簡易手機光譜儀的設計及應用

王　軍,　王振亞,　陳寶華,　吳泉英,　朱愛敏

(蘇州科技大學 數理學院， 江蘇 蘇州 215009)

0　引　言

光譜儀是利用色散光學元件(棱鏡或光柵)構建的精密測量儀器，可獲取光源、被測樣品的反射光或透射光的光譜數據，進而分析光源、樣品的光學特性和物質的成分信息，廣泛地應用在工業檢測、食品安全、環境監控等領域[1-6]。光譜儀中的核心原理-棱鏡或光柵的色散也是大學物理中非常重要的知識點和實驗環節[7-15]，有“光柵衍射原理”和“分光計上的光柵衍射”實驗等。此外，許多理工科專業學生在專業課、專業實驗和畢業設計中也會涉及到光譜儀的使用。然而商業光譜儀的價格昂貴，難以開設和光譜儀相關的實驗課程，只有較少的學生在專業實驗或畢業設計時可接觸到光譜儀。為讓學生能夠在公共課實驗上學習掌握基本的光譜儀結構、原理和應用，本文設計了一種簡易光譜儀，將其與手機相連接，通過手機APP軟件配合手機自帶攝像頭可實現采集、處理光譜數據的目的。本文還研究了該簡易手機光譜儀在橄欖油鑒別和實驗教學中的應用，實現了橄欖油真偽的鑒別，同時還可將其應用到其他實驗教學中。

1　手機光譜儀的設計

1.1　手機光譜儀的結構

利用光柵衍射原理和手機的圖像采集、數據處理及顯示功能設計了一種簡易手機光譜儀，其整體結構如圖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。被測光經狹縫進入光譜儀，經透射光柵衍射后一級衍射光進入手機攝像頭，配合手機APP軟件實現采集光譜圖像、顯示光譜圖像和計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有色散的零級光線進入攝像頭，同時可使一級衍射光進入手機攝像頭，從而實現光譜圖像的采集。

圖1手機光譜儀結構圖

1.2　手機APP的設計

本文設計的手機光譜儀APP “MSpec”的功能包括3部分：光譜圖像的采集和顯示;光譜數據曲線的繪制、顯示和保存;吸光度曲線的計算和顯示。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域，中部為光譜曲線或吸光度曲線顯示區域，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”按鈕完成調用啟動手機自帶的攝像頭，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，同時程序提取光譜圖像中間一行的像素的RGB數據，根據加權平均法

Gray=0.3R+0.59G+0.11B

(1)

將其由彩色值轉換為灰度值，即作為光譜強度數據，將該數據以曲線的形式繪制在程序界面的中部。

為計算吸光度曲線，需獲取加入被測樣品前后的光譜數據，因此設計按鈕“SOURCE”，采集并保存光路中不放入被測樣品時的光譜數據。再采集加入被測樣品時的光譜數據，點擊按鈕“ABSORB”，程序利用

A=lg(Iin/Iout)

(2)

計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未加入被測樣品時的光譜強度數據;Iout為加入樣品后出射光的光譜強度數據。

2　光譜儀的制作及應用研究

2.1　光譜儀的制作

為防止雜散光的影響，簡易光譜儀的暗盒由黑色卡紙制成，一端為設置狹縫的豎直面，一端為固定光柵的斜面。狹縫由薄刀片切割而成，狹縫寬度太窄會導致進光量太少，太寬導致光譜分辨率降低，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，光柵常數太大，色散能力差，光譜分辨率低；光柵常數小，雖光譜分辨能力高，但價格昂貴，綜合考慮，選取光柵常數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λ=600 nm，由光柵衍射方程式[16]可得:

d(sinθ+sini)=kλ

(3)

一級衍射角θ=0.74°，幾乎與光柵法線或攝像頭光軸重合。連接光譜儀和手機時，控制好光譜儀光柵和手機攝像頭的相對位置，即可使一級衍射光進入攝像頭鏡頭，同時避免零級光線進入干擾光譜成像。

圖3　光柵衍射角與手機攝像頭位置的匹配

2.2　橄欖油真偽的鑒別

該手機光譜儀結構簡單、便攜性和可視效果好，適用于光譜現象明顯且測量精度要求不高的應用領域。根據手機光譜儀的特點，將其應用到橄欖油真偽的鑒別中。優質橄欖油價格昂貴，在利益的驅使下假冒和劣質的橄欖油進入市場，嚴重影響了消費者的利益和身體健康。光譜法是鑒別食用油的常規方法，但監測部門使用的商業光譜儀價格昂貴，難以在生活中普及應用。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、劣質或者勾兌的橄欖油沒有這個特征峰，或特征峰不明顯。真假橄欖油的吸光度曲線對比非常明顯，適合利用本文設計的簡易手機光譜儀進行鑒別。

使用手機光譜儀測量橄欖油的吸光度曲線，光路如圖4所示，包括光源、被測油和手機光譜儀。首先將未加入油的空容器放入光路，測量光源經空容器后的光譜曲線，如圖5(a)所示。分別將優質橄欖油和假冒橄欖油置于測量光路中，測得吸光度曲線如圖5(b)和(c)所示，明顯看出，藍紫波段的光基本完全被油吸收，但優質橄欖油在600 nm附近有非常明顯的吸收峰，而假冒橄欖油在此波段沒有明顯的吸收峰，所以據此可鑒別橄欖油的真偽或者優劣。

圖4　利用手機光譜儀鑒別橄欖油真偽

圖5光源光譜及真假橄欖油的吸光度曲線

3　手機光譜儀在教學中的應用

許多理工科專業都會涉及光譜儀的原理和應用，然而科研光譜儀價格昂貴，一般實驗室的配置無法滿足開設光譜儀實驗課程的要求。為解決此問題，可借助本文設計的簡易手機光譜儀開展設計性實驗，要求學生在學習光柵衍射原理后利用黑色卡紙等工具自制該光譜儀，為節約成本，可使用去除后殼的DVD光盤代替透射光柵，并完成2.2節介紹的鑒別橄欖油真偽的實驗。通過該設計性實驗，學生可了解光譜儀的基本結構、原理及應用。

此外，還可將手機光譜儀應用到演示實驗教學中，例如向學生演示不同光源的光譜，如圖6所示為手機光譜儀拍攝的白光LED、汞燈和氦氖激光的光譜圖像，直觀的演示可讓學生易于理解光譜的概念。

圖6手機光譜儀拍攝的不同光源的光譜圖及曲線

4　結　語

本文利用光柵衍射原理結合手機的采集圖像、數據處理和顯示功能設計了一種簡易光譜儀，可測量光譜曲線和吸光度曲線，在此基礎上實現了橄欖油真偽的鑒別，并因其易制、可視化效果好、成本低等特點，非常適宜開展設計性實驗和應用在演示實驗教學中。

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