光谱课程设计报告

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1、 物理与电子科学学院物理与电子科学学院课程设计报告课程设计报告专业班级：专业班级： 光电光电 1210112101 班班 学生姓名：学生姓名： 邓萍萍邓萍萍 学生学号：学生学号： 2 2 指导教师：指导教师： 刘长青刘长青 设计时间：设计时间： 2014.12.152014.12.152014.12.292014.12.29 2* * 课程设计项目一课程设计项目一 * * 一、课程设计题目一、课程设计题目LED 彩色显示屏亮度及光强测试二、课程设计目的：二、课程设计目的：1、学习 stc4000 快速光谱仪、远方 CBM-8 光度色度智能测试管理系统硬件 和软件的安装方法及使用方法。2、学习利

2、用 stc4000 快速光谱仪测 LED 灯所发光的稳态及光度、利用远方 CBM-8 及光度色度智能测试管理系统测量光度和色度。3、掌握利用工具软件来实现 LED 测试的基本概念、基本原理的方法。三、设计内容与时间安排三、设计内容与时间安排1、stc4000 快速光谱仪、远方 CBM-8 光度色度智能测试管理系统的安装；2、利用工具软件来 LED 测试的基本概念、基本原理的方法。3、时间安排：2014 年 12 月 15 日2014 年 12 月 29 日 四、设计一：四、设计一：stc4000stc4000 快速光谱仪稳态及光度测试快速光谱仪稳态及光度测试（一）设计原理（一）设计原理 1、系

3、统描述被测光源的光经过采光适配器（或光纤）入射到仪器内，经光学分光装置 后上，并被 CCD 阵列转化为电信号输出，信号经滤波放大等处理后，经高速 A/D 转换为 16 位的数字信号。微处理器将读取到的数字信号通过 USB 接口上 传到计算机，通过 STC4000 光谱分析系统软件进行数据处理。CCD 阵列外部触发USB2.0光学分光装置光度测量通道MCU微处理器上位机EEPROMCCD 驱动电路16 Bit 高速 AD图一：系统原理图32、系统特点1）光学分辨率高。本仪器核心器件 CCD 阵列是目前为止国内外所采用的最先进的 CCD 线阵 之一，该款 CCD 有 3648 个像素点,而当前主流

4、的快速光谱分析仪所采用的 CCD 均只有 2048 个像素点。所以本款仪器的光学分辨率将近提高了一倍。2）独有的光度测量通道。仪器配备了光度探测器接口，可增配光度探测器、积分球测量光通量等光 度参数。利用积分和分光相结合的专利要求，光度测量可达到极高精度和极宽 的线性测量动态范围。3、相关理论本仪器主要涉及“光辐射测量”的“光度学”和“色度学”两大领域，由 于本仪器的综合性功能，本仪器可以说是光、色测量的最重要仪器之一，其主 要设计依据 CIE（国际照明委员会）关于光和颜色测量的标准出版物。为客观、 统一地评价光源或物体的颜色，CIE 在大量心理学和物理学实验基础上推荐了 “CIE 1931

5、XYZ 标准色度系统” ，其三刺激函数如图 图二 所示。对于一发光物体假设其发射光谱为 P（） ，则人眼的刺激值响应为：图二：CIE 1931 XYZ 系统三 刺激值函数4色品坐标为:自然界中的全部颜色均能用色品坐标（x,y）表示，且均能在 CIE 1931 XYZ 色度系统的马蹄形色品图中找到，如图 3.3 所示。由于 CIE1931 XYZ 标准色度系统在实际应用中存在诸如色差容限不均匀等 问题，CIE 又推荐了“CIE1976 均匀色品图” ，其色品图如图 3.4 所示。其颜 色坐标由(u,v)表示，与 CIE 1931 色品图中的（x,y）存在以下坐标变换关 系：图三：CIE 1931

6、 XYZ 系统色品图5事实上,(x,y)和(u,v)存在一一对应关系，均表示颜色的坐标位置，只是 两种不同色度空间的表示法。图四中，中间的一条曲线表示黑体在不同温度下 辐射的颜色坐标点(u,v)的轨迹。如果某一发光体颜色与一定温度下的黑体辐 射光有相同的颜色，即在色品图上坐标相同，则称该黑体的温度为发光体的色 温，现实世界中，大部分的发光体，如三基色荧光粉或荧光灯，它的色度的坐 标点一般不处在黑体轨迹上，此时用相关色温表示。当发光体颜色与某一温度 下的黑体辐射颜色最接近，则称该黑体的温度为发光体的相关色温。在 CIE 1960 UCS 均匀色品图上，通过发光体的色品坐标点向黑体轨迹作垂线，得到

7、垂 足点所对应的黑体温度即为该发光体的相关色温。可见，测得了发光体的色品 坐标即可计算出其相应的相关色温。相同色品坐标的荧光粉或荧光灯照明物体 时产生的客观效果并不一定相同，有的荧光粉或荧光灯的颜色显现能力较强， 即显色指数高，另外也有显色指数低的。为了考核发光体（或照明体）的显色 指数，CIE 规定了 14 种标准试验色，见表 1。号数近似孟塞尔标号在昼光下的色貌 17.5R6/4带浅灰的红色 25Y6/4带暗灰的黄色 35GY6/8深黄绿色 42.5G6/6适中黄的绿色 510BG6/4带浅兰的绿色 65PB6/8浅兰色 72.5P6/8浅紫罗兰色 810P6/8带浅红的紫色 94.5R4

8、/13深红色 105Y8/10深黄色 114.5G5/8深渌色6计算被测光源和相同色温的黑体辐射(大于 5000K 时,为平均日光辐射)分 别照明试验色板时两者的颜色差E，即可求得特殊显色指数 Ri:必要时，可计算特殊显色指数 R15：其中，15E 为被测光源和相同色温的黑体辐射(大于 5000K 时,为平均日光 辐射)分别照明 15 号试验色板（东方女性肤色）时两者的颜色差E。试验色 1-8 号求得的 8 个特殊显色指数之和的平均值称为一般显色指数 Ra:综上所述，只要测得被测对象的相对光谱功率分布就可以计算出其色品坐 标，相关色温和显色指数等色度学参数。对于式（1）中 k 值进行标定，并计

9、 算出 Y 值即可得到其光通量、照度、亮度等光度学参数。4、基本系统的组成STC4000 快速光谱仪的基本组成主要包括 STC4000 主机一台、采光适配器 一个、USB 通讯线等。为保证仪器正常工作，用户还应配置 P以上计算机一 台(可由用户自行配置，要求配彩色显示器、鼠标、USB 接口、RS232 通信接口、 Win98 以上操作系统及光驱)，并配置远方光谱分析系统_STC4000 专用操作软 件一份。STC4000 快速光谱仪实物图见图五所示。图五：STC4000 快速光谱仪图5、系统连接123PB3/11深兰色 135YR8/4带浅黄的粹色（白人的肤色） 145GY4/4适中的青果绿色

10、（树叶绿）7STC4000 的使用方法有很多种，可以单独测试被测试光源的色参数，也可 以与其他仪器配合使用。如：配合远方 LED300 光色电综合测试系统可以快速 测量 LED 光色电性能参数。不同配置的 STC4000 有不同的连接方法：STC4000 提供的光学入射口，可根据需要配置采光适配器或光纤。将采光适配器（或光 纤）接至 STC4000 快速光谱仪的入光口上（如图 4.1 所示） ，固定，不能使其 松动。本仪器还提供固定孔，可将仪器固定于三脚架上进行定点测量。若需要 测量光通量，则必须配置光度探测器和积分球，如图 4.2 方式连接，积分球与 光谱仪之间的连接可用光纤或采光适配器。6

11、、系统功能如图 4.1 所示，仪器有四个外接口：1、采光适配器接口：可根据需要换成光纤。2、光度探头接口：仪器独有的光度测量通道。仪器配备了光度探头接口，可根 据需要增配光度探测器、积分球测量光通量、光照度等光度参数。3、触发接口：根据客户需要，还可以提供触发功能。4、USB 接口：仪器通过此接口与计算机相连，通过计算机进行数据分析处理等。（二）实验步骤（二）实验步骤1、启动软件2、光谱定标为保证测量的准确度，用户可以在每次测量时对仪器进行光谱定标。按照 要求连 接好仪器后，点亮标准灯，如配有远方 WY 系列电源，可选择“使用 WY 系列电源” ，可以使用软件开灯，更加方便（在界面上输入标准灯

12、电流和电 压） 。待标准灯稳定一段时间后（几分钟或者更长） ，可以开始定标。输入标准 灯标定的色温和光通量（如需要测试光通量，必须将标准灯放入积分球中） ，选 择合适的积分时间，保证光信号不溢出的情况下，使信号尽量处于较大的值 （界面上 Ip 值大于 50%） 。等标准光源稳定后，可以停止采样并按“保存定标 数据”完成定标。定标的准确性会直接影响测量结果的准确性。3、波长校验校正仪器出厂前已经完成校正，一般用户不需要重新校正，如果用户发现波长 不准确，可以重新校正，但不正确的校正会使测试结果严重出错。计算机及 测控软件STC40000 快速光谱仪USB 通讯线积分球图六：系统连接图8波长校正方

13、法按如下步骤进行：a)选择菜单“操作” ，然后点击“波长校正校验”菜单，弹出如图 5.5 中 “波长校正校验”对话框，进入波长校正界面如图 5.5 所示。b)设置积分时间，可以手动设置，也可以选择“自动积分” ，自动积分较慢。c )点击“单次测量”或者“连续测量” ，等待界面上出现明显的谱线 （404.66nm、35.88nm、546.07nm） ，调节积分时间，使信号较大且不溢出，观 察界面右侧框中误差值，如误差值均不超过 0.3nm 说明波长准确，不需要校正， 若误差较大，点击“波长校正” ，然后重新测量观察。4、快速光谱分析1）系统设置a）点击“操作”菜单中“系统设置”进入相应界面。b）

14、自动积分调节上限：范围在 1000ms 到 60000ms 之间，设置的时间越 长自动积分的调节时间可能会越长，如信号较强可以将此时间改小，如信号较 弱无法自动积分时，可以将此时间改大或者调节光信号；c）选择光度测试类型 d）波长测量范围设置：在仪器的可测量范围内可以任意设置测量波段进行 测量。比如对于 VIR 型仪器测量范围为 350nm-1050nm，如只需要测量可见光， 可以设置测量范围为 380nm-780nm 即可。5、光谱测试在菜单上设置好测量的积分时间和平均次数，如选择“自动积分” ，仪器开 始自动调节测量的积分时间，但有可能测量较慢。也可以手动输入积分时间， 合理的范围为测量得

15、到的 Ip 值在 5090之间。a) 单次测量点击“操作”菜单下“单次测量” 快捷键 F3） ，或者点击工具条上“开始” 按钮仪器开始一次测量。如积分时间发生变化的时候软件自动测量一次暗电流， 如不改变积分时间的情况下需要测量一次暗电流，可以点击“操作”菜单下 “采样系统暗电流” 。b) 连续测量点击“操作”菜单下“连续测量” 快捷键 F4） ，或者点击工具条上“双箭 头”按钮，仪器开始连续测量。如积分时间发生变化的时候软件自动测量一次 暗电流，如不改变积分时间的情况下需要测量一次暗电流，可以点击“操作” 菜单下“采样系统暗电流”停止点击工具栏“stop”按钮即可。6、稳态测试9选择“操作”下“快速光谱仪稳态测试”菜单，进入稳态测试界面有保存、 打开、打印、导出功能，可以快速分析单个光信号的变化情况。可自动选择积 分时间。（三）实验数据（三）实验数据1、实验：实验室钠灯稳态测试 2、测试对象：实验室钠灯稳态测试产品型号:LIGHT 环境湿度:65.0% 环境温度:25.3 制造厂商:EVERFINE测试人员：邓萍萍10（四）数据处理：（四）数据处理：1）颜色参数：2）光度参数 白光分类：out 分级：