微型光谱仪的关键技术研究与实现

发布时间：2017-08-27 13:03

  本文关键词：微型光谱仪的关键技术研究与实现

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【摘要】：传统的光谱仪虽然测量精准,但体积庞大,价格不菲,应用范围有限。光谱检测技术在新型智能硬件上的普及迫切的需要光谱仪的微型化和集成化。如今,微型光机技术、微电子技术、先进加工技术和计算机技术的发展为光谱仪进入智能化、微型化、数字化时代提供了坚实的基础。目前市场上已有很多微型光谱仪产品,然而以现在的制造工艺技术、集成化技术、微型光机技术,生产出来的微型光谱仪仍然不尽人意,存在杂散光、热噪声、脉冲展宽等诸多实际需要克服的问题。为提高基于微型光谱仪的光谱测量系统的测量精度和准确度,本文对原有光谱仪光学系统、机械系统、电路系统进行了优化设计。优化设计的新微型光谱仪,光学机械系统装配与调整更加方便同时充分考虑了杂散光抑制,电路系统充分考虑了降噪处理。上述措施为后继微型光谱仪的提升打好了基础。重点研究并分析了目前行业内尚未关注或关注不够且极为影响光谱仪性能的波长定标技术、CCD的非线性校正技术、杂散光校正技术、仪器带宽校正技术和辐射定标技术的理论与实施。以现有的光谱仪为原型,将上述5大技术应用到现有光谱仪软件中,极大地提高了微型光谱仪的测量精度,为进一步实用化打下基础。考虑到光谱仪的处理速度以及数据序列化问题,利用我们在CMOS同CCD相机颜色校正视频处理引擎上的经验,进一步设计了一种适用于光谱数据预处理校正的管道方法,将上述5大技术有机地集成到一起,为光谱仪数据流实时处理提供了基本解决方案。在光谱数据预处理校正管道方法与颜色参数测量理论相结合的基础上,开发出一套快速实时光谱测量系统。测试结果表明,校正后的光通量偏差：白光小于3%,单色光小于5%,波长精度小于1 nm,色品坐标误差小于0.002,各项误差指标都已经达到国外同类产品精度要求。实验证明该系统有效的保证了基于微型光谱仪的应用系统的光谱计算准确度和精度。该方法可以有效提高系统测量结果的准确性和精度,保证整个测量系统的可靠性、重复性和一致性,可以达到在线工业检测的要求。
【关键词】：微型光谱仪 波长定标 非线性校正 杂散光校正 带宽校正 辐射定标
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 光谱技术简介11-17
• 1.1.1 发展历史12-13
• 1.1.2 光谱仪结构与分类简介13
• 1.1.3 国内外研究现状13-15
• 1.1.4 发展趋势15-16
• 1.1.5 光谱检测技术的应用16-17
• 1.2 本文的主要内容17-18
• 1.3 本文内容结构安排18-19
• 第2章 光度与色度测量理论基础19-31
• 2.1 光度测量理论19-21
• 2.1.1 光度学中的基本量19-20
• 2.1.2 基本光度测量方法20-21
• 2.2 色度学测量理论21-31
• 2.2.1 CIE标准色度系统21-25
• 2.2.2 光源显色性25-27
• 2.2.3 主波长27-29
• 2.2.4 颜色测量方法29-31
• 第3章 微型光谱仪的光学与软件系统31-42
• 3.1 探测器的选择31-33
• 3.2 电路设计33-34
• 3.3 光学结构设计和公差分析34-37
• 3.3.1 光学系统结构设计34-35
• 3.3.2 公差分析35-36
• 3.3.3 机械结构设计36-37
• 3.4 软件设计及实现37-42
• 3.4.1 USB驱动模块37-38
• 3.4.2 应用软件功能模块38-40
• 3.4.3 二次开发包介绍40-42
• 第4章 光谱测量系统研究42-48
• 4.1 光源测量系统研究42-43
• 4.2 反射物体测量系统研究43-48
• 4.2.1 基于Y型光纤测量系统的研究45
• 4.2.2 基于反射型积分球测量系统的研究45-48
• 第5章 光谱数据预处理校正关键算法研究48-74
• 5.1 波长定标技术研究48-50
• 5.2 非线性校正技术研究50-55
• 5.3 杂散光校正方法研究55-63
• 5.4 仪器带宽校正方法研究63-71
• 5.4.1 Stearns and Steams方法63-64
• 5.4.2 Ohno方法64-65
• 5.4.3 微分算子方法65-67
• 5.4.4 R-L校正方法67-68
• 5.4.5 实验结果68-71
• 5.5 辐射定标方法研究71-74
• 5.5.1 相对辐射定标71-72
• 5.5.2 绝对辐射定标72-74
• 第6章 微型光谱仪测量系统的应用研究——LED光源色测量系统74-82
• 6.1 基于微型光谱仪的系统结构设计与实现74-77
• 6.1.1 光源75-76
• 6.1.2 积分球76
• 6.1.3 微型光谱仪76-77
• 6.2 系统算法研究77-78
• 6.3 测试步骤与结果78-82
• 6.3.1 测试步骤78-79
• 6.3.2 测试结果79-82
• 第7章 总结与展望82-84
• 参考文献84-88
• 作者简历88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 韩磊;刘木清;;一种反射式光栅光谱仪光学系统的复合形法最优化设计[J];复旦学报(自然科学版);2006年06期

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3 范世福,肖松山,赵友全,李昀,赵玉春;光谱成像技术及其在生物医学研究中的应用[J];现代科学仪器;2005年01期

4 兰文武 ,付桂翠 ,高泽溪 ,高成;基于USB接口的数据采集系统设计[J];电子技术应用;2004年02期

5 李燕青,郝德阜;衍射光栅制造技术的发展[J];长春理工大学学报;2003年01期

6 范世福;光谱技术和仪器的新发展[J];光学仪器;2000年04期

7 赵田冬;球形光度计及其测量误差分析[J];浙江大学学报(自然科学版);1998年04期

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本文编号：745567