【摘要】：光譜儀又稱分光儀,是以CCD等光探測(cè)器測(cè)量光譜不同波長(zhǎng)位置的光譜強(qiáng)度的儀器。由入射狹縫,色散系統(tǒng),成像系統(tǒng)及出射狹縫組成。色散元件如光柵、棱鏡將光源的電磁輻射分離出所需要的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)區(qū)域,并對(duì)選定的波長(zhǎng)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。傳統(tǒng)的光譜儀雖然測(cè)量較為精準(zhǔn),但是由于其體積過(guò)于龐大且價(jià)格不菲,限制了其應(yīng)用范圍。為了光譜儀更為廣泛的應(yīng)用,其微型化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著微型光機(jī)電技術(shù)、先進(jìn)的加工技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,光譜儀進(jìn)入了自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化以及微型化等發(fā)展的新階段,微型光譜儀應(yīng)運(yùn)而生。目前微型光譜儀行業(yè)正處于飛速的發(fā)展?fàn)顟B(tài),雖然相比之前有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是以現(xiàn)在的加工制造技術(shù)以及集成化技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的微型光譜儀的性能仍然不盡如人意,測(cè)量光譜存在由儀器帶寬,噪聲以及雜散光等誤差因素生成的較大的誤差。在現(xiàn)有的微型光譜儀硬件條件下,如何對(duì)采集的光譜數(shù)據(jù)還原真實(shí)光譜信息一直是光譜測(cè)量?jī)x器發(fā)展的重要課題之一,受到國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。本文從物理層面上重點(diǎn)分析了噪聲、儀器帶寬及雜散光等誤差因素對(duì)儀器測(cè)量的影響。根據(jù)各誤差因素的產(chǎn)生原因及對(duì)測(cè)量光譜的影響效果不同,將各誤差因素分類,并建立了各誤差因素的數(shù)學(xué)模型。利用建立的數(shù)學(xué)模型探究了針對(duì)波長(zhǎng)位置精度、CCD線性度、儀器噪聲、儀器帶寬以及雜散光的光譜校正關(guān)鍵技術(shù)。搭建了基于微型光譜儀的LED顏色測(cè)量系統(tǒng)。其中標(biāo)準(zhǔn)光源溯源NIST,待測(cè)樣品為Instrument Systems公司提供的四種不同色溫的白光LED燈珠及紅、綠、藍(lán)單色LED燈珠。實(shí)驗(yàn)采用該公司提供的樣品測(cè)量參數(shù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)值。在充分理解幾種校正關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新的構(gòu)建了針對(duì)該LED顏色測(cè)量系統(tǒng)的光譜預(yù)處理校正管道。LED光譜數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)處理校正管道前后,分別計(jì)算顏色參數(shù)并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對(duì)比。LED光譜未經(jīng)預(yù)處理校正管道之前,色品坐標(biāo)與真實(shí)值的差異在0.003左右,通過(guò)預(yù)處理校正管道之后,色品坐標(biāo)與真實(shí)值的差異在0.001左右,準(zhǔn)確性有了大幅度的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了光譜預(yù)處理校正管道的有效性。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH744.1
【圖文】：

材料光學(xué)屬性的測(cè)量以及物質(zhì)的成分鑒定，1666 年牛頓發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光的色散現(xiàn)象建立了光制造了第一臺(tái)光譜儀[1]，再到多規(guī)格多用途高中隨著新技術(shù)諸如光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、激光入，以及光譜與光譜分析學(xué)自身的快速發(fā)展域不斷擴(kuò)大。目前光譜儀器已廣泛應(yīng)用于光測(cè)、天文研究等領(lǐng)域，能夠完成對(duì)物質(zhì)輻射、對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其能級(jí)分布與變化的研究、體研究等。體積龐大造價(jià)昂貴，通常只適用于實(shí)驗(yàn)室研的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)、微加工技術(shù)、激化已經(jīng)成為了光譜儀器的主要發(fā)展趨勢(shì)。相結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、耗能耗材少、易于生產(chǎn)加工等優(yōu)點(diǎn)。微型光譜儀的出現(xiàn)，

圖 2. 1 USB4000 型號(hào)光譜儀讀出噪聲Fig 2. 1 Readout noise of USB4000.1 中可以看到有些測(cè)量值是負(fù)值，這是因?yàn)槠眯盘?hào)的均值已經(jīng)被計(jì)輸出信號(hào)中減去，以便更直觀的評(píng)估讀出噪聲。此時(shí)的讀出噪聲的9.82。噪聲噪聲是 CCD 由于熱能而生成的虛假電子堆積所造成的一種噪聲，該電子。因此，暗噪聲也稱為熱噪聲。在使用過(guò)程中生成暗電子是任屬性，會(huì)影響光信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。所以即使沒(méi)有光信號(hào)的輸入，光程中也會(huì)產(chǎn)生暗噪聲。了進(jìn)一步對(duì)暗噪聲進(jìn)行探究，首先需要在微型光譜儀沒(méi)有光信號(hào)輸導(dǎo)出輸出信號(hào)。如果縫隙被阻塞，輸出信號(hào)為偏置信號(hào)及暗電流信 為單位的此時(shí)的輸出信號(hào)如公式（2.3）所示。

圖 2. 5 USB4000 光譜儀增益測(cè)試平均信號(hào)強(qiáng)度-噪聲平方擬合曲線Fig 2. 5 USB4000 Spectrometer Gain Test Average Signal Strength - Noise Square Fitting Curve(a) (b)圖 2. 6 采用高斯函數(shù)構(gòu)建的真實(shí)光譜：(a) 帶狀光譜；(b) 線狀光譜Fig 2. 6 True spectrum constructed using Gaussian functions (a) band spectrum; (b) linear spectrum圖 2.5 中擬合出的直線的斜率為 0.9009。因此，用于測(cè)量的 USB4000 型號(hào)光

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2756037