引言

光谱仪在工业检测、科学研究等领域已经得到广泛的应用^[1-3], 但目前国内关于光谱仪的设计制造技术与国外相比仍有较大差距, 国内的光谱仪主要是从国外进口, 国内人员对该仪器的操作主要还处在使用和维护阶段^[4-5]。高等院校利用光谱仪开设相应实验课程, 是解决学生学习中“理论多实践少”的有效途径之一。国内部分高校已经设立相应的实验课程, 为那些对光谱仪感兴趣的学生提供一个学习和实验研究的平台, 帮助他们熟悉和掌握关于光谱仪所需的软硬件知识, 同时也有助于提高光谱学的教学质量^[6-8]。因此为满足高校教学和人才培养的需求, 研制了低成本微型化光谱仪, 该系统主要测量400~800 nm可见光范围内光谱, 与红外光源不同, 在测量的过程中需要较低的移动速度和较高的采样率^[9]。

1 低成本光谱仪组成

低成本光谱仪主要由光源和照明系统、色散系统以及探测接收系统组成, 不同类型的光谱仪, 由于其工作原理不同, 组成部分也有所不同。对于低成本光谱仪而言, 除以上几个部分外, 还包括了准直系统和聚焦成像系统, 其中聚焦和探测系统以一个摄像头替代, 结构框图如图 1所示。研制的低成本光栅光谱仪外部结构如图 2所示, 仪器尺寸为200 mm×120 mm×80 mm。

2 光学系统设计 2.1 光栅参数设计

光栅是光谱仪的色散元件, 不仅决定了光谱仪工作波段, 而且直接影响系统的光谱分辨率。光栅的选择要根据光谱仪的工作波段确定, 并且在设计要求的光谱分辨率下, 选择合适的光栅常数。光栅方程为

(1)

式中:θ和θ′分别为入射角和衍射角; d为光栅常数; m为光谱级次; λ为光波长。

光谱仪分辨光谱的能力一般用光谱带宽δλ来表示, 根据仪器的线色散率和几何光学中物像关系, 光谱带宽δλ可表示为

(2)

式中:a为入射狭缝的宽度; f₁为准直物镜的焦距。

光栅刻线数N直接关系到光谱分辨率, 刻线多光谱分辨率高, 刻线少覆盖的光谱范围就宽。光栅能分辨的最小波长差, 即光谱分辨率Δλ可表示为^[10]

(3)

光栅作为低成本光谱仪分光系统的核心元件, 直接决定了低成本光谱仪的仪器性能和尺寸。根据光谱仪的分辨率和光谱范围, 计算出反射式光栅的参数如表 1所示。

2.2 光学成像系统设计

低成本光谱仪的光学成像系统如图 3所示。主要构件有SMA905光纤接口、狭缝、准直镜、光栅、摄像头。所测量的含有物质信息的光进入到芯径为200 μm的光纤中, 出射端连在光谱仪外框的SMA905光纤接头上, 经耦合的光束从狭缝进入光学系统, 再由准直透镜A准直成平行光, 平行光经光栅G衍射分光, 最后投射到摄像头。将不同波长的光汇聚在摄像头中CMOS芯片的不同位置, CMOS芯片将探测到的光信号转变为电压信号进行处理和分析。

3 谱线标定及误差分析

利用低压汞灯对研制的低成本光谱仪进行标定, 图 4为该光谱仪探测到的400~800 nm汞灯光谱曲线, 其特征谱线为445.2 nm, 531.7 nm, 632.8 nm, 732.8 nm。该低成本光谱仪可以清晰分离汞灯光谱中567.5 nm和585.5 nm两条谱线, 即在波长为576.0nm处光谱分辨率为18 nm, 满足光谱分辨率为20 nm的设计要求。

本实验以汞灯为光源, 将光源耦合进入一个光纤内, 对光谱进行标定, 测量各个波长所对应的像元位置, 对各波长重复测量十次, 记录CMOS探测器探测到的像元位置, 并对其求平均值, 得到的数据如表 2所示。

使用最小二乘法对所测数据进行三次多项式拟合, 得到波长与像元位置的关系为

(4)

波长标定误差如表 3所示。

波长拟合的最大误差为1.1 nm, 平均误差为0.8 nm。由此可以看出, 使用最小二乘法拟合后波长和像元位置的相关程度也非常高, 完全可以实现对光谱仪的合理高效标定。在实际应用中, 若要提高某光谱区域的波长定标精度, 可以在这区域内增加用于波长定标的谱线个数, 同时降低其他区域内用于定标的特征谱线个数。

4 结论

本文构建了一种以摄像头替代会聚透镜和探测器的光谱仪, 该光谱仪具有体积小、成本低、携带方便等优点, 在教学方面有很大的应用价值。实验结果表明, 研制的低成本微型化光谱仪的性能达到了设计要求, 其光谱测量范围为400~800 nm, 分辨率为20 nm, 波长拟合的最大误差为1.1 nm, 平均误差为0.8 nm。本文研制的光谱仪成本较低, 但是仪器的分辨率还有待进一步提高。