一种基于面阵CCD实时测量光学参数方法的研究

论文摘要

光谱测量技术目前被广泛应用于工业生产和科学研究等领域。随着工业发展的需要,对光谱进行实时测量的精度和速度的要求也越来越高。光谱分析的方法主要有两大类:照相法和光电法。照相法具有非线性响应结果不准确、处理过程比较复杂的缺点。光电法用单色仪每次只能测量一个波长点的数据,测量精度不高,不利于对光谱信号进行实时、快速的分析。目前,采用CCD对光谱进行分析。虽然克服了以上的不足,但是CCD器件又分为面阵和线阵两种。以往光谱测量的大多数实验都用线阵CCD完成,而线阵CCD采集的是一维图像,如果采集二维图像则有采集时间长、精度低的缺点。本文在以往光谱分析的基础上,提出了一种实时测量光学参量的方法——波长的测量方法,该方法既降低了硬件部分的复杂程度又能满足精度要求。在借助于彩色面阵CCD采集汞灯可见光的二维衍射光谱线的基础上,选用MATLAB软件作为设计平台进行图像处理和数据处理。首先将采集的图像进行滤波,然后取图像的某一像素行,利用图像的亮度关系,标定出各谱线两边缘在横坐标轴上的像素序数,像素序数与像素长的乘积即为谱线距坐标零点的实际距离,最后计算出一级各谱线与零级谱线的间距,这样将光谱测量转化为特征谱线图像中局部特征的亮度和位置的测量,最后通过计算获得谱线间的间距L。求出图像一级各谱线距零级谱线的距离L后,可以通过给计算机的运算指令计算出衍射角及汞灯可见光谱的波长,达到实时测量的目的。本文还对测量误差和本方法在实际运用中的可行性进行分析,说明该方法具有实验仪器简单,测量速度快,精度高,成本低等特点,具有很强的实用性。最后,本文还将此测量方法加以推广,用于光栅常数的测量以及镜头焦距的测量,并对测量结果进行简要分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光谱测量技术发展的概况
• 1.2 CCD在光谱测量中的应用
• 1.2.1 光谱检测
• 1.2.2 CCD在光谱成像中的应用
• 1.3 光波波长测量技术的发展现状
• 1.4 本文的写作内容、目的、意义
• 第二章 采集光谱图像
• 2.1 实验仪器的选取
• 2.1.1 CCD的选取
• 2.1.2 光源选取
• 2.1.3 光栅的选取
• 2.2 实验原理
• 2.2.1 实验装置简介
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.2.1 准直系统
• 2.2.2.2 图像采集系统的调节
• 2.2.3 光谱图像
• 2.3 本章总结
• 第三章 光谱图像的处理
• 3.1 软件的选取
• 3.2 图像预处理
• 3.2.1 读入图像
• 3.2.2 图像滤波
• 3.3 图像处理
• 3.3.1 谱线定位
• 3.3.2 谱线间距离的计算
• 3.4 谱线波长、频率测量原理及实时显示介面
• 3.4.1 谱线波长、频率的测量原理及程序设计
• 3.4.2 实时测量谱线波长、频率的界面设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 误差分析
• 4.1 实验结果及误差分析
• 4.2 误差的来源分析
• 4.2.1 光谱质量引起的误差及减小误差的措施
• 4.2.1.1 光源的影响
• 4.2.1.2 彩色面阵CCD引起的误差
• 4.2.1.3 入射的平行光不与光栅法线严格平行引起的误差
• 4.2.1.4 CCD的感光片不与光栅法线严格垂直引起的误差
• 4.2.1.5 外界环境条件的影响
• 4.2.1.6 实验系统中镜头引起的误差
• 4.2.2 计算机图像处理产生的测量误差
• 4.3 本章小结
• 第五章 测量方法的应用推广
• 5.1 一种基于面阵CCD实时测量光栅常数的方法
• 5.1.1 光栅常数测量的概述
• 5.1.2 光谱图像采集
• 5.1.3 测量原理
• 5.1.4 计算机程序设计及其图像处理结果实时显示介面设计
• 5.1.5 测量结果分析
• 5.2 一种基于面阵CCD实时测量镜头焦距的方法
• 5.2.1 焦距测量概述
• 5.2.2 光谱图像采集
• 5.2.3 测量原理
• 5.2.4 焦距测量程序设计及结果实时显示介面设计
• 5.2.5 测量结果及分析
• 5.3 结束语
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A: 攻读硕士学位期间发表论文目录