分光测色仪的光学设计

光学系统是分光测色仪的核心部分,以光谱仪基本原理和光学设计理论为基础,以便携化、低成本、且满足设计要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对李特洛系统、艾伯特-法斯梯系统、切尔尼-特纳系统、交叉式切尔尼-特纳系统这4种可行的设计方案进行了比较与分析,提出以平面衍射光栅作为色散元件的非对称交叉式Czerny-Turner结构作为该设计的系统结构。用光学软件对该系统进行模拟和优化,设计结果表明:设计的系统光谱范围为360nm～740nm,光谱分辨率为10nm、F数为5.25、光谱展开为44.1mm、系统体积约80mm×69mm×62mm,满足精度高、体积小及成本低等设计要求。

随着工业的发展,颜色测量在很多方面都有着广泛的应用,甚至在很多行业,颜色都已经成为质量评价重要指标,因此颜色测量精度及测量速度的提高,对许多产品生产质量的提高起着至关重要的作用。近年来出现的自动分光式测色仪器,虽然在体积上有所减小,但由于价格昂贵、操作复杂、维护难等原因,这类仪器并不适合目前我国一般用户的需要,所以对研究测量精度高,价格低且便于携带与使用的颜色测量仪器有着重要的意义。

光学系统结构是便携式测色仪中的核心部分,它设计的好坏直接影响测色仪的整体性能,其中光谱分辨率是衡量该系统质量好坏最重要的评价标准。本文重点在于对该光学系统设计与模拟,使其满足设计目标,为之后便携式分光测色仪的研制提供前提条件。

基本工作原理

分光测色仪的基本组成可分为光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统以及接收、检测显示系统5部分,其中准直系统和色散系统可以统称为分光系统,其工作原理如图1所示。光源发出的光照射在被测物体上,经过被测物体表面反射的光在积分球内壁多次反射后射向入射狭缝,该光包含有物质光谱信息。照明系统(在此指积分球)是把从被测物体表面反射的光能量传递给准直系统。准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成,由狭缝处发出的光束经过准直系统后变成平行光射向色散系统。色散系统利用色散元件(这里用平面光栅)把入射的平行光分成单色光。成像系统作用是将空间上分散开的各波长单色光会聚在成像镜的焦面上,形成一系列按波长排列的狭缝的单色像。接收系统与显示系统将焦面上的光谱能量接收,经过数据处理后以数据的形式输出颜色测量结果。

图1 分光测色仪工作原理图

光学设计理论

一般光学仪器像差都分为单色像差和色差两种。对于单色像差来说,分为球差,彗差,像散,场曲和畸变5种。主要校正像差有球差、彗差和色差,由于所设计的分光测色仪中采用的元件都是反射元件,系统没有色差,因此只需校正球差与彗差即可。

球差是由于不同的孔径的平行光束不能会聚在一点而产生的。反过来,由于球差,准直镜不能把来自狭缝上任一点的全部光线变成平行光束。球差会导致光谱线轮廓增宽,谱线模糊,分辨率降低。准直镜和成像镜的球差无法用调整的办法来消除,因此设计时必须校正到像差容限以内。

由于有彗差,从非常近轴的狭缝高度上一点发出的光通过该准直物镜时也不能成为平行光束,且光束结构不对称。反过来,成像镜也不能把从色散系统射出的平行光束会聚到一点。彗差对谱线轮廓影响也严重,不仅是谱线轮廓单边扩散,降低仪器的分辨率,而且会使谱线轮廓极大值发生位移,甚至产生假的伴线。因此,彗差也必须限制在像差容限之内。

准直系统和成像系统的物镜都要校正球差和彗差,根据经验,一般都采用瑞利准则作为像差容限。所以瑞利准则,就是由剩余球差、剩余彗差所产生的最大波像差应当小于。按照轴向像差和波像差的关系,可以得到球差和彗差的容限如下:

轴向球差:

偏离正弦条件:

式中:D为有效光阑孔径,在光谱仪器中就是色散元件的有效宽度;f′为物镜的焦距;