線陣CCD光譜儀設(shè)計(jì)及其光譜數(shù)據(jù)處理方法研究

1、分類號(hào)：中圖分類號(hào)：tp317.4 密級(jí)： 學(xué)科分類號(hào)：510.4050天津理工大學(xué)研究生學(xué)位論文 線陣ccd光譜儀設(shè)計(jì)及其光譜數(shù)據(jù)處理方法研究（申請(qǐng)碩士學(xué)位）學(xué)科專業(yè)：信號(hào)與信息處理研究方向：光電圖像處理作者姓名：程 海 林指導(dǎo)教師：孫 杰 教授2011年12月thesis submitted to tianjin university of technology for the masters degree research on the design of linear ccd spectrometer and the spectral data processing methodbyc

2、heng hailinsupervisorsun jienovember 2011獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 天津理工大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解 天津理工大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 天津理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行

3、檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編，以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)本和電子文件。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日摘要隨著光譜測(cè)量?jī)x器技術(shù)的發(fā)展，光譜測(cè)量已廣泛運(yùn)用于科學(xué)技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域，是物質(zhì)成分和特性分析的重要手段。傳統(tǒng)的光譜儀器不能進(jìn)行多個(gè)波長(zhǎng)光的同時(shí)檢測(cè)，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不能適應(yīng)野外作業(yè)和實(shí)時(shí)測(cè)試要求，因此研究一種微型化的便攜快速光譜儀器是當(dāng)今光譜儀器應(yīng)用研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)?，F(xiàn)代光譜測(cè)量技術(shù)能夠通過(guò)光譜分布測(cè)量物質(zhì)的成分和含量，其基本原理是運(yùn)用了物質(zhì)對(duì)光的吸收或

4、發(fā)射特性。本項(xiàng)目研究的現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器主要特征在于光譜測(cè)量?jī)x中使用了線陣ccd和光纖。儀器使用了y型光纖作為導(dǎo)光媒介，平面衍射光柵作為色散元件，線陣ccd作為光電轉(zhuǎn)換器件，以及數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)線陣ccd與上位機(jī)的通信。本文給出了針對(duì)光譜測(cè)量特定的數(shù)據(jù)采集與處理軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，編寫的人機(jī)交互界面具有數(shù)據(jù)采集、光譜歸一化動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存、光譜圖像保存、顯示任意波長(zhǎng)光強(qiáng)等功能，便于對(duì)光譜曲線的觀察與分析。運(yùn)用窗函數(shù)法、小波閾值法、中值濾波法以及組合濾波器法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪處理，并對(duì)各種降噪效果進(jìn)行了比較和分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本文提出的組合濾波器法的降噪效果最佳，能去除大部

5、分噪聲。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文給出的光譜測(cè)量軟硬件系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量目的，本光纖光譜儀可行、實(shí)用、可靠，可以達(dá)到區(qū)分物質(zhì)成分的目的。本儀器具有測(cè)量?jī)x易操作、成本低廉的特點(diǎn)，可對(duì)珠寶石材種類進(jìn)行快速鑒別，可成為珠寶檢測(cè)領(lǐng)域的專業(yè)檢測(cè)儀器，應(yīng)用前景非常廣闊。關(guān)鍵詞：線陣ccd 光譜儀 光纖 組合濾波器 降噪abstractwith the development of spectral measurement technolgy, the spectrometer has been widely used in many fields of science and technology; it

6、 is the key method to analysis the compnent and feature of material. the traditional spectral instrument cannot measure the light intensity of different wavelength simultaneously, also the structure of the old one is complex, large in volume, cannot work in the field and finish the work in real time

7、. so, the research.of small size and easy carry spectral instrument is the key and hot point nowadays.the modern spectral analysis technique can be used to measure the material composition and ingredient by detecting the distribution of the spectrum. the principle of this measurement is the light ab

8、sorption and emission of the material. the main feature of the modern measurement device is the construction of the spectrometer with linear array ccd and optical fiber. the y shape optical fiber beam is used as light guider, the plane diffraction grating as dispersion components, ccd as photoelectr

9、ic conversion, and data acquisition card as data transformation set to realize the communication between the linear ccd and pc.the application software is developed according to the process of data capture and data processing for spectrum detection. this software interface has the function of data a

10、cquisition, normalized spectral dynamic display, parameter setting, data storage, the preservation of spectral image, and the light intensity show at any point and so on. it is convenient for spectrum curve observation and analysis.the collected spectral data has been respectively processed by windo

11、w function method, wavelet threshold value method, median filtering method and the wavelet threshold-median filtering method for noise reduce. the filtering effect of different method is compared and analyzed. the experimental results show that the method given in this thesis has the best signal-to-

12、noise ratio, can remove most noise.through the experiment, the hardware and software system presented in this thesis can realize the spectrum measurement purposes well. this small fiber spectrometer is feasible, practical, reliable, and can achieve the aim to distinguish the material composition. th

13、is instrument has feature of easy operation and low cost. it can quickly identify the jewelry and stone. it can be widely used as the professional jewelry test instrument, and its application prospect are very wide.key words: linear ccd, spectrometer, optical fiber, combind filter, de-noise目 錄第一章 緒論

14、.11.1 光譜儀發(fā)展簡(jiǎn)介11.2 國(guó)內(nèi)外光譜測(cè)量技術(shù)介紹11.3 ccd光譜測(cè)量理論基礎(chǔ)31.4 本課題研究工作41.5本論文的內(nèi)容安排5第二章 光譜學(xué)基礎(chǔ)與光譜分析原理.62.1 光的波粒二象性62.1.1 光的衍射62.1.2 光的散色72.2 電磁輻射和光學(xué)光譜72.3 光與物質(zhì)的相互作用82.4 光譜分析原理92.4.1發(fā)射光譜分析92.4.2吸收光譜分析9第三章 線陣ccd工作原理.113.1 ccd的基本概念和特點(diǎn)113.2 ccd器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理113.2.1 光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)123.2.2 電荷轉(zhuǎn)移133.2.3 電荷讀出133.3 ccd器件的性能參數(shù)13第四章 線陣

15、ccd光纖光譜儀設(shè)計(jì).154.1 總體方案設(shè)計(jì)154.2 光纖光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)164.2.1 光源164.2.2 光纖束174.2.3 狹縫184.2.4 雙凸透鏡184.2.5 凹面反射鏡194.2.6 色散光柵204.3 線陣ccd數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)234.3.1線陣ccd技術(shù)指標(biāo)234.3.2線陣ccd驅(qū)動(dòng)方法和電路244.3.3線陣ccd數(shù)據(jù)采集軟硬件接口25第五章 光譜測(cè)量軟件設(shè)計(jì).285.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)285.2 光纖光譜儀應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)流程285.3 軟件功能介紹295.4 光譜軟件測(cè)量實(shí)驗(yàn)345.4.1實(shí)驗(yàn)步驟355.4.2測(cè)量結(jié)果35第六章 光譜數(shù)據(jù)處理.366.1 光譜噪聲分析

16、366.2 窗函數(shù)介紹366.2.1漢寧窗函數(shù)366.2.2海明窗函數(shù)376.2.3切比雪夫窗函數(shù)376.3 窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理396.3.1窗函數(shù)法濾波器設(shè)計(jì)396.3.2窗函數(shù)法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)降噪處理416.4 小波閾值法416.4.1小波變換理論426.4.2小波閾值法的降噪原理436.5 中值濾波法446.5.1中值濾波器的概念446.5.2中值濾波的性質(zhì)456.5.3中值濾波器的特點(diǎn)456.6 組合濾波器法456.7 數(shù)據(jù)處理與分析466.7.1模擬信號(hào)466.7.2降噪分析476.8 光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的噪聲處理496.9 總結(jié)50第七章 結(jié)論與展望51參考文獻(xiàn)53發(fā)表論文和科研

17、情況說(shuō)明56致 謝57- 57-第一章 緒論第一章 緒論1.1 光譜儀發(fā)展簡(jiǎn)介自1859年首臺(tái)光譜儀測(cè)量?jī)x器被研制出來(lái)，因其具有較好的實(shí)用價(jià)值，光譜技術(shù)和儀器得到普遍認(rèn)同和快速發(fā)展1。光譜分析是指通過(guò)分析光譜的特性達(dá)到分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征或含量的方法。包括對(duì)物質(zhì)吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光光譜分析等，對(duì)于不同波長(zhǎng)段，如：可見(jiàn)、紅外、紫外、x射線光譜分析等都包括在內(nèi)。通過(guò)對(duì)獲得的光譜數(shù)據(jù)的分析，對(duì)物質(zhì)中元素的組成和原子內(nèi)部的能級(jí)結(jié)構(gòu)分析研究增添了實(shí)驗(yàn)證明手段。目前市面上的光譜儀器的開(kāi)發(fā)主要是基于多光束干涉、多縫衍射、物質(zhì)色散這三種原理自英國(guó)物理學(xué)家牛頓于1666年通過(guò)使用棱鏡將太陽(yáng)光分解成七色光開(kāi)始，如

18、今已經(jīng)過(guò)幾百年的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，光譜儀器在科學(xué)技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域的作用也逐漸凸現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也帶來(lái)顯著的社會(huì)效益。縱觀光譜儀的發(fā)展歷程，可將其分成以下四個(gè)階段 2：第一，在16661859年間光譜儀器初步形成；第二，在18591928年期間光譜儀器開(kāi)始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，作為實(shí)驗(yàn)室研究工具；第三，在19281944年期間光譜儀器得到快速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用；第四，得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，在1944年以后光譜儀器已朝著光電化、自動(dòng)化的新階段發(fā)展。光譜儀的發(fā)展是離不開(kāi)電子技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的，可以說(shuō)，二者的發(fā)展是同步的。為了滿足社會(huì)需求，光譜儀正朝著智能化、微型化、質(zhì)量輕、成本低廉、高性能

19、的方向快速發(fā)展。在光譜信號(hào)的測(cè)量分析上，也由靜態(tài)轉(zhuǎn)變到動(dòng)態(tài)；光譜儀正處在不斷改進(jìn)當(dāng)中，儀器操作也越來(lái)越簡(jiǎn)便。如今光譜儀器的發(fā)展，為現(xiàn)代天文學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了有力的工具3。目前，市面上銷售的實(shí)驗(yàn)室光譜儀精度高，但其體積較大、價(jià)格昂貴、使用不便等不足。因此，各國(guó)已經(jīng)把研究微型化的光譜儀作為研究的重點(diǎn)，這就是目前光譜儀器發(fā)展的趨勢(shì)4-6。隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，將光纖應(yīng)用于光譜儀中，便于光譜信號(hào)的傳導(dǎo)和抗干擾能力，光經(jīng)由光纖傳輸，最終把光信號(hào)傳輸至光譜儀內(nèi)，就構(gòu)成了光纖光譜儀。1.2 國(guó)內(nèi)外光譜測(cè)量技術(shù)介紹19世紀(jì)中葉，世界上第一臺(tái)光譜儀問(wèn)世，至今，光譜儀器得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展7。目

20、前國(guó)內(nèi)外有很多研究單位和機(jī)構(gòu)都在加大對(duì)微型光譜儀研制的投入，其中微小型光譜儀工作模式也存在不同，主要包括以下幾類：第一類，微型光譜儀具有較為新型的濾光技術(shù) 8，第二類微型光譜儀是基于調(diào)制原理形成的 9；第三類是指二元光學(xué)微型光譜技術(shù)的光譜儀10；第四類是指在集成光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)上有突破的微型光譜儀11；第五類是指運(yùn)用光柵作為分光器件的微型光柵光譜儀。從國(guó)外來(lái)看，主要由荷蘭代爾夫特理工、美國(guó)斯坦福大學(xué)集成系統(tǒng)中心、美國(guó)東北大學(xué)、英國(guó)university of stirling、美國(guó)ocean optic公司等，其中美國(guó)的ocean optics就開(kāi)發(fā)出一款微小型光纖光譜儀12。圖1-1顯示的是美國(guó)o

21、cean optic公司的型號(hào)為hr2000的高分辨率微小型光譜儀。圖1-1 hr2000型高分辨率微小型光譜儀圖1-2 m2500型直讀光譜儀圖1-2是英國(guó)阿朗公司m2500型直讀光譜儀，具有多基體分析能力，可以分析鐵基，鎳基，鋁基，銅基，鋅基，鈦基，鎂基，鈷基，鋯基等九種基體材料中的各種合金成分。圖1-3 紫外及可見(jiàn)光微型光纖光譜儀圖1-3是美國(guó)萊特太平洋公司stellarnet blackwave系列紫外及可見(jiàn)光微型光纖光譜儀，可以探測(cè)紫外及可見(jiàn)光的光譜。在國(guó)內(nèi)，重慶大學(xué)研制的微型光譜儀已在批量生產(chǎn)、銷售之中。圖1-4是重慶大學(xué)微系統(tǒng)中心研制的型號(hào)為ms-ii的微小型光纖光譜儀。其他研究

22、機(jī)構(gòu)還包括臺(tái)灣工研院、石油化工科學(xué)研究院等。圖1-4 ms-ii微小型光纖光譜儀1.3 ccd光譜測(cè)量理論基礎(chǔ)如圖1-5是線陣ccd光譜測(cè)量原理圖，其基本的工作原理為：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，將發(fā)散光轉(zhuǎn)變成平行光照射在平面衍射光柵上進(jìn)行色散，色散光再經(jīng)過(guò)聚光透鏡成像在線陣ccd光電轉(zhuǎn)換器的接受面上，線陣ccd將接收到的光信號(hào)變成與光強(qiáng)成比例的模擬電信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換。模擬電信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的采集與傳輸，最終以視頻信號(hào)呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上。圖1-5 ccd光譜測(cè)量原理從ccd電路部分按序列輸出的離散電壓信號(hào)與ccd的感光區(qū)相應(yīng)的感光元接收的光強(qiáng)大小相對(duì)應(yīng)，且信號(hào)輸出的

23、時(shí)序位置都與ccd感光元的位置相對(duì)應(yīng)。ccd能夠?qū)崿F(xiàn)信息由空間域轉(zhuǎn)變到時(shí)間域，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)ccd自掃描的獨(dú)特方式來(lái)自動(dòng)完成的。但是，從ccd輸出的電信號(hào)是模擬的，因此，為了信號(hào)在電路中較好的傳輸，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換13，然后再將數(shù)字信號(hào)放置數(shù)據(jù)采集卡上存儲(chǔ)及傳輸，計(jì)算機(jī)便可通過(guò)讀方式獲得采集卡上的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。在光譜測(cè)量中，將ccd的每一個(gè)感光元稱為“道”，即一個(gè)像素，ccd不同，其像素?cái)?shù)也可能不同，像素越多，分辨率就越高。光柵產(chǎn)生衍射時(shí)，若衍射角變化很小，則波長(zhǎng)與衍射角幾乎成線性關(guān)系。線陣ccd構(gòu)成的光譜儀具有數(shù)據(jù)采集速度快、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、使用便利等特點(diǎn)，適于野外作業(yè)，拓展了光譜測(cè)量?jī)x

24、的應(yīng)用范圍。1.4 本課題研究工作在本論文中作者主要進(jìn)行了三方面的研究工作：1）ccd光譜采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了能夠獲得較為完備，受外部干擾較小的光譜圖，必須合理地設(shè)計(jì)光譜儀光路并選擇適當(dāng)?shù)脑骷？紤]到光譜測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)和重量等方面約束，分光器件選用光柵。光柵的作用非常之關(guān)鍵，衡量分光效果的角色散和線色散參數(shù)是光柵特性的重要指標(biāo)，這將直接影響光譜儀的性能，光柵的色散愈大，就愈容易分開(kāi)兩條靠近的譜線；其次是線陣ccd的選擇，用于測(cè)量光譜的線陣ccd不但要求其分辨率要高，而且要有較好的光譜響應(yīng)，大的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)噪聲的抑制要強(qiáng)，以便于提高光譜儀的測(cè)量精度。與傳統(tǒng)光譜儀比較，微小型光譜儀在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大

25、改動(dòng)142）光譜測(cè)量軟件開(kāi)發(fā)由于現(xiàn)有的光譜測(cè)試軟件只能進(jìn)行光譜信號(hào)的直接顯示，沒(méi)有預(yù)處理，如：歸一化操作等，所以現(xiàn)有的光譜測(cè)量不能對(duì)被測(cè)樣品光譜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，因此本文給出在測(cè)量數(shù)據(jù)之后的預(yù)處理，極大地提高了光譜儀的數(shù)據(jù)顯示性能，便于觀測(cè)者對(duì)樣品光譜進(jìn)行分析。3）光譜數(shù)據(jù)的噪聲處理在光譜測(cè)量過(guò)程中，樣品、光源和光路等都會(huì)引入各種噪聲。為準(zhǔn)確獲得光譜數(shù)據(jù)，降低噪聲是十分有必要的。如果不能有效的降低噪聲干擾,將不能準(zhǔn)確觀察光譜中的重要信息，因此，本文在分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)中噪聲特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,使用多種數(shù)據(jù)處理方法（如窗函數(shù)分析法、滑動(dòng)平均濾波法、小波分析，中值濾波等）進(jìn)行了噪聲消除實(shí)驗(yàn),通過(guò)比較不同方

26、法的降噪效果，給出一種優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理方法。1.5本論文的內(nèi)容安排本文共分為七章，其內(nèi)容簡(jiǎn)要如下：第一章為緒論部分，介紹了光譜儀發(fā)展史以及目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)光譜儀測(cè)量原理作了簡(jiǎn)要分析。第二章為光譜學(xué)基礎(chǔ)與光譜分析原理，主要介紹了光的波粒二象性、電磁輻射和光學(xué)光譜、光與物質(zhì)的相互作用，并介紹了光譜分析方法。第三章為線陣ccd的工作原理，包括：ccd的基本概念和特點(diǎn)、ccd器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理、ccd器件的性能參數(shù)三方面，該闡述為后續(xù)如何選擇ccd提供了理論基礎(chǔ)。第四章為線陣ccd光纖光譜儀設(shè)計(jì)，提出光纖光譜儀設(shè)計(jì)方案，主要分光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，文章對(duì)光學(xué)結(jié)構(gòu)中各元器件的選擇及性

27、能做了詳盡的敘述，對(duì)線陣ccd的工作原理以及數(shù)據(jù)采集軟硬件接口作了詳細(xì)介紹。第五章為光譜軟件設(shè)計(jì)，該軟件是基于vc+平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一款人機(jī)互動(dòng)界面，用于顯示光譜曲線，便于對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和觀察。第六章為光譜數(shù)據(jù)的噪聲處理，文章采用了四種較為常用的降噪方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪處理，通過(guò)對(duì)比各種降噪方法，提出了新的降噪方法，即組合濾波器法，該方法具有較好的降噪效果。第七章為結(jié)論與展望部分，總結(jié)了本文工作內(nèi)容的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)后續(xù)要做的工作提出了展望。第二章 光譜學(xué)基礎(chǔ)與光譜分析原理第二章 光譜學(xué)基礎(chǔ)與光譜分析原理2.1 光的波粒二象性古代人類對(duì)于光現(xiàn)象的認(rèn)知就已經(jīng)積累了很多的知識(shí)。到17世紀(jì)，關(guān)于光的本

28、性問(wèn)題，就形成了以牛頓為代表的微粒學(xué)說(shuō)和以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)這兩種不同的學(xué)說(shuō)。光作為一種電磁波，因此它具有電磁波所固有的波粒二象性15。微粒說(shuō)認(rèn)為，光是由發(fā)光體發(fā)出的光粒子（微粒）流所組成的，紅光的感覺(jué)是由最大的微粒在到達(dá)人眼時(shí)引起的，而紫光的感覺(jué)是由最小的微粒到達(dá)人眼時(shí)引起的。微粒說(shuō)能很好地解釋光的直進(jìn)、反射和折射等現(xiàn)象。但對(duì)于折射現(xiàn)象，微粒說(shuō)在解釋這一現(xiàn)象時(shí)，需要假設(shè)光在水中的光速大于在空氣中的光速。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光從光疏媒質(zhì)進(jìn)入到光密媒質(zhì)時(shí)，光線是折向法線方向的。19世紀(jì)人們發(fā)現(xiàn)光具有干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了波動(dòng)學(xué)說(shuō)。波動(dòng)學(xué)說(shuō)認(rèn)為光是一種波動(dòng)，是由機(jī)械振動(dòng)的傳播而引起的一種波

29、動(dòng)，可以很好地解釋所觀測(cè)到的光學(xué)現(xiàn)象，然而微粒說(shuō)卻不能。至1850年，佛科通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功地測(cè)出了光在水中的傳播速度，即，從而有力的支持了波動(dòng)說(shuō)。對(duì)于波動(dòng)說(shuō)，有一個(gè)問(wèn)題尚無(wú)法解決，即不能確定傳播光波的媒介。按照力學(xué)理論，機(jī)械波是由彈性媒介中的機(jī)械振動(dòng)的傳播形成的，而且理論證明，橫波在固體媒介中的傳播速度為 (2-1)式中: 為媒質(zhì)中的切變彈性模量；是媒質(zhì)的密度。19世紀(jì)60年代，英國(guó)人麥克斯韋（j.c.maxwell）在總結(jié)前人和自己的研究成果基礎(chǔ)上提出了電磁場(chǎng)理論，并總結(jié)出一組稱為麥克斯韋方程組的電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程。電磁場(chǎng)理論認(rèn)為，光是一定頻率范圍的電磁波。20世紀(jì)開(kāi)始，在普朗克、波爾、德布羅意、薛

30、定諤等學(xué)者的努力下，建立了量子力學(xué)理論16，成為了光譜學(xué)的的強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。2.1.1 光的衍射當(dāng)光孔線度明顯大于波長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)有明顯的衍射效應(yīng),可認(rèn)為直線傳播。當(dāng)光孔逐漸縮小時(shí)，衍射效應(yīng)將慢慢變的明顯，在衍射圖譜上會(huì)呈現(xiàn)明暗分布的條紋。當(dāng)光孔線度的尺寸與光波長(zhǎng)相近時(shí),此時(shí)會(huì)出現(xiàn)最佳的衍射效應(yīng)。光的波長(zhǎng)通常在微米量級(jí)，當(dāng)光射向一個(gè)針孔或一條狹縫時(shí)，物體的尺度和光的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，可以清楚地觀察到光的衍射現(xiàn)象。當(dāng)用單色光照射時(shí)，衍射效果明顯且容易觀察，如果用復(fù)色光，則看到的是彩色的衍射圖案。衍射現(xiàn)象有如下兩個(gè)特點(diǎn)：當(dāng)光束在某個(gè)方向受到阻礙時(shí)，則衍射強(qiáng)度將會(huì)沿著這個(gè)方向擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。若光孔線度越小,則光的

31、衍射范圍越加寬泛。理論上已經(jīng)證明了光孔橫向線度 與衍射發(fā)散角 之間是反比關(guān)系： （2-2）2.1.2 光的散色光的色散是指將復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象。通常我們都是利用三棱鏡或光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)色散的。由于棱鏡對(duì)各種頻率的光具有不同的折射率，各種色光按照不同的方向進(jìn)行折射的，因而光從棱鏡出射時(shí)就各自分散開(kāi)來(lái)，顏色按照一定順序排列形成光譜。2.2 電磁輻射和光學(xué)光譜人們可以看見(jiàn)各種不同的顏色的光，如紅光、藍(lán)光和白光等，我們把能夠被人們看得見(jiàn)感覺(jué)得到的光稱為“可見(jiàn)光”。此外，還存在人眼不能感知的光，例如：紅外線、紫外線、x射線、射線、微波及無(wú)線電波等。電磁輻射是物質(zhì)內(nèi)部分子或原子激烈運(yùn)動(dòng)的外在表現(xiàn)

32、形式，是能量的輻射形式。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)認(rèn)為電磁輻射是一種波。遵循maxwell波動(dòng)方程式?？梢越柚ㄩL(zhǎng)、速度和頻率等參數(shù)來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)形式。在電磁波傳播方向上，同一瞬間兩相鄰相位相同點(diǎn)間的距離叫波長(zhǎng)，用表示；在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一固定點(diǎn)的完整周期數(shù)目叫頻率，用表示。頻率的單位為赫茲（hz）,即周/秒。設(shè)光速為c,則： （2-3）光在真空中的傳播速度為。通常也可以通過(guò)“波數(shù)”來(lái)描述電磁波的特征，而波數(shù)的定義是指單位長(zhǎng)度中波的數(shù)目，用“”表示。波數(shù)與波長(zhǎng)有如下關(guān)系： （2-4）波數(shù)的單位常用。通常人們將電磁輻射按照波長(zhǎng)的順序排列起來(lái)，統(tǒng)稱為電磁波譜。在電磁波譜當(dāng)中，波長(zhǎng)從的區(qū)域包括遠(yuǎn)紫外光譜、近紫外光譜、

33、可見(jiàn)光譜、近紅外光譜、中紅外光譜及遠(yuǎn)紅外光譜，統(tǒng)稱為光學(xué)光譜。2.3 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)相接觸時(shí)，其作用的形式視光的波長(zhǎng)以及物質(zhì)的性質(zhì)不同而不同。當(dāng)光遇見(jiàn)物質(zhì)時(shí)，可以透過(guò)物質(zhì)，也可能發(fā)生被物質(zhì)吸收、反射、散射或反射偏振等現(xiàn)象。另外，如果物質(zhì)受到諸如電磁輻射或其他能量作用而被激發(fā)后，通常會(huì)有能量釋放，而這股能量就是光。這些光學(xué)光譜與物質(zhì)作用的關(guān)系，提供了建立光譜分析的依據(jù)17。1）原子吸收當(dāng)原子受到外來(lái)能量為的光子照射時(shí)，當(dāng)外來(lái)光子能量恰好等于兩個(gè)能級(jí)的能量間隔，即，于是處在低能上的原子將會(huì)吸收這個(gè)光子使自己達(dá)到高能級(jí)上，吸收物質(zhì)稱為基態(tài)原子?？梢园言拥哪芗?jí)變化歸結(jié)為原子中介電子躍遷的

34、結(jié)果，我們把基于這種吸收性質(zhì)而建立的分析方法叫做原子吸收光譜分析法。2）分子吸收吸收物質(zhì)多數(shù)是多原子的分子或離子。一般而言，分子的總能量為： （2-5）式中：是電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能量；是分子中原子之間的相對(duì)振動(dòng)能量； 是分子圍繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)能量。在分子中，每個(gè)電子能級(jí)可能會(huì)有多個(gè)振動(dòng)能級(jí)，而對(duì)與每個(gè)振動(dòng)能級(jí)又可能包含多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。之所以紫外和可見(jiàn)光會(huì)引起分子中價(jià)電子的躍遷，是因?yàn)樽贤夂涂梢?jiàn)光的能量是與價(jià)電子躍遷時(shí)吸收的能量相對(duì)應(yīng)的。但是，通過(guò)前面分析，我們知道分子中的每個(gè)電子能級(jí)都附帶許多振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，所以分子對(duì)紫外和可見(jiàn)光的吸收光譜呈現(xiàn)具有較寬波長(zhǎng)范圍的吸收帶，基于這類吸收性質(zhì)建立的分

35、析方法叫做紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析方法。紅外光不能引起電子的躍遷行為，這是因?yàn)榧t外光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，且能量比較小的原因造成的，因此只能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)的躍遷，即產(chǎn)生許多狹窄且連接緊密的吸收峰，通常把因紅外吸收而建立的分析方法叫做紅外吸收光譜法。3）光的發(fā)射光的發(fā)射是由于分子、原子或離子受到外界其他粒子或能量作用后由高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)產(chǎn)生的能量差通過(guò)光的形式釋放出來(lái)的現(xiàn)象。發(fā)射光的頻率遵循： （2-6）式中 粒子基態(tài)的能量；粒子較低能級(jí)或基態(tài)的能量。發(fā)射光譜按其發(fā)生的本質(zhì)可以分為：原子發(fā)射光譜、離子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜和x射線發(fā)射光譜等。原子發(fā)射光譜和離子發(fā)射光譜是由原子的價(jià)電子能級(jí)變化而產(chǎn)生

36、的；分子發(fā)射光譜則是由分子中的電子能級(jí)及分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化而產(chǎn)生的；發(fā)射光譜是由原子中最內(nèi)層的電子躍遷至高能級(jí)后返回到基態(tài)時(shí)發(fā)射的。發(fā)射的光譜按其形狀可分為：線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。線光譜是原子和x射線發(fā)射所形成產(chǎn)生的光譜；我們把由一些簡(jiǎn)單的氣態(tài)分子發(fā)射的光譜稱為帶光譜；帶光譜是由許多緊靠的譜線組成的。而當(dāng)復(fù)雜分子和固態(tài)物質(zhì)受激發(fā)后，發(fā)出的波長(zhǎng)是連續(xù)的，而且是范圍非常寬廣的連續(xù)光譜。2.4 光譜分析原理不同物質(zhì)其光譜也不同，光譜是物質(zhì)的特有屬性，這是由于不同物質(zhì)內(nèi)的分子或原子的運(yùn)動(dòng)形式是不同的，從而導(dǎo)致分子或原子的外在表現(xiàn)形式也不一樣，即光譜的不同有。因此，可以用光譜來(lái)區(qū)分不同的物質(zhì)，

37、通過(guò)對(duì)光譜的分析可以判斷物質(zhì)的屬性，就是所謂的光譜分析的內(nèi)容和目的。對(duì)于光譜分析的分類，主要通過(guò)以下方式來(lái)分類：第一，按光譜分析目的來(lái)分；第二，按光譜形成機(jī)理來(lái)分；而光譜的的形成機(jī)理是主要有發(fā)射光譜分析和吸收光譜分析，是與本文研究相關(guān)的。因此，以下將主要介紹發(fā)射光譜分析和吸收光譜分析。2.4.1發(fā)射光譜分析發(fā)射光譜分析是指采用目視觀察、譜片拍攝或光電接收等方法來(lái)觀察物質(zhì)發(fā)射光的光譜組成，從而獲得物質(zhì)的成分、含量等信息。該分析方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）靈敏度高；2）準(zhǔn)確度高；3）可進(jìn)行多元素同時(shí)分析；4）簡(jiǎn)單易行，分析速度快；5）可進(jìn)行遙測(cè)；6）分析費(fèi)用低。當(dāng)然發(fā)射光譜分析也有其缺點(diǎn)，發(fā)射光譜分析是

38、一種相對(duì)分析方法，需要化學(xué)分析等其他方法來(lái)標(biāo)定，且測(cè)量?jī)x器價(jià)格比較昂貴，一次性投資較大。2.4.2吸收光譜分析通常把基于分子光譜學(xué)原理或原子吸收原理而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分子或原子探測(cè)、獲取相關(guān)含量、成分、表面狀態(tài)、結(jié)構(gòu)等信息的光譜分析工作稱為光譜分析。但在實(shí)際分析時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生狹義的理解，即認(rèn)為吸收光譜分析都是針對(duì)分子光譜分析的，而原子吸收光譜分析則屬于其他類。第三章 線陣ccd工作原理第三章 線陣ccd工作原理3.1 ccd的基本概念和特點(diǎn)目前，光電轉(zhuǎn)換器件已由線陣ccd替代了傳統(tǒng)的光電倍增管 18，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的w.s.波涅爾、g.e.史密斯是最早提出電荷耦合這一新概念和一維ccd器件模型，這些成果

39、都是基于他在60年代末期發(fā)現(xiàn)了電荷在通過(guò)半導(dǎo)體勢(shì)阱會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，他還預(yù)測(cè)了ccd器件在信號(hào)處理、存儲(chǔ)及圖像傳感將會(huì)有非常巨大的應(yīng)用潛力。目前市場(chǎng)上的線陣ccd傳感器都具有高靈敏度、高速度和寬光譜響應(yīng)等特點(diǎn)，而且有很多不同的公司都在生產(chǎn)線陣ccd，其種類和規(guī)格較多。例如美國(guó)仙童公司推出了6000位的ccd，其光譜動(dòng)態(tài)包括紫外光、可見(jiàn)光至近紅外光波段；日本在ccd方面發(fā)展也相當(dāng)迅速，索尼、夏普、松下、日立等公司都大批生產(chǎn)了實(shí)用型的高、中、低檔器件或整機(jī)。尤其以日本最為突出，日本在ccd制作方面已經(jīng)取得了世界霸主的地位?？傊琧cd的發(fā)展是異常迅速，運(yùn)用也將更加廣泛，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，ccd

40、技術(shù)將會(huì)不斷的向前發(fā)展。根據(jù)ccd對(duì)信號(hào)傳輸、處理的特點(diǎn)，本文對(duì)ccd特點(diǎn)總結(jié)如下:1) ccd器件具有質(zhì)量輕、體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；2) ccd器件具有較高的空間分辨率；3) 具有較為理想的“掃描”線性，可以達(dá)到行像素尋址的目的；4) 具有較強(qiáng)的數(shù)字掃描能力；5) 具有精確的光敏元間距，可以獲得良好的測(cè)量精度和定位精度；6) ccd數(shù)據(jù)可以調(diào)節(jié)；7) 具有較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。3.2 ccd器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理在現(xiàn)代光譜儀器中所使用的光電陣列探測(cè)器可分為電荷耦合器件（ccd）19、自掃描光電二極管陣列（sspa）、cmos圖象傳感器2021等幾種。ccd成像器件也是新

41、型mos型集成電路芯片22。ccd結(jié)構(gòu)有兩種類型，即線陣ccd和面陣ccd，線陣ccd其光敏元排列成一行，而面陣ccd其像元排列成一個(gè)面,雖然排列形式不一樣，但二者的工作原理基本相同，ccd被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、監(jiān)視器、醫(yī)療用內(nèi)視鏡、可視電話、pc以及pda等領(lǐng)域23。ccd工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀出2425。3.2.1 光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)ccd光電轉(zhuǎn)換器制作使用了感光度非常高的半導(dǎo)體材料26，信息的轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)都是通過(guò)電荷的形式完成的，ccd器件的每個(gè)象元都可以等效為一個(gè)mos電容器，如圖3.1所示。mos電容器的制作方法為：首先在p型si襯低上運(yùn)用氧化技術(shù)生

42、成一層厚度約為1000-1500的，然后在的表面添加一層金屬層，最后在金屬電極和襯底間加一偏置電壓。目前使用mos電容的ccd逐漸減少，這是因?yàn)閙os電容器對(duì)波長(zhǎng)較短的光不敏感，即吸收較少，從而無(wú)法檢測(cè)波長(zhǎng)較短的光信號(hào)。所以，市面上出現(xiàn)了很多運(yùn)用光敏二極管來(lái)制作ccd.光電二極管能夠產(chǎn)生一個(gè)定向電荷區(qū)，而定向電荷區(qū)可以收集由光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，常常把定向電荷區(qū)能夠存儲(chǔ)的最大電荷量稱之為勢(shì)阱容量。光敏二極管具有光譜響應(yīng)寬，靈敏度高，暗電流小，藍(lán)光響應(yīng)好等特點(diǎn)，是mos電容無(wú)法比擬的，以下給出了ccd的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)驗(yàn)中的ccd實(shí)物圖：圖3-1 ccd結(jié)構(gòu)示意圖圖3-2 ccd實(shí)物圖3.2.2 電荷轉(zhuǎn)

43、移電荷的轉(zhuǎn)移是將一列緊縮排列的mos電容器上累積的電荷轉(zhuǎn)移到電荷讀出器，即轉(zhuǎn)移柵處，便于進(jìn)行信息讀取。具體實(shí)現(xiàn)步驟是將彼此之間相位關(guān)系固定，且頻率和波形相同的多相位分鐘脈沖進(jìn)行分組，然后按照一定的順序加在ccd轉(zhuǎn)移部分的電極上，此時(shí)，相應(yīng)電極上的電壓將會(huì)發(fā)生有律可循的變化，在電荷轉(zhuǎn)移時(shí)有一特點(diǎn)，就是在電荷轉(zhuǎn)移方向上總會(huì)有個(gè)相對(duì)較深的勢(shì)阱是處于等待狀態(tài)的，且電荷總是從一個(gè)較淺的勢(shì)阱運(yùn)動(dòng)到一個(gè)較深的勢(shì)阱，最后都會(huì)到達(dá)轉(zhuǎn)移柵內(nèi)。3.2.3 電荷讀出當(dāng)ccd讀出最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的電荷時(shí)就可以產(chǎn)生ccd輸出，它是由輸出耦合電路、輸出柵和輸出二極管共同組成的。ccd的輸出電路與ccd輸入電路類似，也

44、會(huì)對(duì)ccd器件的性能造成一定的影響，比如ccd的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍以及信噪比等技術(shù)指標(biāo)。信號(hào)電荷是從勢(shì)阱中依次有序地移出的，因此可以判斷讀出的電荷是來(lái)自哪個(gè)勢(shì)阱，通過(guò)分析接收光的強(qiáng)弱和電荷量的多少可以測(cè)量光的強(qiáng)度。3.3 ccd器件的性能參數(shù)對(duì)ccd器件的性能評(píng)價(jià)，可以通過(guò)靈敏度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、光譜響應(yīng)等參數(shù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。（1）光電轉(zhuǎn)換特性與響應(yīng)度可以知道ccd的光電轉(zhuǎn)換特性與硅靶攝像管基本相同，這是因?yàn)閏cd傳感器都是用硅材料制成的，假設(shè)曝光量用x軸表示，輸出信號(hào)強(qiáng)度用y軸表示，可以得出特性曲線線性段的表達(dá)式： （3-1）式中為曝光量，為輸出信號(hào)電壓，為直線段的斜率，即表示ccd的光響應(yīng)

45、度，b代表沒(méi)有光照時(shí)ccd輸出的電壓，也稱暗電流電壓。假定曝光量不變，則ccd的輸出電壓幅度將受大小的影響。所以判斷ccd傳感器的性能高低，應(yīng)看它是否具有高的光響應(yīng)度以及暗電流輸出電壓是否足夠小。圖3.3是ccd的光電轉(zhuǎn)換特性，飽和曝光量（）是指特性曲線在拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的曝光量，把相應(yīng)的輸出電壓稱為飽和輸出電壓（）。圖3-3 ccd光電轉(zhuǎn)換特性（2）光譜響應(yīng)根據(jù)線陣ccd的特性，可以知道對(duì)于不同波長(zhǎng)，其光的響應(yīng)也是不相同的，而光譜響應(yīng)特性就是用來(lái)表征線陣ccd對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)響應(yīng)程度，若按響應(yīng)程度的大小可以劃分不同波長(zhǎng)，而常說(shuō)的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)就是指響應(yīng)度最大的波長(zhǎng)，其中峰值響應(yīng)波長(zhǎng)有兩個(gè)截止波長(zhǎng)

46、，即長(zhǎng)波和短波，而長(zhǎng)波與短波之間的波長(zhǎng)范圍就是光譜響應(yīng)范圍27，其中光譜響應(yīng)范圍是ccd的重要參數(shù)28。構(gòu)造線陣ccd的材料將決定其光譜響應(yīng)范圍，此外，它還與所用的電極材料和光敏元結(jié)構(gòu)也有著密切的關(guān)系。（3）分辨率分辨率是指攝像器件對(duì)物象的分辨能力28，也是ccd的重要的參數(shù)之一。目前有兩種通行的方法來(lái)表征分辨率，一個(gè)是“調(diào)制傳遞函數(shù)”（mtf）,另一個(gè)是空間頻率。我們可以通過(guò)傅利葉變換把任意物像在特定方向上的光強(qiáng)分布分解成具有不同空間頻率的周期性變化成分。但是在光譜儀小型化的過(guò)程中，傳統(tǒng)光譜儀的分辨本領(lǐng)在之間，微型光譜儀的分辨本領(lǐng)約29。（4）噪聲線陣ccd的噪聲源可以總結(jié)為三類：散粒噪聲、

47、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。a)散粒噪聲：可以把光生電信號(hào)看成一個(gè)獨(dú)立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過(guò)程。在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電荷的多少隨著時(shí)間變化而變化的，但是總是圍繞一個(gè)均值進(jìn)行微小波動(dòng)，而這種細(xì)微的波動(dòng)稱為散粒噪聲。b) 暗電流噪聲：暗電流的噪聲有兩部分。分別可用泊松分布和復(fù)合-產(chǎn)生中心非均勻分布來(lái)描述，文獻(xiàn)30說(shuō)明了暗電流對(duì)攝像器件的影響。c)轉(zhuǎn)移噪聲:轉(zhuǎn)移噪聲是由轉(zhuǎn)移損失體態(tài)俘獲引起的噪聲和界面態(tài)俘獲引起的噪聲引起的。第五章 光譜測(cè)量軟件設(shè)計(jì)第四章 線陣ccd光纖光譜儀設(shè)計(jì)本章闡述了光纖光譜儀的工作原理，給出了線陣ccd光纖光譜儀結(jié)構(gòu)，對(duì)光路結(jié)構(gòu)中各光學(xué)器件的功能、性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明；介紹了線陣cc

48、d的驅(qū)動(dòng)方法和電路,數(shù)據(jù)采集軟硬件接口。4.1 總體方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的線陣ccd光纖光譜儀結(jié)構(gòu)如下圖：圖4-1 線陣ccd光纖光譜儀結(jié)構(gòu)線陣ccd光纖光譜儀的工作原理為：將全光譜光源發(fā)射出的光經(jīng)過(guò)光纖束i中的入射分支傳輸并照射到樣品上，經(jīng)樣品反射和由樣品發(fā)射的光經(jīng)過(guò)光纖束中的反射分支傳輸輸送到狹縫l1上，在狹縫后面放置一個(gè)會(huì)聚透鏡l2,其中狹縫l1正好在會(huì)聚透鏡l2的焦距上，以保證從會(huì)聚透鏡出射的光是平行光，將平行線光照射在衍射光柵g上進(jìn)行光的色散，然后將散射光照射在凹面反射鏡h上進(jìn)行會(huì)聚，最后將反射出來(lái)的會(huì)聚光照射在線陣ccd上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)傳輸?shù)絧c機(jī)中31光譜儀主要由

49、光源、色散系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換與接收系統(tǒng)三部分組成，下面就對(duì)各組成部分進(jìn)行功能介紹。4.2 光纖光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.1 光源當(dāng)研究電火花、氣體火焰，電弧時(shí)，光源將充當(dāng)研究對(duì)象；當(dāng)研究吸收光譜、熒光光譜等時(shí)，此時(shí)光源將作為激發(fā)源，輔助實(shí)現(xiàn)二次光的研究。因此光源既可以是研究對(duì)象，也可以是輔助工具。在本課題中，光源僅僅充當(dāng)照射工具。在光譜測(cè)量研究中，為了滿足測(cè)量需求，在選用何種光源時(shí)應(yīng)充分考慮光源功率的大小，同時(shí)還要考慮輸出的光信號(hào)是否足夠穩(wěn)定。一般情況下，光源的輻射功率與電功率呈指數(shù)變化32。光源按其光譜特性來(lái)分，有連續(xù)分布光源和線分布光源兩種，其用途各不相同，根據(jù)線光源產(chǎn)生機(jī)理及其特點(diǎn)，線分布光

50、源通常用來(lái)對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，而連續(xù)分布光源發(fā)射出的輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化十分緩慢，該類光源常用在多通道光譜分析中。本課題使用的光源屬于連續(xù)分布光源，且是冷光源。冷光源是繼傳統(tǒng)光源產(chǎn)品之后又一種新型光源。冷光源是利用化學(xué)能、電能、生物能等激發(fā)的光源（螢火蟲(chóng)、霓虹燈等），當(dāng)光源發(fā)光時(shí)，其溫度并不比環(huán)境溫度高，這種發(fā)光叫冷發(fā)光，這類光源叫做冷光源。冷光源工作時(shí)發(fā)熱很少，降低了熱量積累帶來(lái)的影響。冷光源的發(fā)光效率高，能幾乎把所有激發(fā)能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，其他波長(zhǎng)的光很少；而熱光源就不同，除了發(fā)射可見(jiàn)光外，還有相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化為對(duì)照明沒(méi)有貢獻(xiàn)的紅外光。熱光源在加紅外濾波片后，其光譜和冷光源發(fā)出的光譜就差不

51、多了，但添加濾光片會(huì)使光源成本提高，使用不便。本文在相同中所用了冷光源設(shè)備，其實(shí)物照片如圖4.2所示。圖4-2 測(cè)量系統(tǒng)用冷光源4.2.2 光纖束光纖是一種能夠傳送光頻電磁波的介質(zhì)波導(dǎo)。英國(guó)科學(xué)家j.c.baird在1927年提出了石英纖維可以用來(lái)解析圖像。1966年，英籍華人高錕等發(fā)表“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”的學(xué)術(shù)論文中提出了光纖傳輸線的概念。早期的光纖傳輸損耗較大，如今，光纖損耗已經(jīng)減少到零點(diǎn)幾個(gè)db/km，甚至更小。光纖具有傳輸損耗低、傳輸容量大，抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛地使用。為便于光學(xué)傳輸，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的光譜儀使用了特殊設(shè)計(jì)的光纖束結(jié)構(gòu)，這

52、是一個(gè)可以傳導(dǎo)激發(fā)和熒光雙向光傳輸傳導(dǎo)器件，其截面結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。此光纖光纖束的外觀呈y形狀，該光纖的光源光纖用來(lái)傳輸光源發(fā)出的光，接收光纖用來(lái)接收外界的光信號(hào)33，光纖束結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-4所示。 圖4-3 光纖束截面圖4-4 光纖束結(jié)構(gòu)示意圖在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，外層光纖束連接光源端，內(nèi)層光纖束接收到樣品端。在內(nèi)層光纖束和外層光纖束之間有一內(nèi)套層，起著光離作用；在最外層是外套層，起保護(hù)光纖作用。光纖可按不同方式進(jìn)行分類34：1) 按光纖折射率剖面分類,可分為階躍光纖和梯度折射率光纖；2）按模式分，可分為單模光纖和多模光纖；3）按材料分，可分為石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖和晶體光纖等；4

53、）按波長(zhǎng)分，可分為傳輸紫外、可見(jiàn)光、紅外幾種光纖；5）按用途分，可分為普通光纖和特種光纖。通常用兩種基本方法來(lái)研究光纖導(dǎo)光，一是幾何光學(xué)方法，二是波動(dòng)光學(xué)方法。幾何光學(xué)方法也可稱為光纖光學(xué)方法，該方法是把光比作光線，用光線來(lái)表示光的傳播方向和強(qiáng)度，該方法不能解釋和分析光場(chǎng)的相位和偏振特性。光線在光纖芯與包層界面上全反射，使光纖中的光能夠沿著光纖傳輸。波動(dòng)光學(xué)是將光看成光頻電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)在光纖中的一種分布就代表光纖的一個(gè)模式。因?yàn)楣饫w界面對(duì)電磁場(chǎng)具有約束作用，所以場(chǎng)的分不是連續(xù)的，而是分立的，因此光纖中傳播的各模式也是分立的。4.2.3 狹縫本課題所用到是sz-22型單面可調(diào)狹縫，如圖4-5。狹縫微調(diào)可以精確到百分位（0.01mm），估讀到千分位。通過(guò)狹縫我們可以達(dá)到衍射的目的，衍射的定義是：光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物，繞過(guò)障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍