学 校：闵行中学
班 级：高二（9）班
课题组成员：张幼凡
指 导 老 师：苏宇彤
1.绪论
1.1引言
1.2课题研究背景与意义
1.3研究进展及现状
2.光谱仪基本理论
2.1光谱分析基本原理
2.2.光谱仪原理
3.光谱仪硬件设计
3.1.光谱仪硬件总体方案
3.2.系统驱动
3.3.采集信号设计
3.4.PCB电路抗干扰设计
4.光谱仪系统调试
4.1光谱仪摄像头调试
4.2.光谱仪防眩调试
4.3.光谱仪外壳调试
5.小结
绪论
引言
光谱仪又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。
课题研究背景与意义
选择性必修一的物理书中讲述了关于光的反射与衍射，我对此产生了很大的兴趣，在指导老师的帮助下，我接触到了光谱仪这一设备，但如今市面上的光谱仪大多在十几万左右，对于中学生来说过于昂贵，于是我尝试自己制作低成本的光谱仪，本文所做的光谱仪精 度 和 分 辨 率 约 为 1 纳 米 。 有 足 够 的 功 能 供 一 个 小 实 验 室 进 行 教 学
研究进展及现状
根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器[1]是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光.
根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理, 存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测.
光谱仪理论
光谱分析的基本原理
任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。
能量最低的能级状态称为基态能级(E0=0)，其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。
如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态。原来提供能量的光经分光后谱线中缺少了一些特征光谱线，因而产生原子吸收光谱。
电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。
光谱仪的基本理论
光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。
图片图中所示是三棱镜色谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S， S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。
表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪(如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪)具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。
光谱仪硬件设计
3.1硬件总体方案
用 十 几 件 全 部 都 得 到 了 精 度 和 分 辨 率 约 为 1 纳 米 。 有 足 够 的 功 能 供 一 个 小 实 验 室 进 行 教 学 ， 也适用于一些预算有限的科学研究。
材料使用 木板，螺丝，摄像头，光栅，洗发水瓶，卡纸等材料。
首先，切割木板，使用车床可以是切出的木板大小一致且光滑平整，有利于后期组装，切出六块木板需能够组成一长方形容器.如下图所示。
给木板喷上黑漆，以减少反射
然后需要处理摄像头，将摄像头拆开，拆出带有PCB的摄像头，剪断通往麦克风的两根小电线，或者反复弯曲，靠近 PCB，直到它们在底部断裂。如果按钮端子连接到 PCB 上，用小剪刀或剪刀在底部切割。代替按钮的是一个支架，支架上有一个方便连接相机的孔。在木头和金属支架之间放一个垫圈，这样即使螺丝拧紧了，也能使网络摄像头的旋转更柔和。用耳片固定电缆。
去除摄像头上的红外滤光片：为了测量红外光(大约从 750 纳米到 1000 纳米)，有必要移除位于镜头后部的 IR 滤光片。并不是所有的相机都有可以拆卸的 IR 滤光片有 时 滤 光 片是 弯 曲的 ， 构 成了 镜 头 的一 部 分镜头，在这些情况下，网络摄像头是不合适的。然后在你修改网络摄像头之前，检查他的背部目标。如果滤镜是平的，方形的，并且粘在两边，那么你应该可以把它取下来。这并不容易，因为过滤器粘有很强的脂。一些作者写道，变暖是最好的办法， 但 变 暖 也 不 会 带 来 太 大 变 化， 需要用力，才能打破玻璃的过滤器。
镜头对焦:在容器的一侧拧一个支架“L”，长部分突出在镜头前面，光栅粘在“L”的尖端。这样就可以旋转镜头对焦，使光栅保持在同一位置。
防眩光隔膜 即使涂得很好的哑光黑色，即使涂上黑纸，光谱仪的内壁也会受到反射光线的非常轻的污迹的影响。这个光圈，如果做得好，尺寸正好，可以完全消除眩光。从 10 毫米厚的条开始，切一块 50 毫米高、30 毫米宽的(如果你造的是更大的容器，也可以更宽)挖一个高 25 毫米、宽 15 毫米的矩形洞。要做到这一点，你先用钻头在洞里打很多洞，然后把洞连起来，然后用平锉把墙拉直。为了获得最佳效果，孔应该是沉孔(从相机扩展)，以便向入口呈现锋利的边缘。这样入射光就不会打在矩形孔的内壁上，也不会产生反射。更好的办法是把洞做得比必要的大得多(30 x 20 毫米)，然后用黑色卡纸把它拧紧，用美工刀切割，用两个图钉固定顶部和底部null为了完全消除反射，孔应该尽可能地更宽、更高。由于透镜相对于入口槽的高度会因建筑而异，所以找到理想尺寸的最佳方法是放强光并尝试用黑色纸板，在多大程度上可以收紧孔的四面墙，膜片的一个好位置大约是容器的三分之一，更接近房间的入口狭缝。如果 隔膜宽度是准确的，你可以很容易地插入和删除在不同的位置，并尝试改变大小的黑卡。
进光槽：测量明亮光源时，最好使用窄缝。但要测量非常微弱的光源，就必须拉大缝隙，牺牲分辨率。对于 30 厘米长的光谱仪，先从 3 毫米的狭缝开始(光谱仪每 10 厘米长 1 毫米)。用一张黑色的卡纸或塑料，就得到了一个非常好用简单的膜片来调节狭缝的厚度。拧盖子的时候，要给隔膜留出合适的空间。隔膜应该在顶部和底部轻松滑动。
制作漫射器：屏幕的作用是防止光线直接进入黑房间，并在里面引起反射。对于某些光源，如 led 和激光，屏幕是绝对必要的，但在其他情况下，最好将其移除。如果没有漫射器，光谱仪就会非常有方向性，这对于测量颜色区域很有用。例如，观察天空不同区域之间的颜色差异。屏幕是由一个装有洗发水或沐浴露的容器制成的。选择大罐，前后宽而平，用好的塑料蛋白石制成，白色，薄而轻。罐子只是蛋白石聚丙烯的运气，漫射光线很好，不会变暗，可能要尝试不同的品牌才能找到最好的，塑料的更薄更亮。首先，你需要去掉标签。将容器装满热水以软化粘合剂。抬起标签一侧的塑料，慢慢拉，不留下胶水。如果不能，换一个罐子，找一个标签更容易去除的。从罐子的平坦部分切下一个大矩形。然后用剪刀逐步完善它，用钳子弯曲，直到你得到一个屏幕，在光谱仪的两侧剪去。
3.2系统驱动
在摄像头后方的木板钻洞，使摄像头的电线伸出，连接电源，以及连接电脑，向狭缝照射光源，通过电脑上的软件显示出光谱。
3.3采集信号设计
网 络 摄 像 头 ， 分 辨 率 为 640 x 480nu ll重 要 的 是 ， 它 们 很 小 ， 很 容 易 安 装 在 印 刷 电 路 板 上 nu ll可以解决的。其他基本特点是 : 红外滤光片平整，易于拆卸，控制曝光和 nu ll灵 敏 度 手 动 操 作 ， 工 作 良 好 。 总 的 来 说 ， 信 托 有 这 些 特 点 。 如 果 网 络 摄 像 头 不 是 WB-62 50X ， 检 查 你 是 否 可 以 取 下 IR 滤 镜 ， 以 及 相 机 是 否 有 良 好 的 手 动 曝 光 功 能 控制，之前要对其进行修改。
为了测量红外光(大约从 750 纳米到 1000 纳米)，有必要移除位于镜头后部的 IR 滤光片。并不是所有的相机都有可以拆卸的 IR 滤光片。有 时 滤 光 片是 弯 曲的 ， 构 成了 镜 头 的一 部 分 镜头，在这些情况下，网络摄像头是不合适的。然后在你修改网络摄像头之前，检查他的背部目标。如果滤镜是平的，方形的，并且粘在两边，那么可以把它取下来。这并不容易，因为过滤器粘有很强的树脂。变暖是最好的办法，但 变 暖也不会带来太大变化， 需要用力，才能打破玻璃的过滤器。
3.4.PCB电路抗干扰设计
剪断通往麦克风的两根小电线，或者反复弯曲，靠 近 PCB，直到它们在底部断裂。 用放大镜检查是否有剩余的导线位可以与相邻的 轨道接触。 也要去掉 led，不焊接，折断，或者用剪子剪断， 否则它发出的光会妨碍做好的光谱。 用螺丝刀找到按钮，抬起固定按钮的两个金属标签。 将按钮折叠几次以断开其端子，尽可能靠近 PCB。
光谱仪系统调试
光谱仪摄像头调试
将摄像头拧到较厚的侧壁上。尽量往下靠左边，但 留出十度转弯的空间在 顶 部 和底部。
光的进光槽必须是水平的，并且在镜头尖端的高度上或多或少。30 度的倾斜度在分辨率和光收集量之间提供了一个很好的折中，但也可以尝试不同的角度。通过减小角度，分辨率会增加，线会向左移动，光强会降低，反之会增加。根据相机的光敏度、物镜的焦距、像素数、网格中的行数(CD、DVD 或网络 500 或 1000 行)以及你想要获得的分辨率，你可能会选择一个不同于这 30 度的角度。根据经验，角度从 20 度到 45 度不等。当改变摄像头的角度时，线条会移动，你必须重新校准。增加超过 30 度的角度，开始失去一部分红外线。要测量红外 led 的波长是好的，尺度到达至少 950 纳米。
光谱仪防眩调试
为了完全消除反射，孔应该尽可能地更宽、更高。由于透镜相对于入口槽的高度会因建筑而异，所以找到理想尺寸的最佳方法是放强光并尝试用黑色纸板，在多大程度上可以收紧孔的四面墙。
光谱仪外壳调试
对于外壳，需要其严丝合缝，防止光线从狭缝以外的地方进入，干扰实验结果，但是一定的小的缝隙在制作时难以避免，可以使用热熔胶涂抹在几处接口，并喷上黑漆，有助于精准实验结果。
小结
低成本制作光谱仪有利于学校中光这一部分的低精度实验，以提高教学质量，可以让同学们使用上高精端器材，有助于我们的物理学习。
制作光谱仪帮助我更好的理解物理知识，同时也让我接触到一些未使用过的工具，如车床，钻孔机，砂轮机等，持续开拓了我的视野，提高了我的综合能力，也让我对于物理知识的兴趣提高。
感谢指导老师对我的帮助。
图5