简易手机光谱仪的设计及应用

王　军,　王振亚,　陈宝华,　吴泉英,　朱爱敏

(苏州科技大学 数理学院， 江苏 苏州 215009)

0　引　言

光谱仪是利用色散光学元件(棱镜或光栅)构建的精密测量仪器，可获取光源、被测样品的反射光或透射光的光谱数据，进而分析光源、样品的光学特性和物质的成分信息，广泛地应用在工业检测、食品安全、环境监控等领域[1-6]。光谱仪中的核心原理-棱镜或光栅的色散也是大学物理中非常重要的知识点和实验环节[7-15]，有“光栅衍射原理”和“分光计上的光栅衍射”实验等。此外，许多理工科专业学生在专业课、专业实验和毕业设计中也会涉及到光谱仪的使用。然而商业光谱仪的价格昂贵，难以开设和光谱仪相关的实验课程，只有较少的学生在专业实验或毕业设计时可接触到光谱仪。为让学生能够在公共课实验上学习掌握基本的光谱仪结构、原理和应用，本文设计了一种简易光谱仪，将其与手机相连接，通过手机APP软件配合手机自带摄像头可实现采集、处理光谱数据的目的。本文还研究了该简易手机光谱仪在橄榄油鉴别和实验教学中的应用，实现了橄榄油真伪的鉴别，同时还可将其应用到其他实验教学中。

1　手机光谱仪的设计

1.1　手机光谱仪的结构

利用光栅衍射原理和手机的图像采集、数据处理及显示功能设计了一种简易手机光谱仪，其整体结构如图1所示。光谱仪整体为一暗盒，一端为狭缝，另一端斜面上固定一块透射光栅，狭缝方向和光栅栅线方向平行。被测光经狭缝进入光谱仪，经透射光栅衍射后一级衍射光进入手机摄像头，配合手机APP软件实现采集光谱图像、显示光谱图像和计算绘制光谱曲线等功能。光栅固定在斜面上的原因是为了防止没有色散的零级光线进入摄像头，同时可使一级衍射光进入手机摄像头，从而实现光谱图像的采集。

图1手机光谱仪结构图

1.2　手机APP的设计

本文设计的手机光谱仪APP “MSpec”的功能包括3部分：光谱图像的采集和显示;光谱数据曲线的绘制、显示和保存;吸光度曲线的计算和显示。处理流程和程序界面如图2所示，程序界面分3部分，上部为光谱图像显示区域，中部为光谱曲线或吸光度曲线显示区域，下部为控制按钮。

图2　“MSpec”APP的处理流程及程序界面

程序界面中“CAPTURE”按钮完成调用启动手机自带的摄像头，利用摄像头拍摄光栅衍射后的光谱图像，并显示在程序界面上部，同时程序提取光谱图像中间一行的像素的RGB数据，根据加权平均法

Gray=0.3R+0.59G+0.11B

(1)

将其由彩色值转换为灰度值，即作为光谱强度数据，将该数据以曲线的形式绘制在程序界面的中部。

为计算吸光度曲线，需获取加入被测样品前后的光谱数据，因此设计按钮“SOURCE”，采集并保存光路中不放入被测样品时的光谱数据。再采集加入被测样品时的光谱数据，点击按钮“ABSORB”，程序利用

A=lg(Iin/Iout)

(2)

计算吸光度并显示吸光度曲线在程序界面中部。式中:A为吸光度;Iin未加入被测样品时的光谱强度数据;Iout为加入样品后出射光的光谱强度数据。

2　光谱仪的制作及应用研究

2.1　光谱仪的制作

为防止杂散光的影响，简易光谱仪的暗盒由黑色卡纸制成，一端为设置狭缝的竖直面，一端为固定光栅的斜面。狭缝由薄刀片切割而成，狭缝宽度太窄会导致进光量太少，太宽导致光谱分辨率降低，一般控制在0.5 mm左右为宜。光栅的色散能力主要取决于光栅常数，光栅常数太大，色散能力差，光谱分辨率低；光栅常数小，虽光谱分辨能力高，但价格昂贵，综合考虑，选取光栅常数d=1/1 200 mm的透射光栅。固定光栅的斜面角度为45°，因此入射角i=45°，取波长λ=600 nm，由光栅衍射方程式[16]可得:

d(sinθ+sini)=kλ

(3)

一级衍射角θ=0.74°，几乎与光栅法线或摄像头光轴重合。连接光谱仪和手机时，控制好光谱仪光栅和手机摄像头的相对位置，即可使一级衍射光进入摄像头镜头，同时避免零级光线进入干扰光谱成像。

图3　光栅衍射角与手机摄像头位置的匹配

2.2　橄榄油真伪的鉴别

该手机光谱仪结构简单、便携性和可视效果好，适用于光谱现象明显且测量精度要求不高的应用领域。根据手机光谱仪的特点，将其应用到橄榄油真伪的鉴别中。优质橄榄油价格昂贵，在利益的驱使下假冒和劣质的橄榄油进入市场，严重影响了消费者的利益和身体健康。光谱法是鉴别食用油的常规方法，但监测部门使用的商业光谱仪价格昂贵，难以在生活中普及应用。橄榄油的吸光度曲线在600 nm附近有非常明显的吸收峰，而假冒、劣质或者勾兑的橄榄油没有这个特征峰，或特征峰不明显。真假橄榄油的吸光度曲线对比非常明显，适合利用本文设计的简易手机光谱仪进行鉴别。

使用手机光谱仪测量橄榄油的吸光度曲线，光路如图4所示，包括光源、被测油和手机光谱仪。首先将未加入油的空容器放入光路，测量光源经空容器后的光谱曲线，如图5(a)所示。分别将优质橄榄油和假冒橄榄油置于测量光路中，测得吸光度曲线如图5(b)和(c)所示，明显看出，蓝紫波段的光基本完全被油吸收，但优质橄榄油在600 nm附近有非常明显的吸收峰，而假冒橄榄油在此波段没有明显的吸收峰，所以据此可鉴别橄榄油的真伪或者优劣。

图4　利用手机光谱仪鉴别橄榄油真伪

图5光源光谱及真假橄榄油的吸光度曲线

3　手机光谱仪在教学中的应用

许多理工科专业都会涉及光谱仪的原理和应用，然而科研光谱仪价格昂贵，一般实验室的配置无法满足开设光谱仪实验课程的要求。为解决此问题，可借助本文设计的简易手机光谱仪开展设计性实验，要求学生在学习光栅衍射原理后利用黑色卡纸等工具自制该光谱仪，为节约成本，可使用去除后壳的DVD光盘代替透射光栅，并完成2.2节介绍的鉴别橄榄油真伪的实验。通过该设计性实验，学生可了解光谱仪的基本结构、原理及应用。

此外，还可将手机光谱仪应用到演示实验教学中，例如向学生演示不同光源的光谱，如图6所示为手机光谱仪拍摄的白光LED、汞灯和氦氖激光的光谱图像，直观的演示可让学生易于理解光谱的概念。

图6手机光谱仪拍摄的不同光源的光谱图及曲线

4　结　语

本文利用光栅衍射原理结合手机的采集图像、数据处理和显示功能设计了一种简易光谱仪，可测量光谱曲线和吸光度曲线，在此基础上实现了橄榄油真伪的鉴别，并因其易制、可视化效果好、成本低等特点，非常适宜开展设计性实验和应用在演示实验教学中。

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