簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王　軍,　王振亞,　陳寶華,　吳泉英,　朱愛(ài)敏

(蘇州科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009)

0　引　言

光譜儀是利用色散光學(xué)元件(棱鏡或光柵)構(gòu)建的精密測(cè)量?jī)x器，可獲取光源、被測(cè)樣品的反射光或透射光的光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析光源、樣品的光學(xué)特性和物質(zhì)的成分信息，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)檢測(cè)、食品安全、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域[1-6]。光譜儀中的核心原理-棱鏡或光柵的色散也是大學(xué)物理中非常重要的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)[7-15]，有“光柵衍射原理”和“分光計(jì)上的光柵衍射”實(shí)驗(yàn)等。此外，許多理工科專業(yè)學(xué)生在專業(yè)課、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中也會(huì)涉及到光譜儀的使用。然而商業(yè)光譜儀的價(jià)格昂貴，難以開(kāi)設(shè)和光譜儀相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，只有較少的學(xué)生在專業(yè)實(shí)驗(yàn)或畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)可接觸到光譜儀。為讓學(xué)生能夠在公共課實(shí)驗(yàn)上學(xué)習(xí)掌握基本的光譜儀結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易光譜儀，將其與手機(jī)相連接，通過(guò)手機(jī)APP軟件配合手機(jī)自帶攝像頭可實(shí)現(xiàn)采集、處理光譜數(shù)據(jù)的目的。本文還研究了該簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀在橄欖油鑒別和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了橄欖油真?zhèn)蔚蔫b別，同時(shí)還可將其應(yīng)用到其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1　手機(jī)光譜儀的設(shè)計(jì)

1.1　手機(jī)光譜儀的結(jié)構(gòu)

利用光柵衍射原理和手機(jī)的圖像采集、數(shù)據(jù)處理及顯示功能設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光譜儀整體為一暗盒，一端為狹縫，另一端斜面上固定一塊透射光柵，狹縫方向和光柵柵線方向平行。被測(cè)光經(jīng)狹縫進(jìn)入光譜儀，經(jīng)透射光柵衍射后一級(jí)衍射光進(jìn)入手機(jī)攝像頭，配合手機(jī)APP軟件實(shí)現(xiàn)采集光譜圖像、顯示光譜圖像和計(jì)算繪制光譜曲線等功能。光柵固定在斜面上的原因是為了防止沒(méi)有色散的零級(jí)光線進(jìn)入攝像頭，同時(shí)可使一級(jí)衍射光進(jìn)入手機(jī)攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)光譜圖像的采集。

圖1手機(jī)光譜儀結(jié)構(gòu)圖

1.2　手機(jī)APP的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的手機(jī)光譜儀APP “MSpec”的功能包括3部分：光譜圖像的采集和顯示;光譜數(shù)據(jù)曲線的繪制、顯示和保存;吸光度曲線的計(jì)算和顯示。處理流程和程序界面如圖2所示，程序界面分3部分，上部為光譜圖像顯示區(qū)域，中部為光譜曲線或吸光度曲線顯示區(qū)域，下部為控制按鈕。

圖2　“MSpec”APP的處理流程及程序界面

程序界面中“CAPTURE”按鈕完成調(diào)用啟動(dòng)手機(jī)自帶的攝像頭，利用攝像頭拍攝光柵衍射后的光譜圖像，并顯示在程序界面上部，同時(shí)程序提取光譜圖像中間一行的像素的RGB數(shù)據(jù)，根據(jù)加權(quán)平均法

Gray=0.3R+0.59G+0.11B

(1)

將其由彩色值轉(zhuǎn)換為灰度值，即作為光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)以曲線的形式繪制在程序界面的中部。

為計(jì)算吸光度曲線，需獲取加入被測(cè)樣品前后的光譜數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)按鈕“SOURCE”，采集并保存光路中不放入被測(cè)樣品時(shí)的光譜數(shù)據(jù)。再采集加入被測(cè)樣品時(shí)的光譜數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊按鈕“ABSORB”，程序利用

A=lg(Iin/Iout)

(2)

計(jì)算吸光度并顯示吸光度曲線在程序界面中部。式中:A為吸光度;Iin未加入被測(cè)樣品時(shí)的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù);Iout為加入樣品后出射光的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

2　光譜儀的制作及應(yīng)用研究

2.1　光譜儀的制作

為防止雜散光的影響，簡(jiǎn)易光譜儀的暗盒由黑色卡紙制成，一端為設(shè)置狹縫的豎直面，一端為固定光柵的斜面。狹縫由薄刀片切割而成，狹縫寬度太窄會(huì)導(dǎo)致進(jìn)光量太少，太寬導(dǎo)致光譜分辨率降低，一般控制在0.5 mm左右為宜。光柵的色散能力主要取決于光柵常數(shù)，光柵常數(shù)太大，色散能力差，光譜分辨率低；光柵常數(shù)小，雖光譜分辨能力高，但價(jià)格昂貴，綜合考慮，選取光柵常數(shù)d=1/1 200 mm的透射光柵。固定光柵的斜面角度為45°，因此入射角i=45°，取波長(zhǎng)λ=600 nm，由光柵衍射方程式[16]可得:

d(sinθ+sini)=kλ

(3)

一級(jí)衍射角θ=0.74°，幾乎與光柵法線或攝像頭光軸重合。連接光譜儀和手機(jī)時(shí)，控制好光譜儀光柵和手機(jī)攝像頭的相對(duì)位置，即可使一級(jí)衍射光進(jìn)入攝像頭鏡頭，同時(shí)避免零級(jí)光線進(jìn)入干擾光譜成像。

圖3　光柵衍射角與手機(jī)攝像頭位置的匹配

2.2　橄欖油真?zhèn)蔚蔫b別

該手機(jī)光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便攜性和可視效果好，適用于光譜現(xiàn)象明顯且測(cè)量精度要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)手機(jī)光譜儀的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到橄欖油真?zhèn)蔚蔫b別中。優(yōu)質(zhì)橄欖油價(jià)格昂貴，在利益的驅(qū)使下假冒和劣質(zhì)的橄欖油進(jìn)入市場(chǎng)，嚴(yán)重影響了消費(fèi)者的利益和身體健康。光譜法是鑒別食用油的常規(guī)方法，但監(jiān)測(cè)部門使用的商業(yè)光譜儀價(jià)格昂貴，難以在生活中普及應(yīng)用。橄欖油的吸光度曲線在600 nm附近有非常明顯的吸收峰，而假冒、劣質(zhì)或者勾兌的橄欖油沒(méi)有這個(gè)特征峰，或特征峰不明顯。真假橄欖油的吸光度曲線對(duì)比非常明顯，適合利用本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀進(jìn)行鑒別。

使用手機(jī)光譜儀測(cè)量橄欖油的吸光度曲線，光路如圖4所示，包括光源、被測(cè)油和手機(jī)光譜儀。首先將未加入油的空容器放入光路，測(cè)量光源經(jīng)空容器后的光譜曲線，如圖5(a)所示。分別將優(yōu)質(zhì)橄欖油和假冒橄欖油置于測(cè)量光路中，測(cè)得吸光度曲線如圖5(b)和(c)所示，明顯看出，藍(lán)紫波段的光基本完全被油吸收，但優(yōu)質(zhì)橄欖油在600 nm附近有非常明顯的吸收峰，而假冒橄欖油在此波段沒(méi)有明顯的吸收峰，所以據(jù)此可鑒別橄欖油的真?zhèn)位蛘邇?yōu)劣。

圖4　利用手機(jī)光譜儀鑒別橄欖油真?zhèn)?/p>

圖5光源光譜及真假橄欖油的吸光度曲線

3　手機(jī)光譜儀在教學(xué)中的應(yīng)用

許多理工科專業(yè)都會(huì)涉及光譜儀的原理和應(yīng)用，然而科研光譜儀價(jià)格昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室的配置無(wú)法滿足開(kāi)設(shè)光譜儀實(shí)驗(yàn)課程的要求。為解決此問(wèn)題，可借助本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易手機(jī)光譜儀開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)光柵衍射原理后利用黑色卡紙等工具自制該光譜儀，為節(jié)約成本，可使用去除后殼的DVD光盤代替透射光柵，并完成2.2節(jié)介紹的鑒別橄欖油真?zhèn)蔚膶?shí)驗(yàn)。通過(guò)該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可了解光譜儀的基本結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。

此外，還可將手機(jī)光譜儀應(yīng)用到演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，例如向?qū)W生演示不同光源的光譜，如圖6所示為手機(jī)光譜儀拍攝的白光LED、汞燈和氦氖激光的光譜圖像，直觀的演示可讓學(xué)生易于理解光譜的概念。

圖6手機(jī)光譜儀拍攝的不同光源的光譜圖及曲線

4　結(jié)　語(yǔ)

本文利用光柵衍射原理結(jié)合手機(jī)的采集圖像、數(shù)據(jù)處理和顯示功能設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易光譜儀，可測(cè)量光譜曲線和吸光度曲線，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了橄欖油真?zhèn)蔚蔫b別，并因其易制、可視化效果好、成本低等特點(diǎn)，非常適宜開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]林漢冰,樂(lè)永康,姚紅英. 利用X射線熒光光譜技術(shù)檢測(cè)有害物質(zhì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2017(3):1-5.

[2]李愛(ài)俠,葉柳,張子云,等. 透射光譜法測(cè)量濾光片參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2016(1):72-77.

[3]吳雨倫,劉麗颯. 基于可口可樂(lè)熒光和濾光特性的光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015(2):38-41.

[4]何建波,朱燕舞. 紫外-可見(jiàn)光譜技術(shù)在化學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012(11):28-34.

[5]狄伶,何琳. 雞蛋外殼膜的拉曼光譜觀察[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012(10):296-298.

[6]薛科社. 高效液相色譜熒光檢測(cè)在線光譜掃描技術(shù)及在環(huán)境樣品分析中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2002(S1):62-63.

[7]吳泉英，姚慶香，朱愛(ài)敏，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社，2015.

[8]馬雪梅,張衛(wèi)平,黃創(chuàng)高， 等，基于光柵衍射的實(shí)驗(yàn)分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23(4)：34-36.

[9]趙永潛，張亞萍，許廣建， 等.基于分光計(jì)的光柵光譜特性研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29(4)：29-32.

[10]張?zhí)烀?曲艷玲,張萍. 傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(8):253-254.

[11]羅寧寧,張志敏. 柔性薄膜光柵數(shù)字化制作及光譜檢測(cè)應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2016(9):24-27.

[12]張衛(wèi)平,黃冠瑯,肖鈺斐,等. 教學(xué)與科研緊密結(jié)合 創(chuàng)建光柵新實(shí)驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011(3):256-259.

[13]于丹,毛冬瑤,周柯,等. 基于聚合物體光柵膨脹實(shí)現(xiàn)全息濕度傳感裝置研制[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017(2):50-53.

[14]吳平輝,付戀戀,蔣記望,等. 物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012(5):31-33.

[15]李淑青,王若淵,黨亞男,等. 波動(dòng)光學(xué)綜合測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和測(cè)量原理[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017(3):59-62.

[16]徐美嘉,王海林,譚偉石. 斜入射時(shí)光柵衍射特性的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014(4):34-37.