光谱透过率实验(2012级)2.0

1、上课参考专用光谱透过率测量实验物体透过率是指物体透射的光通量与入射光通量之比，标志着物体传输光辐射能量的强弱，光谱透过率是指物体对某个波长的单色光的透过率。随着科学的发展，光谱所贡献的力量越来越大，光谱学及光谱分析在各个领域的运用也越来越广泛，如物质成分检测，农作物病害虫检测，物质品质检测等等。这些都主要是通过分析物质的吸收光谱或透射光谱来实现的，因此测量光谱透过率具有重要的意义。透明、半透明物体（包括液体、玻璃等）的光谱透过率的测量具有重大的现实意义和应用价值，例如根据溶液浓度与光谱透过率的一一对应关系可以利用光谱透过率测量液体的浓度；根据滤光片的光谱透过率来评价滤光片的质量好坏；以玻璃为主

2、要材料的光学系统的光谱透过率是系统能量传输的重要指标。光谱透过率反映了整个光学系统的辐射光通量的损耗与成像质量的好坏以及成像质量好坏的参考标准。本实验系统所搭建的平台既可以进行双光束双通道测量系统的设计与搭建，也可以进行普通的单通道测试系统搭建。并运用所设计的光谱透过率测量实验系统测量透明、半透明物质的光谱透过率等。实验目的1、加深对光栅单色仪、锁定放大器工作原理设计结构的理解。2、掌握光栅单色仪、锁定放大器等光电检测仪器的应用。3、学会设计光谱透过率测量系统的基本方法。实验原理光谱透过率原理光是一种电磁波，当光波遇到有界面时会受到影响而引起反射和透射现象。一般光学元件表面都镀有薄膜，光学镀膜

3、是在光学元件上或独立基板上镀上特定的膜质来改变光波传递的特性，如眼镜镜片有不同颜色均是由镀膜所导致的。因此光学元件具有光谱特性，也就具有光谱透过率。在测量和计算透明物体或溶液的光谱和颜色特性时，也常要用到这一物理量。光谱透过率表示从光学系统出射的辐射光通量与投射到光学系统的辐射光通量之比，光学系统光谱透过率一般用表示6，即： （1）式中: 波长为、光通量为的单色光垂直入射到光学系统，由于光学系统对不同波长的光的透过能力不一样，所以透过光学系统的光强也不一样。 因此，搭建光谱透过率测试系统，主要目标就是测量出和。相关检测原理在检测光谱透过率测量系统中的信号时，噪声是一种扰乱信号，它是限制和影响检

4、测系统的灵敏度、精确性和重复性的重要因素。为了将噪声所淹没的信号检测出来，通过考察和研究各种信号及噪声的规律发现，信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的“相关检测”。相关检测可分为自相关检测与互相关检测。互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强，并有一定的互相关增益，故抑制噪声的能力优于自相关。互相关检测互相关检测原理图（如图所示）：互相关检测原理图输入乘法器的是被含有噪声的信号和被延时的与被检测信号同频率的参考信号，最后积分

5、器的输出为 ： （2） 是噪声与参考信号的互相关函数，参考信号和噪声是不相关的，随积分时间T的延长而趋于零；是信号与参考信号的互相关函数，参考信号和信号是相关的，随积分时间T的延长而趋于某一函数值。互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号，当被测信号未知时，要取得与同频率的信号在某些情况下是困难的。要做大量试验工作，才能确定，这时一般不采用互相关检测。系统设计系统各部分介绍光谱透过率测量实验系统提供：低压汞灯：溴钨灯光源、光栅单色仪、聚光镜、分光镜、反光镜、斩光盘、光电池探测器、锁定放大器等构成，下面详细讲述测试系统的各组成器件及其原理。光源低压汞灯点燃之后能发出较强的汞的特性光谱线，它有4

6、04.7nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。图1 低压汞灯光源GY-6高度可调溴钨灯光源（如图2所示），溴钨灯又称为卤素灯，它是被广泛使用的理想光源。溴钨灯发光效率高，在光学仪器和电影放映等许多方面有广泛应用。图2 GY-6高度可调溴钨灯光源透镜由于溴钨灯光源发出的光比较发散，为了更有效的收集光能，采用凸透镜（如图3所示）对光源发出的光进行会聚，光源发出的发散光经过透镜之后聚焦。图3 两种凸透镜图片光栅单色仪1. 单色仪工作原理光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1

7、上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。图1 WDG30型光栅单色仪原理图当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是低压汞灯。分

8、光镜分光镜可以将单色仪射出的单色光以一半反射一半透射的形式将单色光分成两束，一束光为参考光（单通道系统中为监测光），另一束为测试光，即被测物体置于该光路上。由于分光镜并不是准确地将光以二分之一和二分之一的形式分光，故在实验前应先测量出分光镜的分光比，这样可以提高实验精度，分光镜实物（如图5所示）。图5分光镜片与镜架图反光镜用来反射分光镜分出的光束以形成两束平行的光束（如图6所示）。图6 反光镜片与镜架图斩光盘斩光盘是一种由电子控制的风扇式轮叶，在选定的某个转速下，恒定的连续光束便被调制为一定频率的周期性断续光，并且斩光盘的透光时间与遮光时间相等，这样就可以将恒定的光源变成交变的光源。光学斩光盘

9、的作用就是使直流光信号变成交流光信号，交流辐射信号便于电子学处理。光学斩光盘主要由机械架、光耦频率反馈、机械斩光片和速度控制电子学系统组成。斩光盘的结构（如图7所示）。有内孔外孔两个孔，在电机的带动下旋转，是连续光变成占空比为1:1的交流光信号，通常，斩光盘应放置在光电探测器的前方。本系统使用的是的南京大学微弱信号检测中心研制的ND-4型可变频双参考斩光盘，其实物（如图3-6所示）。图7 斩光盘ND-4型可变频双参考斩光器主要技术指标如下：1 斩光频率范围：70Hz1200 Hz/8 Hz140 Hz2 频率显示误差：0.01 Hz3 频率稳定度（预热1小时）：0.5%/小时4 参考输出：两路

10、：内孔、外孔波形：方波 幅度：-6V+6V5 输出阻抗：1K6 启动稳定时间（电机最高转速）：30秒（典型值）7 相位抖动： 2孔：0.2 17孔：1.5探测器光电池是一种根据光生伏特效应将光能转换成电能的一种光电转换器件。光电池有许多的特性，光电池所选用的材料的不同决定了光电池的光谱特性，比如在可见光的光谱范围内，硒光电池有较高的灵敏度，选择合适的滤光片与硒光电池相配合，这样它的光谱灵敏度就和人的眼睛非常相近，于是就能用它来决定照度的大小。硅光电池的应用范围是400nm到1100nm之间，峰值波长在850nm左右，所以它对色温为2854K的钨丝灯光源，可以得到非常好的光谱响应。因此选用硒光电

11、池作为探测器，其实物图（如图8所示）。图8 光电池探测器锁定放大器南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能准确测量被嗓声和干扰信号淹没的微弱信号，其同时使用了多点信号平均器和相敏检波器，能够检测被测信号同相分量和正交分量。并具有动态范围大、漂移小等特点，锁定放大器实物图（如图9所示）。图9 锁定放大器HB-211型精密双相锁定放大器技术指标a) 工作频率：5Hz100KHzb) 测量量程（满刻度灵敏度）：100nV 1V 10V 100V1mV 10mV 100mV 1Vc) 输入短路整机噪声电压（1KHz）：2nV/d) 不相干信号最大过载电平：1000

12、FSe) 白噪声最大过载电平：300FSf) 输出直流漂移：5 FS/Hg) 输出总动态范围：120dB锁定放大器的使用1.信号输入被测信号可以有两个输入端,输入，它们为超低噪声前置放大器的两个输入端。通过输入模式的选择，被测信号可以采用下列输入方式:单端输入模式：输入(同相输入)、输入(反相输入)差分输入模式:-输入(差分输入)具有共模抑制能力。输入短路模式:和均接地，用于测量输入短路噪声，或保护输入级。接上待测信号(传感器或其它微弱信号源)，根据待测信号的情况选择输入模式，如果是要单端输入的选用A输入、差分输入的选用A-B输入，通过功能设置键进行设置。本实验采用单端A输入模式。2.接地端子

13、在信号输入下方为仪器的接地端子。由于本仪器输入端采用半浮地技术，对信号源、参考源和检测仪器之间的地线要进行合理的接地，被测信号、参考信号和仪器前置放大器的接地端须要用粗大地线连接，输入电缆尽量要短（本实验不需要粗大地线）。3.时间常数的选择锁定放大器采用的是窄带抑制噪声技术。等效噪声带宽B。反比于仪器的时间常T（），时间常数越长，等效噪声带宽越小，即对噪声的抑制能力越强。也就是说，锁定放大器能获得信噪比的改善是牺牲时间为代价的。对于一个变化缓慢的信号，可以采用较长的时间常数进行测量，但对于一些变化较快的信号，在测量时要注意使用的时间常数与被测量变化速度相适应。时间常数选得过短，则信噪比改善得不

14、够，输出噪声较大。时间常数选择得过长，虽信噪比改善得较好，但有可能把有用的变化信号也给平滑掉，而不能分辫。另外，时间常数选择与被测信号的频率也有关系，特别在对低频信号测量时，时间常数应选得比较长。4.参考模式f，2f的使用锁定放大器是用相干测量技术测量与参考信号频率同频的信号。有些测量中，除了要测量基波外，还要测量二次谐波分量。例如测量一些器件的非线性效应，微分电阻等。为了这些测量在本仪器的参考通道中增加了一个f,2f选择电路，由功能设置的参考模式控制。测量与参考信号频率相同的信号时参考模式选“f”。要测二次谐波时选“2f”，请使用时注意。5.直角坐标分量,和极坐标,的测量。一个待测信号，对于

15、锁定放大器所测的信号，频率是已知的，要测量此信号即是测出其用直角坐标表示的和、用极坐标表示的和。这两个量之的关系为: ，数据采集卡NI myDAQ在myDAQ（如图10、11所示）上集成了8种常用的基本仪器，涵盖数字万用表，示波器，函数发生器，波特图仪，动态信号采集仪，任意信号发生器，数字输入与数字输出。数字万用表来测量基本的电压，电流，电阻与二极管参数；使用函数发生器产生自定义激励信号；使用示波器来观察信号的细节；使用动态信号采集仪获取，分析并提取信号特征；使用任意信号发生器来进行自定义的模拟量控制输出；使用数字生成与采集器来完成数字量的输入与开关量的控制。学生除了可以像传统仪器那样轻松使用

16、myDAQ上的8种仪器之外，他们可以通过针对LabVIEW的DAQmx与ELVISmx驱动API来灵活组合，调用myDAQ上的各种硬件资源，将模拟输入输出，数字输入输出，计数器硬件，3.5mm的标准音频输入输出，甚至板上电源灵活组合，针对不同的创新实践应用给出不同的组合解决方案。图10 NI myDAQ图11 NI myDAQ电路图结上所述，光谱透过率测试系统提供如下：1 光源：光源为溴钨灯，提供白色光源。2 单色仪：光栅单色仪上的转轮选择不同的波长便可以在出射狭缝处得到光谱纯度较高的对应单色光束，这一系列的单色光即为本实验系统的测试光。3 聚光镜：由于溴钨灯发光较发散，光栅单色仪出射狭缝射出

17、的光也比较发散，所以实验时光路的各个地方都可能需要用到聚光镜来使测试光线尽可能强，从而提高实验精度。4 分光镜：使用分光镜将测试光分成参考（监测）光和测试光两束。5 反光镜：双光路中用来反射分光镜反射出来的那束光作为参考光。6 斩光盘：调制信号。7 光电池探测器：将光信号转换成电信号以便处理。8 锁定放大器：对信号进行互相关运算，用于微弱信号检测，从噪声中提取有用信号。9 数据采集卡：对信号进行采集以及预处理，实现信号的采集、放大、A/D、D/A等功能。系统的设计思路参考光谱透过率测试系统有两种方案，一种是单通道测试系统，另一种是双通道测试系统。单通道测试系统需要在有被测物和无被测物时进行两次

18、测试，双通道测试系统只需测量一次可同时得到透过前和透过后的数据。两种方案都主要由光栅单色仪、分光镜、反光镜、聚光镜、光电池和锁定放大器等组成。1. 单通道测试方法：单通道测试系统初期设计方案图（如图12所示）。光电池斩光盘被测样品聚光镜光栅单色仪聚光镜光源锁定放大器数据采集卡计算机图12 单通道测试系统方案溴钨灯光源出光后由聚光镜会聚到单色仪的入射狭缝，单色仪出射狭缝射出单色光作为被测光，由于单色仪出射光较弱且发散，因此用聚光镜对出射光进行聚光，然后经过调制器调制为交流信号，之后通过被测物体后的光经光电池探测器转化为电信号输入锁定放大器进行处理（或数据采集卡采集，用计算机进行处理）。其中需要分

19、别测试放置被测样品和不放置被测样品时的两组数据。注意事项：在实际操作的过程中，为了保持光的强度，同时在实验时更加便于观察以及调整光路，实验时需要多个汇聚透镜光束进行会聚，因为实验室的透镜种类不同，会聚效果也不一样，为了让光都进入斩光盘的外孔，需要多个透镜组合使光会聚效果更好，根据透镜的焦距调整样品、斩光盘、光电池的位置，实验时被测样品应放置在斩光盘的前方，这样光电池与斩光盘距离较近，不然光经过斩光盘后通过样品后到达光电池中间光路较长，光束又会发散。单通道测试系统的实验（如图13所示）。图13 单通道测试系统实物图a) 双通道测试方法：设计方案（如图14所示）。光源聚光镜光栅单色仪聚光镜分光镜反

20、光镜斩光盘被测样品光电池锁定放大器数据采集卡计算机图14双通道测试系统方案光源出光后由聚光镜会聚到单色仪的入射狭缝，单色仪出射狭缝射出单色光作为被测光，由于单色仪出射光较弱，因此单色仪后用聚光镜进行聚光，之后用分光镜把光束分成参考光和测量光两路，然后经斩光盘调制，参考光直接用光电池探测器输进锁定放大器，测量光经被测物体后再经光电池探测器输进锁定放大器进行处理。注意事项：光源和单色仪之间需要聚光，出射狭缝的宽度最大的时候，出射光最亮，光源与单色仪（如图15所示）。图15光源与单色仪放置图方案中的调制器主要是用来给后面的锁定放大器提供参考电路的。实验过程中，锁定放大器的A、B两个输入端的输入方式有

21、：单端输入模式：A端输入（同相输入）、B端输入（反相输入）；差分输入模式：A-B输入（差分输入）具有共模抑制能力；输入短路模式：A和B端均接地，用于测量输入短路噪声或保护输入级10。因为本设计系统的参考光与被测光两条光路输出的光要进行比较，需要选择锁定放大器的单端输入但是又不能一个同相输入一个反相输入，因此本设计方案需要用两个锁定放大器，这样就需要两个光路分开进行调制，分别给自己光路上的锁定放大器提供参考光路，故需要用两个调制器，即两个斩光盘。实验实物图（如图16所示）。图16 调制器与锁定放大器图另外，分光镜分出的两道光束中，其中一束要通过反光镜反射使两道光束方向相同，实际操作时需要在分光镜

22、和反光镜之间加了凸透镜聚光使光束能全都被反光镜反射，因为考虑到两条光路都要留足够的空间摆放仪器，所以分光镜和反光镜之间要有相应的距离，为了避免光束发散，所以只能加入透镜来调整光路（如图17所示）。图17 分光镜与反光镜光路图最终双通道测试系统的实物图（如图18所示）。图18 双通道测试系统光路图数据采集及软件部分数据采集部分提供的是美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI myDAQ数据采集卡。NI myDAQ用来采集数据时操作非常方便，可以继续进行拓展训练。 图3-20 数据采集卡测试连线图完成设计任务参考实例所用实验仪器锁定放大器、光栅单色仪、溴灯、斩光器、高压汞灯、会聚透镜、滤光片等。实验

23、内容及步骤1. 实验内容主要包扩单色仪的定标和光谱特性的测量。定标即首先利用汞灯的几条特定谱线对单色仪进行校准定标，找出单色仪出射光实际波长与显示波长读数的对应关系；光谱特性的测量即利用宽光谱的卤素灯溴灯作光源，分别测量探测器在直接接收单色仪出射光和透过被测样品时的光谱响应，从而求出几种样品的光谱透过率。2.实验步骤（1）校准单色仪按图5装置摆好光路，调整透镜尽量使得汞灯的光能聚焦在单色仪的入射狭缝，使透镜高压汞灯单色仪观察出光狭缝图2 单色仪校准装置示意图更多的光能进入单色仪。在单色仪出射狭缝从小到大旋转光栅单色仪的转轮，可以观察到汞灯精细明亮的4条特征谱线，实际波长依次为404.7nm、5

24、46.1nm、577nm、579.1nm。记下每条谱线单色仪对应的读数，为消除误差，测量23次取平均值。在观察的过程中为使读数更加准确，可以适当减小入射狭缝宽度，增大出射狭缝宽度。根据汞灯的谱线特性，做出单色仪出射光实际波长值和显示值的曲线关系。这样便可通过单色仪上显示的波长读数计算得知实际出射光波长。（2）光谱透过率测量按照图6所示装置放置好实验仪器，溴灯聚焦后的光斑落在单色仪入射狭缝上。调制器输出的信号（根据使用斩波器内外径选择合适的档位和输出端口）接锁定放大器参考信号输入端。探测器的输出接锁定放大器信号输入A端口。将锁定放大器的接地端子与大地连接，设置好仪器的各功能项。溴灯调制器单色仪探测器样品信号输入锁定放大器A B参考输入调制信号输出图3 光谱透过率测试装置示意图 实验仪器调整好后，首先测量已知波长滤光片的光谱透过滤，以此来检验整个测试系统的准确度，测量时要适当增大入射狭缝宽度，减小出射狭缝宽度，同时要保证不放滤光片时，锁定放大器显示读数尽量大。测量样品的光谱透过率，调节单色仪