低成本微型光譜儀

分辨率較低，但由于允許入射的光通量較大，可以在一定程度上提高光譜儀的檢測(cè)靈敏度。分光元件是光譜儀的核心器件。常見的分光元件有棱鏡和光柵兩種。棱鏡的分光原理是由于不同波長(zhǎng)的光線產(chǎn)生不同程度的折射從而在空間上區(qū)分開來。但是棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光線的折射率變化與波長(zhǎng)之間并不是線性關(guān)系，這使得在棱鏡分光之后的光譜譜線排列不是均勻的。采用光柵進(jìn)行分光可以得到排列比較均勻的光譜，這是由光柵方程d （sinα±sinβ）=mλ 所推斷出的結(jié)論。在光柵方程中，d 為光柵常數(shù)，α 和β 分別為入射角和衍射角，m 是光譜級(jí)次， λ 為光波長(zhǎng)。對(duì)于一級(jí)衍射光譜，當(dāng)衍射角不太大時(shí)，不同波長(zhǎng)的光譜線所分布的位置與波長(zhǎng)基本上成線性關(guān)系。因此，光柵分光后的光譜是隨波長(zhǎng)變化而均勻分布的。光譜的均勻排列特性可以使得光譜儀的校準(zhǔn)步驟更加簡(jiǎn)便。光電探測(cè)元件的作用是對(duì)分布在不同空間位置處的光譜譜線進(jìn)行接收并檢測(cè)其強(qiáng)度，最終光譜曲線的生成及顯示輸出可以借助計(jì)算機(jī)來完成。常見的成像式探測(cè)元件有CCD、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）等。根據(jù)感光單元的排列方式不同，CCD 又可以分為線陣CCD 和面陣CCD 兩大類。在光纖光譜儀中，線陣CCD 得到了廣泛應(yīng)用。與CCD 相比，CMOS 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，大量應(yīng)用于攝像頭模塊中。

根據(jù)光譜儀的組成原理，設(shè)計(jì)了一種微型光譜儀的低成本實(shí)現(xiàn)方案。圖1 所示為所設(shè)計(jì)的微型光譜儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。光線經(jīng)狹縫入射到準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直透鏡的作用是將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄狻９鈻殴潭ㄔ谝粋�(gè)直角棱鏡上，對(duì)射入的光線進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光線在空間上的區(qū)分。采用基于CMOS 芯片的攝像頭模塊作為光電探測(cè)元件，如圖2 所示。該攝像頭模塊具有500 萬像素，最大分辨率為2592×1944，并且具有自動(dòng)對(duì)焦功能，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)以獲得最清晰的光譜圖像。攝像頭模塊通過USB 接口連接到計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)上的軟件對(duì)獲取的光譜圖像進(jìn)行分析處理，最終可以得到待測(cè)光的光譜曲線。

2 軟件設(shè)計(jì)及編程

在攝像頭模塊所獲得的圖像中，光譜圖像并沒有充滿了整個(gè)畫面，而是只占據(jù)了圖像中的一部分。因此，需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，完成對(duì)光譜圖像邊界的界定，然后方可對(duì)光譜圖像進(jìn)行分析計(jì)算，作出光譜曲線圖。圖3 所示為所開發(fā)的光譜檢測(cè)軟件的流程圖。軟件程序需要首先對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行連接以及初始化操作，如果不能正常連接則應(yīng)對(duì)軟硬件進(jìn)行綜合檢查。當(dāng)成功連接攝像頭模塊之后，需要對(duì)攝像頭模塊的參數(shù)以及光譜圖像的范圍進(jìn)行設(shè)定，具體的參數(shù)可以通過多次的實(shí)驗(yàn)調(diào)試進(jìn)行確定。當(dāng)參數(shù)設(shè)定好之后，程序即可開始捕獲圖像，當(dāng)捕獲了待測(cè)光譜圖像之后，程序可以對(duì)光譜圖像進(jìn)行處理分析，從而計(jì)算出不同位置處光譜譜線的相對(duì)強(qiáng)度值，進(jìn)一步作出光譜曲線圖并顯示在軟件界面中。

本文中的軟件采用C# 語言進(jìn)行編寫。光強(qiáng)度的計(jì)算通過對(duì)像素點(diǎn)的RGB 值分析處理而實(shí)現(xiàn)。

i n t i n t e n s i t y = i n t . P a r s e ( c o l o r 1 . R.ToString()) + int.Parse(color1.G.ToString()) + int.Parse(color1.B.ToString());

圖4 所示為軟件界面。在軟件中所設(shè)定的光譜范圍為350nm~750nm。在軟件的設(shè)計(jì)過程中，還增加了光譜圖像保存以及光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，便于對(duì)光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)一步深入分析。

采用商用光纖光譜儀對(duì)所研制的微型光譜儀進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。采用一個(gè)紅光激光二極管作為標(biāo)定用的光源。該激光二極管的中心波長(zhǎng)約為655nm，激光譜線較窄， 具有較好的單色性。通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)， 對(duì)所研制的微型光譜儀進(jìn)行修正校準(zhǔn)，提高其檢測(cè)的準(zhǔn)確度。圖4 中所示的光譜曲線即為對(duì)上述激光二極管所發(fā)射光譜的檢測(cè)結(jié)果。

圖3 光譜檢測(cè)軟件的流程圖

3 光譜儀的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

采用標(biāo)定好的微型光譜儀進(jìn)行實(shí)際的光譜檢測(cè)。選用中心波長(zhǎng)約為520nm 的綠光LED 作為待測(cè)光源。分別采用商用光纖光譜儀以及所研制的微型光譜儀對(duì)該LED 的光譜進(jìn)行檢測(cè)，如圖5 所示。這里為了便于比較，利用所開發(fā)的光譜儀軟件中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，重新繪制了光譜曲線圖。從圖5 中可以看出，本文所設(shè)計(jì)的微型光譜儀可以取得較好的光譜檢測(cè)效果。

4 結(jié)論與展望

基于光柵分光系統(tǒng)與CMOS 攝像頭模塊，設(shè)計(jì)制作了一種便攜式的微型光譜儀，可以得到較好的光譜檢測(cè)效果。這種微型光譜儀成本低、體積小，可以應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)、食品檢測(cè)等需要用到光譜檢測(cè)的諸多領(lǐng)域。進(jìn)一步的小型化乃至芯片化是微型光譜儀發(fā)展的一個(gè)重要方向。芯片式光譜儀屬于科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域，即在一個(gè)很小的芯片上上實(shí)現(xiàn)光譜儀的相關(guān)功能，基于芯片式光譜儀進(jìn)而可以在芯片上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)分析等操作。但是芯片式光譜儀的設(shè)計(jì)制作卻相對(duì)復(fù)雜。本文所報(bào)道的微型光譜儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作的特點(diǎn)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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