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。但是棱鏡對不同波長光線的折射率變化與波長之間并不是線性關系，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 是光譜級次， λ 為光波長。對于一級衍射光譜，當衍射角不太大時，不同波長的光譜線所分布的位置與波長基本上成線性關系。因此，光柵分光后的光譜是隨波長變化而均勻分布的。光譜的均勻排列特性可以使得光譜儀的校準步驟更加簡便。光電探測元件的作用是對分布在不同空間位置處的光譜譜線進行接收并檢測其強度，最終光譜曲線的生成及顯示輸出可以借助計算機來完成。常見的成像式探測元件有CCD、CMOS（互補金屬氧化物半導體）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 得到了廣泛應用。與CCD 相比，CMOS 結構相對簡單，生產(chǎn)成本較低，大量應用于攝像頭模塊中。

根據(jù)光譜儀的組成原理，設計了一種微型光譜儀的低成本實現(xiàn)方案。圖1 所示為所設計的微型光譜儀的系統(tǒng)結構圖。光線經(jīng)狹縫入射到準直透鏡，準直透鏡的作用是將入射光轉變?yōu)槠叫泄狻９鈻殴潭ㄔ谝粋�直角棱鏡上，對射入的光線進行分光，實現(xiàn)不同波長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，并且具有自動對焦功能，可以自動調(diào)節(jié)以獲得最清晰的光譜圖像。攝像頭模塊通過USB 接口連接到計算機，通過計算機上的軟件對獲取的光譜圖像進行分析處理，最終可以得到待測光的光譜曲線。

2 軟件設計及編程

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畫面，而是只占據(jù)了圖像中的一部分。因此，需要對圖像進行處理，完成對光譜圖像邊界的界定，然后方可對光譜圖像進行分析計算，作出光譜曲線圖。圖3 所示為所開發(fā)的光譜檢測軟件的流程圖。軟件程序需要首先對攝像頭模塊進行連接以及初始化操作，如果不能正常連接則應對軟硬件進行綜合檢查。當成功連接攝像頭模塊之后，需要對攝像頭模塊的參數(shù)以及光譜圖像的范圍進行設定，具體的參數(shù)可以通過多次的實驗調(diào)試進行確定。當參數(shù)設定好之后，程序即可開始捕獲圖像，當捕獲了待測光譜圖像之后，程序可以對光譜圖像進行處理分析，從而計算出不同位置處光譜譜線的相對強度值，進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# 語言進行編寫。光強度的計算通過對像素點的RGB 值分析處理而實現(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。在軟件中所設定的光譜范圍為350nm~750nm。在軟件的設計過程中，還增加了光譜圖像保存以及光譜數(shù)據(jù)導出等功能，便于對光譜數(shù)據(jù)的進一步深入分析。

采用商用光纖光譜儀對所研制的微型光譜儀進行標定實驗。采用一個紅光激光二極管作為標定用的光源。該激光二極管的中心波長約為655nm，激光譜線較窄， 具有較好的單色性。通過調(diào)整相關參數(shù)， 對所研制的微型光譜儀進行修正校準，提高其檢測的準確度。圖4 中所示的光譜曲線即為對上述激光二極管所發(fā)射光譜的檢測結果。

圖3 光譜檢測軟件的流程圖

3 光譜儀的應用實驗

采用標定好的微型光譜儀進行實際的光譜檢測。選用中心波長約為520nm 的綠光LED 作為待測光源。分別采用商用光纖光譜儀以及所研制的微型光譜儀對該LED 的光譜進行檢測，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，本文所設計的微型光譜儀可以取得較好的光譜檢測效果。

4 結論與展望

基于光柵分光系統(tǒng)與CMOS 攝像頭模塊，設計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效果。這種微型光譜儀成本低、體積小，可以應用于水質(zhì)檢測、食品檢測等需要用到光譜檢測的諸多領域。進一步的小型化乃至芯片化是微型光譜儀發(fā)展的一個重要方向。芯片式光譜儀屬于科學研究的熱門領域，即在一個很小的芯片上上實現(xiàn)光譜儀的相關功能，基于芯片式光譜儀進而可以在芯片上實現(xiàn)檢測分析等操作。但是芯片式光譜儀的設計制作卻相對復雜。本文所報道的微型光譜儀具有結構簡單、容易制作的特點，具有較好的實際應用價值。

【參考文獻】

[1] 董璐，沈怡超，一種低成本便攜式光譜儀的設計，計算機光盤軟件與應用，2013 年13 期

[2]Hojeong Yu,Yafang Tan,Brian T. Cunningham，Smartphone Fluorescence Spectroscopy，Anal.Chem.2014,86, 8805-8813

[3]Xiao Ma,Jianjun He,Mingyu Li.Echelle dif fraction grating based high-resolution spectrometer-on-chip on SiON waveguide platform, 中國光學快報,2013,11(3):032501