低成本微型光谱仪的设计制作

李 震 宛如意 深圳市水务（集团）有限公司 518031

【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

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、CMOS（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，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。

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：

图1 微型光谱仪的系统结构

图2 摄像头模块实物照片

电子科技

Electronics Technology

002

电子制作

Color color1 = bmp1.GetPixel(i, bmp1. Size.Height / 2);

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());

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。

图3 光谱检测软件的流程图

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，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。

【参考文献】

[1] 董璐，沈怡超，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. 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

图4 软件界面

(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