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摘 要：本文提出了一种利用光盘与CCD技术制作低成本便携式光谱仪的方法。
关键词：便携式光谱仪；光盘；CCD
中图分类号：TH744.1
国外对便携式光谱仪的研究起步较早，目前已经出现许多商业化的便携式光谱仪。国内便携式光谱仪研究相对较晚，目前正在追赶国际先进水平。但是整体看来，便携式光谱仪造价非常昂贵，一般都达到几十万元人民币，不利于其应用。
根据光栅衍射的原理，光栅方程为dsinθ=jλ，入射光中包含几种不同的波长的复色光。除了零级以外，各级主最大的位置各部相同，因此将看到在衍射图样中有几组颜色不同的谱线分别对应不同的波长。通常在光栅光谱仪中，光栅的色分辨本领为P=Nλ，对于给定的某一级（j）光谱，波长相差Δλ的两谱线间
因此我们选择了光盘，光盘的刻道其实是一种反射光栅的应用。其刻道之间非常紧密，普通的光盘的轨道密度大约在1200/mm，与光谱光栅常数相近，满足制作低成本光谱仪的要求。用光盘作为光栅是反射光栅，所以经过试验选取了光盘与入射光的最适宜的角度便于反射出光。
（2）将光碟放在纸盒的中偏后部，且与狭缝平行，与纸盒表面成63度角（如下图）。（在切割光碟取样品时，不要将光碟的金属膜损坏）由于狭缝较窄，有可能入射光的光强不足，导致现象不明显或者无现象。因此，可以在狭缝前放一个半径较大的凸透镜，最好使狭缝位于该透镜的像方焦平面，效果最佳，使入射光线呈平行光进入到黑匣子中。示意图如图1所式。
与典型光栅方程：Sinα+Sinβ=10^（-6）knλ
将各个常数带入可得，当入射角为63°这样的光路设计可以使得CCD的分辨率得到最优化。实际空间设计，还需根据各光学零件位置是否相互干涉，反复计算，合理安排。
Private Sub Timer1_Timer（）
Capture
bc = Picture
If r < 0 Then r = 0
g = （bc ＼ 256） Mod 256
b = bc ＼ 256 ＼ 256
cc = Fix（（r + g + b） / 3）
If i = 434 Then
Picture
Picture
Next i
temp = Timer
Do While Timer - temp <= 1
DoEvents
Loop
Picture
图1 图2 图3
通过初步的处理，我们可以观察到钠黄光的谱线有两个峰值，这说明这种光谱仪的分辨率能达到基本的要求。
总的来说，我们做的光谱仪成本较低，而且方便携带。在某些特殊领域的应用中，光谱仪器外形尺寸的微型化比提高其光谱分辨率具有更加重要的作用。因此我们所做的光谱仪还是有一定的应用前景。
参考文献：
光学，姚启均.高等教育出版社，2001.
程梁.微型光谱仪系统的研究及其应用，2008.
[3]刘可滇.便携式拉曼光谱仪的设计，2009，4.
[4]蔡志坚，韦晓茹，吴建宏.便携式光谱仪的CCD智能检测器设计，2010，4.
[5]孔德国，解海龙.单色仪定标过程及定标曲线绘制与分析，2013，3.
作者单位：浙江师范大学，浙江金华 321004
关键词：便携式光谱仪；光盘；CCD
中图分类号：TH744.1
1 物理背景
光谱仪已经朝着小型化、便携化的方向迅速发展起来，使其摆脱了实验室的约束，进入到一些生产现场和在线测量中。早期光谱仪便携化只是通过制造手段将各个部件尺寸减小，制作成本高昂，没有从根本上达到结构简单化的目的。国外对便携式光谱仪的研究起步较早，目前已经出现许多商业化的便携式光谱仪。国内便携式光谱仪研究相对较晚，目前正在追赶国际先进水平。但是整体看来，便携式光谱仪造价非常昂贵，一般都达到几十万元人民币，不利于其应用。
2 工作原理
光谱仪中分光器件有棱镜和光栅二种，光栅与棱镜比较具有一系列优点。所以光栅在光谱仪中应用广泛。光栅的性能也就越好。这就对制作狭缝有很高的要求。例如，光栅刻划室温度保持在0.01-0.0313变化范围，刻划机工作台水平振动不超过1-3微米。制作光栅的成本因此变得极高。根据光栅衍射的原理，光栅方程为dsinθ=jλ，入射光中包含几种不同的波长的复色光。除了零级以外，各级主最大的位置各部相同，因此将看到在衍射图样中有几组颜色不同的谱线分别对应不同的波长。通常在光栅光谱仪中，光栅的色分辨本领为P=Nλ，对于给定的某一级（j）光谱，波长相差Δλ的两谱线间
摘自：硕士论文开题报告www.udooo.com
的Δθ反比于光栅常数d，即正比于光栅密度1/d.狭缝越密，光谱展得越开。因此我们选择了光盘，光盘的刻道其实是一种反射光栅的应用。其刻道之间非常紧密，普通的光盘的轨道密度大约在1200/mm，与光谱光栅常数相近，满足制作低成本光谱仪的要求。用光盘作为光栅是反射光栅，所以经过试验选取了光盘与入射光的最适宜的角度便于反射出光。
3 技术分析
3.1 制作的基本思路
（1）取一长方体匣子，并在前端开一平行于长方体表面狭缝，狭缝的宽度足够小。由于这样的狭缝相当细，因此，我们可以选取一较硬的薄片附加在纸盒缝上。（2）将光碟放在纸盒的中偏后部，且与狭缝平行，与纸盒表面成63度角（如下图）。（在切割光碟取样品时，不要将光碟的金属膜损坏）由于狭缝较窄，有可能入射光的光强不足，导致现象不明显或者无现象。因此，可以在狭缝前放一个半径较大的凸透镜，最好使狭缝位于该透镜的像方焦平面，效果最佳，使入射光线呈平行光进入到黑匣子中。示意图如图1所式。
3.2 光盘截片与入射角度的选取
利用Czerny-Turner设计方案。根据光栅线性分辨率公式：与典型光栅方程：Sinα+Sinβ=10^（-6）knλ
将各个常数带入可得，当入射角为63°这样的光路设计可以使得CCD的分辨率得到最优化。实际空间设计，还需根据各光学零件位置是否相互干涉，反复计算，合理安排。
3.3 光路设计原理
在光路设计的过程中，我们省略了准直镜与物镜等光学器件。而是直接用透镜和滤光片代替。这种方法省去了光路精细调节的麻烦，同时可以使光谱仪体积大幅度缩小。其中我们选取狭缝宽度为0.5mm，光栅采用反射光栅，即用光盘代替。光栅刻线1200G/mm，效率和分辨率都较好。CCD有效长度为25mm。（1045nm-795nm）/0.2nm=1250，水平像素1250以上可以满足要求。3.4 计算机处理及能达到的效果。
（1）以下是我们的图像处理编程的关键性语句（定时器编程）Private Sub Timer1_Timer（）
Capture
1.TakePictureToFile "f：＼abc.bmp"
Picture1.Picture = LoadPicture（"f：＼abc.bmp"）
For i = 434 To 615bc = Picture
1.Point（500， i）
r = bc Mod 256If r < 0 Then r = 0
g = （bc ＼ 256） Mod 256
b = bc ＼ 256 ＼ 256
cc = Fix（（r + g + b） / 3）
If i = 434 Then
Picture
2.PSet （i， cc）， vbRed
ElsePicture
2.Line -（i， cc）， vbRed
End IfNext i
temp = Timer
Do While Timer - temp <= 1
DoEvents
Loop
Picture
2.Cls
（2）以下是我们用vb模拟钠光的效果以及用白炽灯为光源用摄像机拍到的效果图1 图2 图3
通过初步的处理，我们可以观察到钠黄光的谱线有两个峰值，这说明这种光谱仪的分辨率能达到基本的要求。
总的来说，我们做的光谱仪成本较低，而且方便携带。在某些特殊领域的应用中，光谱仪器外形尺寸的微型化比提高其光谱分辨率具有更加重要的作用。因此我们所做的光谱仪还是有一定的应用前景。
4 应用前景
通过自制的便携简易光谱仪，能够达到基本光谱仪所需效果，可以通过此光谱仪测量各种样品的光谱，也可在此基础上改进成为激光拉曼光谱仪，使起具备更多功能。最重要的意义是此光谱仪制作工艺较以往的光谱仪简单很多，通过反射光栅的应用可以省去较多光路设计步骤，而且成本较低，对比几十万元的便携式光谱仪，它的成本具有绝对的优势，这使得光谱仪这种高端的仪器更容易实现在各个领域的推广。另外，此光谱仪的构造尚在初步设计阶段，可以达到较好的效果，具有较强的可塑性，在未来会有广阔的发展与应用前景。参考文献：
光学，姚启均.高等教育出版社，2001.
程梁.微型光谱仪系统的研究及其应用，2008.
[3]刘可滇.便携式拉曼光谱仪的设计，2009，4.
[4]蔡志坚，韦晓茹，吴建宏.便携式光谱仪的CCD智能检测器设计，2010，4.
[5]孔德国，解海龙.单色仪定标过程及定标曲线绘制与分析，2013，3.
作者单位：浙江师范大学，浙江金华 321004