CCD微机棱镜摄谱仪实验论文.doc

普通物理实验C
课程论文

题 目 CCD微机棱镜摄谱仪实验研究

学 院 物理科学与技术学院
专 业 物理学（师范）
年 级 级
学 号
姓 名
指 导 教 师
论 文 成 绩 __________________
答 辩 成 绩 __________________

2013 年 12 月 14 日

目录
摘要： 3
引 言 4
一、实验项目名称 5
二、实验目的 5
三、实验原理 5
四、实验装置介绍及示意图 7
六、实验结果及分析 12
七、误差来源分析 16
参考文献： 16
致谢： 17
CCD微机棱镜摄谱仪实验研究

物理科学与技术学院，重庆 400715

摘要：
光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱、连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。
随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。
关键词：CCD、摄谱仪、光谱、波长、物质结构

引 言

随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。
光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。
PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。与其他产品相比，PSP05型摄谱仪具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统棱镜摄谱仪的升级换代产品。

一、实验项目名称
CCD微机棱镜摄谱仪实验研究

二、实验目的
1． 了解小型摄谱仪的结构、原理和使用方法。
2． 学习摄谱仪的定标方法及物理量的比较测量方法（线形插值法）。
3． 观察分析物质的发射光谱，利用棱镜摄谱仪测量物质光谱线波长。
三、实验原理
1.仪器的分辨本领
仪器分辨本领是指在用摄谱仪摄取波长为λ附近的光谱时，刚刚能分辨出两谱线的波长差。用R表示，式中dλ为能够分辨的两谱线波长差。显然dλ值越小，摄谱仪分辨光谱的能力越高。
棱镜的分辨本领式中的b是棱镜的底边长，是棱镜材料的折射率随波长的变化率；可见，要提高棱镜摄谱仪的光谱分辨本领，必须选用高色散率的材料制作色散棱镜，且底边b要宽。棱镜的R大约可以达到的数量积。
2．光谱和物质结构的关系
每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激励后，可由基态跃迁到能量较高的激发态。由于激发态不稳定，处于高能级的原子很快就返回基态，此时发射出一定能量的光子，光子的波长（或频率）由对应两能级之间的能量差决定。，和分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量，即：，得：，式中，i = 1，2，3，…，h为普朗克常数，c为光速。
每一种元素的原子，经激发后再向低能级跃迁时，可发出包含不同频率（波长）的光，这些光经色散元件即可得到一对应的光谱。此光谱反映了该物质元素的原子结构特征，故称为该元素的特征光谱。通过识别特征光谱，就可对物质的组成和结构进行分析。
3．棱镜摄谱仪的工作原理
复色光经色散系统（棱镜）分光后，按波长的大小依次排列的图案，称为光谱。
棱镜摄谱仪的构造由准直系统、偏转棱镜、成像系统、光谱接收四部分组成。按所适用波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所使用的棱镜材料是不同的：对紫外用水晶或萤石；对可见光用玻璃；对红外线用岩盐等材料。
棱镜把平行混合光束分解成不同波长的单色光根据的是折射光的色散原理。各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，其经验公式是：，式中A、B、C是与物质性质有关的常数。由上式可知，短波长光的折射率要大些，例如一束平行入射光由、、三色光组成，并且，通过棱镜后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角d，其相对大小如图1所示。
图1 棱镜色散波长λ与偏向角d的关系图

小型摄谱仪常选用阿贝(Abbe)复合棱镜，它是由两个30°角折射棱镜和一个45°角全反射棱镜组成，如图2所示。
本实验系统就是利用棱镜的色散特性进行工作的摄谱仪。在摄谱仪中，棱镜的主要作用是用来分光，即利用棱镜对不同波长的光有不同折射率的性质来分析光谱。折射率n与光的波长λ有关。当一束白光或其它非单色光入射棱镜时，由于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角d，从而出射线方向不同。通常棱镜的折射率n是随波长λ的减小而增加的（正常色散），所以可见光中紫光偏折最大，红光偏折最小。一般的棱镜摄谱仪都是利用这种分光作用制成的。
摄谱仪的光学系统如图3所示，自光源S发出的光，通过调节狭缝大小获得一宽度、光强适中的光束，此光束经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜色散，由成像系统成像于接收系统上。
图2 阿贝复合棱镜

图3 摄谱仪系统光路图

4．用线形内插法求待测波长
这是一种近似测量波长的方法。一般情况下，棱镜是非线性色散元件，但是在一个较小的波长范围内，可以认为色散是均匀的，即认为CCD上接收的谱线的位置和波长有线性关系。如波长为的待测谱线位于已知波长和谱线之间，如图4所示，它们的相对位置可以在CCD采集软件上读出，如用d和x分别表示谱线和的间距及和的间距，那么待测线波长为：。

四、实验装置介绍及示意图（见下图5）
下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。
（1）可调狭缝
可调狭缝是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成光谱的实际光源，直接决定谱线的质量。
狭缝是由一对能对称分合的刀口片组成，其分合动作由手轮控制。手轮是保持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有能左右拉动的哈特曼栏板。
（2）准直系统
光源S发出的光，经可调狭缝后，经过透镜L1、L2后成一束平行光入射到恒偏转棱镜上。实验过程中需微调可调狭缝的位置，当狭缝的位置处于L1、L2组合透镜的焦距上时，从透镜L2出射的光线为平行光。
（3）色散系统
色散系统是一个恒偏转棱镜，它使光线在色散的同时又偏转64. 1°。棱镜本身也可绕铅直轴转动。
（4）成像系统
成像系统是平行光线经棱镜色散后的聚焦部分。可以通过调焦手轮作前后移动进行调焦，调焦幅度约为40 mm。成像效果可以通过旋转反光镜，将光线反射至毛玻璃上，用看谱镜透过看谱窗观察光谱。
（5）接收系统
PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪采用的是线阵CCD来接收光谱的光强分布，代替了传统的胶片曝光法，操作方便，提高了实验精度及实验数据处理能力。
CCD光强分布测量仪
其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。PSP05型CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，性能参数如下表。

表1 CCD器件性能参数表

光敏元素
光敏元尺寸
光敏元中心距
光谱响应范围
光谱响应峰值
2160个
14 μm×14 μm
14 μm
(0. 3 ~ 0. 9) μm
0. 56 μm

CCD电路盒上有1只DIP开关，改变这个时钟频率DIP开关的设置就改变了CCD器件对光信号的积分时间。积分时间越长，光电灵敏度越高，时钟频率DIP开关有5档，每档间是二进制关系，积分时间按1，2，4，8，16倍增加。第1档频率最高（每秒10帧），一般放在1档上。DB9插座，用来将CCD光强分布测量仪与USB100 计算机数据采集盒相连。在电路盒上有1个调整扫描基线上下位置的小孔，扫描基线调整孔内有一只小电位器，用于调整“零光强”时扫描线在显示器上的位置，调整时用钟表起或小起子细心微微旋转，顺时针转动时，扫描基线将向上移动；反之，基线将下降。

狭缝
准直系统
棱镜暗盒
棱镜台旋转调节机构
成像系统
成像调焦机构
CCD光强分布测量仪
反光镜旋转调节手轮
看谱窗
光源（选配件，可自配）
防护罩
灯具管
锁紧螺钉
底盘
整套PSP05 CCD微机摄谱仪的实验装置如下图5所示，具体安装如

图5 CCD型棱镜摄谱仪整体装置图

五、实验步骤
（一）、CCD摄谱仪的调节
整套PSP05CCD微机摄谱仪的实验装置如上图5所示，具体安装调节步骤如下：
1． 实验系统应平稳放置在实验工作平台上。
2． 转动棱镜旋转台调节旋钮，将旋转指示指针移动至实验仪器面板的标度指示中心位置。
3． 打开棱镜盒上盖，将棱镜放置在棱镜旋转台上面，放置位置可参照旋转台上面标示的放置位置（划线表示），这样可以节省调节时间。用压片稍微压紧棱镜。
4． 在准直系统前部放置光源，点亮光源，将其正对平行光管通光口径。将反光镜旋转调节手轮顺时针旋至底，微调棱镜，使得通过看谱窗看到的光斑最强，压紧棱镜，并保持光斑在看谱窗的中心位置。压紧棱镜时，压力不要过大以防棱镜变形或破碎。
5． 取出可调狭缝，旋下其保护罩（切记），将其通光口径调节至0. 5 mm左右，安装在平行光管上。狭缝应安装在垂直位置，否则谱线将成倾斜状，此时可转动可调狭缝，直至底片上的谱线在铅垂方向为止，再调节可调狭缝调节手轮，使狭缝通光口径缓慢变小，同时用看谱镜观察看谱窗上的谱线变化，直至所见谱线亮度、宽度适中，谱线成像清晰为止，停止调节手轮。若谱线不能完全充满看谱窗横向视场，则说明棱镜旋转平台不平整，应加以调节，此时可以微调棱镜旋转平台上的3个十字调节螺钉(如图6所示)，调节时注意观察变化规律，直至谱线充满看谱窗横向视场为止。若看谱窗上的谱线成像始终模糊，应改变可调狭缝刀口与准直物镜之间的距离，当狭缝刀口正好处于组合准直物镜的焦距上时成像效果最佳，此时在看谱窗的所见的谱线，宽度、亮度适中，成像清晰。旋紧狭缝和棱镜压片固定螺钉。
图6 棱镜旋转平台俯视图
调节螺钉

6． 用一谱线已知的光源（如钠灯、汞灯或其它一已知光源）定标。将定标光源正对狭缝刀口，此时可以调节棱镜旋转台调节旋钮，在CCD可见视场内尽可能出现最多的谱线，这样便于定标和实验谱线的比较，从而方便数据处理，减小实验误差。将反光镜旋转手轮逆时针旋转至底。利用本实验系统自带的采集软件采集谱线，并保存谱线样本（软件具体操作方法见软件使用说明书）。若CCD接收的谱线水平幅度较宽，可以微调成像系统的微调手轮和像面倾斜螺钉，在软件界面上得出较为理想的曲线。
7． 在不改变任何光学系统的前提下，即不改变狭缝位置，不旋转棱镜旋转台，不调节成像微调手轮。移去定标光谱灯，将待测光谱灯移近狭缝，并正对好狭缝刀口，利用CCD采集待测样本曲线，并保存样本曲线。
8． 对比定标光谱曲线和待测光谱曲线，得出两光谱各谱线之间的相对位置关系，利用线性插值法（注意：相邻谱线间隔不能相差过大，否则会增大实验误差），计算出待测光谱线波长，并与给出的标准谱线波长值比较，得出实验误差。
9． 实验结束后，不要将可调狭缝刀口长时间处于紧闭状态。
（二）、定标
1.用一谱线已知的光源（本实验用得是钠光源）定标。将钠光源点亮，稳定后放置在平行光管前。
2.打开工作软件，点击“文件”下的“开始采集”按钮采集谱线，微调钠光灯使电脑窗口显示的谱线清晰，可看到清晰的钠双线。点击“停止采集”按钮。
移动蓝色的取样框（按住鼠标左键）到钠双线处，将鼠标移至右面，选择“A/D”值最大时（可使用键盘上的方向键）按下鼠标左键，输入“589. 6 nm”，可点击“查看数据”下的“放大局部视窗”放大视窗准确定标，记录相应数据，以防软件问题而造成的数据丢失；之后鼠标移至右边的谱线处输入“589. 0 nm”，完成定标。

（三）、测量He光谱
1.定标好后，在不改变任何光学系统的前提下，移去定标光谱灯，将氦灯放在与定标光谱灯的同一位置，并且正对好狭缝刀口。点击“文件”下的“开始采集”按钮，微调氦灯的位置使电脑窗口显示的谱线清晰，点击“停止采集”按钮。
2.移动蓝色的取样框（按住鼠标左键）到谱线处，将鼠标移至右边的谱线处，点击右键，弹出一对话框，按下“由列表选定标谱线1”，选择一之前钠灯定标的谱线；同样方法，在“由列表选定标谱线2”选择另一定标的谱线，后计算待测波长。
3.得出一条谱线的测量值之后，记录数据。依照此方法，测量出其他几条谱线。
4.关闭实验仪器，整理实验数据。注意实验结束后，不要将可调狭缝刀口长时间处于紧闭状态。

（四）、注意事项：
1． 因光谱线相对于环境光显得有点暗弱，本实验应尽量安排在暗室中进行，这样比较利于光谱的观察和辨别。
2． CCD电路盒上有1只DIP开关，改变这个时钟频率DIP开关的设置就改变了CCD器件对光信号的积分时间。积分时间越长，光电灵敏度越高，时钟频率DIP开关有5档，每档间是二进制关系，积分时间按1，2，4，8，16倍增加。第1档频率最高（每秒10帧），一般放在1档上。DB9插座，用来将CCD光强分布测量仪与计算机数据采集盒相连。在电路盒上有1个调整扫描基线上下位置的小孔，扫描基线调整孔内有一只小电位器，用于调整“零光强”时扫描线在显示器上的位置，调整时用钟表起或小起子细心微微旋转，顺时针转动时，扫描基线将向上移动；反之，基线将下降。通常基线位置应调节在满幅度的10 % 左右。
3． 如果采集到的光谱线出现大面积“削顶”，则有两种可能：一是CCD器件饱和，说明光信号过强，这时可以将光源稍微离开光源一点距离；二是软件中选项里的增益参数调得过大，应使之减小（一般增益置为1）。
4． 如发现采集的光谱曲线上毛刺较多，检查狭缝刀口是否有尘埃，可用蚕丝棉沾取酒精小心擦拭。
5． 在安装调节棱镜时，手指只能接触棱镜的棱边，勿接触光学面，避免污染光学面，从而影响实验效果；在压紧棱镜时，切勿用力过大，谨防压坏棱镜。
6． 可调狭缝是光谱仪中非常重要的机械部件，它用来限制入射光束并构成光谱的实际光源，其直接决定谱线的质量，因此要特别爱护好可调狭缝。不要使刀口处于紧闭的状态，因为刀口比较锐利，相互紧闭容易产生卷边而使刀口受到损伤与破坏。因此操作手轮调整狭缝宽度时要细心，旋转时用力要小而均匀，而且要慢慢地旋转，千万不要急促地快转，因为狭缝部件上的零件都比较精密，弹簧力量比较小，如果猛然或快速旋转会使之受冲击力而影响狭缝的精度和寿命，这一点必须注意。
7． 在调节狭缝宽度时，最好在开启方向进行，因为狭缝是在弹簧力量作用下关闭的，由于要克服机构中的磨擦，因此狭缝刀片的运动可能滞后，从开启方向开始调节可消除上述误差。
8． 为了保护刀刃免遭机械损坏，以及避免灰尘和脏物的入侵，在使用完毕后，必须马上给狭缝旋上保护罩，不要长时间直接暴露在空气中。
9． 在进行数据采集时，应先接DB15串口线，再接USB线，否则容易死机。

六、实验结果及分析

1. 定标光谱（钠光灯）

表2 Na灯光谱表

灯源
谱线波长（nm）
颜色
钠（Na）
589.6
黄色（D双线）
589.0

采用线阵CCD采集的钠双线（定标谱线），其中CCD的规格为：1414um,2160像元，定标图如下：

图7 钠双线定标谱线图

2. 氦光谱的测量及实验误差：

表3 测量氦光波长实验数据记录表

灯源 理论谱线 颜色 实验测的谱 位置 相对误差
波长（nm） 线波长（nm）
氦灯（He）
706.6 红

667.8 红

587.6 黄
704.195

673.117

589.72
264

596

1598
0.34％

0.796％

0.361％

采用钠灯定标进行测量氦光谱，实验采用的是线阵CCD, CCD的规格为：1414um,2160像元，采集的实验曲线如下：
(1) 测量值为：704.195 红色

图8 测量氦光红线波长曲线图一

（2）、测量值为：673.117 红色

图9 测量氦光红线波长曲线图二
（3） 测量值为：589.72 黄色

图10 测量氦光黄线波长曲线图

3. 汞光谱的测量及实验误差

表4 测量汞光波长实验数据记录表

灯源 理论谱线波长（nm） 颜色 实验测的谱线波长（nm） 位置 误差
汞灯（Hg）
576.96 黄 574.901 1680 0.49％
546.07 绿 541.452 2126 0.84％

采用钠灯定标进行测量氦光谱，采集的实验曲线如下：

图11 测量汞光波长曲线图

七、误差来源分析
1.在定标或测量时，直线放置的位置与最高点或最低点有偏差。
2.计算时的误差。
3．测量时外部光线的影响。

参考文献：
[1]陈晓莉，王培吉.普通物理实验(下)[M].重庆：西南师范大学出版社，2011。
[2]PSPO5 CCD微机棱镜摄谱仪使用说明书/试验指导书[M]南京：南京浪博科教仪器研究所2008。

致谢： 感谢各位老师的教导，也感谢为我们提供资料和装置的出版社和研究所。自己在这次实验中也遇到了很多的困难和疑惑，但在陈晓莉老师的谆谆教诲和帮助下，自己终于把实验做成功。感谢我的陈老师，她思维严谨细致，一丝不苟的作风一直是我们学习、工作中的榜样。陈老师总是默默的关注着我们，当我们出错时，不知疲倦的提醒我们要注意细节问题，细心的给我们指出错误的所在，再让我们自己思考，让我们在大学这几年受益匪浅。
在此，谨向我们亲爱的陈老师致以崇高的敬意和由衷的感谢！
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