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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:廖建順
研究生(外文):LIAO, JIAN-SHUN
論文名稱:新型光譜儀之量測架構
論文名稱(外文):A Novel Architecture of Spectrometer Measurement
指導教授:謝滄岩謝滄岩引用關係王志良王志良引用關係
指導教授(外文):HSIEH, TSANG-YENWANG, JYH-LIANG
口試委員:謝滄岩王志良徐進成
口試委員(外文):HSIEH, TSANG-YENWANG, JYH-LIANGHSU, JIN-CHERNG
口試日期:2020-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:電子工程系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:光學量測光二極體光譜儀校正函數
外文關鍵詞:optical measurementphotodiodespectrometercorrected function
相關次數:
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本論文以研究新型光譜儀量測架構為目標,藉由移動狹縫位置的方式將光譜切割為不同波長的光束輸出,透鏡將不同狹縫位置輸出的光束聚焦至光感測器,感測器將光信號轉變為電信號,由信號處理電路將輸入的電信號轉為光譜值輸出。
新型光譜儀會因元件特性影響造成量測結果的誤差,因此用微型光譜儀(stellar Net EPP2000 CXR-25)量測460~660 nm的鹵素燈(PHILIPS 6423FO)光譜來修正量測誤差,由修正誤差結果推得新型光譜儀架構的校正函數C(λ),將校正函數代入修正新型光譜儀再輸出量測結果。
微型光譜儀與經校正函數修正後的新型光譜儀將各別量測兩種LED光源光譜,並進行分析比較。量測數據顯示新型光譜儀與微型光譜儀分別量測兩種LED光源的所得光譜曲線貼合,光譜曲線在波長530 nm顯示最大差異值20%。由LED光源量測分析的結果可驗證本研究論文新型光譜儀之量測研究架構的可行性。

The novel spectrometer architecture was built by changing the position of the slit. In this study, the light source spectrum was split to different wavelengths by shift of slit and it was focused to the photodetector by lens. The output of the photodetector was conduct to the signal processing system for signal analysis.
There was a deviation in the result of the novel spectrometer measurement, which was caused by the response property of architectural components. The measurement deviation of the novel spectrometer was corrected with the measurement of halogen lamp (PHILIPS 6423FO) in 460~660 nm by micro spectrometer (stellar Net EPP2000 CXR-25). After the correction, there was a corrected function C(λ) applied for the novel spectrometer.
The comparison between two different spectral of the LEDs measurement of the corrected novel spectrometer and the micro spectrometer, which showed the similar curves of the optical spectrums. The maximum difference between the curves was about 20%, and the both maximum values of the spectrums were located near 530nm. In summary, the novel architecture spectrometer suggests the feasibility for the applications of the spectrometer.

目錄
明志科技大學碩士學位論文 口試委員會審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 論文架構 3
第二章 相關原理 4
2-1 波動光學 4
2-1-1 干涉原理 6
2-1-2 繞射原理 8
2-2 光譜儀相關原理 10
2-2-1 光譜儀的動作機制 10
2-2-2 影響光譜儀的參數 11
第三章 實驗架構與介紹 13
3-1 量測架構與流程圖 13
3-1-1 光源(Light source) 17
3-1-2 截波器(Chopper) 18
3-1-3 聚焦透鏡(Focus lens) 19
3-1-4 繞射光柵(Diffraction grating) 20
3-1-5 液晶狹縫 (Liquid slit) 21
3-2 光感測器-光二極體 25
3-2-1 p-n接面光二極體原理與構造 25
3-2-2 p-i-n接面光二極體 26
3-2-3 累崩光二極體(Avalanche photodiode, APD) 27
3-3 信號量測電路架構 29
3-3-1 信號量測電路圖 29
3-3-2 APD驅動電路 30
3-3-3 低通濾波器 33
3-3-4 AD620放大電路 37
3-3-5 帶通濾波器 40
3-3-6 整流電路 42
3-4 微型光譜儀 44
第四章 實驗量測結果與討論 45
4-1 鹵素燈光譜量測 45
4-1-1 鹵素燈-微型光譜儀量測 46
4-1-2 鹵素燈-新型光譜儀量測 47
4-1-3 量測結果與討論 48
4-2 校正函數 50
4-3 LED燈光譜量測 52
4-3-1 LED-微型光譜儀量測結果 52
4-3-2 LED-新型光譜儀量測結果 54
4-3-3 校正後的量測結果 55
4-4 CREE LED(XRE)光源光譜量測 58
4-4-1 CREE LED微型光譜儀量測結果 59
4-4-2 CREE LED新型光譜儀量測結果 60
4-4-3 CREE LED光源修正結果 62
第五章 結論 64
參考文獻 65

圖目錄
圖2.1雙狹縫實驗示意圖 6
圖2.2繞射示意圖 8
圖2.3 Huygens-Fresnel原理示意圖 9
圖2.4光譜儀架構示意圖 10
圖3.1光學量測架構圖 13
圖3.2量測電路架構方塊圖 14
圖3.3系統架設流程圖 16
圖3.4 LED驅動電路 18
圖3.5透鏡示意圖 19
圖3.6繞射光柵示意圖 20
圖3.7繞射圖案示意圖 21
圖3.8液晶面板架構示意圖 22
圖3.9液晶面板量測結果 22
圖3.10液晶狹縫實體圖 24
圖3.11 單一液晶狹縫量測結果 24
圖3.12 p-n接面光二極體架構圖 26
圖3.13 p-i-n接面光二極體架構圖 27
圖3.14累崩光二極體架構圖 27
圖3.15信號量測電路圖 29
圖3.16累崩光二極體接腳圖(a)與電路圖(b) 30
圖3.17累崩光二極體光譜響應曲線 31
圖3.18累崩光二極體460~660nm光譜響應曲線 31
圖3.19 APD驅動電路 32
圖3.20倍增因子(M)與外加電壓(V)關係曲線 32
圖3.21 APD輸出信號圖 33
圖3.22低通濾波器截止頻率示意圖 34
圖3.23主動式低通濾波器電路圖 34
圖3.24二階Sallen-Key型低通濾波器電路圖 35
圖3.25低通濾波器電路圖 37
圖3.26低通濾波器輸出信號圖 37
圖3.27 AD620接腳圖 38
圖3.28 AD620電路圖 38
圖3.29 LMC7660接腳圖 39
圖3.30 LMC7660內部電路圖 39
圖3.31 AD620放大電路輸出信號圖 40
圖3.32帶通濾波器電路方塊圖 40
圖3.33帶通濾波器截止頻率示意圖 41
圖3.34帶通濾波器電路圖 41
圖3.35帶通濾波器輸出信號圖 42
圖3.36整流器電路圖 43
圖3.37反相放大器輸出信號圖 43
圖3.38 整流電路輸出信號圖 44
圖3.39 stellar Net EPP2000 CXR-25微型光譜儀 44
圖4.1鹵素燈微型光譜儀量測結果 46
圖4.2鹵素燈460~660 nm微型光譜儀量測結果 47
圖4.3鹵素燈新型光譜儀量測結果 Mnh(λ) 48
圖4.4鹵素燈光源量測結果比較圖 48
圖4.5架構元件誤差函數D(λ) 51
圖4.6校正函數圖C(λ) 51
圖4.7 LED光源微型光譜儀量測結果MsL(λ) 53
圖4.8 LED光源微型光譜儀460~660 nm量測結果MsL(λ) 53
圖4.9 LED光源新型光譜儀量測結果MnL(λ) 54
圖4.10 LED光源量測比較結果 55
圖4.11 LED光源新型光譜儀量測校正結果McL(λ) 56
圖4.12 LED光譜量測比較結果 57
圖4.13 CREE LED 配光曲線圖 58
圖4.14 CREE LED 元件特性 58
圖4.15 CREE XR-E LED微型光譜儀量測結果Msc(λ) 59
圖4.16微型光譜儀MsL(λ)與MsC(λ)量測比較結果 59
圖4.17 CREE LED 460~660 nm微型光譜儀量測結果MsC(λ) 60
圖4.18 CREE LED 新型光譜儀量測結果MnC(λ) 61
圖4.19 CREE LED量測結果比較圖 61
圖4.20 CREE LED -量測修正結果 62
圖4.21 CREE LED 量測結果比較圖 63

表目錄
表2.1馬克斯威爾方程組符號說明 5
表2.2符號說明 7
表2.3解析力參數說明 11


參考文獻
[1]高崇文撰, “週期表背後的物理學家(二)光譜學家們, ”
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[15]ANALOG DEVICES “AD620”.
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[16]TEXAS INSTRUMENTS “LMC7660 Switched Capacitor Voltage Converter, “April. 2013.
[17]StellarNet, INC. “EPP2000-UVN-SR Super Range Spectrometer for 200-1100nm,”April. 2009.
https://www.stellarnet.us/epp2000-uvn-sr-sr-for-200-1100nm/[Accesed10 7 2020]
[18]PHILIPS, “Halogen reflector 6423FO,”April. 2020.
[19]CREE, “XLamp XR-E LED,” CREE, Inc.
[20]雙縫實驗
https://www.wikiwand.com/zh-tw/%E9%9B%99%E7%B8%AB%E5%AF%A6%E9%A9%97[Accesed10 7 2020]
[21]波動光學
http://www2.nsysu.edu.tw/physdemo-high/oldVersion/2012/17/17.htm[Accesed10 7 2020]
[22]帶通濾波器
http://www.tastones.com/zh-tw/tutorial/filters/active-band-pass/[Accesed10 7 2020]
[23]低通濾波器
https://www.wikiwand.com/zh-mo/%E4%BD%8E%E9%80%9A%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E5%99%A8[Accesed10 7 2020]

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