光譜透過率實驗(2012級)20

1、上課參考專用光譜透過率測量實驗物體透過率是指物體透射的光通量與入射光通量之比，標志著物體傳輸光輻射能量的強弱，光譜透過率是指物體對某個波長的單色光的透過率。隨著科學的發(fā)展，光譜所貢獻的力量越來越大，光譜學及光譜分析在各個領(lǐng)域的運用也越來越廣泛，如物質(zhì)成分檢測，農(nóng)作物病害蟲檢測，物質(zhì)品質(zhì)檢測等等。這些都主要是通過分析物質(zhì)的吸收光譜或透射光譜來實現(xiàn)的，因此測量光譜透過率具有重要的意義。透明、半透明物體（包括液體、玻璃等）的光譜透過率的測量具有重大的現(xiàn)實意義和應用價值，例如根據(jù)溶液濃度與光譜透過率的一一對應關(guān)系可以利用光譜透過率測量液體的濃度；根據(jù)濾光片的光譜透過率來評價濾光片的質(zhì)量好壞；以玻璃為主

2、要材料的光學系統(tǒng)的光譜透過率是系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹匾笜?。光譜透過率反映了整個光學系統(tǒng)的輻射光通量的損耗與成像質(zhì)量的好壞以及成像質(zhì)量好壞的參考標準。本實驗系統(tǒng)所搭建的平臺既可以進行雙光束雙通道測量系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，也可以進行普通的單通道測試系統(tǒng)搭建。并運用所設(shè)計的光譜透過率測量實驗系統(tǒng)測量透明、半透明物質(zhì)的光譜透過率等。實驗目的1、加深對光柵單色儀、鎖定放大器工作原理設(shè)計結(jié)構(gòu)的理解。2、掌握光柵單色儀、鎖定放大器等光電檢測儀器的應用。3、學會設(shè)計光譜透過率測量系統(tǒng)的基本方法。實驗原理光譜透過率原理光是一種電磁波，當光波遇到有界面時會受到影響而引起反射和透射現(xiàn)象。一般光學元件表面都鍍有薄膜，光學鍍膜

3、是在光學元件上或獨立基板上鍍上特定的膜質(zhì)來改變光波傳遞的特性，如眼鏡鏡片有不同顏色均是由鍍膜所導致的。因此光學元件具有光譜特性，也就具有光譜透過率。在測量和計算透明物體或溶液的光譜和顏色特性時，也常要用到這一物理量。光譜透過率表示從光學系統(tǒng)出射的輻射光通量與投射到光學系統(tǒng)的輻射光通量之比，光學系統(tǒng)光譜透過率一般用表示6，即： （1）式中: 波長為、光通量為的單色光垂直入射到光學系統(tǒng)，由于光學系統(tǒng)對不同波長的光的透過能力不一樣，所以透過光學系統(tǒng)的光強也不一樣。 因此，搭建光譜透過率測試系統(tǒng)，主要目標就是測量出和。相關(guān)檢測原理在檢測光譜透過率測量系統(tǒng)中的信號時，噪聲是一種擾亂信號，它是限制和影響檢

4、測系統(tǒng)的靈敏度、精確性和重復性的重要因素。為了將噪聲所淹沒的信號檢測出來，通過考察和研究各種信號及噪聲的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，信號與信號的延時相乘后累加的結(jié)果可以區(qū)別于信號與噪聲的延時相乘后累加的結(jié)果，從而提出了“相關(guān)”的概念。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以利用乘法器，延時器及積分器進行相關(guān)運算，從而將周期信號從噪聲中檢測出來，這就是所謂的“相關(guān)檢測”。相關(guān)檢測可分為自相關(guān)檢測與互相關(guān)檢測?；ハ嚓P(guān)檢測比自相關(guān)檢測抑制噪聲的能力強，并有一定的互相關(guān)增益，故抑制噪聲的能力優(yōu)于自相關(guān)。互相關(guān)檢測互相關(guān)檢測原理圖（如圖所示）：互相關(guān)檢測原理圖輸入乘法器的是被含有噪聲的信號和被延時的與被檢測信號同頻率的參考信號，最后積分

5、器的輸出為 ： （2） 是噪聲與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，參考信號和噪聲是不相關(guān)的，隨積分時間T的延長而趨于零；是信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，參考信號和信號是相關(guān)的，隨積分時間T的延長而趨于某一函數(shù)值?；ハ嚓P(guān)檢測要求用與被測信號同頻率的參考信號，當被測信號未知時，要取得與同頻率的信號在某些情況下是困難的。要做大量試驗工作，才能確定，這時一般不采用互相關(guān)檢測。系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)各部分介紹光譜透過率測量實驗系統(tǒng)提供：低壓汞燈：溴鎢燈光源、光柵單色儀、聚光鏡、分光鏡、反光鏡、斬光盤、光電池探測器、鎖定放大器等構(gòu)成，下面詳細講述測試系統(tǒng)的各組成器件及其原理。光源低壓汞燈點燃之后能發(fā)出較強的汞的特性光譜線，它有4

6、04.7nm、546.1nm、577nm、579.1nm幾條特征譜線，根據(jù)這些譜線可以對單色儀的讀數(shù)進行校準。圖1 低壓汞燈光源GY-6高度可調(diào)溴鎢燈光源（如圖2所示），溴鎢燈又稱為鹵素燈，它是被廣泛使用的理想光源。溴鎢燈發(fā)光效率高，在光學儀器和電影放映等許多方面有廣泛應用。圖2 GY-6高度可調(diào)溴鎢燈光源透鏡由于溴鎢燈光源發(fā)出的光比較發(fā)散，為了更有效的收集光能，采用凸透鏡（如圖3所示）對光源發(fā)出的光進行會聚，光源發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過透鏡之后聚焦。圖3 兩種凸透鏡圖片光柵單色儀1. 單色儀工作原理光柵單色儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射到光柵單色儀的自然光或復色光，經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M1

7、上。S1處于M1的聚焦面上。因此反射光為平行光束。這束平行光束經(jīng)閃耀光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射經(jīng)M2。球面鏡M2起照相物鏡的作用，這些平行光束經(jīng)過M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球面鏡M2的聚焦面上。根據(jù)它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射出狹縫S2。圖1 WDG30型光柵單色儀原理圖當旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪帶動光柵旋轉(zhuǎn)時，可以在狹縫S2處得到光譜純度高的不同波長的單色光束。這樣單色儀就起到了將入射的復色光分解成一系列獨立的單色光的作用。使用單色儀時首先要用標準光源對單色儀的讀數(shù)進行校準，本實驗光源采用的是低壓汞燈。分

8、光鏡分光鏡可以將單色儀射出的單色光以一半反射一半透射的形式將單色光分成兩束，一束光為參考光（單通道系統(tǒng)中為監(jiān)測光），另一束為測試光，即被測物體置于該光路上。由于分光鏡并不是準確地將光以二分之一和二分之一的形式分光，故在實驗前應先測量出分光鏡的分光比，這樣可以提高實驗精度，分光鏡實物（如圖5所示）。圖5分光鏡片與鏡架圖反光鏡用來反射分光鏡分出的光束以形成兩束平行的光束（如圖6所示）。圖6 反光鏡片與鏡架圖斬光盤斬光盤是一種由電子控制的風扇式輪葉，在選定的某個轉(zhuǎn)速下，恒定的連續(xù)光束便被調(diào)制為一定頻率的周期性斷續(xù)光，并且斬光盤的透光時間與遮光時間相等，這樣就可以將恒定的光源變成交變的光源。光學斬光盤

9、的作用就是使直流光信號變成交流光信號，交流輻射信號便于電子學處理。光學斬光盤主要由機械架、光耦頻率反饋、機械斬光片和速度控制電子學系統(tǒng)組成。斬光盤的結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。有內(nèi)孔外孔兩個孔，在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，是連續(xù)光變成占空比為1:1的交流光信號，通常，斬光盤應放置在光電探測器的前方。本系統(tǒng)使用的是的南京大學微弱信號檢測中心研制的ND-4型可變頻雙參考斬光盤，其實物（如圖3-6所示）。圖7 斬光盤ND-4型可變頻雙參考斬光器主要技術(shù)指標如下：1 斬光頻率范圍：70Hz1200 Hz/8 Hz140 Hz2 頻率顯示誤差：±0.01 Hz3 頻率穩(wěn)定度（預熱1小時）：0.5%/小時4 參

10、考輸出：兩路：內(nèi)孔、外孔波形：方波 幅度：-6V+6V5 輸出阻抗：1K6 啟動穩(wěn)定時間（電機最高轉(zhuǎn)速）：30秒（典型值）7 相位抖動： 2孔：0.2° 17孔：1.5°探測器光電池是一種根據(jù)光生伏特效應將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種光電轉(zhuǎn)換器件。光電池有許多的特性，光電池所選用的材料的不同決定了光電池的光譜特性，比如在可見光的光譜范圍內(nèi)，硒光電池有較高的靈敏度，選擇合適的濾光片與硒光電池相配合，這樣它的光譜靈敏度就和人的眼睛非常相近，于是就能用它來決定照度的大小。硅光電池的應用范圍是400nm到1100nm之間，峰值波長在850nm左右，所以它對色溫為2854K的鎢絲燈光源，可以

11、得到非常好的光譜響應。因此選用硒光電池作為探測器，其實物圖（如圖8所示）。圖8 光電池探測器鎖定放大器南京大學生產(chǎn)的HB-211型精密雙相鎖定放大器，它是一種新型正交鎖定放大器，能準確測量被嗓聲和干擾信號淹沒的微弱信號，其同時使用了多點信號平均器和相敏檢波器，能夠檢測被測信號同相分量和正交分量。并具有動態(tài)范圍大、漂移小等特點，鎖定放大器實物圖（如圖9所示）。圖9 鎖定放大器HB-211型精密雙相鎖定放大器技術(shù)指標a) 工作頻率：5Hz100KHzb) 測量量程（滿刻度靈敏度）：100nV 1V 10V 100V1mV 10mV 100mV 1Vc) 輸入短路整機噪聲電壓（1KHz）：2nV/d

12、) 不相干信號最大過載電平：1000FSe) 白噪聲最大過載電平：300FSf) 輸出直流漂移：5 FS/Hg) 輸出總動態(tài)范圍：120dB鎖定放大器的使用1.信號輸入被測信號可以有兩個輸入端,輸入，它們?yōu)槌驮肼暻爸梅糯笃鞯膬蓚€輸入端。通過輸入模式的選擇，被測信號可以采用下列輸入方式:單端輸入模式：輸入(同相輸入)、輸入(反相輸入)差分輸入模式:-輸入(差分輸入)具有共模抑制能力。輸入短路模式:和均接地，用于測量輸入短路噪聲，或保護輸入級。接上待測信號(傳感器或其它微弱信號源)，根據(jù)待測信號的情況選擇輸入模式，如果是要單端輸入的選用A輸入、差分輸入的選用A-B輸入，通過功能設(shè)置鍵進行設(shè)置。本

13、實驗采用單端A輸入模式。2.接地端子在信號輸入下方為儀器的接地端子。由于本儀器輸入端采用半浮地技術(shù)，對信號源、參考源和檢測儀器之間的地線要進行合理的接地，被測信號、參考信號和儀器前置放大器的接地端須要用粗大地線連接，輸入電纜盡量要短（本實驗不需要粗大地線）。3.時間常數(shù)的選擇鎖定放大器采用的是窄帶抑制噪聲技術(shù)。等效噪聲帶寬B。反比于儀器的時間常T（），時間常數(shù)越長，等效噪聲帶寬越小，即對噪聲的抑制能力越強。也就是說，鎖定放大器能獲得信噪比的改善是犧牲時間為代價的。對于一個變化緩慢的信號，可以采用較長的時間常數(shù)進行測量，但對于一些變化較快的信號，在測量時要注意使用的時間常數(shù)與被測量變化速度相適應

14、。時間常數(shù)選得過短，則信噪比改善得不夠，輸出噪聲較大。時間常數(shù)選擇得過長，雖信噪比改善得較好，但有可能把有用的變化信號也給平滑掉，而不能分辮。另外，時間常數(shù)選擇與被測信號的頻率也有關(guān)系，特別在對低頻信號測量時，時間常數(shù)應選得比較長。4.參考模式f，2f的使用鎖定放大器是用相干測量技術(shù)測量與參考信號頻率同頻的信號。有些測量中，除了要測量基波外，還要測量二次諧波分量。例如測量一些器件的非線性效應，微分電阻等。為了這些測量在本儀器的參考通道中增加了一個f,2f選擇電路，由功能設(shè)置的參考模式控制。測量與參考信號頻率相同的信號時參考模式選“f”。要測二次諧波時選“2f”，請使用時注意。5.直角坐標分量,

15、和極坐標,的測量。一個待測信號，對于鎖定放大器所測的信號，頻率是已知的，要測量此信號即是測出其用直角坐標表示的和、用極坐標表示的和。這兩個量之的關(guān)系為: ，數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ在myDAQ（如圖10、11所示）上集成了8種常用的基本儀器，涵蓋數(shù)字萬用表，示波器，函數(shù)發(fā)生器，波特圖儀，動態(tài)信號采集儀，任意信號發(fā)生器，數(shù)字輸入與數(shù)字輸出。數(shù)字萬用表來測量基本的電壓，電流，電阻與二極管參數(shù)；使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生自定義激勵信號；使用示波器來觀察信號的細節(jié)；使用動態(tài)信號采集儀獲取，分析并提取信號特征；使用任意信號發(fā)生器來進行自定義的模擬量控制輸出；使用數(shù)字生成與采集器來完成數(shù)字量的輸入與開關(guān)量的控制

16、。學生除了可以像傳統(tǒng)儀器那樣輕松使用myDAQ上的8種儀器之外，他們可以通過針對LabVIEW的DAQmx與ELVISmx驅(qū)動API來靈活組合，調(diào)用myDAQ上的各種硬件資源，將模擬輸入輸出，數(shù)字輸入輸出，計數(shù)器硬件，3.5mm的標準音頻輸入輸出，甚至板上電源靈活組合，針對不同的創(chuàng)新實踐應用給出不同的組合解決方案。圖10 NI myDAQ圖11 NI myDAQ電路圖結(jié)上所述，光譜透過率測試系統(tǒng)提供如下：1 光源：光源為溴鎢燈，提供白色光源。2 單色儀：光柵單色儀上的轉(zhuǎn)輪選擇不同的波長便可以在出射狹縫處得到光譜純度較高的對應單色光束，這一系列的單色光即為本實驗系統(tǒng)的測試光。3 聚光鏡：由于溴鎢

17、燈發(fā)光較發(fā)散，光柵單色儀出射狹縫射出的光也比較發(fā)散，所以實驗時光路的各個地方都可能需要用到聚光鏡來使測試光線盡可能強，從而提高實驗精度。4 分光鏡：使用分光鏡將測試光分成參考（監(jiān)測）光和測試光兩束。5 反光鏡：雙光路中用來反射分光鏡反射出來的那束光作為參考光。6 斬光盤：調(diào)制信號。7 光電池探測器：將光信號轉(zhuǎn)換成電信號以便處理。8 鎖定放大器：對信號進行互相關(guān)運算，用于微弱信號檢測，從噪聲中提取有用信號。9 數(shù)據(jù)采集卡：對信號進行采集以及預處理，實現(xiàn)信號的采集、放大、A/D、D/A等功能。系統(tǒng)的設(shè)計思路參考光譜透過率測試系統(tǒng)有兩種方案，一種是單通道測試系統(tǒng)，另一種是雙通道測試系統(tǒng)。單通道測試系

18、統(tǒng)需要在有被測物和無被測物時進行兩次測試，雙通道測試系統(tǒng)只需測量一次可同時得到透過前和透過后的數(shù)據(jù)。兩種方案都主要由光柵單色儀、分光鏡、反光鏡、聚光鏡、光電池和鎖定放大器等組成。1. 單通道測試方法：單通道測試系統(tǒng)初期設(shè)計方案圖（如圖12所示）。光電池斬光盤被測樣品聚光鏡光柵單色儀聚光鏡光源鎖定放大器數(shù)據(jù)采集卡計算機圖12 單通道測試系統(tǒng)方案溴鎢燈光源出光后由聚光鏡會聚到單色儀的入射狹縫，單色儀出射狹縫射出單色光作為被測光，由于單色儀出射光較弱且發(fā)散，因此用聚光鏡對出射光進行聚光，然后經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制為交流信號，之后通過被測物體后的光經(jīng)光電池探測器轉(zhuǎn)化為電信號輸入鎖定放大器進行處理（或數(shù)據(jù)采集卡

19、采集，用計算機進行處理）。其中需要分別測試放置被測樣品和不放置被測樣品時的兩組數(shù)據(jù)。注意事項：在實際操作的過程中，為了保持光的強度，同時在實驗時更加便于觀察以及調(diào)整光路，實驗時需要多個匯聚透鏡光束進行會聚，因為實驗室的透鏡種類不同，會聚效果也不一樣，為了讓光都進入斬光盤的外孔，需要多個透鏡組合使光會聚效果更好，根據(jù)透鏡的焦距調(diào)整樣品、斬光盤、光電池的位置，實驗時被測樣品應放置在斬光盤的前方，這樣光電池與斬光盤距離較近，不然光經(jīng)過斬光盤后通過樣品后到達光電池中間光路較長，光束又會發(fā)散。單通道測試系統(tǒng)的實驗（如圖13所示）。圖13 單通道測試系統(tǒng)實物圖a) 雙通道測試方法：設(shè)計方案（如圖14所示）

20、。光源聚光鏡光柵單色儀聚光鏡分光鏡反光鏡斬光盤被測樣品光電池鎖定放大器數(shù)據(jù)采集卡計算機圖14雙通道測試系統(tǒng)方案光源出光后由聚光鏡會聚到單色儀的入射狹縫，單色儀出射狹縫射出單色光作為被測光，由于單色儀出射光較弱，因此單色儀后用聚光鏡進行聚光，之后用分光鏡把光束分成參考光和測量光兩路，然后經(jīng)斬光盤調(diào)制，參考光直接用光電池探測器輸進鎖定放大器，測量光經(jīng)被測物體后再經(jīng)光電池探測器輸進鎖定放大器進行處理。注意事項：光源和單色儀之間需要聚光，出射狹縫的寬度最大的時候，出射光最亮，光源與單色儀（如圖15所示）。圖15光源與單色儀放置圖方案中的調(diào)制器主要是用來給后面的鎖定放大器提供參考電路的。實驗過程中，鎖定

21、放大器的A、B兩個輸入端的輸入方式有：單端輸入模式：A端輸入（同相輸入）、B端輸入（反相輸入）；差分輸入模式：A-B輸入（差分輸入）具有共模抑制能力；輸入短路模式：A和B端均接地，用于測量輸入短路噪聲或保護輸入級10。因為本設(shè)計系統(tǒng)的參考光與被測光兩條光路輸出的光要進行比較，需要選擇鎖定放大器的單端輸入但是又不能一個同相輸入一個反相輸入，因此本設(shè)計方案需要用兩個鎖定放大器，這樣就需要兩個光路分開進行調(diào)制，分別給自己光路上的鎖定放大器提供參考光路，故需要用兩個調(diào)制器，即兩個斬光盤。實驗實物圖（如圖16所示）。圖16 調(diào)制器與鎖定放大器圖另外，分光鏡分出的兩道光束中，其中一束要通過反光鏡反射使兩道

22、光束方向相同，實際操作時需要在分光鏡和反光鏡之間加了凸透鏡聚光使光束能全都被反光鏡反射，因為考慮到兩條光路都要留足夠的空間擺放儀器，所以分光鏡和反光鏡之間要有相應的距離，為了避免光束發(fā)散，所以只能加入透鏡來調(diào)整光路（如圖17所示）。圖17 分光鏡與反光鏡光路圖最終雙通道測試系統(tǒng)的實物圖（如圖18所示）。圖18 雙通道測試系統(tǒng)光路圖數(shù)據(jù)采集及軟件部分數(shù)據(jù)采集部分提供的是美國國家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡。NI myDAQ用來采集數(shù)據(jù)時操作非常方便，可以繼續(xù)進行拓展訓練。 圖3-20 數(shù)據(jù)采集卡測試連線圖完成設(shè)計任務參考實例所用實驗儀器鎖定放大器、光柵單色儀、溴燈、斬光器

23、、高壓汞燈、會聚透鏡、濾光片等。實驗內(nèi)容及步驟1. 實驗內(nèi)容主要包擴單色儀的定標和光譜特性的測量。定標即首先利用汞燈的幾條特定譜線對單色儀進行校準定標，找出單色儀出射光實際波長與顯示波長讀數(shù)的對應關(guān)系；光譜特性的測量即利用寬光譜的鹵素燈溴燈作光源，分別測量探測器在直接接收單色儀出射光和透過被測樣品時的光譜響應，從而求出幾種樣品的光譜透過率。2.實驗步驟（1）校準單色儀按圖5裝置擺好光路，調(diào)整透鏡盡量使得汞燈的光能聚焦在單色儀的入射狹縫，使透鏡高壓汞燈單色儀觀察出光狹縫圖2 單色儀校準裝置示意圖更多的光能進入單色儀。在單色儀出射狹縫從小到大旋轉(zhuǎn)光柵單色儀的轉(zhuǎn)輪，可以觀察到汞燈精細明亮的4條特征譜

24、線，實際波長依次為404.7nm、546.1nm、577nm、579.1nm。記下每條譜線單色儀對應的讀數(shù)，為消除誤差，測量23次取平均值。在觀察的過程中為使讀數(shù)更加準確，可以適當減小入射狹縫寬度，增大出射狹縫寬度。根據(jù)汞燈的譜線特性，做出單色儀出射光實際波長值和顯示值的曲線關(guān)系。這樣便可通過單色儀上顯示的波長讀數(shù)計算得知實際出射光波長。（2）光譜透過率測量按照圖6所示裝置放置好實驗儀器，溴燈聚焦后的光斑落在單色儀入射狹縫上。調(diào)制器輸出的信號（根據(jù)使用斬波器內(nèi)外徑選擇合適的檔位和輸出端口）接鎖定放大器參考信號輸入端。探測器的輸出接鎖定放大器信號輸入A端口。將鎖定放大器的接地端子與大地連接，設(shè)置好儀器的各功能項。溴燈調(diào)制器單色儀探測器樣品信號輸入鎖定放大器A B參考輸入調(diào)制信號輸出圖3 光譜透過率測試裝置示意圖 實驗儀器調(diào)整好后，首先測量已知波長濾光片的光譜透過濾，以此來檢驗整個測試系統(tǒng)的準確度，測量時要適當增大入射狹縫寬度，減小出射狹縫寬度，同時要保證不放濾光片時，鎖定放大器顯示讀數(shù)盡量大。測量樣品的光譜透過率，調(diào)節(jié)單