低成本微型光谱仪的设计制作.docx
种微型光谱仪的低成本实现方案。图 1 所示为所设计的微型光谱仪的系统结构图。光线经狭缝入射到准直透镜，准直透镜的 作用是将入射光转变为平行光。光栅固定种微型光谱仪的低成本实现方案。图 1 所示为所设计的微型光谱仪的系统结构图。光线经狭缝入射到准直透镜，准直透镜的 作用是将入射光转变为平行光。光栅固定 在一个直角棱镜上商务信息网mobile移动站，对射入的光线进行 分光，实现不同波长的光线在空间上的 区 分。采用基于 CMOS 芯片的摄像头模 块作为光电探测元件，如图 2 所示。该摄 像头模块具有 500 万像素，最大分辨率为2592×1944，并 且 具 有 自 动 对 焦 功 能，可 以自动调节以获得最清晰的光谱图像。摄 像头模块通过 USB 接口连接到计算机，通 过计算机上的软件对获取的光谱图像进 行分析处理，最终可以得到待测光的光谱 曲线。的设计制作李 震 宛如意深圳市水务（集团）有限公司 518031分辨率较低，但由于允许入射的光通量较大，可以在一定程度上提高光谱仪的检 测灵敏度。分光元件是光谱仪的核心器 件。常见的分光元件有棱镜和光栅两种。 棱镜的分光原理是由于不同波长的光线 产生不同程度的折射从而在空间上区分 开来。
但是棱镜对不同波长光线的折射 率变化与波长之间并不是线性关系，这 使得在棱镜分光之后的光谱谱线排列不 是均匀的。采用光栅进行分光可以得到 排列比较均匀的光谱，这是由光栅方程 d（sinα±sinβ）=mλ 所 推 断 出 的 结 论。 在光栅方程中，d 为光栅常数，α 和 β 分别为入射角和衍射角，m 是光谱级次， λ 为光波长。对于一级衍射光谱，当衍射 角不太大时，不同波长的光谱线所分布的 位置与波长基本上成线性关系。因此光谱仪器设计，光 栅分光后的光谱是随波长变化而均匀分 布的。光谱的均匀排列特性可以使得光谱 仪的校准步骤更加简便。光电探测元件的 作用是对分布在不同空间位置处的光谱 谱线进行接收并检测其强度，最终光谱 曲线的生成及显示输出可以借助计算机 来完成。常见的成像式探测元件有 CCD、 CMO（S 互补金属氧化物半导体）等。根据 感光单元的排列方式不同，CCD 又可以 分为线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类。在光 纤光谱仪中，线阵 CCD 得到了广泛应用。 与 CCD 相比，CMOS 结构相对简单，生产 成本较低，大量应用于摄像头模块中。根据光谱仪的组成原理，设计了一 2 软件设计及编程在摄像头模块所获得的图像中，光谱图像并没有充满了整个画面，而是只占据 了图像中的一部分。
因此，需要对图像进 行处理，完成对光谱图像边界的界定，然 后方可对光谱图像进行分析计算，作出光 谱曲线图。图 3 所示为所开发的光谱检测 软件的流程图。软件程序需要首先对摄像 头模块进行连接以及初始化操作，如果不 能正常连接则应对软硬件进行综合检查。 当成功连接摄像头模块之后，需要对摄像 头模块的参数以及光谱图像的范围进行 设定，具体的参数可以通过多次的实验调 试进行确定。当参数设定好之后，程序即 可开始捕获图像，当捕获了待测光谱图像 之后，程序可以对光谱图像进行处理分 析，从而计算出不同位置处光谱谱线的相 对强度值，进一步作出光谱曲线图并显示 在软件界面中。本文中的软件采用 C# 语言进行编写。 光强度的计算通过对像素点的 RGB 值分 析处理而实现。涉及到的计算代码如下 ：0 引言光谱仪是一种可以将复色光分解为单色光的光学仪器，广泛应用于生物医 学、化工、天文、食品及环境检测等领域。 传统的光谱仪是一种大型、贵重的实验室 仪器。随着光谱检测现场化、便携化需求 的日益增加，光谱仪的微型化目前已成为 一个重要的发展方向。光纤光谱仪是一种 微型化的光谱仪器，它采用光纤进行光信 号的传导，具有模块化程度高、结构紧凑、 检测精度高、体积小等特点。
光纤光谱仪 的上述特点使得它可以应用于现场检测。 但是它使用线阵 CCD（电荷耦合器件）作 为光电探测器件，光路设计相对复杂、加 工制作难度较大，这也导致了光纤光谱仪 的成本较高，在一定程度上限制了光谱检 测技术的应用与普及。在对检测精度要求 不是很高的情况下，可以采用摄像头模块 对光谱图像进行探测，再通过软件图像处 理的方式获得待测的光谱数据。本文提出 一种基于摄像头模块的微型光谱仪设计 实现方案，具有成本低、体积小等特点，并 且可以达到较好的光谱检测效果。1 设计原理与实现方案微型光谱仪的设计主要包括入射狭缝、分光元件和光电探测元件等。入射狭 缝一方面决定了入射到光谱仪内部的光 通量，另一方面又影响着光谱仪的分辨 率。较窄的狭缝可以提高光谱仪的分辨 率，但是允许射入的光通量较小 ；在其它 参数不变的情况下，较宽的狭缝所对应的图 1 微型光谱仪的系统结构图 2 摄像头模块实物照片电子制作001【文章摘要】本文分析了微型光谱仪的发展现 状与系统结构，设计了一种基于 CMOS 摄像头模块的微型光谱仪。给出了该 微型光谱仪的实现方案，描述了光谱 仪的软件流程，利用激光二极管对光 谱仪进行了校准。
采用所研制的微型 光谱仪对绿光 LED 进行了光谱测量实 验，取得了较好的检测效果。该微型光 谱仪具有成本低、体积小等特点，应用 前景广阔。【关键词】微型光谱仪 ；设计 ；制作Color color1 = bmp1.(i, bmp1.Size.Height / 2);int color1 = bmp1.(i, bmp1.Size.Height / 2);int = int.P arse(color1. R.()) + int.Parse(color1.G.())+ int.Parse(color1.B.());图 4 所示为软件界面。在软件中所设 定的光谱范围为 350nm~750nm。在软件的 设计过程中，还增加了光谱图像保存以及 光谱数据导出等功能，便于对光谱数据的 进一步深入分析。采用商用光纤光谱仪对所研制的微 型光谱仪进行标定实验。采用一个红光激 光二极管作为标定用的光源。该激光二极 管的中心波长约为 655nm，激光谱线较窄， 具有较好的单色性。
通过调整相关参数， 对所研制的微型光谱仪进行修正校准，提 高其检测的准确度。图 4 中所示的光谱曲 线即为对上述激光二极管所发射光谱的 检测结果。微型光谱仪成本低、体积小，可以应用于水质检测、食品检测等需要用到光谱检测 的诸多领域。进一步的小型化乃至芯片化 是微型光谱仪发展的一个重要方向。芯片 式光谱仪属于科学研究的热门领域，即在 一个很小的芯片上上实现光谱仪的相关 功能，基于芯片式光谱仪进而可以在芯片 上实现检测分析等操作。但是芯片式光谱 仪的设计制作却相对复杂。本文所报道的 微型光谱仪具有结构简单、容易制作的特 点，具有较好的实际应用价值。图 3 光谱检测软件的流程图图 4 软件界面3 光谱仪的应用实验采用标定好的微型光谱仪进行实际的光谱检测。选用中心波长约为 520nm 的 绿光 LED 作为待测光源。分别采用商用光 纤光谱仪以及所研制的微型光谱仪对该 LED 的光谱进行检测，如图 5 所示。这里 为了便于比较，利用所开发的光谱仪软件 中的数据导出功能光谱仪器设计，重新绘制了光谱曲线 图。从图 5 中可以看出，本文所设计的微 型光谱仪可以取得较好的光谱检测效果。4 结论与展望基于光栅分光系统与 CMOS 摄像头 模块，设计制作了一种便携式的微型光谱 仪，可以得到较好的光谱检测效果。
这种(a)(a) 采用商用光纤光谱仪检测 ；(b)(b) 采用本文设计的光谱仪检测图 5 绿光 LED 的光谱检测曲线图002电子制作【参考文献】[1] 董璐，沈怡超1688批发网，一种低成本便携式 光谱仪的设计，计算机光盘软件与 应用，2013 年 13 期[2]Hojeong Yu,Yafang Tan,Brian T.，copy低成本微型光谱仪的设计制作.docx，Anal.Chem.2014,86,8805-8813[3]Xiao Ma,Jianjun He,Mingyu Li.Echelle d if f raction grating based high- -on-chip on SiON , 中国光学快 报 ,2013,11(3):032501【作者简介】李 震（1986 －），男，机械 电 子工 程专 业博士后，光学工程专业博士，目前 主要从事水质光学检测技术方面的 研究。通讯作者 ：宛如意电子科技
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