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时间:2018-11-12
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1、低成本光谱仪的研制 摘要:为了满足高校教学和人才培养的需求,便于系统的小型化、低成本,设计了低成本光谱仪的光学系统和机械结构,制作了低成本的光谱仪实物并完成了对仪器的性能测试。该光谱仪的工作波长为400~800nm,分辨率为20nm,仪器尺寸为200mm×120mm×80mm,成本控制在2000元以内。通过对仪器的测试,获得了六个光谱特征峰,验证了低成本光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。 关键词:光谱仪;光学设计;波长标定 中图分类号:O435文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1005-5630.2017.
2、02.014 文章编号:1005-5630(2017)02-0077-04 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
3、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400~800nm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20
4、0mm×120mm×80mm。 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 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
5、有物质信息的光进入到芯径为200μm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?V仪进行标定,图4为该光谱仪探测到的400~800nm汞灯光谱曲线,其特征谱线为445.2nm,531.7nm,632.8nm,732.8nm。该低成本光谱仪可以清晰分离汞灯光
6、谱中567.5nm和585.5nm两条谱线,即在波长为576.0nm处光谱分辨率为18nm,满足光谱分辨率为20nm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。 波长标定误差如表3所示。 波长拟合的最大误差为1.1nm,平均误差为0.8nm。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
7、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400~800nm,分辨率为20nm,波长拟合的最大误差为1.1nm,平均误差为0.8nm。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。 参考文献: [1]谢炜,裘燕青.一种微型光纤光谱仪的研制及其性
8、能测试[J].中国计量学院学报,2012,23(2):115119. [2]陶良瑛,安卫东.一种LED冷光源光学性能检测用光纤光谱仪的研制[J].分析仪器,2016(3):1618. [3]杜亮亮,杜学维,李朝阳,等.高光谱分辨率
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