基于USB攝像頭的簡易光譜儀研究目錄1引言…………………11.1簡易光譜儀的研究背景和意義………………21.2光譜儀的國內外研究現狀……21.2.1光譜儀的國內研究現狀………………21.2.2光譜儀的國外研究現狀……………31.3簡易光譜儀的研究內容和方法………………31.3.1簡易光譜儀研究內容…………………31.3.2簡易光譜儀研究方法…………………42簡易光譜儀的理論分析……………42.1光柵光譜儀的理論分析………42.2簡易光譜儀的改裝部分及原理………………52.2.1用CD光盤替代光柵……52.2.1使用USB攝像頭替代常規光譜檢測器…63基于USB攝像頭的簡易光譜儀的制作過程………73.1簡易光譜儀的組成……………73.2簡易光譜儀結構設計…………73.3簡易光譜儀的制作…………93.4光譜儀軟件介紹……………104簡易光譜儀的應用……………104.1簡易光譜儀的校準…………104.2與實驗室專業光譜儀的對比………………114.3常見光譜采集………………124.4簡易光譜儀在塞曼效應實驗中的教學意義………………145總結………………16參考文獻…………16致謝摘要：本研究旨在探討基于USB攝像頭的簡易光譜儀的設計、制作及應用。隨著科技的發展，傳統光譜儀的高成本和復雜性限制了其在教育和小型實驗室中的應用。基于此，本研究提出了一種利用USB攝像頭構建簡易光譜儀的方案，旨在降低成本、簡化操作流程，并拓展其在科學教育和實驗室研究中的應用。本研究利用研制的光譜儀進行了常見光源的光譜采集，數據與專業光譜儀采集數據基本一致，以確認其可靠性。基于USB攝像頭的簡易光譜儀不僅具有科學研究意義，還具備了廣闊的應用前景，可推動光譜分析技術的普及和發展。關鍵詞:USB攝像頭；光譜儀；簡易1引言光譜儀作為一種廣泛應用于科學研究和工業應用的儀器，對于分析物質的光譜特性具有重要意義。然而，傳統的光譜儀往往昂貴且復雜，限制了其在一些教育、科普和實驗室環境中的應用。因此，研究和開發簡易光譜儀具有重要的意義，可推動科學教育普及，為各個領域的科研提供更靈活的工具。1.1簡易光譜儀的研究背景和意義傳統的光譜儀通常昂貴且復雜，限制了其在一些實驗室和研究環境中的應用。一些研究實驗室可能受制于預算限制，難以購置昂貴的專業光譜儀。簡易光譜儀的研究在一定程度上解決了這一問題，為那些有限預算的實驗室提供了一種經濟實惠的選擇。研究簡易光譜儀有助于降低實驗成本，提高實驗設備的可訪問性，使更多科研工作者能夠進行光譜分析。簡易光譜儀的研究同樣出現在對科學教育改進的需求下，通過提供低成本、易制作的工具，幫助學生更好地理解光譜學的基本原理，使得光譜學的基本概念能夠更廣泛地傳播。通過學生親自制作和使用簡易光譜儀，可以增強他們對光學、物理等學科的理解。同時，公眾對科學的興趣不斷增長，而傳統的科學儀器對一般公眾來說通常不夠友好。簡易光譜儀的設計使得一般公眾能夠參與到科學研究和實驗中，讓更多人可以親自體驗光譜分析。隨著開源硬件和科學教育的興起，越來越多的研究者和愛好者開始關注簡易光譜儀的設計與制造。這種趨勢受到了開源社區的支持，各種開源項目如PublicLab和ThereminoSpectrometer涌現，鼓勵人們通過自主研究和制作實現光譜分析的目的。開源硬件運動強調共享和開放的理念，鼓勵人們共同參與硬件設計、制造和改進。在這個背景下，研究者開始利用開源硬件和軟件，推動簡易光譜儀的設計和制造，以實現科學儀器的普及。在一些資源匱乏的地區，傳統的實驗設備不易獲取，而簡易光譜儀的低成本特性使得它成為科研和教學的良好選擇，推動科學在全球范圍內的普及。1.2光譜儀的國內外研究現狀1.2.1光柵光譜儀的國內研究進展在申佳琪，楊照清，傅偉等人撰寫的“高分辨率旋轉光柵光譜儀的設計”中，研究人員采用了旋轉光柵的設計，以提高光AOTF譜儀的分辨率。通過旋轉光柵，可以調節光柵的入射角度，從而調整光柵的作用效果，提高光譜分辨率[1]。在張磊、李博、顧國超等人撰寫的“與中階梯光柵結合的小型化超光譜分辨率成像光譜儀”中，關注了聲光可調濾波器對光譜儀設計的助益。超光譜成像技術結合了光譜和空間信息，可以獲取每個像素點的光譜信息，對于許多應用如農業、環境監測和醫學診斷等都具有重要意義。然而，傳統的超光譜成像儀器通常較大且成本高昂，限制了其在某些場景下的應用。因此，該文旨在設計一種小型化的超光譜分辨率成像光譜儀，結合了AOTF和中階梯光柵技術。AOTF是一種通過聲波控制光的頻率的光學元件，可以實現實時、高速的光譜切換，而中階梯光柵則可以提高光譜的分辨率[2]。通過將AOTF和中階梯光柵結合，研究人員設計了一種小型化的超光譜成像儀器，具有較高的分辨率和靈活性。在談晗芝、楊照清、楊潔、方晨霆和郭漢明撰寫的“低波數高分辨率微型光柵光譜儀的設計”一文中，作者旨在實現在波數較低范圍內（通常是紅外光譜區域）的高分辨率光譜分析，這種光譜儀可能具有微型化的特點，適用于一些對儀器體積和重量要求較高的場合，比如便攜式光譜儀或者嵌入式光譜傳感器。研究人員通過優化光柵的設計和制造工藝，結合微型化的光路布局和高分辨率的光學成像技術，來實現低波數范圍內的高分辨率光譜分析。他們考慮了到光柵的刻線密度、光學材料的選擇、光路中的光學元件布局等因素，以最大程度地提高光譜儀的性能和靈敏度[3]。1.2.2光柵光譜儀的國外研究進展在DimitarPopmintchev等人撰寫的“Highlyefficientandaberration-freeoff-planegratingspectrometerandmonochromatorforEUV-softX-rayapplications”（用于EUV軟X射線應用的高效無像差離面光柵光譜儀和單色儀）中，作者展示了一種新穎的平場、雙光學成像EUV-軟X射線光譜儀和單色器，其設計實現了超過60%的前傳效率，并且在不使用可變線間距光柵的情況下實現了λ/Δλ>?200的超強光譜分辨率。利用圓錐形衍射幾何的優勢，全局優化了多維參數空間中的光學系統，以確保在廣泛的光譜范圍內實現最佳成像性能，同時保持第一、第二和第三衍射階的圓形和橢圓形偏振態。此外，該光譜儀可以輕松轉換為一個單色器，可以利用高度單色的光在廣泛的光譜范圍內進行相干衍射成像應用，并擴展到軟X射線區域，減少了光子損失，從而實現了復雜納米和生物系統的最先進成像，其空間時間分辨率顯著提高，可達納米-飛秒級水平[4]。在AliciaMAnderson、DavidANaylor等人撰寫的“Developmentandvalidationofacryogenicfar-infrareddiffractiongratingspectrometerusedtopost-dispersetheoutputfromaFouriertransformspectrometer”（用于后分散傅里葉變換光譜儀輸出的低溫遠紅外衍射光柵光譜儀的研制與驗證）一文中，討論了一種在低溫（4K）下運行的衍射光柵光譜儀的研制，其工作波長范圍為285至500微米，并用于后分散來自室溫極化FTS的輸出[5]。1.3簡易光譜儀的研究內容和方法1.3.1簡易光譜儀的研究內容首先，需要選擇適合的光學元件，包括光源、外殼、光電探測器、光柵或棱鏡等，這些元件的選擇將直接影響光譜儀的性能。并且需要了解不同的光譜測量技術。隨后進行光路設計與模擬，優化光學系統的結構參數，以提高光譜儀的分辨率、靈敏度和穩定性，同時進行整體框架設計與制作。在研制過程中，需要對光譜儀的性能進行測試與驗證，例如狹縫的最適寬度、遮光孔的位置與大小、光柵的最佳角度，包括波長精度方面的測試，以確保其符合設計要求。此外，還可以開展針對特定應用場景的應用案例研究，驗證光譜儀在實際應用中的可行性和有效性。1.3.2簡易光譜儀的研究方法在簡易光譜儀的研究中，主要用到以下研究方法：文獻研究法。查閱文獻了解光譜儀研究的最新進展以及原理和思路。描述性研究法。在對已有的現象、規律和理論通過自己的理解和驗證，給予敘述并解釋出來的過程中，摸清自己的理論盲區，建立自己研究與設計的思路。實驗法。有了研究與設計的思路以后，在不斷的實驗中發現問題、反思、總結、改進，以達到理想的實驗結果。2理論分析2.1光柵光譜儀理論光譜儀是一種用于分析光的儀器，可以將光按照波長分解，組成的不同波長的光譜。光譜儀的原理基于光的色散性質和波長與頻率之間的關系。光譜儀廣泛用于化學分析、物質成分檢測、天文學研究等領域[6]。不同類型的光譜儀采用不同的色散元件和檢測器。通常的光柵光譜儀由入射狹縫、色散元件、光譜檢測器構成。光譜儀通常使用白熾燈、氙燈或激光器等作為入射光源。入射光需要經過一個入射狹縫，以確保只有來自所需樣品的光能夠進入光譜儀。通過狹縫后，入射光會再通過一個色散元件，例如光柵或棱鏡，它們利用不同波長的光在色散元件上的不同折射或反射將光按不同波長分解組成光譜。分散后的光譜進入光譜檢測器，例如光電二極管（Photodiode）或光電倍增管（PhotomultiplierTube）。這些檢測器可以測量光的強度，并將其轉換為電信號。電信號經過信號處理系統，可以進行放大、濾波和數字化等處理，以獲取精確的光譜信息[7]。最后，通過計算機或其他數據處理設備，對采集到的光譜數據進行分析和解釋，得出樣品的化學或物理信息。2.2簡易光譜儀原理2.2.1用DVD光盤代替光柵光柵是能使入射光的振幅或位相,或者兩者同時產生周期性空間調制的光學元件，用于分散入射光并產生光譜，它通常由一系列平行的凹槽或凸起組成，這些凹槽或凸起被等距地排列在透明或反射性的表面上。這些凹槽或凸起的間隔和形狀決定了光柵的特性。當入射光穿過光柵時，由于不同波長的光在光柵上的衍射效應不同，光柵將入射光分散成不同的波長，形成光譜。這個過程被稱為光柵的色散作用。不同波長的光發生衍射的角度是不同的，這被稱為衍射角。衍射角與波長之間的關系由衍射方程描述：mλ=圖1光入射到反射光柵上發生的衍射其中，m是衍射階次，表示衍射的次數，λ是入射光的波長，d是光柵的刻線間距（凹槽或凸起的間隔），θi是入射角，θd是衍射角。對于給定間距d光譜儀的色分辨本領是指光譜儀分辨兩條波長差很小的譜線的能力，是光譜儀的一個重要指標。例如有兩條波長分別為λ和λ+Δλ的譜線，如果它們由于色散所分開的距離正好使一條譜線的強度極大值和另一條譜線極大值邊上的極小值重合，那么根據瑞利判據，這兩條譜線剛好可以分辨[8]圖2光柵的分辨極限這時的波長差ΔλΑ=λ/Δλ=mN（2上式表明，光柵的色分辨本領正比于光譜級次m和光柵線數N，與光柵常數d無關。通常光柵所使用的光譜級雖不大（m=1或2），但光柵線數N是一個很大的數目，因此光柵具有很高的分辨本領。DVD光盤的表面具有微小的凹槽結構，這些凹槽通常是用激光刻錄技術在光盤表面上制作的，用于讀取音頻或數據，這些凹槽的間距在光學上具有一定的周期性，類似于光柵的結構，可以起到光柵的作用。當入射光照射到光盤表面時，會因為凹槽的周期性結構而發生衍射現象，將入射光分散成不同波長的光束。DVD光盤通常采用螺旋式刻線的結構，刻線密度是用線密度來描述的，單位是每毫米刻線數（linespermillimeter，LPM）。在一張標準的DVD光盤上，螺旋線密度通常在1000到1500LPM之間，這意味著在每毫米的距離上，光盤上有1000到1500條刻線，相當于一個色分辨本領很高的衍射光柵，故本實驗使用DVD光盤作為衍射光柵。2.2.2用攝像頭代替常規光譜檢測器USB攝像頭通常包含一種感光元件，如CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導體）芯片[9]。當光通過光柵分散后，USB攝像頭捕捉整個光譜區域的圖像。攝像頭的感光元件會記錄不同波長的光強度，并將其轉換為圖像上的亮度或色彩。通過連接USB攝像頭的計算機，我們可以使用圖像處理軟件來分析捕捉到的光譜圖像。光電二極管陣列（CCD陣列）和電荷耦合器件（CMOS）都是用于光學和圖像傳感的半導體設備，但它們在工作原理和結構上有一些區別。CCD陣列使用電荷傳輸的方式來捕捉光信號，它通常具有單一的輸出節點，通過串行傳輸電荷，這使得CCD陣列在低光水平下表現優異，有較高的靈敏度和低噪聲水平。CMOS圖像傳感器使用每個像素內部的獨立電荷耦合放大器來直接測量光信號。每個像素都包含一個光電二極管和相關的放大器電路，可以并行處理，將產生的電荷轉換為電壓信號[10]。這意味著CMOS傳感器可以同時讀取多個像素的信息，而不需要像CCD那樣串行傳輸，在高速圖像捕捉和視頻應用中表現良好。實際上，因為CMOS具有低成本、低功耗、高集成度和制造靈活性等優勢，很多USB攝像頭采用了CMOS傳感器[11]。將CMOS感光元件放置在光柵后方，用于捕捉分散后的光，每個像素記錄光的強度，形成一幅光譜圖像。光譜圖像由CMOS感光元件捕獲后，可以通過圖像處理軟件進行進一步處理。軟件可以識別不同波長處的光強度，并將其轉換為光譜分布圖。3基于USB攝像頭的簡易光譜儀制作3.1簡易光譜儀組成簡易光譜儀由入射狹縫、遮光孔、DVD光盤碎片、USB攝像頭以及外殼組成。3.2光譜儀結構設計首先，需要選擇一種低成本、易獲得、可塑、有支撐性并且不透光的外殼材料，這里我們選用黑色硬紙板（其他顏色紙板內部涂黑亦可）。然后使用一個廢棄光盤，用透明膠將其包裝、反射涂層去除，作為透射光柵。最后挑選一個USB攝像頭，需要注意的是部分攝像頭含有紅外濾光片，故無法使用其觀測紅外光譜，所以需要選取不帶紅外濾光片的USB攝像頭。在框架的基礎上，要先繪出光路圖，通過實驗和計算得出入射狹縫的合適寬度以及入射光路、光柵和入射USB攝像頭的最佳角度。這里我們得出，入射狹縫約在2-3mm，將DVD碎片（透射光柵）緊貼攝像頭，光柵平面與入射光呈15°圖3光路設計圖最后，通過實驗得出，在入射狹縫和光柵之間最好添加一個遮光孔，以達到控制進入攝像頭的光強，濾除掉一部分衍射光的目的。通過試驗得到遮光孔大小在10mm左右，放在整體光路約1/3處最為合適。圖4簡易光譜儀立體結構圖綜上所述，即可繪出簡易光譜儀結構圖。其中遮光孔和固定USB攝像頭的底座由于尺寸較為嚴格，選用3D打印制作。將DVD碎片和攝像頭固定需要選用黑色的環氧樹脂膠，以保證不會影響到光譜。外殼固定材料只要不透光均可。圖53D打印遮光孔圖6攝像頭圖片3.3光譜儀的制作首先，將一個廢棄光盤折碎，選取一個略大于攝像頭的碎片，用透明膠將其包裝、反射涂層去除，使用環氧樹脂膠粘在攝像頭上。硬紙板內側涂黑，在一端使用美工刀開出寬約為2mm，長約為10mm的狹縫，在另一側紙板邊緣開出一個方便USB攝像頭電線穿過的小孔。將開有狹縫的硬紙板、遮光孔、USB攝像頭和另一側紙板根據設計好的距離和角度使用固體熱熔膠粘在底板上，注意每一部分都要與底板垂直。然后粘上其余的外殼。由于熱熔膠會透入一定的光，使用純黑色膠帶將外殼所有縫隙二次粘貼。3.4光譜儀軟件介紹ThereminoSpectrometer是一款由意大利開發的光譜儀系統，是Theremino團隊的一部分，該團隊專注于開源硬件和軟件的開發。他們致力于創建各種類型的儀器，包括光譜儀，以推動科學實驗和教育。該軟件通過連接光譜儀，可以實時捕獲光譜圖像，識別不同波長處的光強度，并將其轉換為光譜分布圖。圖7光譜儀軟件介紹4使用簡易光譜儀對常見光源進行光譜采集4.1簡易光譜儀的校準在使用光譜儀前，需要先使用熒光燈對光譜儀進行校準。本實驗使用的校準光源為汞燈，故特征譜線為436nm和546nm。打開校準光源，軟件選擇：菜單欄Tools——Trimpoints——Fluorescent436546，這時候會看到光譜區域出現436nm和546nm兩條參考線。鼠標左鍵按住546nm這條參考線，移動到最強的那個峰值，使那個峰值的讀數為546nm然后再移動436nm這條參考線到從左往右數第三條峰值（一條峰值是365nm左右，強度很低，第二條峰值是405nm或404nm，強度比第一條高很多，第三條峰值才是需要對齊的峰值，強度跟第二條峰值差不多），即完成了校準。圖8熒光燈校準光譜4.2與實驗室專業光譜儀的對比為確保簡易光譜儀的精度、準確性、分辨率等性能，我們把它與實驗室用光譜儀進行對比，使用氫燈作為光源。圖9實驗室用光譜儀內部結構圖10使用實驗室光譜儀測量氫燈光譜可以明顯看出，使用實驗室光譜儀測量得出氫燈具有485.88nm和655.38nm兩條特征譜線。圖11使用簡易光譜儀測量氫燈光譜使用簡易光譜儀測量得出氫燈特征譜線約為487nm和654nm，與實驗室光譜儀誤差在2nm以內，誤差較小，滿足教學和日常使用要求。4.3常見光譜采集圖12紅色激光筆光譜紅色激光器測到的光譜中心波長是655nm，譜寬很窄，符合激光光譜特性。圖13空調遙控器發出的紅外線光譜紅外遙控器的發射譜中心波長是932nm，是可見光之外的近紅外光，因此使用遙控器時，人眼看不出其在發光。圖14普通手電筒光譜普通手電在藍光處有較明顯峰值，這說明該白光手電是采用藍光LED激發熒光粉產生的近似全光譜。4.4簡易光譜儀在塞曼效應實驗中的教學意義1896年，荷蘭著名的實驗物理學家塞曼（Zeeman）在洛侖茲學說的影響下，使用比法拉第所做實驗中更強的磁場，結果發現鈉雙線D1和D2都有增寬的現象。后來使用羅蘭光柵光譜儀觀察鈉火焰發出的光譜線，發現每一條變寬的D線實際上都是由多條單獨的譜線組成，這一現象稱為塞曼效應[12]。由于研究這個效應，塞曼和洛侖茲在1902年共同獲得諾貝爾物理學獎。塞曼效應是研究原子結構最有效的方法之一，并在現代激光技術中有著重要的作用。在大學近代物理實驗課程中，塞曼效應也是尤為重要的，它同時涉獵到了物理光學和原子物理知識，并且考驗和鍛煉了實驗動手能力。圖15塞曼效應實驗儀器塞曼分裂的波長差是很小的，因此需要高分辨率的分光儀器，實驗中一般采用法布里－珀羅標準具（即F-P標準具）來分光，它的理論分辨率可以達到105-107。本實驗采用干涉濾光片把汞燈中的546.1nm光譜線選出，在磁場中進行分裂，用F-P標準具分光后，用讀數顯微鏡觀察并測量分裂圓的直徑，然后計算出電子荷質比。在近代物理實驗教材及講義中，一般著重講解實驗的理論原理、法布里－珀羅標準具的構造以及實驗步驟，對于實驗的設計過程和實驗中每一個器件的作用，學生通常理解的不夠深刻，也沒有機會直觀的認識。這時，我們可以運用簡易光譜儀讓學生更好的理解實驗設計。以塞曼效應實驗中的濾光片為例，它的作用是過濾掉其它強度較大的波長的光譜線，只留下546.1nm的光譜線用來觀察。圖16塞曼效應實驗簡圖為了讓學生直觀感受濾光片的作用，我們可以將簡易光譜儀分別放置在濾光片前、后觀察，即圖中的偏振片與濾光片之間和濾光片與F-P標準具之間。圖17將簡易光譜儀放置在偏振片與濾光片之間時的光譜圖18將簡易光譜儀放置在濾光片與F-P標準具之間時的光譜可以明顯看出，光束在通過濾光片后，在可見光波段只有546.1nm處的光譜線留下了，故塞曼效應最后觀察的是546.1nm處的分裂光譜。從這次試驗可以看出，簡易光譜儀因其便攜、操作簡單、易于理解的特點，可以靈活、廣泛的運用在教學當中，幫助學生加深理解，激發了學生學習的興趣，也為學生發散思維、自主探索提供了合適的工具。5總結隨著科技的不斷進步，光譜分析技術在科學研究、工程應用以及日常生活中扮演著愈發重要的角色。然而，傳統光譜儀的高成本和復雜性限制了其在教育和小型實驗室中的應用。為了解決這一問題，本文探討了基于USB攝像頭的簡易光譜儀的設計、制作及應用，旨在降低成本、簡化操作流程，并拓展其在科學教育和實驗室研究中的應用前景。通過簡化光譜儀的設計和制作流程，以及利用廉價的USB攝像頭作為光譜檢測器，可以大幅降低成本并提高可操作性。我們對光柵光譜儀的原理進行了探討，并介紹了基于USB攝像頭的簡易光譜儀的改裝部分及原理。通過用DVD光盤替代傳統的光柵結構，并使用USB攝像頭替代常規光譜檢測器，我們可以實現光譜儀的簡化和成本的降低，同時確保光譜檢測的準確性和可靠性。本實驗詳細描述了基于USB攝像頭的簡易光譜儀的制作步驟和組成結構。我們使用制作的簡易光譜儀對常見光源進行了光譜采集實驗，并與專業光譜儀進行了對比。實驗結果表明，基于USB攝像頭的簡易光譜儀可以獲得與專業光譜儀相媲美的光譜數據，驗證了其可靠性和準確性。綜上所述，基于USB攝像頭的簡易光譜儀具有低成本、易制作、操作簡單、方便理解等優點，在教育領域和科普領域都有著良好的實用意義和發展前景。通過降低成本、簡化操作流程，這種簡易光譜儀可以在教育、科研和工程應用中發揮重要作用，推動光譜分析技術的普及和發展。參考文獻[1]申佳琪,楊照清,傅偉,等.高分辨率旋轉光柵光譜儀的設計[J/OL].光學儀器,1-8[2024-03-29]./kcms/detail/31.1504.TH.20240102.0841.002.html.[