基于USB2.0接口的多功能光谱仪的研究

摘要

通过深入分析光谱仪的一般结构和原理，并依据各种光学原理，成功研制了一种实用的依靠线阵CCD与计算机结合的多功能光谱测量仪，该仪器不仅可以测量光谱曲线，而且还可以测量光学薄膜的厚度以及各种玻璃样品的反射率。 本课题研究的多功能光谱仪数据采集系统的数据传输是基于USB2.0接口的，USB2.0接口理论上可以实现480Mb/s的高速数据传输。接口器件选用带DMA功能的PhilipsISP1581芯片，通过芯片的DMA接口实现与计算机的高速数据传输。CCD的驱动时序电路通过可编程逻辑器件CPLD来实现，多功能光谱仪的光学系统中采用环形照明技术来减少玻璃样品下表面的反射，从而提高玻璃样品反射率的测量精度。 本课题实现了基于ISP1581芯片的单片机端固件程序的开发和PC端USB2.0驱动程序的开发，PC端以VC++设计开发的光谱仪程序采用模块化结构，主要包括光谱曲线测量子程序、光谱曲线放大程序、光谱曲线数据记录子程序、波长定标子程序、反射率测量子程序、薄膜厚度测量子程序等等。拥有良好的用户界面，完善的菜单，功能齐全，操作简捷。 本光谱仪的测量范围为380～780nm，光谱分辨率为1nm，在论文的最后，对影响测量精度的原因做了分析，并提出进一步提高测量精度的措施。

目录

摘要

第一章绪论

1.1光栅光谱仪简介

1.2本文研究内容

1.3本文研究目的及意义

第二章光谱仪工作原理

2.1光谱仪器基本结构

2.2平面光栅色散原理

2.3凹面光栅色散原理

2.4闪耀光栅

第三章线阵CCD多通道探测器

3.1 CCD应用于光谱反射率测量的理论分析

3.2 CCD的工作原理

3.3 CCD的噪声

3.4 CCD不均匀性讨论

3.4.1 CCD不均匀的原因

3.4.2 CCD做光谱分析用时不均匀性校正[8]

3.5 CCD的选择

3.5.1 CCD像元数选择

3.5.2 CCD的积分时间

3.5.3动态范围

3.6我们选择的CCD

3.6.1 TCD1209D的基本结构

3.6.2 TCD1209D的基本工作原理

3.6.3 TCD1209D的光谱响应特性

3.6.4 TCD1209D的驱动电路

第四章反射率及膜厚测量原理及光路介绍

4.1光路图介绍

4.2反射率测量原理

4.3膜厚测量原理

4.3.1测量方法介绍

4.3.2原理

第五章USB接口电路及固件编程

5.1 ISP1581芯片特点

5.2 CCD采集电路设计

5.3 ISP1581固件(FIREWARE)程序设计

第六章USB驱动程序设计

6.1 WDM模型概述

6.2 USB的编程架构

6.2.1 USB设备的配置、接口和端点

6.2.2 USB设备的配置、接口和端点

6.3 USB驱动程序概述

6.4 USB设备驱动程序的开发

6.4.1发工具的选择

6.4.2 USB驱动程序编程

第七章应用程序编写及数据处理

7.1 USB口数据的读取

7.2波长定标

7.3光谱数据处理

7.4反射率和膜厚计算牵涉算法设计

7.4.1样品反射率测量牵涉算法

7.4.2薄膜厚度测量时牵涉的算法

7.5软件设计内容

7.6系统程序实现

7.7实验结果分析

7.7.1程序界面

7.7.2光谱精度和误差分析

7.7.3光谱分辨率

7.7.4反射率测量结果图

第八章总结及展望

参考文献

硕士期间发表论文

附录一USB部分驱动程序代码

附录二光谱定标程序界面

致谢