后的平行光束经物镜m 3 成像在s 2 上或经物镜 m 3 和反射镜m 4 成像在s 3 上。 7 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 光学原理图 m 1 反射镜、m 2 准直镜、m 3 物镜、m 4 反射镜( 可转动) 、g 平面衍射光栅 s 1 入射狭缝、s 2 光电倍增管接收狭缝、s 3c c d 接收狭缝 f i g 2 1 p r i i l c i p l ed i a g r i u no f o p t i c s m 1r e f l e c t o r 、m 2c o l l i m a t i n gm i l l r o r 、m 3o b j e c t i v e 、m 4r e f l e c t o r 、gap l 锄ed i 仃h c t i 伽g r a t i n g s1e n 眦l c es l i t 、s 2p m tr e c e i v i n gs l i t 、s 3c c dr e c e i v i n gs l i t 貔范t 。，。r 忍匾涵幽幽缁幽幽绱幽豳幽幽幽谧磁幽幽锄滋泷荔蘸蕴觑? 一黝 图2 2 实际系统 f i g 2 - 2 p r l c t i c a js y s t e m 2 2 。1c z e r n y t u r n e r 系统 该光谱仪光路模式是由两块一样的小凹面反射镜构成，其分别作为准直镜和 成像物镜来代替一块大的凹面反射镜。两镜中间分开但曲率中心重合，这样可以 8 浙江工业大学硕士学位论文 避免像的二次衍射和多次衍射，同时由于反射镜尺寸变小这样就有利于加工、装 配和调节。图2 1 中m 2 、m 3 和g 构成c z e m y - t 硼1 e r 系统。结构原理如下，g 为 光栅，起色散作用，m 2 和m 3 为反射镜，起准直和成像作用。由狭缝s 1 处发出 的光经反射镜m 2 准直入射到光栅上，经光栅衍射后，不同波长的光由反射镜m 3 成像在狭缝s 2 或s 3 上。该系统适于构成单色仪【1 1 0 2 2 2 电机驱动 步进电机的转子为永磁体，当有电流流过定子绕组时，它会产生一个矢量磁 场，从而带动转子旋转一定的角度，保持转子与定子的磁场方向一致。可以这样 理解当定子的磁场旋转某个角度，转子也随着该磁场旋转一定角度。每输入一个 脉冲，电动机就转动一个角度，就表示前进一步。它改变的角位移与输入的脉冲 数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电顺序，电机就会反转。因此可 以控制脉冲数、频率及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的运转【2 3 2 4 1 。 l 、步进电机分类 感应式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机 等。以电机外径可分为：4 2 b y g ( b y g 为感应式步进电机代号) 、5 7 b y g 、8 6 b y g 、 1 1 0 b y g 、( 国际标准) ，而7 0 b y g 、9 0 b y g 、1 3 0 b y g 等均为国内标准。 2 、步进电机的指标 拍数：电机转过一个齿距角所需要的脉冲数。 相数：产生不同对n 、s 磁场的激励线圈对数。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转过的角位移，用口表示。其计算公式如 下：m 表示电机齿数，表示电机运行拍数。 9 ：竺二( 2 1 ) m n 3 、信号分配 二相步进电机工作方式有二相四拍和二相八拍两种，具体如下： 二相四拍为a b a b a b a b ，步距角为1 8 度； 二相八拍为a b b a b a a b b a b a a b ，步距角为0 9 度。 四相步进电机工作方式也有四相四拍和四相八拍两种，具体如下： 9 浙江工业大学硕士学位论文 四相四拍为a b b c c d d a a b ，步距角为1 8 度； 四相八拍为a b b b c c c d d d a a a b ，步距角为0 9 度。 本课题采用的步进电机型号为5 7 b y g 0 0 7 0 l ，具体参数如下：相数，4 ：电压， 1 2v ；电流，0 3 8a ；电阻，3 2q ；电感，3 0i l l h ：静转矩，o 3 5n m ；机身长， 4 l1 1 1 i i l ；出轴长，2 1i m n ；重量，o 4 5k g ；电机齿数，5 0 。采用四相八拍的工作方 式，因此步矩角为0 9 度，其与单片机的连接方式如图2 3 所示。 粥l p c 2 p c l p c n 5v i 一蓝5 7 b y g 0 0 7 - o l 兄 玛 _ 心 瓦y d l1 2 v l 绿l白i 红 图2 3 步进电机连接图 f i g 2 3d i 鹚：瑚no f s t e pm o t o r 2 3c c d 的工作原理及性能指标 2 3 1c c d 的工作原理 电荷藕合摄像器件( c c d ) 最为突出的特点是以电荷为信号的载体。它的基 本功能是电荷的存储以及电荷的转移。所以，其c c d 的基本工作过程主要为电荷 的产生、存储、转移和检测【2 j 【2 5 之们。 1 、电荷的产生 c c d 电荷的产生是由光电二极管内s i 衬底中的内光电效应产生的。s i 单晶材 料，在室温下价带与导带的电势差一般为1 1e v 。只有能量大于此电势差的光子才 能进行光电效应并产生电荷。其公式由2 2 表示： e = 加= 办二( 2 2 ) 元 通过计算可以知道能量大于1 1e v 禁带的光，波长大约在1 1 0 0 姗以下。因 此单晶s i 内能进行光电转换的光，其最大波长只能约为l1 0 0 姗。 2 、电荷的存储 c c d 的基本单元是m o s ( 金属氧化物半导体) 结构。如图2 4 ( a ) 所示，栅 极g 在施加电压之前p 型半导体中多数载流子( 空穴) 的分布是均匀的，施加正 1 0 掘m弛呸鸪峨鸪搓 7 4 l s 2 4 4 n 石4以匕以匕以_w l l，l，1l，l，f 浙江工业大学硕士学位论文 电压魄( 为p 型半导体的阈值电压) 后，p 型半导体中的空穴开始被排 斥，并产生如图2 4 ( b ) 所示的耗尽区。电压不断增加，耗尽区将不断向半导体内延 伸，如图2 - 4 ( c ) 所示。此时，电子一旦进入就不能逃逸，达到电荷存储的目的。 氧化层 金属栅极 p 型半导体 ( a ) 耗尽区 ( b ) 耗尽区 ( c ) 图2 _ 4 耗尽区原理图 f i g 2 _ 4 t h ep 血c i p l ed i a g r 锄o fr e g i o n 3 、电荷的转移 观察如图2 5 所示的四个彼此靠得很近的电极并在其上加不同电压，看看势阱 与电荷的运动规律，从而加深理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一 个位置。将一定变化规律的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷就能沿半导体 表面按特定方向移动。一般c c d 的电极分为几组，每一组称为一相，每一相加载 的驱动脉冲一样。而c c d 工作所需的相数由其内部结构决定。 ，v，nv2v2v2v】0y 2 一1 0v 2 v2 vl oy，ov2 v 1 三乎磊1 三蠢阿飞三三三f 一 亡= j 存有电荷的势阱亡= ：i 新势阱e 二= = 二j ( a )( b )( c ) 图2 5电荷的转移过程 f i g 2 5c h 鹕e 仃a n s f e rp r o c e s s 浙江工业大学硕士学位论文 4 、电荷的检测 如何有效地收集和检测电荷是c c d 的一个重要指标。目前c c d 输出电荷信 号的方式主要是电流输出方式的电路。它由检测二极管、二极管的偏置电阻r 、源 极输出放大器和复位场效应管v r 等单元构成。示意图如图2 6 所示。信号电荷在 驱动脉冲c r l 、c l 毪的作用下向右转移到最后一个电极下的势阱中，然后进行输 出检测。 图2 叫6 电荷检测电路 f i g 2 6c h 卿驴d e t e c t i n gc 沁u i t 2 3 2c c d 的性能指标 c c d 的基本特性参数主要有光电转换特性、光谱响应、动态范围、暗电流和 分辨率等【2 】【2 5 2 6 】。 1 、光电转换特性 存储在c c d 像敏单元中的信号电荷是由入射光子被s i 衬底材料吸收，同时转 化成少数载流子形成的，因此，它具有很好的光电转换特性。其光电转换因子丫 可以达到9 9 7 以上。此外由公式( 2 3 ) 可以看出c c d 的光电转换特性是线性的。 q 。= f c 掣 ( 2 3 ) 力1 ， 式中，q 。为注入到势阱中的信号电荷，吐x 为入射光辐射通量，f c 为积分时间，瑁 为光电转换效率，材料确定后它便是常数； 为普朗克常数；g 为电荷量，也是常 数；v 为入射光子频率，对于特定单色光v 亦为常数。 2 、光谱响应 】2 浙江工业大学硕士学位论文 光谱响应特性反应c c d 器件对各种单色光的响应能力，一般把响应度最大的 波长称为峰值波长，而把响应度为峰值波长一半所对应的波长范围称为光谱响应 范围。通常光谱感光特性由光电二极管表面的反射与硅的光吸收特性所决定。c c d 光照的方式可分为正面光照与背面光照。一般而言c c d 背面照射的光谱灵敏度要 比正面光照的高，因为正面分布着很多电极，电极的反射和散射会消弱光谱灵敏 度。就是用透明的多晶硅电极，电极的吸收以及光在s i s i 0 2 界面上多次反射引起 的干涉现象会出现若干个明暗条纹，这样光谱响应曲线就会出现若干个峰与谷， 即发生起伏。因此常用背面照射的方法。 3 、动态范围 c c d 图像传感器的动态范围定义为饱和信号量( 像敏单元势阱中可存储的最 大电荷量) 与噪声之比。下面将介绍像敏单元势阱中可存储的最大电荷量与噪声 等效信号电荷量。 ( 1 ) 、势阱中可存储的最大信号电荷量 c c d 可容纳的最大信号电荷量由器件的电极面积、器件结构( 表面沟道s c c d 或体沟道b c c d ) 、时钟驱动方式以及驱动脉冲电压幅度等因素来决定。 ( 2 ) 、噪声 c c d 器件一般有以下几种噪声源：电荷注入时因电荷量的起伏而引起的噪 声；电荷转移时电荷量的变化而引起的噪声；电荷检测时复位检测二极管而 引起的检测噪声。这样就有光子噪声、电流噪声、复位噪声、俘获噪声、输出噪 声之分。 4 、暗电流 暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，同时也是判断一个摄像器件好坏的 重要标准之一。c c d 在低温工作时，它的暗电流是很低的，因为暗电流的产生是 由热生电荷所引起的。c c d 器件处在室温时，由于热激发而产生的少数载流子使 系统趋向平衡。因此，即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入，也会存 在不希望看到的暗电流。引起暗电流的主要因素有以下3 点：耗尽的s i 衬底中 电子自价带至导带的本征跃迁；少数载流子在中性体内的扩散：硅一二氧化硅 界面引起的暗电流。 一般而言温度越高，热激发产生的电荷载流子就越多，暗电流也就越大。据 报道，温度每降低1 0 ，暗电流可降低一半。 浙江工业大学硕士学位论文 5 、分辨率 分辨率是c c d 图像传感器的重要特性，常用调制模传递函数m t f 来评价。 通常来说像敏单元位数越多的器件就具有更高的分辨率。在测量物体尺寸时，通 常采用高位数的线阵c c d 器件从而获得更高的测量精度。另外，当采用机械扫描 装置时，用线阵c c d 器件同样可以得到二维图像视频信号，而其二维信号的分辨 率取决于扫描速度与c c d 像敏单元的高度等因素。 2 4p m t 的工作原理及性能指标 2 4 1p m t 的工作原理 光电倍增管( p m t ) 是在二次电子发射、光电子发射效应和电子光学理论的 基础上建立起来的，把微弱的光信号转换成光电子并获得倍增的真空光电发射器 件 2 7 】。光电倍增管( p m t ) 的工作原理如图2 7 所示，图中k 可根据实际需求采 用不同的光电发射材料。阴极与聚焦极一起形成电子光学聚焦系统，将阴极发射 的电子汇聚成束并通过膜孔到达阳极。第一倍增极在阳极高速电子的撞击下激发 出若干二次电子，在电场的作用下这些二次电子撞击第二倍增极，这样更多的二 次电子被激发，这个过程一直持续到最后一级。最后，经过倍增的光电子被阳极 收集并输出光电流，在负载r 上产生信号电压【2 钔。 图2 7 光电倍增管工作原理图 e v 入射光、k 阴极、d 聚焦极、d 1 d 1 0 倍增极、a 阳极、r 负载、踟输出电压 f i g 2 - 7 t l l ew o r k 埘n c i p l eo f p m t e vi n c i d e n tl i g h t 、kc a t h o d e 、df o c u s i n ge l e c t r o d e 、d l - d l od y n o d e 、aa n o d e 只1 0 a d 、踟o u t p u tv 0 1 t a g e 2 4 2p m t 的性能指标 光电倍增管的参数和特性是区分管子质量好坏的基本依据。光电倍增管的参 数和特性可分为：基本参数、应用参数及运行特性，其中基本参数是光电倍增管 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 质量好坏的最本质反映，这些参数与管子的工作机理、材料性质、结构特征和制 造工艺等因素相关，如阴极光照灵敏度、量子效率、暗电流、电流放大倍数( 增 益) 、阳极灵敏度以及光谱响应等2 7 】【2 9 1 。 1 、阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度通常是光阴极产生的光电流与投射到它上面的光通量之比。 习惯上把阴极光照灵敏度称为阴极白光灵敏度，或阴极积分灵敏度，简称阴极灵 敏度。 2 、量子效率 量子效率定义为特定波长下，平均每个入射光子使光阴极激发的光电子数。 量子效率常用百分数表示，量子效率叩可以根据阴极辐射灵敏度s 算得，公式如 2 4 所示： 珂：里盟 ( 2 - 4 ) 。 a 3