吴友凯 2025年 指导教师：曹从军

本文针对工业生产中涂层厚度的非接触式测量需求，研究并设计了一款基于交叉型Czerny-Turner结构的低成本光纤光谱仪。通过理论分析与建模、仿真优化、可行性验证与样机制作，系统地完成了光路设计、结构优化及功能测试，最终制作了成本为1000元左右、尺寸为130×98×40 mm的光谱仪样机。

研究基于光栅方程与像散校正理论，推导出了光栅入射角、光路间距等核心参数的计算方法，并结合ZEMAX光学仿真软件对光路进行迭代优化。通过公差分析明确了准直镜与聚焦镜的装配误差对系统性能的影响规律。并使用SolidWorks制作了实验组件和样机模型，然后通过3D打印技术将其制作出来，发现3D打印技术的收缩率、支撑结构残留问题会影响装配精度。因此，在对比FDM和SLA两种3D打印技术后，最终采用无需支撑结构且收缩率很低的SLA技术完成光谱仪样机的制作。

通过卤素灯光源验证了样机的分光能力，表明样机能够初步区分可见光波段的特征谱线。并基于荧光灯光源的特征谱线，建立了像素与波长的映射关系，通过单色激光笔的FWHM值确定了光谱仪样机的光谱分辨率为4~7 nm左右。

本文从理论建模到样机制作，实现了光谱仪功能与成本的平衡。验证了交叉型Czerny-Turner结构在低成本光谱仪设计中的可行性，且能够满足印刷生产线中涂层厚度的快速检测需求，为非接触式测量提供了新的技术路径。

图1 光谱仪样机实物图

图2 样机测得的卤素灯光谱曲线