微型光谱仪光谱校正关键技术研究

发布时间：2020-07-15 05:16

【摘要】：光谱仪又称分光仪,是以CCD等光探测器测量光谱不同波长位置的光谱强度的仪器。由入射狭缝,色散系统,成像系统及出射狭缝组成。色散元件如光栅、棱镜将光源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域,并对选定的波长进行强度测定。传统的光谱仪虽然测量较为精准,但是由于其体积过于庞大且价格不菲,限制了其应用范围。为了光谱仪更为广泛的应用,其微型化是发展的必然趋势。随着微型光机电技术、先进的加工技术以及计算机技术的发展,光谱仪进入了自动化、智能化、数字化以及微型化等发展的新阶段,微型光谱仪应运而生。目前微型光谱仪行业正处于飞速的发展状态,虽然相比之前有了长足的进步,但是以现在的加工制造技术以及集成化技术生产出来的微型光谱仪的性能仍然不尽如人意,测量光谱存在由仪器带宽,噪声以及杂散光等误差因素生成的较大的误差。在现有的微型光谱仪硬件条件下,如何对采集的光谱数据还原真实光谱信息一直是光谱测量仪器发展的重要课题之一,受到国内外专家的广泛关注。本文从物理层面上重点分析了噪声、仪器带宽及杂散光等误差因素对仪器测量的影响。根据各误差因素的产生原因及对测量光谱的影响效果不同,将各误差因素分类,并建立了各误差因素的数学模型。利用建立的数学模型探究了针对波长位置精度、CCD线性度、仪器噪声、仪器带宽以及杂散光的光谱校正关键技术。搭建了基于微型光谱仪的LED颜色测量系统。其中标准光源溯源NIST,待测样品为Instrument Systems公司提供的四种不同色温的白光LED灯珠及红、绿、蓝单色LED灯珠。实验采用该公司提供的样品测量参数作为参考标准值。在充分理解几种校正关键技术的基础上,创新的构建了针对该LED颜色测量系统的光谱预处理校正管道。LED光谱数据通过预处理校正管道前后,分别计算颜色参数并与标准参数的对比。LED光谱未经预处理校正管道之前,色品坐标与真实值的差异在0.003左右,通过预处理校正管道之后,色品坐标与真实值的差异在0.001左右,准确性有了大幅度的提升。实验结果验证了光谱预处理校正管道的有效性。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1
【图文】：

能级分布,海洋光学,微型光谱仪,型号

材料光学属性的测量以及物质的成分鉴定，1666 年牛顿发现了太阳光的色散现象建立了光制造了第一台光谱仪[1]，再到多规格多用途高中随着新技术诸如光电子学、计算机、激光入，以及光谱与光谱分析学自身的快速发展域不断扩大。目前光谱仪器已广泛应用于光测、天文研究等领域，能够完成对物质辐射、对物质结构及其能级分布与变化的研究、体研究等。体积庞大造价昂贵，通常只适用于实验室研的应用。随着微电子技术、微加工技术、激化已经成为了光谱仪器的主要发展趋势。相结构紧凑、体积小、质量轻、耗能耗材少、易于生产加工等优点。微型光谱仪的出现，

光谱仪,型号,输出信号,光信号

图 2. 1 USB4000 型号光谱仪读出噪声Fig 2. 1 Readout noise of USB4000.1 中可以看到有些测量值是负值，这是因为偏置信号的均值已经被计输出信号中减去，以便更直观的评估读出噪声。此时的读出噪声的9.82。噪声噪声是 CCD 由于热能而生成的虚假电子堆积所造成的一种噪声，该电子。因此，暗噪声也称为热噪声。在使用过程中生成暗电子是任属性，会影响光信号产生的数据。所以即使没有光信号的输入，光程中也会产生暗噪声。了进一步对暗噪声进行探究，首先需要在微型光谱仪没有光信号输导出输出信号。如果缝隙被阻塞，输出信号为偏置信号及暗电流信为单位的此时的输出信号如公式（2.3）所示。

拟合曲线,信号强度,光谱仪,拟合曲线

图 2. 5 USB4000 光谱仪增益测试平均信号强度-噪声平方拟合曲线Fig 2. 5 USB4000 Spectrometer Gain Test Average Signal Strength - Noise Square Fitting Curve(a) (b)图 2. 6 采用高斯函数构建的真实光谱：(a) 带状光谱；(b) 线状光谱Fig 2. 6 True spectrum constructed using Gaussian functions (a) band spectrum; (b) linear spectrum图 2.5 中拟合出的直线的斜率为 0.9009。因此，用于测量的 USB4000 型号光

【参考文献】