基于彩色CCD的棱镜摄谱实验张希文张权
光谱学是研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。
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。
待研究问题：
1.将复色光变成单色光的分光元件有哪些？根据什么原理？
2.复色光经棱镜分光后的未知光谱是如何计算的？ 实验原理 棱镜摄谱仪是利用棱镜作为分光元件的摄谱仪器。
棱镜的分光原理如图21-1所示。
棱镜摄谱仪的构造分为平行光管、棱镜、光谱接收三部分；按所用的波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所用的棱镜材料也不同；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. L2
F P F2 F1dl f2'b 图21-1三棱镜分光原理本次实验所用的是可见光范围内的小型棱镜摄谱仪，如图21-2所示。
S为光源，L为聚光透镜，使S发出的发散光会聚后均匀照亮狭缝，S1为狭缝，以控制入射光的宽度；L1为准直透镜，和S1的距离大小等于其焦距，产生平行光后，均匀的照射在阿贝棱镜的入射面上，这是摄谱仪的第一部分。
经透镜L1照 射过来的平行光，通过阿贝棱镜中的两个30度三棱镜分光，并作90度转向后出射，经阿贝棱镜分光后的各种单色光不再相互平行，而是之间有相互较小的夹角，这就是分光的本质所在。
至此完成了摄谱仪的第二部分。
经过分光后的各种单色光，由会聚透镜L2，将各种分离的单色光会聚成单一谱线，成像于L2的谱平面上。
将彩色CCD的成像面置于L2的谱平面上；通过彩色CCD连接到计算机和显示器，可以看到各种分离的彩色谱线。
利用CCD拍摄不同的光源谱线，记录成图片格式存储。
计算机对这些图片进行比对，用插值法，从已知谱线和未知谱线的位置（像素）关系上，就可以计算出未知谱线。
同时，我们在CCD的成像面的位置上，安装了平板玻璃视窗转换机构，用20倍放大的广角目镜，可以观察到全景的彩色分离光谱。
图21-2棱镜摄谱仪原理简图 图21-3阿贝复合棱镜截面图 实验装置 汞灯及电源、氢灯及电源、氦灯及电源、狭缝、聚光透镜
L、准直透镜L1、阿贝复合棱镜、会聚透镜L2、彩色CCD、计算机。
其中重要的元件是阿贝复合棱镜和彩色CCD，以下是两个元件的简介。
1、阿贝复合棱镜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21-3所示。
它是摄谱仪中的关键元件。
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进行分光。
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到棱镜时，由于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角，从而出射光线方向不同。
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。
2、CCDCCD是电荷耦合器件的简称（ChargeCoupledDevice），也称为CCD图像传感器。
CCD是1969年由美国贝尔实验室的威拉德·博伊尔（WillardBoyle）和乔治·史密斯（eSmith）所发明的。
1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。
CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
本次实验中使用彩色CCD是作为记录分析工具，代替了原来的费事耗时的黑白底片冲洗方法；不仅如此，更为关键的是底片成像工艺已逐渐被CCD取代，现在只要少数行业在继续使用。
实验中，氦灯谱作为已知谱，氢灯谱和汞灯谱作为未知谱.在实验条件都相同的情况下，我们分别将三种光源谱分段拍摄下来，记录成图片格式。
利用计算机处理图片的技术就可以准确的由已知光谱将未知谱 线计算出来。
计算的方案是利用插值法，如图21-
4，将21与dl2l1近似看 成线性关系，则
1
2 ddx x图21-4插值法计算波长原理 x1dx21d ()dx x
1 21d 实验要求
1.预习要求
（1）可以用来分光的元件有哪些？
（2）理解阿贝复合棱镜分光原理。
2.实验过程要求
（1）调节光源、会聚透镜
L、狭缝中心处于等高共轴状态：用钢板尺测量狭缝中心、会聚透镜中心、光源中心，使之等高；同时，三者必须置于同一条直线上。
打开氦灯源，开启5分钟后，使光源经会聚透镜L成一个缩小的实像，实像位于狭缝处并照亮狭缝。
（2）调节狭缝：可调狭缝是用来限制入射光束的宽窄，它也是光谱线的宽度调节机构。
狭缝的大小通过狭缝上端的手轮调整，一般以0.1mm为宜，转动手轮时一定要用力均匀，轻柔。
（3）观察谱线：光源通过棱镜分光后，光谱成像在观察平板玻璃处，调节会聚透镜L2的调节旋钮，使用目镜观察谱线直到清晰为止。
（4）从左到右记录观察到的谱线颜色、条数、强弱。
（5）更换光源，重复上述步骤。
（6）摄谱a)将观察平板玻璃转换机构向上翻转90°，调整支撑CCD精密三维平台至合 适位置，打开CCD遮光罩，将CCD成像面居中对准光谱平面位置。
连接好CCD，打开计算机桌面上CCD应用软件toupview，在软件中单击相机选 项列表，可以看到VHCCD05100KPA，单击；可以观察到大窗口中，有图像的显示，此时图像可能不清晰，通过调节CCD的三维台的
X、Y、Z旋钮，直到观察到的图像到最清晰的位置。
单击捕获按钮拍摄图像，图像是按照次序1，2，3记录存于缓存中，此时必须通过另存为自命名文件夹xxx，将图片存于文件夹中。
b)将氦灯光源置于光路中，按步骤a)调整，先将三维平台由左向右移动，观察 全部谱线。
由于光谱线宽度比CCD靶面要宽，所以整个光谱线要用三张图片分段拍摄，处理时将三幅图片拼接在一起成为一个整体。
先拍摄氦灯光源可见光长波段（红、黄）的光谱谱线图片，拍摄1次。
CCD位置保持不动，换上汞灯光源并调整，在CCD上出现清晰图像；拍摄1次。
再换上氢灯光源，重复上述步骤。
拍摄完图像后，按照具体拍摄的光源谱线对图像进行命名保存。
（如：氦-左
1，汞-左1等）c)移动CCD至光谱的中间位置，重复上述过程；移动CCD至光谱的右边位置，重复上述过程。
（7）光谱分析原理：在靠近待测波长的两侧，选两条波长和为已知的光源谱线，依据线性关系，求出值。
具体来说，可以在选择好的软件（如photoshop,PowerPoint,由于不同软件的使用方法不尽相同，这里不加赘述。
）中打开保存好的图片，将氦灯光源的三幅图片按照特征线重合的原则拼接在一起，同理拼接汞、氢光源的三幅图片。
这样，9幅图片被拼接成三张完整的光源谱。
然后将三种光源谱线图依次从上往下排列，形成一张图片。
再从这张谱线图上读出并记录谱线的坐标值（像素点位置），得到坐标之后，利用插值法即可通过已知波长计算位置谱线波长。
思考题
1.实验中影响光谱清晰度的调节机构有哪些？
2.实验中，CCD靶面的横向宽度小于光谱成像面的横向宽度，实验中是如何完 成的？
3.本实验中，能否将光谱成像面的横向宽度做到小于或等于CCD的靶面横向宽度？如果能，怎么做？实际实验中未做，可能的原因是什么？
4.三棱镜可以作为分光元件的原因是什么？ 参考书目：[1].赵凯华、钟锡华.光学[M]上册.北京：北京大学出版社，1984.16-21.[2].母国光、战元龄.光学[M].南开：高等教育出版社，1978.540-552[3].谢行恕、康世秀、霍剑青大学物理实验第二册[M].北京：高等教育出版社，2001.147-151.[4].吴国安.光谱仪器设计[M].北京：科学出版社，1978.78-84.
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。
待研究问题：
1.将复色光变成单色光的分光元件有哪些？根据什么原理？
2.复色光经棱镜分光后的未知光谱是如何计算的？ 实验原理 棱镜摄谱仪是利用棱镜作为分光元件的摄谱仪器。
棱镜的分光原理如图21-1所示。
棱镜摄谱仪的构造分为平行光管、棱镜、光谱接收三部分；按所用的波长的不同，摄谱仪可分为紫外、可见、红外三大类，它们所用的棱镜材料也不同；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. L2
F P F2 F1dl f2'b 图21-1三棱镜分光原理本次实验所用的是可见光范围内的小型棱镜摄谱仪，如图21-2所示。
S为光源，L为聚光透镜，使S发出的发散光会聚后均匀照亮狭缝，S1为狭缝，以控制入射光的宽度；L1为准直透镜，和S1的距离大小等于其焦距，产生平行光后，均匀的照射在阿贝棱镜的入射面上，这是摄谱仪的第一部分。
经透镜L1照 射过来的平行光，通过阿贝棱镜中的两个30度三棱镜分光，并作90度转向后出射，经阿贝棱镜分光后的各种单色光不再相互平行，而是之间有相互较小的夹角，这就是分光的本质所在。
至此完成了摄谱仪的第二部分。
经过分光后的各种单色光，由会聚透镜L2，将各种分离的单色光会聚成单一谱线，成像于L2的谱平面上。
将彩色CCD的成像面置于L2的谱平面上；通过彩色CCD连接到计算机和显示器，可以看到各种分离的彩色谱线。
利用CCD拍摄不同的光源谱线，记录成图片格式存储。
计算机对这些图片进行比对，用插值法，从已知谱线和未知谱线的位置（像素）关系上，就可以计算出未知谱线。
同时，我们在CCD的成像面的位置上，安装了平板玻璃视窗转换机构，用20倍放大的广角目镜，可以观察到全景的彩色分离光谱。
图21-2棱镜摄谱仪原理简图 图21-3阿贝复合棱镜截面图 实验装置 汞灯及电源、氢灯及电源、氦灯及电源、狭缝、聚光透镜
L、准直透镜L1、阿贝复合棱镜、会聚透镜L2、彩色CCD、计算机。
其中重要的元件是阿贝复合棱镜和彩色CCD，以下是两个元件的简介。
1、阿贝复合棱镜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21-3所示。
它是摄谱仪中的关键元件。
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进行分光。
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到棱镜时，由于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角，从而出射光线方向不同。
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。
2、CCDCCD是电荷耦合器件的简称（ChargeCoupledDevice），也称为CCD图像传感器。
CCD是1969年由美国贝尔实验室的威拉德·博伊尔（WillardBoyle）和乔治·史密斯（eSmith）所发明的。
1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。
CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。
本次实验中使用彩色CCD是作为记录分析工具，代替了原来的费事耗时的黑白底片冲洗方法；不仅如此，更为关键的是底片成像工艺已逐渐被CCD取代，现在只要少数行业在继续使用。
实验中，氦灯谱作为已知谱，氢灯谱和汞灯谱作为未知谱.在实验条件都相同的情况下，我们分别将三种光源谱分段拍摄下来，记录成图片格式。
利用计算机处理图片的技术就可以准确的由已知光谱将未知谱 线计算出来。
计算的方案是利用插值法，如图21-
4，将21与dl2l1近似看 成线性关系，则
1
2 ddx x图21-4插值法计算波长原理 x1dx21d ()dx x
1 21d 实验要求
1.预习要求
（1）可以用来分光的元件有哪些？
（2）理解阿贝复合棱镜分光原理。
2.实验过程要求
（1）调节光源、会聚透镜
L、狭缝中心处于等高共轴状态：用钢板尺测量狭缝中心、会聚透镜中心、光源中心，使之等高；同时，三者必须置于同一条直线上。
打开氦灯源，开启5分钟后，使光源经会聚透镜L成一个缩小的实像，实像位于狭缝处并照亮狭缝。
（2）调节狭缝：可调狭缝是用来限制入射光束的宽窄，它也是光谱线的宽度调节机构。
狭缝的大小通过狭缝上端的手轮调整，一般以0.1mm为宜，转动手轮时一定要用力均匀，轻柔。
（3）观察谱线：光源通过棱镜分光后，光谱成像在观察平板玻璃处，调节会聚透镜L2的调节旋钮，使用目镜观察谱线直到清晰为止。
（4）从左到右记录观察到的谱线颜色、条数、强弱。
（5）更换光源，重复上述步骤。
（6）摄谱a)将观察平板玻璃转换机构向上翻转90°，调整支撑CCD精密三维平台至合 适位置，打开CCD遮光罩，将CCD成像面居中对准光谱平面位置。
连接好CCD，打开计算机桌面上CCD应用软件toupview，在软件中单击相机选 项列表，可以看到VHCCD05100KPA，单击；可以观察到大窗口中，有图像的显示，此时图像可能不清晰，通过调节CCD的三维台的
X、Y、Z旋钮，直到观察到的图像到最清晰的位置。
单击捕获按钮拍摄图像，图像是按照次序1，2，3记录存于缓存中，此时必须通过另存为自命名文件夹xxx，将图片存于文件夹中。
b)将氦灯光源置于光路中，按步骤a)调整，先将三维平台由左向右移动，观察 全部谱线。
由于光谱线宽度比CCD靶面要宽，所以整个光谱线要用三张图片分段拍摄，处理时将三幅图片拼接在一起成为一个整体。
先拍摄氦灯光源可见光长波段（红、黄）的光谱谱线图片，拍摄1次。
CCD位置保持不动，换上汞灯光源并调整，在CCD上出现清晰图像；拍摄1次。
再换上氢灯光源，重复上述步骤。
拍摄完图像后，按照具体拍摄的光源谱线对图像进行命名保存。
（如：氦-左
1，汞-左1等）c)移动CCD至光谱的中间位置，重复上述过程；移动CCD至光谱的右边位置，重复上述过程。
（7）光谱分析原理：在靠近待测波长的两侧，选两条波长和为已知的光源谱线，依据线性关系，求出值。
具体来说，可以在选择好的软件（如photoshop,PowerPoint,由于不同软件的使用方法不尽相同，这里不加赘述。
）中打开保存好的图片，将氦灯光源的三幅图片按照特征线重合的原则拼接在一起，同理拼接汞、氢光源的三幅图片。
这样，9幅图片被拼接成三张完整的光源谱。
然后将三种光源谱线图依次从上往下排列，形成一张图片。
再从这张谱线图上读出并记录谱线的坐标值（像素点位置），得到坐标之后，利用插值法即可通过已知波长计算位置谱线波长。
思考题
1.实验中影响光谱清晰度的调节机构有哪些？
2.实验中，CCD靶面的横向宽度小于光谱成像面的横向宽度，实验中是如何完 成的？
3.本实验中，能否将光谱成像面的横向宽度做到小于或等于CCD的靶面横向宽度？如果能，怎么做？实际实验中未做，可能的原因是什么？
4.三棱镜可以作为分光元件的原因是什么？ 参考书目：[1].赵凯华、钟锡华.光学[M]上册.北京：北京大学出版社，1984.16-21.[2].母国光、战元龄.光学[M].南开：高等教育出版社，1978.540-552[3].谢行恕、康世秀、霍剑青大学物理实验第二册[M].北京：高等教育出版社，2001.147-151.[4].吴国安.光谱仪器设计[M].北京：科学出版社，1978.78-84.
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