高明+許黃蓉

摘要：為了滿足高校教學(xué)和人才培養(yǎng)的需求，便于系統(tǒng)的小型化、低成本，設(shè)計了低成本光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，制作了低成本的光譜儀實物并完成了對儀器的性能測試。該光譜儀的工作波長為400～800 nm，分辨率為20 nm，儀器尺寸為200 mm×120 mm×80 mm，成本控制在2 000元以內(nèi)。通過對儀器的測試，獲得了六個光譜特征峰，驗證了低成本光譜儀系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞： 光譜儀； 光學(xué)設(shè)計； 波長標(biāo)定

中圖分類號： O 435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.014

文章編號： 1005-5630（2017）02-0077-04

引 言

光譜儀在工業(yè)檢測、科學(xué)研究等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1-3]，但目前國內(nèi)關(guān)于光譜儀的設(shè)計制造技術(shù)與國外相比仍有較大差距，國內(nèi)的光譜儀主要是從國外進(jìn)口，國內(nèi)人員對該儀器的操作主要還處在使用和維護(hù)階段[4-5]。高等院校利用光譜儀開設(shè)相應(yīng)實驗課程，是解決學(xué)生學(xué)習(xí)中“理論多實踐少”的有效途徑之一。國內(nèi)部分高校已經(jīng)設(shè)立相應(yīng)的實驗課程，為那些對光譜儀感興趣的學(xué)生提供一個學(xué)習(xí)和實驗研究的平臺，幫助他們熟悉和掌握關(guān)于光譜儀所需的軟硬件知識，同時也有助于提高光譜學(xué)的教學(xué)質(zhì)量[6-8]。因此為滿足高校教學(xué)和人才培養(yǎng)的需求，研制了低成本微型化光譜儀，該系統(tǒng)主要測量400～800 nm可見光范圍內(nèi)光譜，與紅外光源不同，在測量的過程中需要較低的移動速度和較高的采樣率[9]。

1 低成本光譜儀組成

低成本光譜儀主要由光源和照明系統(tǒng)、色散系統(tǒng)以及探測接收系統(tǒng)組成，不同類型的光譜儀，由于其工作原理不同，組成部分也有所不同。對于低成本光譜儀而言，除以上幾個部分外，還包括了準(zhǔn)直系統(tǒng)和聚焦成像系統(tǒng)，其中聚焦和探測系統(tǒng)以一個攝像頭替代，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。研制的低成本光柵光譜儀外部結(jié)構(gòu)如圖2所示，儀器尺寸為200 mm×120 mm×80 mm。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光柵參數(shù)設(shè)計

光柵是光譜儀的色散元件，不僅決定了光譜儀工作波段，而且直接影響系統(tǒng)的光譜分辨率。光柵的選擇要根據(jù)光譜儀的工作波段確定，并且在設(shè)計要求的光譜分辨率下，選擇合適的光柵常數(shù)。光柵方程為

光柵作為低成本光譜儀分光系統(tǒng)的核心元件，直接決定了低成本光譜儀的儀器性能和尺寸。根據(jù)光譜儀的分辨率和光譜范圍，計算出反射式光柵的參數(shù)如表1所示。

2.2 光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計

低成本光譜儀的光學(xué)成像系統(tǒng)如圖3所示。主要構(gòu)件有SMA905光纖接口、狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、攝像頭。所測量的含有物質(zhì)信息的光進(jìn)入到芯徑為200 μm的光纖中，出射端連在光譜儀外框的SMA905光纖接頭上，經(jīng)耦合的光束從狹縫進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，再由準(zhǔn)直透鏡A準(zhǔn)直成平行光，平行光經(jīng)光柵G衍射分光，最后投射到攝像頭。將不同波長的光匯聚在攝像頭中CMOS芯片的不同位置，CMOS芯片將探測到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栠M(jìn)行處理和分析。

3 譜線標(biāo)定及誤差分析

利用低壓汞燈對研制的低成本光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，圖4為該光譜儀探測到的400～800 nm汞燈光譜曲線，其特征譜線為445.2 nm，531.7 nm，632.8 nm，732.8 nm。該低成本光譜儀可以清晰分離汞燈光譜中567.5 nm和585.5 nm兩條譜線，即在波長為576.0nm處光譜分辨率為18 nm，滿足光譜分辨率為20 nm的設(shè)計要求。

本實驗以汞燈為光源，將光源耦合進(jìn)入一個光纖內(nèi)，對光譜進(jìn)行標(biāo)定，測量各個波長所對應(yīng)的像元位置，對各波長重復(fù)測量十次，記錄CMOS探測器探測到的像元位置，并對其求平均值，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

波長標(biāo)定誤差如表3所示。

波長擬合的最大誤差為1.1 nm，平均誤差為0.8 nm。由此可以看出，使用最小二乘法擬合后波長和像元位置的相關(guān)程度也非常高，完全可以實現(xiàn)對光譜儀的合理高效標(biāo)定。在實際應(yīng)用中，若要提高某光譜區(qū)域的波長定標(biāo)精度，可以在這區(qū)域內(nèi)增加用于波長定標(biāo)的譜線個數(shù)，同時降低其他區(qū)域內(nèi)用于定標(biāo)的特征譜線個數(shù)。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了一種以攝像頭替代會聚透鏡和探測器的光譜儀，該光譜儀具有體積小、成本低、攜帶方便等優(yōu)點，在教學(xué)方面有很大的應(yīng)用價值。實驗結(jié)果表明，研制的低成本微型化光譜儀的性能達(dá)到了設(shè)計要求，其光譜測量范圍為400～800 nm，分辨率為20 nm，波長擬合的最大誤差為1.1 nm，平均誤差為0.8 nm。本文研制的光譜儀成本較低，但是儀器的分辨率還有待進(jìn)一步提高。

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（編輯：劉鐵英）