（光学工程专业论文）基于cmos图像传感器的液体折射率研究.pdf

浙江人学硕 学位论文 摘要 本论文详细论述了一种基于c mo s 图像传感器的新型液体折射率计的设计。 系统基于光从光密介质射入光疏介质，在临界角处发生全反射的原理，利用 c mo s 图像传感器探测出反射光的光强， 然后利用光强曲 线计算出光强变化的临 界位置， 再将临界位置转化为临界角， 最后通过一定的关系计算出溶液的折射率 和糖度。 实验系统所有数据都在单片机上存储和计算， 最终显示在液晶屏上显示。 论文详细讨论了 系统的 精度和稳定性等方面的参数，阐述利用c mo s图 像传感 器作为光电转换器件的创新应用的优点，以 及如何在软件上做到超分辨率的问 题。实验系统电路经精心设计和安排，功耗少，适合便携式仪器的要求。 论文具体介绍了该折射率计的软件和器件组成。器件为光源 l e d . c mo s 图像传感器、主控制芯片三个部分。软件组成主要包括单片机模拟 i 2 c总线对 c mo s 图像传感器的初始化寄存器设置， c mo s 图像传感器的数据采集和处理， 及单片机的后续处理及显示。 论文对设计的系统提出了改进和提高的一些措施。 关键词全反射、折射率、糖度、 c mo s 图像传感器、ms p 4 3 0 浙江人学硕士 学位论文 第一章绪论 1 . 1 研究背景和市场分析 食品的仪器分析是以食品中被测组分的物理性质， 物埋化学性质或电化学性 质为依据的测定方法。由于这类方法通常需要使用特殊的仪器， 故名为“ 仪器分 析” 。按照测定是所使用的仪器不同，食品仪器分析法又分为比重法、折光法、 旋光法、 电导分析法、 离子选择性电极分析法等。 用于表征物质特性的物理量有 很多种， 如密度、 浓度、 折射率、 吸光率等等。 对于液体溶液， 利用其浓度能方 便地分析物质成分或性质， 而浓度又是与密度、 折射率、 吸光率、电导率等等相 互关联的、 根据这些物理量之间的相互关系， 可以间接地测量其它物理量， 如电 化学方法中的电导法，电磁法: 热学方法中的热导法: 光学方法中的折光法、 旋 光法、 吸光法及比色法、 电 磁法和色谱法等等、 这些方法常用于液体成分分析和 含量测定。 应用折射率计测量物质的折射率以定性鉴别物质， 断定物质纯度， 确定其溶 液浓度以 及根据物质折射率的变化判断其质量变化的分析方法称为折光法。 这种 方法广泛用于制糖、 食品、饮料、 制药、 酿酒、 化工等工业中，按使用场合分为 便 携 式 和 在线 式 两 种 m 1 . 1 . 1在线式 按原理来分有: 差动式自 动折光浓度计， 全反射式自 动折光浓度计。 用于在 线式自 动折光浓度计， 其仪器的光电传感头可安装在管线上， 也可以 安装在容器 的钡 壁。 自 动在线折光计， 在工业中应用很广。 主要用于测量生产流程管线液流的浓 度，以 调节和控制生产， 提高生产管理水平。 该仪器类型也不少， 例如， 国内生 产的n n g - 1 型光电浓度变送器即折光计。在国外如法国i n s t r u l a b 公司生产的 r e x 3 型折光计 和美国e m g公司 生产的 折光计等。 1 . l . 2 便携式 为适应快速与轻便测量的需要， 近几年来便携式折光计发展很快。目 前主要 是手持式的， 它可以用于测量各种溶液的浓度。 仪器特点是结构简单、 携带方便 浙江大学硕十学位论文 和测量迅速。因而，它们有着广泛的用途。如: 1 . 折光糖度计 折光糖度计是目 前使用最多的一种仪器，其类型很多，都是基于含糖溶液 的折射率和溶液浓度之间的关系原理设计的。 现在国内有很多公司在做各种原理 为依据的折射率计， 以此来测量各种溶液的浓度。 其中比较成功的有科力龙公司， 公司的主要产品为便携式折射仪和数显式折射仪。数显式带有自 动温度补偿系 统。还有国内生产的用于各种浓度测量的wy t 型手持式折光糖度计。 折光糖度计在酿酒厂、 饮料厂、 水果罐头厂和糖厂以 及农业科研、田间管 理 等部门使用相当普遍。 这种计量仪器不仅对原料进厂， 生产过程及出厂时的产品 质量检验， 以及测量植物的含糖量， 确定他们成熟期及试验选种， 施肥等起着很 重要的作用， 而且也是国家向农民收购甘蔗、 甜菜等含糖植物， 用来快速检测含 糖量高低，以质论价的一种手段。 仪 器种 类很多， 除上面 提及的国内 产品 外， 在国 外也很多， 如日 本a t a g o 公 司生产的n型系列、 a t c - 1 型 ( 自 动温度补偿型， 补偿温度在1 0 - 3 0 0c ) 产品。 法国i n s t r u 工 a b 公司生产的r c t型系列( 自 动温度补偿型， 补偿温度范围5 - 3 5 0c ) 产品等。 2 折光蜂蜜计 该仪器是专用测定蜂蜜中含水量多少的一种折光计。例如，国内生产的蜂 蜜质量百分浓度为7 2 7 4 % m a s s ，分度值为。 .2 % m a s s 的折光蜂蜜计。 在国 外， 日 本a t a g o 公司生产的 折光蜂蜜计， 测量 蜂蜜中 含水量的 质量百 分浓 度范围 为 1 2 - v 2 6 %m a s s ，分度值为0 . 1 % m a s s o 3 折光乙二醇防冻液计 折光乙二醇防冻液计是一种新型仪表，专用于测量车辆防冻液的浓度和冰 点。 目 前己成为确保车辆行车安全必不可少的检测工具。 国内生产的这种折光计 一般测量体积浓度( 在2 0 时) 为。 - 6 0 % v o l 分度值为5 % v o l ， 示值误差为2 % v o l , 相应的冰点为0 -5 0 0c ，分度值为一5 c ， 示值误差一 2 c ， 这种仪器刻度标尺 通常都是以浓度及相应的冰点同时表示的双刻度标尺。 国外这种仪器使用也很广 泛。 浙江大学硕士学位论又 4 折光电液计 这种仪器专用于测量车辆蓄电瓶 ( 硫酸溶液) 的密度， 这是为了能够迅速判定电 液 充电 状 况， 以 保 障 行 车安 全， 密 度范围 为1 .0 0 - 1 .3 0 g / c m 3 。 通常 都设 计 成与 上 述折光乙二醇防冻液一体结构， 特点是电液密度和乙二醇防冻液的冰点均可在一 台仪器上测量。 传统折光计大多采用目 视方式， 这种方式效率低， 人为误差大。 随着光电 子 技术、 单片机技术的高速发展， 为实现自 动测量提供了有力手段，同时也对折射 率测量技术提出了光机电算一体化的新课题。 应用了计算机技术的自 动折光计称 为数字式折光计。在国外，数字式折光计发展非常迅速，目 前普遍采用c c d器 件及单片机技术实现。 现在国 外主要是日 本a t a g o 公司的折射率计做的非常出 色， 1 9 9 6. 1 9 9 7 年该 公司推出了r x - 5 0 0 。 型数字式糖度计、 折射率计、 其量程为n d : 1 .3 3 0 0 0 - 1 .5 8 0 0 0 , 糖度:o a o - 9 5 .0 0 % , 且精度达到a d : 0 .0 0 0 0 4 , b r i x : 士 0 .0 3 % 。这一精度对于利 用折反射方法， 尤其是利用全反射临界角进行测量的方法来说是相当高的， 这几 乎是临界角发法的极限检测精度，因而是目前折光计中指标最高的一种仪器。 夸 1 . 2 各种测量方法及原理 测量折射率方法基本上分为测角法， 干涉法。 测角法就是折光法， 基本原理 就是 折反射定律。 利用公式【2 ， : 氏 一 a r c s in ( n? )( 1 一1 ) 其中氏 是临 界 全反 射 角， n , 和n , 分 别 是 某 种 物 质 和 液 体的 折 射 率， n , 是已 知的 而0 1. 测 量出 后， 就 可以 确定 液体 的 折 射率。 利 用光 全反 射的 菲 涅 尔公 式 2 1 r n s in (19 , 一 0 , 一 丁 一 二下 ， ，- 一 一 ， 戈 十 s i n 以+ 典) ( 1 一2 ) 兀二1 一r n ( 1 一3 ) 其中r 二 是 光的 反 射系数，t 是 光的 透 射系 数，0 , 和0 2 为 光的 入射角 和折 射角 浙江大学硕士学位论文 通过此公式便可以确定全反射光和透射光光强之间的关系。 1 . 2 . 1 透射方法 由 折射率基本公式n o s i n b o = n , s i n b , 可 得n , = n o s i n b o / s i n b , ， 设、 。 ， 氏 不 变， 当码 变 化， b , 相 应变 化。 只 须知b , ， 就 可以 得出 。 、 ， 这 就是 透 射法 测 量 折 射 率 的 原理。文献 3 1 , 4 1 , 1 5 1可见此法的应用。 文献 【 3 】中采用此方法测量液体浓度。利用p s d 作为接受器，采用半导体 激光器7 做光源，通过两块棱镜的组合， 构成液体棱镜3 1 。如图1 - 1 图1 - 1透射法应用p s d 器件， l d 光源 文 献【 4 中 利用 液体棱 镜测量液 体浓度4 1 、 利 用c c d 接受、 采用h e - n e 激光器 作为光源的仪器，原理如图( 1 -2 ) 图1 一2透射法 v 棱镜方法是此方法的典型应用。文 【 5 1中，利用单色平行光，利用光电 倍增管及光栅发讯头自 动测量l成 ， 原理如图( 1 -3 ) 利用透射方法， 测量偏折方法， 较简单， 其应用特点是要求单色准平行光或 浙江大学硕 卜 学位论文 准细光束，对光源方向性要求较高。 图 1 一 3v 棱镜方法 1 . 2 . 2反射临界角方法 将n o s i n 8 0 = n , s i n b , 变形: 假定、 。 ， ， 令b , 为9 0 ， 得: n , = n o s i n 氏 知召 为9 0 ;氏 为反射临界角 ( 1 - 5 ) 由( 1 - 2 ) 式， 测出民即 可 得出n , ， 由 此而 产 生了 利 用 反 射临 界 角 方 法测 量 折 射 率的 方 法。由 工 式 ( 1 - 5 ) 知;n o n ， 时 可 成 立， 否 则 不能 测 量呜 ， 常见 于 手 持 式 折光 计。 其工作原理为:自 然光条件下，毛玻璃面上发出各个方向的光，经液体 ( 折 射率为n ) 进入棱镜( 折射率为%) 时， 最大的 折射角也为b . ， 即能照 亮b 角以 下 的 各 方 向 ， 当 乓 一 a r c s in 竺时 呈 现 亮 暗 分 界 线 。 踢 文献c 6 】 中采用原理如图1 - 5 方法测量糖溶液的浓度司 ， 应用激光光源， c c d 作为光电探测器件，精度可达0 . 1 b r i x o u幼 h 宜 产 广 匕 盆;挺 扮 笠 盛醉落三三位竺丝 一 一 一 洲 竺 二二二士 书 孚 轰 三 o 竺 i 1 f - 书 孔 比d 1 _ _ _ _ _ _ _州 图 1 - 5白动折光仪，c c d , l d 光源 浙江大学硕士学位论文 文献 【 7 】中采用原理如图 ( 1 -5 ) 方法测量黑液浓度7 1 。用l e d 作为光 源， 反射光斑 白宝石棱镜作为反射器件，c c d 接收。 图 1 - 4反射法测黑液浓度、c c d l e d 光源 文献 【 8 】中采用图1 - 5 结构，测量糖溶液浓度， 对称硅光电池接收，使用 调制盘cn 时称型隆光电他 e , 和 e , 被侧格板 图1 - 5 反射法在线测量浓度，硅光电 池接收 利用反射临界角方法， 要求光源发散角大， 各方向 光强分布均匀， 单色性好。 1 . 2 . 3光能方法 利用光能大小直接确定光学折射率变量这种方法非常简单。由 ( 2 - 3 ) r , t 与 入 射角氏 、， ， 、n 。 均 有关 系 利 用( 1 - 3 ) 或( 1 - 4 ) 均 可以 进 行rh 的 测量 利用这种方法测量的包括光波导等方法。 如文献 9 7 . i 1 0 】中， 光波导方法进行乙醇浓度测量，利用两只相同的光 电 二极管同时工作， 以消除温度等环境因素影响， 光波导实质是利用部分全反射 工作原理测量反射光能。 如图1 - 6乙醇溶液流经光纤所在的溶液池， 严格对称的 测量光路中a 光电池与参考光路b 中光电池接受的光能大小因溶液的不同浓度而 不同。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 6光能方法 应用光电管 文献 【 1 0 】中采用下面装置利用光能变化进行浓度测量，这种方法要求稳定 光强，消除噪声，装置简单，但精度可以 达到很高，如图1 - 7 所示。 必/ 必 必 必 必 必 1 / f f l , ! e/.1 1必 v ,./. 光 味 探 洲 器 心之形么夕厂 乡 名 玄 冀 :r乙 么 岌 魂 图1 - 7液芯光波导探测液体浓度 1 . 3论文工作介绍 本文首先介绍市场对液体浓度的检测要求及产品情况， 接着对液体折射率的 各种测量方法进行原理比较和分析， 然后具体深入地阐述了本课题所用全反射法 的测量原理和光路系统及其仿真，提出了 本研究课题所要达到的具体测量指标。 根据这个指标和产品的实际需要， 提出了具体的系统测量方案。 第三章具体介绍 了 系统的硬件组成及其实现， 分为光源 ( l e d ) , c m o s 图像传感器， 主控制芯片， 其中还比较了光电转换器件的应用不同性。第四章介绍了系统的软件工作流程， 其中特别介绍了1 2 c 总线及c m o s 图像传感器的初始设置， 还有c m o s 图像传感器 的数据输出。 最后提及了本系统如何达到亚象素的精度问 题。 第五章对实验所得 数据进行了分析， 分为精度分析、 稳定性分析和线性分析， 得出系统可行的实际 依据。最后对课题进行展望和分析，提出以后工作的各种改进方法。 本课题的主要创新在于数字输出的c m o s 图像传感器的应用， 因为其电 压低， 功耗小， 数字输出， 便于单片机控制和计算，电路的集成也可以兼顾。 还有就是 浙江人 学硕 ! : 学位论文 在软件上的如何实现超分辨率的问题， 这样系统的检测精度可以得到提高， 实现 系统精度达到亚象素层次， 做到最大限度地利用现有器件达到高精度的要求。 以 及m s p 4 3 0 f 4 4 9 超低功耗芯片的应用，其集成化的特点特别适合于开发便携式仪 器。 综上 所述， 本课题提出了一种应用全新器件来测量液体折射率的一种实现方 法，对各种测量方法和方案提供了很好的补充。 浙江大学硕学位论文 第二章原理和光路分析 2 _ 1 本课题所涉及原理和概念 食品的仪器分析是以食品中被测组分的物理性质， 物理化学性质或电化学性 质为依据的测定方法。由于这类方法通常需要使用特殊的仪器， 故名为“ 仪器分 析” 按照测定是所使用的仪器不同， 食品仪器分析法又分为比重法、 折光法、 旋 光法、电导分析法、 离子选择性电极分析法等。 其中，比重法、 折光法， 旋光法 属于物理分析法，电导分析法、 离子选择性电极分析法属于电化学分析法。 下面 我将着重介绍本课题所研究的折光法，当然有些概念涉及比重法，也附带介绍。 2 . 1 . 1 糖液浓度， ” 糖液浓度是制糖生产过程中的一个重要参数。 “ 锤度” 是表示溶液浓度的专 业术语， “ 锤度”的定义是纯蔗糖溶液中的蔗糖重量百分浓度。它也应用于非纯 蔗糖溶液， 此时它所定义的是糖品千涸物的重量百分浓度。 因此， 锤度实际上是 糖液浓度的一种量度。 通过测量物质的比重以测定物质的纯度， 确定其溶液浓度以及根据物质比重 变化判断其质量变化的分析方法称为比 重法， 液体物质的密度与水的密度的比值 就是该液体物质比重， 它没有量纲。 利用阿基米德原理工作的比 重计， 有的按“ 波 美” 度 ( b e) 刻度，以2 0 0 c为标准，比 重计在蒸馏水中的弯月面下缘刻为。 度， 在1 5 % 食盐溶液中刻为1 5 度， 在比重1 0 8 4 2 7 的 纯硫酸中刻为6 6 度。比重 大于水的液体，其波美度与比重的关系式为: b e = 1 4 5 一 弊 d z o ( 2 - 1 ) 比重小于水的液体，其波美度与比重的关系式为: 。 。 : = 弊一 1 4 5 d z o ( 2 - 2 ) 有的按纯蔗糖溶液的重量百分浓度刻度，以符号b r i x 表示， 也以2 0 0 c为标准， 浙江大学硕 卜 学位论文 比 重 计 在 蒸 馏 水 中 的 弯 月 面 下 缘 刻 为 o b r i x ， 在1 % ( 里纯糖溶液中刻 l b r i x ， 在 6 5( 里纯糖溶液中刻为6 5 b r i x ，这种比 重计称作锤度计，专用于测量糖液的 浓度。如果不在 2 0 0 c时使用锤度计，必须查找 “ 观测糖锤度温度改正表” 将观 测锤度校正为2 0 0 c时的锤度。 2 . 1 . 2 折光法 应用折射率计测量物质的折射率以定性鉴别物质， 断定物质纯度， 确定其溶 液浓度以及根据物质折射率的变化判断其质量变化的分析方法称为折光法。 光是电磁波， 光在传播过程中表现其波动性质。 当光线从一种介质进入另一 种介质时， 由于在两种不同介质中光的波速不同， 在介质的分界面上就会发生光 的折射现象。 图2 - 1 表示了光的折射。设v i , v 2 分别为光的波动在第一种和第 二种介质中的波速，并设m n 为两种介质的分界面， l l 为界面m n 的法线，, 0 为 光的 入射线， 工 为 入射角。 假设时间t = t 。 时， 入射光 波的 波阵面到达0 位置， 入 射 线， 0 当 然 和 波阵 面。 、 垂 直， 0 点 和界 面m n 相遇。 此 后， 波阵 面上 ， ， 、 ， : 各 点 将相 继 地到 达分 界 面m n 上e , , e z 、 各点， 而当t = t ， 时 ， 、 点到 达c 点 设以 入 射 波到 达界 面 上地 各点0 , e , , e 2 作为 子 波的 波 源， 光波 到 达界 面m n 即 发生 折 射， 由 于 折射 光 波 是 在 第 二 介 质中 传 播， 所以 子 波的 波 速因 为v z则 从 。 、 e , , e 2 , 各 点 发出 的 子 波， 在t = t ， 时 和图 面 相 交的 交线 分别 为 半 径 等于 v 2 ( t , - t o ) , 煞兰 2 、 业 严、 的 圆 弧 这 些 圆 弧 的 包 迹 显 然 是 通 过 c 点 而 和 这 些圆 弧 相 切的 直 线c d 。 因 而t = t 时 折 射光 波的 波阵 面是 通过c d 而和 图面垂直的平面。 和这平面垂直的直线，如o d ，是折射光波的射线，称为折射 线， 折射线和分界面m n 的 法线l l 的夹角 y称为折射角。 浙江大学硕士学位论文 图2 一 1光折射 在图2 - i 中，i =lb o c , y = lo c d ， 所以 b c = v , ( t , 一t o ) = 0 c s i n i , v 2 ( t ， 一t o ) = 0 c s i n y 所以 s in r s i nz 一 乒 一 。 , ( 折 射 率 的 数 学 式 ) 厂 ， ( 2 - 3 ) 二c-l odb一0 即不论入射角大小如何，入射角的正弦与折射角的正弦之比都等于光波在 第 一 和 第二 介 质中 的 光 速之比 。 对 于 给定 的 两 种介 质 而言， 比 值n 2 ， 称 为 第 二介 质对于第一介质的相对折射率。入射线、折射线和分界面法线均在同一平面内 ， 这就是光的波动的折射定律。 若第一介质为真空 ( 用0 表示) ，则 s i n i n 2 0 = s u m 了 =v o v 2 ( 2 - 4 ) 叫 做第二 介质的绝对折 射率n 2 。 显 然， 两 种物 质的 相 对折射率就等于 它们的 绝对折射率之比 n 2 1 = v o i r v 2 v o / v i ( 2 - 5 ) vl-h 而空气的折射率为1 . 0 0 0 2 7 ， 几乎等于1 , 所以用空气代替真空时， 所测得的某物 质的相对折射率与该物质的绝对折射率相差甚小， 通常用折射率计测得的折射率 浙江大学硕十学位论文 就是对空气的相对折射率。 光线从光疏介质射入光密介质时的折射和反射情况可用图2 - 2 表示。 当光线 从 光密 介质 ( 如棱镜) 射入光 疏 介质 ( 如 样品 溶液) 时的 入射角。 2 逐 渐扩 大， 最后到 达u 点， 即a 2 达到临界角， 此时 折射线o p 恰与o s 重合， 即 折射线与 法 线l l 成直角，折射光沿两介质的分界面o s 平行射出，光线不再进入光疏介质 而发生全反射现象，反射线 ( 反射角等于入射角) o u 格外明亮。而当光线反向 射入，即由光疏介质射入光密介质，从s o 位置射入的光 ( 此时入射角为9 0 1 ) , 经折射后占有o u 位置，光再介质中的情况与上述的全反射时完全一致。即o u 的右面完全黑暗，而左面明亮， 因此只要我们找到黑白分界线， 射率。 l 最亮的地方是o u , ，于是形成明显的黑白分界。 便找到了临界角的位置， 进而可求得被测物得折 卜一 、 叭 、 光疏介 图2 - 2全反射临界 折射率是物质的一种物理性质。同一物质各有自 身恒定的折射率， 因此测出 样品的折射率， 就可断定其同 一程度和纯度。 同种物质溶液的折射率则随着浓度 的增大而递增， 因此测出折射率即可确定溶液的浓度。 人们通过实验还编制了某 些重要物质及其不同浓度水溶液的折射率表， 因此用折射率计测得物质或其溶液 的折射率即可测定物质的纯度和其溶液的浓度。例如，蔗糖由 其恒定的折射率， 浙江大学硕士 学位论文 测出纯糖溶液的折射率，即可确定其中蔗糖的含量。 大多数溶液的折射率都随温度有显著的变化，所以有时要进行温度的校正， 纯糖溶液折射率的温度校正系数， 可以从有关糖的手册中查的。 但是对于在线测 量来说， 准确的校正系数是难以获得的， 因为在线测量的对像一般为非纯糖溶液， 而且往往是再高温下进行。 二是非纯糖溶液的温度校正系数， 受非糖份的组成所 影响， 而且不同浓度的温度校正次数也不同， 低浓度的温度校正系数较小， 高浓 度的较大。 在过程测量上， 如果是测量糖厂的在煮糖膏， 一般可近似地为每升高 1 0 0 c， 其浓度降低。 . 8 -1 . 2 b r i x . 2 . 2光路分析及仿真 本系统的光路包括光源l e d ,棱镜、透镜、及c m o s图像传感器。其位置关 系如图2 - 3 所示 样品槽 图2 - 3光路系统示意图 2 . 2 . 1光路尺寸要求及测量指标总体要求 根据实际的使用要求， 一般折射率的测量范围是给定的， 本系统折射率的范 围在1 . 3 3 3 0- 1 . 3 7 左右，糖度在0 - 2 5 b r i x 之间， 精度是0 . l b r i x 。 对于便携 式仪器， 对产品尺寸大小有所要求， 而对测量精度和范围要求一般; 在线式仪器， 浙江大学硕士学位论文 对测量精度和范围要求较高， 对系统尺寸要求不高。 根据测量精度和测量范围要 求，对接收器件的分辨率也有相应的要求。 例如， 本实验系统要求达到0 . l b r i x , 测量范围为0 -2 5 b r i x , 所以至少c m o s 图像传感器至少要有2 5 0 个象素。 工 c m - 1 0 5 a c m o s 图像传感器每行可用象素有6 4 0 个，所以设计好光路系统，完全可以达到仪器的测量精度要求。 采用c c d 器件、 p s d 器件、 c m o s 器件的折射率计， 根据全反射的临界角方法 测量，除了对光源有要求外，对光路系统的各部件的尺寸也要设计的恰如其分。 下图为光路系统展开分析图， 棱镜按反射展开， 将 l e d 光源置于原点， 见图2 - 4 : 图2 一4光路展开分析图 1 材 料。 。 选材主要应考虑折射率大小， 材料的物化性能( 如抗腐蚀、 抗霉蚀、 耐磨等) 、 反射角范围等; 0 2 - 0 , , 1 .2 2 a ( 2 - 6 ) n d 浙江大学硕 学位论文 即n ， a r c s in ( 生 ) 一 a r c s in ( 兰 ) =n 0 n 0 1 22 ( 2 - 7 ) 这里， 取d = 1 5 m m , a = 5 8 7 . 6 x 1 0 0 m m ， 设n 2 = 1 . 3 7 1 , n , = 1 . 3 3 3 n 0 =1 . 4 8 7 4 6 ( q k 3 ) ，则: n 1 2 8 9 ， 即极限分辨数为1 2 8 9 ， 其可达到的 最大分辨 率 为 .些 卫 二 卫 丝一 2 . 9 5 x 1 0 - s ， 1 2 8 9 而用k 9 玻璃:n 0 =1 .5 1 6 3 ，则n 1 1 5 3 ,n的 极 限分辨数蚀1 1 5 3 ，最大分辨率3 . 3 x 1 0 - 5 ，一般如果分辨率为5 x 1 0 - s 就可以满足 大多数使用场合。 由于l e d 光源可利用的发散角是有一定的限制的， 如果量程很宽， 则l e d 的 发散角也是玻璃材料和折射率选择的条件: 设l e d 可 利用的 发散角范围 为氏， 则应 用全反 射临界角公 式得到: a r c s in ( a ) 一 a r c s in ( ) b 0 n 0 n 0 对上式作推导，得到 ( 2 - 8 ) n。 封 ni + n2 - 2n,n2cosb0n0 sin b0 ( 2 - 9 ) 同 时 可 写为 对n 2 的 要 求 n 2 s i n b 0 丫 n o - n , + c o s o 0 - n , ( 2 - 1 0 ) 若为了使光敏面充分利用， 使折射率测量范围更大， 而对光敏面上的分辨 率的分布有要求，表示如下: a a . k d o i z d o 从 ( 2 - 1 1 ) 因为位置近似与角度成线性关系，忽略比例系数: n x = a r c s nm 一 a n 0 ( 2 - 1 2 ) 所以上式可以变化为: 浙江大学硕士学位论文 n a g 一 n n o 一 n 2 k ( 2 - 1 3 ) 在此条件约束下: 斌-尸 n ) 一 n ( 2 - 1 4 ) 性 5 m m 为好。 而c d 则必须保证 通光的角度足够宽，考虑到加工因素，实验中采用通光口径为5 . 7 m m ,宽度一般 略小于或等于e f 长度。至于厚度，则以保证棱镜的机械强度足够，通光无阻挡 即可，实验时，取棱镜厚度为8 m m a 3 . 棱镜角度a o 的选择 光入射面与反射面夹角18 一般取为使中心光线对应于折射率范围 中间值。 出 射面与反射面夹角q 的选择有以 下变化特点: 18 变 大， 光线 整体 下 偏， 一 般 情 况 下， 使 接收 器 件 必 须 下移， 从 而 使 棱 镜厚 度尺寸变大。 卢 适中， 光 线出 射角比 较 小， 光强 分 布 均 匀， 18 的 误 差可以 减小 测 量 误 差值， 这有很重要的意义。 18 变小， 使棱镜 尺寸 厚度变小。 2 0 浙江人学硕 卜 学位论文 计 瓢 _ 8 , + 9 2 = 6 5 .5 0 ,2考 虑 到 加 工 和 制 造 因 素 ， 系 统 取 用 棱 镜 出 射 面 与反 射面 的 角度刀 为6 5 0 ， 这 样 使 折 射 率 和临 界 点 的 位置 基本 上 成 线 性 关 系 ， 优化了仪器的性能。 2 . 2 . 2 透镜的口径、焦距、倾角的要求1 1 . 透镜口径 透镜口径，以能让有效光线透过为限。根据要求在装配的时候留出足够的 通光口径即可。 2 . 透镜的焦距的选择 由公式x = f t a n o ，得两个临界角下其位置相差距离 a x = x 一 x , = f ( t a n 0 一 t a n b , )( 2 - 1 6 ) 则 x m - = x : 一 x , = f ( t a n 0 2 一 t a n g , ) ( 2 - 1 7 ) 从这个公式可以看出，要求c m o s 图像传感器要有足够接收面积，即 4 x ,n - 击-dn 坐为 临 界 光 线 对 应 于 光 电 器 件 位 置 相 对 折 射 率 的 变 化 率 。 对 图 2 - 4 d o 忽略透镜厚度，假定c m o s 图像传感器位于透镜焦面上，临界角光线位置与 关系式为: 中， n的 x(f，一 。，、 ，一 )一 ， tan i arcsin一 :arcsinl)一，)一 16 ) (2-20) 其中 。 ， 为 透镜的 倾角。 设计时，c m o s图像传感器的每行有6 4 0 个象素， 行长为3 . 8 m m 。 对折射率 最低的溶液( 纯水) ， 在临界点之前的光强数据要采集一定量的数据( 5 0 个象素位 置左右) ，留出一定的象素余量，而对折射率高的溶液( 2 5 6 r i x 左右) ，在临界点 之后也要采集一定的光强数据， 所以实际上需用的象素个数约在 5 0 0 左右。 c m o s 浙江大学硕 卜 学位论文 象 素大小为6 . o x 6 . o ,u m ， 因 此可利用象素长 度为6 . 0 f t m x 5 0 0 = 3 0 0 0 u m , 也 就 是3 m m ， 系统还受到光路的影响， 取检测位置长度在2 -3 m m 之间， 代入公式( 2 - 1 6 ) 计算， 我们得到f = 2 1 . 2 - v 3 1 . 8 , 实验时采用2 2 . 8 5 m m 焦距的透镜， 完全符合计 算要求。 3 . 透 镜倾角a 2 一般应保证光束中心光线垂直从透镜中心射入。根据误差最小的要求， 这 种 选择是 合理的。 实 验中 我们采取透镜倾角和棱 镜q 相 等的 做法， 满 足上述要 求。 在此基础上，按误差最小原则， 可以作适当的调整。 2 . 2 . 2光路仿真及改进 确定好这些参数之后，我们 z e m a x 模拟了系统的光路图: 图2 - 5 系统光路图 图2 - 5 中， 考虑到实际时棱镜入射面的毛玻璃化， 把光源看作线光源。 图中示意 了几组不同角度平行光线， 反射后通过透镜投影在焦面上的情况， 这样就可以得 出光强变化的临界处，由此就可以 确定不同溶液发生全反射的角度。 在应用上述设置参数的光路系统做实验中，发现光路存在以下问题: . 外部杂散光对光路影响非常大， 如果在自 然光条件下做实验， 数据几乎 没有可比性，所以要求对光路系统进行密封。 . l e d 超过测量范围的无用光也影响了测量的光路，造成了光路内部的杂 散光。 浙江大学硕 七 学位论文 . l e d 光源的放置位置和最后投射到焦面上的图 像有着很大的联系。 对于外部杂散光，只有对光路系统进行密封，实验中，我们对棱镜的两侧 面， 底面进行喷漆处理， 不让外部杂散光进入。 并将整个光路放在暗箱内进行实 验，基本消除了外部杂散光的影响。 对于 l e d发出的越程光，实际中只有改变棱镜的机械结构，在棱镜的底端 开一个阻挡部分无用光线的内嵌沟槽，其形状位置如图2 - 5 所示 阻光槽 图3 - 6阻光槽示意图 对于 l e d位置和投影图像的关系，是因为光源移动时，形成的入射角在变 化， 手工放置位置， 得到满意的投影图 像之后， 便可将光源固定起来， 以 后希望， 应该加入一个可以调节光源位置的机械机构，实现高精度的控制光源位置。 浙江大学硕士学位论文 第三章硬件系统及其实现 整个折射率计的系统包括两大部分: 一是系统的硬件组成部分， 另一部分是 系统软件组成部分。 本章中我们主要介绍系统的硬件组成部分， 下一章讲述软 件 部分。 3 . 1 硬件系统方案的选择 硬件系统方案的选择主要包括以下几个方面: 一是光源器件的选择问题， 其中涉及光路系统的器件选择， 光路零件的选择 在上一章中己经详细阐述， 这章首先讲光源l e d的选择。 一般作为折射率的光源 由 普通的白 光源， l e d ( 发光二极管) ， l d 激光光源。 从性能上讲是激光光源性能 最佳， 但是它体积大， 驱动电压高， 价格高， 这些特点都不适合本便携式仪器的 需求。 而普通光源单色性差，方向 差，色散也大，不适合精确测量的要求。 而 l e d 的价格和特性都非常适合作为光源。在本章下面系统阐述了它的应用。 二是光电转换器件的选择， 通过绪论中产品的介绍， 一般作为光电转化器件 主要由p s d ( 位置敏感探测器) 、 c c d 图像传感器 ( 电荷藕合器件) 、 以及这些年快 速发展起来的c m o s图像传感器，一f 面着重分析一下采用这些器件的特点和优缺 点。 表( 3 - 1 ) 各器件性能比较 偏沪 牡 p s dccdcmos 灵敏度一般高较高 动态范围一般大，噪声低噪声大 暗电流大 小2 -1 0 p a 较大 n a级 速度很快慢较快 l o o m/ s 象素尺寸大，模拟最精密较小 输出模式模拟模拟数字 价格中较高 低 浙江大学硕比 学位论文 p s d 是检测光斑偏离p s d 中心位置的位移量， 通过电流来计算， 响应速度快， 模拟输出，不受象素尺寸的限制，更易达到较高的位置分辨率，其分辨率可达 0 . 2 w n ， 精度可以 达到。 . 1 b r i x 0 0 。 检测是 与系统光点强 度和尺寸无 关， 价格 适 中; 但其存在边缘效应， 对杂散光敏感， 温度影响大。 相同条件下位置精度只有 c c d 和c m o s 的一半。 c c d 以电 荷作为信号， 其测量动态范围大， 灵敏度高14 , ， 响 应均匀性好， 象素尺寸小， 填充因子大 准确度高， 精度高， 如日 本a t a g 。 公司 推出的r x - 5 0 0 0 型数字式折射率计，其精度可以达到0 . 0 3 b r i x ;但是由于模拟 输出，电路比较复杂，信号输出速度慢，相同条件下功耗是c m o s 功耗的十倍左 右， 仪 器 架 构 相比 大， 价 格 也 较 高 ， 所以c c d 一 般 在高 端 产 品 上 应 用 广 泛 i75 ;ifi c m o s 具有能耗少、驱动电压低的特点，相比c c d 价格便宜、数字输出，省略了 a / d 转换器件。驱动电路简便，系统集成度高 ，这对于生产便携式仪器特别合 适【17 。 本仪器为便携式产品， 虽然使用c c d 能达到很高的测量精度和准确度。 但 是在一定的测量精度 ( 0 . 1 b r i x ) 下， c m o s 完全能够达到，而且性价比高。对于 c m o s 电路噪声大，可以通过一定方法消除: 面阵c m o s 每行象素稍少， 这个缺点 可以通过调整光学系统来克服。 综上所述， 本论文选择c m o s 图像传感器可以作为光电转换器件应用于液体 折射率计中。 第三个是本系统主控制芯片的选择，由于本系统要考虑到c m o s图像传感器 数据传输时钟匹配、传输数据的存储空间、段式液晶驱动、 温度传感器的a / d 转化、 系统的 功耗大小等问 题。 如果使用一般的五一系列芯片， 电 路需要很多的 外扩，导致电路比较复杂和电路板面积偏大，也影响了系统安装稳定性。 在众多的芯片选择中， 采用t i 公司新出 产的m s p 4 3 0 系列芯片较好的满足以 上各个要求， 而且其驱动电压和c m o s 图像传感器驱动电压一致， 而且超低功耗， 非常适合开发便携式仪器，因而选定了其中的m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片作为系统的主控 制芯片。 3 . 2 光源器件l e d 发光二极管简称l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e ) ，是一种固态的p -n 结器件， 属冷光源。其发光机理是电致发光，当p -n 结上有正向电流时即可发光，它是 浙江大学硕 学 位论文 直接将电能转化成光能的器件， 没有热交换过程 is 。 由 于它发光面小， 故可视为 点光源。他有如下特点: . 工作电压低 ( 1 . 5 伏2 伏) 、 耗电少 ( 1 0 m a 下即可在室内得到适当的亮 度) . 可通过调节电流 ( 或电压)来对发光亮度进行调节，且响应速度快， 并 可直流驱动 . 比普通光源的单色性好 . 发光亮度和发光效率较高 . 容易与集成电路配合使用 . 体积小、重量轻、抗冲击、 耐振动、寿命长 3 . 2 . 1 l e d 发光机理及发光光谱 在电场的作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。当 给发光 二极管的p -n 结加正向电压时， 外加电 场将削弱内建电场， 使空间电荷区 变窄， 载流子的扩散运动加强。 由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率， 因此电 子由 n 区扩散到p 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中 的电子与价带中的空穴复合时， 电子由高能级跃迁到低能级， 电子将多余的能量 以发射光子的形式释放出来， 产生电 致发光现象。 这就是l e d 的发光机理。 可见， 结型发光二极管的发光区为p 区。 电 子和空穴复合时放出的能量的大小，即光子的能量，取决与半导体的禁 带 宽 度e g ( 乓一 e , - e a ) ， 放 出 的 能 量 越 大 ， 发 出 的 光 辐 射 波 长 就 越 短 ， 即 ; = 竺( 3 - 1 ) e g 式中c 为光速，h 为普朗克常数。 发光二极管发出的光的波长和谱宽主要取决发光二极管的半导体材料及其 搀杂材料， 峰值波长主要分布在可见光和红外光区。 下图为本系统所用l e d 的发 光光谱，为黄光l e d 。从图中可以看出，其发光特性比较优良，发光的单色性较 好， 而 且 发 光 的 亮 度 也比 较 高 ， 驱 动电 压 也 符 合 要 求。 这 是 近 年 来的 新 产品 ， 有 厂 一 泛的应用前景。 浙江大学硕士学位论文 1.o帕朗以qz如 侧滋贫毕 6 峨， 5 力鱿 6 1 0 波长i n m 图3 一1黄光l e d 发光光谱 3 . 2 . 2 l e d 的要求 由于l e d 光点很小， 实验中假定l e d 为点光源。 实际上l e d 光源不是点光源， 各种因素的影响， 使光强分布不一定均匀。 随着这种参数的变化， 光强分布也会 发生各种变化。而在使用c m o s 图像传感器的情况下，假设光强是均匀分布的， 所以 在实际情况下，要求光强达到一定的均匀性，导致的系统的误差为最小。 点光源光强的计算公式: ! ( b ) = t o ( 3 - 2 ) 各方向照度: e ( 0 ) = 1 , c o s b ( 3 - 3 ) 根据上面的公式对点光源进行计算时，可以看出各方向均匀射出一定密度 的 光线， 每条光线作为一个计算单元， 则最后照射到某一小面元上的照度， 不必 计算r 和c o s b a 经过实验，得到l e d 发光性能比较优良，光分布不均匀度 1 0 % ， 这种分布 对最后结果和误差影响很小。以后进行误差计算时，按 1 0 % 光强波动计算。 在挑 选l e d 器件时，也以1 0 % 作为挑选原则。实际中， 在l e d 的棱镜入射面上使其毛 浙江大学硕 卜 学位论文 玻璃化，这样可以使光线各方向分布均匀化，达到了更好的效果。 互 3 . 3 c m o s 图像传感器 c m o s 图像传感器是这几年来飞速发展起来的图像传感。有着很广泛的市场 应用前景， 本节先介绍该器件的工作原理， 然后具体讲述本系统所应用i c m - 1 0 5 a 型图像传感器的特点和应用原理。 3 . 3 . 1 c m o s 图 像传感器的芯片结构 19 - 2 01 c mo s 图像传感器的芯片结构图如图3 - 1 。它们一般由光敏像素阵列、行选 通逻辑、 列选通逻辑、 定时 和 控制电 路， 在片 模拟信号处理器( a s p ) 构成， 数 字 式c m o s 图 像传感器还集成模/ 数转换器( a d c ) . c mo s图像传感器的光敏像素包括有源像素结构和无源像素结构两种。 通常 有源像素传感器比无源像素传感器有更多的优点。 包括低读出噪声、 高读出 速度 和能工作在大型阵列中。 但是由 于像素和晶体管数目的增多， 恶化了ig 值匹配和 增益一致性，引发了固定噪声问 题， 而且填充系数也变小 2 0 % 到3 0 %) 。为 解 决填充系数的问题， a p s 应用c c d的微透镜技术， 使有效填充系数增为原来的 2 至3 倍。 为解决固定噪声问 题， 1 9 9 3 年 n a s a通过采用双关取样 ( c d s ) ， 消 除了 像素信号里的部分固定噪声和相关的瞬态噪声，在 c mo s图像传感器方面 取得了显著的进步。 . 素 阵列 刊 娜 . .仲 开 . 图3 - 2 c 6 4 0 s 图像传感器芯片结构图 c m o s图像传感器的图 像信号有以 下几种读出 模式: 整个阵列逐行扫描读 出是一种常用的读出模式;窗口读出模式仅读出感兴趣窗口内像素的图像信 息， 这种模式增加了感兴趣窗口内 信号的读出 频率; 跳跃读出模式每隔一个( 或 浙江大学硕十学位论文 两个