低成本光谱仪的研制.pdf

第39卷第2期
光学仪器
Vol 39, No. 2
2017年4月
OPTICAL INSTRUMENTS
April, 2017
文章编号:1005-5630(2017)020077-04
低成本光谱仪的研制
高明,许黄蓉
(西安工业大学光电工程学院,陕西西安710021)
摘要:为了满足高校教学和人才培养的需求,便手系统的小型化、低成本,设计了低成本光谱仪
的光学系统和机槭结构,制作了低成本的光谱仪实物并完成了对仪器的性能测试。该光语仪的
工作波长为400~800nm,分辨率为20nm,仪器尺す为200mm×120mm×80mm,成本控制
在200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/.is1005-5630.2017.02.014
Development of low-cost spectrometer
GAO Ming, XU Huangrong
School of Optoelectronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China)
Abstract: In order to meet the requirement of teaching and personnel training and to facilitate
the miniaturization of the system and reduce cost, the optical system and mechanical structure
of a low-cost spectrometer are designed in this paper. The performance of the instrument is
tested. The low-cost spectrometer is developed. The working wavelength of the spectrometer
is 400-800 nm. The spectral resolution of spectrometer is 20 nm and the volume is 200 mmx
120 mm 80 mm. The cost of the spectrometer is less than 2 000 yuan. The six characteristic
peaks of the spectrometer are successfully measured by testing, which verifies the feasibility
and the rationality of the optical design of the low-cost spectrometer.
Keywords: spectrometer; optical design; wavelength calibration
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,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?。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
收稿白期:2016-10-26
甚金项目:陕西省教育厅重点实验室科学研究计划项目(14JS034)
作者简介:高明(1964-),男,教授,主要从事光学设计理论及技术、光电精密测试技术、光大气传输理论及技术的研究
E-mail:530959839(@q.com
万方数据
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光学仪器
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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。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?。
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200mm×120mmX80mm。
摄像头
光源和准「色
探测与
照明
直、散
系统
系统
系统
聚焦系统
接收
系统
图1低成本光谱仪的结构框图
图2低成本光谱仪实物图
Fig. 1 Block diagram of low cost spectrometer
Fig 2 Photo of low cost spectrometer
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
d(sinB+sin)=mm=0,士1,士2,
式中:0和0分别为入射角和衍射角;d为光栅常数;m为光谱级次;为光波长。
光谱仪分辨光谱的能力一般用光谱带宽λ来表示,根据仪器的线色散率和几何光学中物像关系,光
谱带宽λ可表示为
cost
mf
式中:a为入射狭缝的宽度;f1为准直物镜的焦距。
表1光栅参数
光栅刻线数N直接关系到光谱分辨率,刻线多光谱分辨率
Tab 1 Grating parameters
高,刻线少覆盖的光谱范围就宽。光栅能分辨的最小波长差,
参数名
数值
即光谱分辦率△可表示为?
光谱范围/nm
400~~800
d
dcost
使用级次
d
Nd cost MN
刻线密度/(lp?mm1)
200
光栅作为低成本光谱仪分光系统的核心元件,直接决定了
总刻线数
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
闪耀波长/mm
500
谱范围,计算出反射式光栅的参数如表1所示。
数据