高明+许黄蓉

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400～800 nm，分辨率为20 nm，仪器尺寸为200 mm×120 mm×80 mm，成本控制在2 000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： O 435 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.014

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

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譜仪进行标定，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。

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。

参考文献：

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（编辑：刘铁英）