线阵CCD光谱仪设计及其光谱数据处理方法研究

1、分类号：中图分类号：tp317.4 密级： 学科分类号：510.4050天津理工大学研究生学位论文 线阵ccd光谱仪设计及其光谱数据处理方法研究（申请硕士学位）学科专业：信号与信息处理研究方向：光电图像处理作者姓名：程 海 林指导教师：孙 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独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行

3、检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要随着光谱测量仪器技术的发展，光谱测量已广泛运用于科学技术的多个领域，是物质成分和特性分析的重要手段。传统的光谱仪器不能进行多个波长光的同时检测，而且结构复杂、体积庞大，不能适应野外作业和实时测试要求，因此研究一种微型化的便携快速光谱仪器是当今光谱仪器应用研究的热点和重点。现代光谱测量技术能够通过光谱分布测量物质的成分和含量，其基本原理是运用了物质对光的吸收或

4、发射特性。本项目研究的现代测量仪器主要特征在于光谱测量仪中使用了线阵ccd和光纤。仪器使用了y型光纤作为导光媒介，平面衍射光栅作为色散元件，线阵ccd作为光电转换器件，以及数据采集卡作为数据采集传输装置，实现线阵ccd与上位机的通信。本文给出了针对光谱测量特定的数据采集与处理软件开发过程，编写的人机交互界面具有数据采集、光谱归一化动态显示、参数设置、数据保存、光谱图像保存、显示任意波长光强等功能，便于对光谱曲线的观察与分析。运用窗函数法、小波阈值法、中值滤波法以及组合滤波器法对光谱数据进行了降噪处理，并对各种降噪效果进行了比较和分析，实验数据表明本文提出的组合滤波器法的降噪效果最佳，能去除大部

5、分噪声。通过实验验证，本文给出的光谱测量软硬件系统能够较好地实现光谱测量目的，本光纤光谱仪可行、实用、可靠，可以达到区分物质成分的目的。本仪器具有测量仪易操作、成本低廉的特点，可对珠宝石材种类进行快速鉴别，可成为珠宝检测领域的专业检测仪器，应用前景非常广阔。关键词：线阵ccd 光谱仪 光纤 组合滤波器 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 录第一章 绪论

14、.11.1 光谱仪发展简介11.2 国内外光谱测量技术介绍11.3 ccd光谱测量理论基础31.4 本课题研究工作41.5本论文的内容安排5第二章 光谱学基础与光谱分析原理.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 电磁辐射和光学光谱72.3 光与物质的相互作用82.4 光谱分析原理92.4.1发射光谱分析92.4.2吸收光谱分析9第三章 线阵ccd工作原理.113.1 ccd的基本概念和特点113.2 ccd器件的基本结构和工作原理113.2.1 光电转换、存储123.2.2 电荷转移133.2.3 电荷读出133.3 ccd器件的性能参数13第四章 线阵

15、ccd光纤光谱仪设计.154.1 总体方案设计154.2 光纤光谱仪光学结构设计164.2.1 光源164.2.2 光纤束174.2.3 狭缝184.2.4 双凸透镜184.2.5 凹面反射镜194.2.6 色散光栅204.3 线阵ccd数据采集系统234.3.1线阵ccd技术指标234.3.2线阵ccd驱动方法和电路244.3.3线阵ccd数据采集软硬件接口25第五章 光谱测量软件设计.285.1 软件开发平台285.2 光纤光谱仪应用软件设计流程285.3 软件功能介绍295.4 光谱软件测量实验345.4.1实验步骤355.4.2测量结果35第六章 光谱数据处理.366.1 光谱噪声分析

16、366.2 窗函数介绍366.2.1汉宁窗函数366.2.2海明窗函数376.2.3切比雪夫窗函数376.3 窗函数法滤波器设计及数据处理396.3.1窗函数法滤波器设计396.3.2窗函数法实测数据降噪处理416.4 小波阈值法416.4.1小波变换理论426.4.2小波阈值法的降噪原理436.5 中值滤波法446.5.1中值滤波器的概念446.5.2中值滤波的性质456.5.3中值滤波器的特点456.6 组合滤波器法456.7 数据处理与分析466.7.1模拟信号466.7.2降噪分析476.8 光谱测量实验数据的噪声处理496.9 总结50第七章 结论与展望51参考文献53发表论文和科研

17、情况说明56致 谢57- 57-第一章 绪论第一章 绪论1.1 光谱仪发展简介自1859年首台光谱仪测量仪器被研制出来，因其具有较好的实用价值，光谱技术和仪器得到普遍认同和快速发展1。光谱分析是指通过分析光谱的特性达到分析物质结构特征或含量的方法。包括对物质吸收光谱、发射光谱、荧光光谱分析等，对于不同波长段，如：可见、红外、紫外、x射线光谱分析等都包括在内。通过对获得的光谱数据的分析，对物质中元素的组成和原子内部的能级结构分析研究增添了实验证明手段。目前市面上的光谱仪器的开发主要是基于多光束干涉、多缝衍射、物质色散这三种原理自英国物理学家牛顿于1666年通过使用棱镜将太阳光分解成七色光开始，如

18、今已经过几百年的科学技术发展，光谱仪器在科学技术的多个领域的作用也逐渐凸现出来，同时也带来显著的社会效益。纵观光谱仪的发展历程，可将其分成以下四个阶段 2：第一，在16661859年间光谱仪器初步形成；第二，在18591928年期间光谱仪器开始进入实验室，作为实验室研究工具；第三，在19281944年期间光谱仪器得到快速发展，在工业生产领域得到广泛使用；第四，得益于半导体技术的进步，在1944年以后光谱仪器已朝着光电化、自动化的新阶段发展。光谱仪的发展是离不开电子技术及电子计算机技术进步和发展的，可以说，二者的发展是同步的。为了满足社会需求，光谱仪正朝着智能化、微型化、质量轻、成本低廉、高性能

19、的方向快速发展。在光谱信号的测量分析上，也由静态转变到动态；光谱仪正处在不断改进当中，仪器操作也越来越简便。如今光谱仪器的发展，为现代天文学、化学、物理学等领域的研究提供了有力的工具3。目前，市面上销售的实验室光谱仪精度高，但其体积较大、价格昂贵、使用不便等不足。因此，各国已经把研究微型化的光谱仪作为研究的重点，这就是目前光谱仪器发展的趋势4-6。随着光纤技术的快速发展，将光纤应用于光谱仪中，便于光谱信号的传导和抗干扰能力，光经由光纤传输，最终把光信号传输至光谱仪内，就构成了光纤光谱仪。1.2 国内外光谱测量技术介绍19世纪中叶，世界上第一台光谱仪问世，至今，光谱仪器得到了突飞猛进的发展7。目

20、前国内外有很多研究单位和机构都在加大对微型光谱仪研制的投入，其中微小型光谱仪工作模式也存在不同，主要包括以下几类：第一类，微型光谱仪具有较为新型的滤光技术 8，第二类微型光谱仪是基于调制原理形成的 9；第三类是指二元光学微型光谱技术的光谱仪10；第四类是指在集成光学波导技术上有突破的微型光谱仪11；第五类是指运用光栅作为分光器件的微型光栅光谱仪。从国外来看，主要由荷兰代尔夫特理工、美国斯坦福大学集成系统中心、美国东北大学、英国university of stirling、美国ocean optic公司等，其中美国的ocean optics就开发出一款微小型光纤光谱仪12。图1-1显示的是美国o

21、cean optic公司的型号为hr2000的高分辨率微小型光谱仪。图1-1 hr2000型高分辨率微小型光谱仪图1-2 m2500型直读光谱仪图1-2是英国阿朗公司m2500型直读光谱仪，具有多基体分析能力，可以分析铁基，镍基，铝基，铜基，锌基，钛基，镁基，钴基，锆基等九种基体材料中的各种合金成分。图1-3 紫外及可见光微型光纤光谱仪图1-3是美国莱特太平洋公司stellarnet blackwave系列紫外及可见光微型光纤光谱仪，可以探测紫外及可见光的光谱。在国内，重庆大学研制的微型光谱仪已在批量生产、销售之中。图1-4是重庆大学微系统中心研制的型号为ms-ii的微小型光纤光谱仪。其他研究

22、机构还包括台湾工研院、石油化工科学研究院等。图1-4 ms-ii微小型光纤光谱仪1.3 ccd光谱测量理论基础如图1-5是线阵ccd光谱测量原理图，其基本的工作原理为：光源发出的光经过准直透镜，将发散光转变成平行光照射在平面衍射光栅上进行色散，色散光再经过聚光透镜成像在线阵ccd光电转换器的接受面上，线阵ccd将接收到的光信号变成与光强成比例的模拟电信号，即实现光-电转换。模拟电信号通过模数转换变成数字信号，经过数据采集卡的采集与传输，最终以视频信号呈现在计算机上。图1-5 ccd光谱测量原理从ccd电路部分按序列输出的离散电压信号与ccd的感光区相应的感光元接收的光强大小相对应，且信号输出的

23、时序位置都与ccd感光元的位置相对应。ccd能够实现信息由空间域转变到时间域，这个过程是通过ccd自扫描的独特方式来自动完成的。但是，从ccd输出的电信号是模拟的，因此，为了信号在电路中较好的传输，需要进行模数转换13，然后再将数字信号放置数据采集卡上存储及传输，计算机便可通过读方式获得采集卡上的数据进行相关处理。在光谱测量中，将ccd的每一个感光元称为“道”，即一个像素，ccd不同，其像素数也可能不同，像素越多，分辨率就越高。光栅产生衍射时，若衍射角变化很小，则波长与衍射角几乎成线性关系。线阵ccd构成的光谱仪具有数据采集速度快、大容量数据存储、使用便利等特点，适于野外作业，拓展了光谱测量仪

24、的应用范围。1.4 本课题研究工作在本论文中作者主要进行了三方面的研究工作：1）ccd光谱采集系统的设计为了能够获得较为完备，受外部干扰较小的光谱图，必须合理地设计光谱仪光路并选择适当的元器件。考虑到光谱测量仪的结构和重量等方面约束，分光器件选用光栅。光栅的作用非常之关键，衡量分光效果的角色散和线色散参数是光栅特性的重要指标，这将直接影响光谱仪的性能，光栅的色散愈大，就愈容易分开两条靠近的谱线；其次是线阵ccd的选择，用于测量光谱的线阵ccd不但要求其分辨率要高，而且要有较好的光谱响应，大的动态范围，对噪声的抑制要强，以便于提高光谱仪的测量精度。与传统光谱仪比较，微小型光谱仪在结构上进行了较大

25、改动142）光谱测量软件开发由于现有的光谱测试软件只能进行光谱信号的直接显示，没有预处理，如：归一化操作等，所以现有的光谱测量不能对被测样品光谱信号进行实时分析，因此本文给出在测量数据之后的预处理，极大地提高了光谱仪的数据显示性能，便于观测者对样品光谱进行分析。3）光谱数据的噪声处理在光谱测量过程中，样品、光源和光路等都会引入各种噪声。为准确获得光谱数据，降低噪声是十分有必要的。如果不能有效的降低噪声干扰,将不能准确观察光谱中的重要信息，因此，本文在分析实验测量数据中噪声特点的基础上,使用多种数据处理方法（如窗函数分析法、滑动平均滤波法、小波分析，中值滤波等）进行了噪声消除实验,通过比较不同方

26、法的降噪效果，给出一种优化的数据处理方法。1.5本论文的内容安排本文共分为七章，其内容简要如下：第一章为绪论部分，介绍了光谱仪发展史以及目前国内外研究现状，对光谱仪测量原理作了简要分析。第二章为光谱学基础与光谱分析原理，主要介绍了光的波粒二象性、电磁辐射和光学光谱、光与物质的相互作用，并介绍了光谱分析方法。第三章为线阵ccd的工作原理，包括：ccd的基本概念和特点、ccd器件的基本结构和工作原理、ccd器件的性能参数三方面，该阐述为后续如何选择ccd提供了理论基础。第四章为线阵ccd光纤光谱仪设计，提出光纤光谱仪设计方案，主要分光学结构设计和数据采集系统设计，文章对光学结构中各元器件的选择及性

27、能做了详尽的叙述，对线阵ccd的工作原理以及数据采集软硬件接口作了详细介绍。第五章为光谱软件设计，该软件是基于vc+平台开发的一款人机互动界面，用于显示光谱曲线，便于对光谱数据进行处理和观察。第六章为光谱数据的噪声处理，文章采用了四种较为常用的降噪方法对光谱数据进行了降噪处理，通过对比各种降噪方法，提出了新的降噪方法，即组合滤波器法，该方法具有较好的降噪效果。第七章为结论与展望部分，总结了本文工作内容的优缺点，并对后续要做的工作提出了展望。第二章 光谱学基础与光谱分析原理第二章 光谱学基础与光谱分析原理2.1 光的波粒二象性古代人类对于光现象的认知就已经积累了很多的知识。到17世纪，关于光的本

28、性问题，就形成了以牛顿为代表的微粒学说和以惠更斯为代表的波动说这两种不同的学说。光作为一种电磁波，因此它具有电磁波所固有的波粒二象性15。微粒说认为，光是由发光体发出的光粒子（微粒）流所组成的，红光的感觉是由最大的微粒在到达人眼时引起的，而紫光的感觉是由最小的微粒到达人眼时引起的。微粒说能很好地解释光的直进、反射和折射等现象。但对于折射现象，微粒说在解释这一现象时，需要假设光在水中的光速大于在空气中的光速。实验中发现，当光从光疏媒质进入到光密媒质时，光线是折向法线方向的。19世纪人们发现光具有干涉、衍射、偏振等现象，从而产生了波动学说。波动学说认为光是一种波动，是由机械振动的传播而引起的一种波

29、动，可以很好地解释所观测到的光学现象，然而微粒说却不能。至1850年，佛科通过实验成功地测出了光在水中的传播速度，即，从而有力的支持了波动说。对于波动说，有一个问题尚无法解决，即不能确定传播光波的媒介。按照力学理论，机械波是由弹性媒介中的机械振动的传播形成的，而且理论证明，横波在固体媒介中的传播速度为 (2-1)式中: 为媒质中的切变弹性模量；是媒质的密度。19世纪60年代，英国人麦克斯韦（j.c.maxwell）在总结前人和自己的研究成果基础上提出了电磁场理论，并总结出一组称为麦克斯韦方程组的电磁场运动方程。电磁场理论认为，光是一定频率范围的电磁波。20世纪开始，在普朗克、波尔、德布罗意、薛

30、定谔等学者的努力下，建立了量子力学理论16，成为了光谱学的的强有力的理论基础。2.1.1 光的衍射当光孔线度明显大于波长时，不会有明显的衍射效应,可认为直线传播。当光孔逐渐缩小时，衍射效应将慢慢变的明显，在衍射图谱上会呈现明暗分布的条纹。当光孔线度的尺寸与光波长相近时,此时会出现最佳的衍射效应。光的波长通常在微米量级，当光射向一个针孔或一条狭缝时，物体的尺度和光的波长相当时，可以清楚地观察到光的衍射现象。当用单色光照射时，衍射效果明显且容易观察，如果用复色光，则看到的是彩色的衍射图案。衍射现象有如下两个特点：当光束在某个方向受到阻碍时，则衍射强度将会沿着这个方向扩展开来。若光孔线度越小,则光的

31、衍射范围越加宽泛。理论上已经证明了光孔横向线度 与衍射发散角 之间是反比关系： （2-2）2.1.2 光的散色光的色散是指将复色光分解为单色光而形成光谱的现象。通常我们都是利用三棱镜或光栅来实现色散的。由于棱镜对各种频率的光具有不同的折射率，各种色光按照不同的方向进行折射的，因而光从棱镜出射时就各自分散开来，颜色按照一定顺序排列形成光谱。2.2 电磁辐射和光学光谱人们可以看见各种不同的颜色的光，如红光、蓝光和白光等，我们把能够被人们看得见感觉得到的光称为“可见光”。此外，还存在人眼不能感知的光，例如：红外线、紫外线、x射线、射线、微波及无线电波等。电磁辐射是物质内部分子或原子激烈运动的外在表现

32、形式，是能量的辐射形式。经典电动力学认为电磁辐射是一种波。遵循maxwell波动方程式。可以借助波长、速度和频率等参数来描述其运动形式。在电磁波传播方向上，同一瞬间两相邻相位相同点间的距离叫波长，用表示；在单位时间内通过一固定点的完整周期数目叫频率，用表示。频率的单位为赫兹（hz）,即周/秒。设光速为c,则： （2-3）光在真空中的传播速度为。通常也可以通过“波数”来描述电磁波的特征，而波数的定义是指单位长度中波的数目，用“”表示。波数与波长有如下关系： （2-4）波数的单位常用。通常人们将电磁辐射按照波长的顺序排列起来，统称为电磁波谱。在电磁波谱当中，波长从的区域包括远紫外光谱、近紫外光谱、

33、可见光谱、近红外光谱、中红外光谱及远红外光谱，统称为光学光谱。2.3 光与物质的相互作用光与物质相接触时，其作用的形式视光的波长以及物质的性质不同而不同。当光遇见物质时，可以透过物质，也可能发生被物质吸收、反射、散射或反射偏振等现象。另外，如果物质受到诸如电磁辐射或其他能量作用而被激发后，通常会有能量释放，而这股能量就是光。这些光学光谱与物质作用的关系，提供了建立光谱分析的依据17。1）原子吸收当原子受到外来能量为的光子照射时，当外来光子能量恰好等于两个能级的能量间隔，即，于是处在低能上的原子将会吸收这个光子使自己达到高能级上，吸收物质称为基态原子。可以把原子的能级变化归结为原子中介电子跃迁的

34、结果，我们把基于这种吸收性质而建立的分析方法叫做原子吸收光谱分析法。2）分子吸收吸收物质多数是多原子的分子或离子。一般而言，分子的总能量为： （2-5）式中：是电子的运动状态能量；是分子中原子之间的相对振动能量； 是分子围绕其质量中心的转动能量。在分子中，每个电子能级可能会有多个振动能级，而对与每个振动能级又可能包含多个转动能级。之所以紫外和可见光会引起分子中价电子的跃迁，是因为紫外和可见光的能量是与价电子跃迁时吸收的能量相对应的。但是，通过前面分析，我们知道分子中的每个电子能级都附带许多振动能级和转动能级，所以分子对紫外和可见光的吸收光谱呈现具有较宽波长范围的吸收带，基于这类吸收性质建立的分

35、析方法叫做紫外-可见吸收光谱分析方法。红外光不能引起电子的跃迁行为，这是因为红外光的波长较长，且能量比较小的原因造成的，因此只能产生转动能级和振动能级的跃迁，即产生许多狭窄且连接紧密的吸收峰，通常把因红外吸收而建立的分析方法叫做红外吸收光谱法。3）光的发射光的发射是由于分子、原子或离子受到外界其他粒子或能量作用后由高能级回到低能级时产生的能量差通过光的形式释放出来的现象。发射光的频率遵循： （2-6）式中 粒子基态的能量；粒子较低能级或基态的能量。发射光谱按其发生的本质可以分为：原子发射光谱、离子发射光谱、分子发射光谱和x射线发射光谱等。原子发射光谱和离子发射光谱是由原子的价电子能级变化而产生

36、的；分子发射光谱则是由分子中的电子能级及分子的振动、转动能级变化而产生的；发射光谱是由原子中最内层的电子跃迁至高能级后返回到基态时发射的。发射的光谱按其形状可分为：线光谱、带光谱和连续光谱。线光谱是原子和x射线发射所形成产生的光谱；我们把由一些简单的气态分子发射的光谱称为带光谱；带光谱是由许多紧靠的谱线组成的。而当复杂分子和固态物质受激发后，发出的波长是连续的，而且是范围非常宽广的连续光谱。2.4 光谱分析原理不同物质其光谱也不同，光谱是物质的特有属性，这是由于不同物质内的分子或原子的运动形式是不同的，从而导致分子或原子的外在表现形式也不一样，即光谱的不同有。因此，可以用光谱来区分不同的物质，

37、通过对光谱的分析可以判断物质的属性，就是所谓的光谱分析的内容和目的。对于光谱分析的分类，主要通过以下方式来分类：第一，按光谱分析目的来分；第二，按光谱形成机理来分；而光谱的的形成机理是主要有发射光谱分析和吸收光谱分析，是与本文研究相关的。因此，以下将主要介绍发射光谱分析和吸收光谱分析。2.4.1发射光谱分析发射光谱分析是指采用目视观察、谱片拍摄或光电接收等方法来观察物质发射光的光谱组成，从而获得物质的成分、含量等信息。该分析方法具有以下优点：1）灵敏度高；2）准确度高；3）可进行多元素同时分析；4）简单易行，分析速度快；5）可进行遥测；6）分析费用低。当然发射光谱分析也有其缺点，发射光谱分析是

38、一种相对分析方法，需要化学分析等其他方法来标定，且测量仪器价格比较昂贵，一次性投资较大。2.4.2吸收光谱分析通常把基于分子光谱学原理或原子吸收原理而实现物质分子或原子探测、获取相关含量、成分、表面状态、结构等信息的光谱分析工作称为光谱分析。但在实际分析时常常会产生狭义的理解，即认为吸收光谱分析都是针对分子光谱分析的，而原子吸收光谱分析则属于其他类。第三章 线阵ccd工作原理第三章 线阵ccd工作原理3.1 ccd的基本概念和特点目前，光电转换器件已由线阵ccd替代了传统的光电倍增管 18，美国贝尔实验室的w.s.波涅尔、g.e.史密斯是最早提出电荷耦合这一新概念和一维ccd器件模型，这些成果

39、都是基于他在60年代末期发现了电荷在通过半导体势阱会发生转移的现象，他还预测了ccd器件在信号处理、存储及图像传感将会有非常巨大的应用潜力。目前市场上的线阵ccd传感器都具有高灵敏度、高速度和宽光谱响应等特点，而且有很多不同的公司都在生产线阵ccd，其种类和规格较多。例如美国仙童公司推出了6000位的ccd，其光谱动态包括紫外光、可见光至近红外光波段；日本在ccd方面发展也相当迅速，索尼、夏普、松下、日立等公司都大批生产了实用型的高、中、低档器件或整机。尤其以日本最为突出，日本在ccd制作方面已经取得了世界霸主的地位。总之，ccd的发展是异常迅速，运用也将更加广泛，随着微电子技术的发展，ccd

40、技术将会不断的向前发展。根据ccd对信号传输、处理的特点，本文对ccd特点总结如下:1) ccd器件具有质量轻、体积小、功耗低、寿命长等优点；2) ccd器件具有较高的空间分辨率；3) 具有较为理想的“扫描”线性，可以达到行像素寻址的目的；4) 具有较强的数字扫描能力；5) 具有精确的光敏元间距，可以获得良好的测量精度和定位精度；6) ccd数据可以调节；7) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。3.2 ccd器件的基本结构和工作原理在现代光谱仪器中所使用的光电阵列探测器可分为电荷耦合器件（ccd）19、自扫描光电二极管阵列（sspa）、cmos图象传感器2021等几种。ccd成像器件也是新

41、型mos型集成电路芯片22。ccd结构有两种类型，即线阵ccd和面阵ccd，线阵ccd其光敏元排列成一行，而面阵ccd其像元排列成一个面,虽然排列形式不一样，但二者的工作原理基本相同，ccd被广泛应用于数码相机、数码摄像机、监视器、医疗用内视镜、可视电话、pc以及pda等领域23。ccd工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、转移和读出2425。3.2.1 光电转换、存储ccd光电转换器制作使用了感光度非常高的半导体材料26，信息的转移和存储都是通过电荷的形式完成的，ccd器件的每个象元都可以等效为一个mos电容器，如图3.1所示。mos电容器的制作方法为：首先在p型si衬低上运用氧化技术生

42、成一层厚度约为1000-1500的，然后在的表面添加一层金属层，最后在金属电极和衬底间加一偏置电压。目前使用mos电容的ccd逐渐减少，这是因为mos电容器对波长较短的光不敏感，即吸收较少，从而无法检测波长较短的光信号。所以，市面上出现了很多运用光敏二极管来制作ccd.光电二极管能够产生一个定向电荷区，而定向电荷区可以收集由光转换的电信号，常常把定向电荷区能够存储的最大电荷量称之为势阱容量。光敏二极管具有光谱响应宽，灵敏度高，暗电流小，蓝光响应好等特点，是mos电容无法比拟的，以下给出了ccd的结构示意图和实验中的ccd实物图：图3-1 ccd结构示意图图3-2 ccd实物图3.2.2 电荷转

43、移电荷的转移是将一列紧缩排列的mos电容器上累积的电荷转移到电荷读出器，即转移栅处，便于进行信息读取。具体实现步骤是将彼此之间相位关系固定，且频率和波形相同的多相位分钟脉冲进行分组，然后按照一定的顺序加在ccd转移部分的电极上，此时，相应电极上的电压将会发生有律可循的变化，在电荷转移时有一特点，就是在电荷转移方向上总会有个相对较深的势阱是处于等待状态的，且电荷总是从一个较浅的势阱运动到一个较深的势阱，最后都会到达转移栅内。3.2.3 电荷读出当ccd读出最后一个转移栅下势阱中的电荷时就可以产生ccd输出，它是由输出耦合电路、输出栅和输出二极管共同组成的。ccd的输出电路与ccd输入电路类似，也

44、会对ccd器件的性能造成一定的影响，比如ccd的动态响应范围以及信噪比等技术指标。信号电荷是从势阱中依次有序地移出的，因此可以判断读出的电荷是来自哪个势阱，通过分析接收光的强弱和电荷量的多少可以测量光的强度。3.3 ccd器件的性能参数对ccd器件的性能评价，可以通过灵敏度、信噪比、动态范围、分辨率、光谱响应等参数来进行说明。（1）光电转换特性与响应度可以知道ccd的光电转换特性与硅靶摄像管基本相同，这是因为ccd传感器都是用硅材料制成的，假设曝光量用x轴表示，输出信号强度用y轴表示，可以得出特性曲线线性段的表达式： （3-1）式中为曝光量，为输出信号电压，为直线段的斜率，即表示ccd的光响应

45、度，b代表没有光照时ccd输出的电压，也称暗电流电压。假定曝光量不变，则ccd的输出电压幅度将受大小的影响。所以判断ccd传感器的性能高低，应看它是否具有高的光响应度以及暗电流输出电压是否足够小。图3.3是ccd的光电转换特性，饱和曝光量（）是指特性曲线在拐点处所对应的曝光量，把相应的输出电压称为饱和输出电压（）。图3-3 ccd光电转换特性（2）光谱响应根据线阵ccd的特性，可以知道对于不同波长，其光的响应也是不相同的，而光谱响应特性就是用来表征线阵ccd对不同波长光的相对响应程度，若按响应程度的大小可以划分不同波长，而常说的峰值响应波长就是指响应度最大的波长，其中峰值响应波长有两个截止波长

46、，即长波和短波，而长波与短波之间的波长范围就是光谱响应范围27，其中光谱响应范围是ccd的重要参数28。构造线阵ccd的材料将决定其光谱响应范围，此外，它还与所用的电极材料和光敏元结构也有着密切的关系。（3）分辨率分辨率是指摄像器件对物象的分辨能力28，也是ccd的重要的参数之一。目前有两种通行的方法来表征分辨率，一个是“调制传递函数”（mtf）,另一个是空间频率。我们可以通过傅利叶变换把任意物像在特定方向上的光强分布分解成具有不同空间频率的周期性变化成分。但是在光谱仪小型化的过程中，传统光谱仪的分辨本领在之间，微型光谱仪的分辨本领约29。（4）噪声线阵ccd的噪声源可以总结为三类：散粒噪声、

47、暗电流噪声和转移噪声。a)散粒噪声：可以把光生电信号看成一个独立、均匀连续发生的随机过程。在单位时间内产生电荷的多少随着时间变化而变化的，但是总是围绕一个均值进行微小波动，而这种细微的波动称为散粒噪声。b) 暗电流噪声：暗电流的噪声有两部分。分别可用泊松分布和复合-产生中心非均匀分布来描述，文献30说明了暗电流对摄像器件的影响。c)转移噪声:转移噪声是由转移损失体态俘获引起的噪声和界面态俘获引起的噪声引起的。第五章 光谱测量软件设计第四章 线阵ccd光纤光谱仪设计本章阐述了光纤光谱仪的工作原理，给出了线阵ccd光纤光谱仪结构，对光路结构中各光学器件的功能、性能参数进行了详细说明；介绍了线阵cc

48、d的驱动方法和电路,数据采集软硬件接口。4.1 总体方案设计本文设计的线阵ccd光纤光谱仪结构如下图：图4-1 线阵ccd光纤光谱仪结构线阵ccd光纤光谱仪的工作原理为：将全光谱光源发射出的光经过光纤束i中的入射分支传输并照射到样品上，经样品反射和由样品发射的光经过光纤束中的反射分支传输输送到狭缝l1上，在狭缝后面放置一个会聚透镜l2,其中狭缝l1正好在会聚透镜l2的焦距上，以保证从会聚透镜出射的光是平行光，将平行线光照射在衍射光栅g上进行光的色散，然后将散射光照射在凹面反射镜h上进行会聚，最后将反射出来的会聚光照射在线阵ccd上进行光电转换，并把转换得到的电信号传输到pc机中31光谱仪主要由

49、光源、色散系统、光电转换与接收系统三部分组成，下面就对各组成部分进行功能介绍。4.2 光纤光谱仪光学结构设计4.2.1 光源当研究电火花、气体火焰，电弧时，光源将充当研究对象；当研究吸收光谱、荧光光谱等时，此时光源将作为激发源，辅助实现二次光的研究。因此光源既可以是研究对象，也可以是辅助工具。在本课题中，光源仅仅充当照射工具。在光谱测量研究中，为了满足测量需求，在选用何种光源时应充分考虑光源功率的大小，同时还要考虑输出的光信号是否足够稳定。一般情况下，光源的辐射功率与电功率呈指数变化32。光源按其光谱特性来分，有连续分布光源和线分布光源两种，其用途各不相同，根据线光源产生机理及其特点，线分布光

50、源通常用来对特定物质进行检测，而连续分布光源发射出的辐射强度随波长的变化十分缓慢，该类光源常用在多通道光谱分析中。本课题使用的光源属于连续分布光源，且是冷光源。冷光源是继传统光源产品之后又一种新型光源。冷光源是利用化学能、电能、生物能等激发的光源（萤火虫、霓虹灯等），当光源发光时，其温度并不比环境温度高，这种发光叫冷发光，这类光源叫做冷光源。冷光源工作时发热很少，降低了热量积累带来的影响。冷光源的发光效率高，能几乎把所有激发能量转化为可见光，其他波长的光很少；而热光源就不同，除了发射可见光外，还有相当一部分能量转化为对照明没有贡献的红外光。热光源在加红外滤波片后，其光谱和冷光源发出的光谱就差不

51、多了，但添加滤光片会使光源成本提高，使用不便。本文在相同中所用了冷光源设备，其实物照片如图4.2所示。图4-2 测量系统用冷光源4.2.2 光纤束光纤是一种能够传送光频电磁波的介质波导。英国科学家j.c.baird在1927年提出了石英纤维可以用来解析图像。1966年，英籍华人高锟等发表“光频介质纤维表面波导”的学术论文中提出了光纤传输线的概念。早期的光纤传输损耗较大，如今，光纤损耗已经减少到零点几个db/km，甚至更小。光纤具有传输损耗低、传输容量大，抗干扰能力强、质量轻、体积小等优点，使得光纤在各个领域得到了越来越广泛地使用。为便于光学传输，本项目设计的光谱仪使用了特殊设计的光纤束结构，这

52、是一个可以传导激发和荧光双向光传输传导器件，其截面结构如图4-3所示。此光纤光纤束的外观呈y形状，该光纤的光源光纤用来传输光源发出的光，接收光纤用来接收外界的光信号33，光纤束结构示意图如图4-4所示。 图4-3 光纤束截面图4-4 光纤束结构示意图在本实验系统中，外层光纤束连接光源端，内层光纤束接收到样品端。在内层光纤束和外层光纤束之间有一内套层，起着光离作用；在最外层是外套层，起保护光纤作用。光纤可按不同方式进行分类34：1) 按光纤折射率剖面分类,可分为阶跃光纤和梯度折射率光纤；2）按模式分，可分为单模光纤和多模光纤；3）按材料分，可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤和晶体光纤等；4

53、）按波长分，可分为传输紫外、可见光、红外几种光纤；5）按用途分，可分为普通光纤和特种光纤。通常用两种基本方法来研究光纤导光，一是几何光学方法，二是波动光学方法。几何光学方法也可称为光纤光学方法，该方法是把光比作光线，用光线来表示光的传播方向和强度，该方法不能解释和分析光场的相位和偏振特性。光线在光纤芯与包层界面上全反射，使光纤中的光能够沿着光纤传输。波动光学是将光看成光频电磁场。电磁场在光纤中的一种分布就代表光纤的一个模式。因为光纤界面对电磁场具有约束作用，所以场的分不是连续的，而是分立的，因此光纤中传播的各模式也是分立的。4.2.3 狭缝本课题所用到是sz-22型单面可调狭缝，如图4-5。狭缝微调可以精确到百分位（0.01mm），估读到千分位。通过狭缝我们可以达到衍射的目的，衍射的定义是：光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍