光學系統是分光測色儀的核心部分,以光譜儀基本原理和光學設計理論為基礎,以便攜化、低成本、且滿足設計要求的光譜范圍和分辨率為具體設計目標,對李特洛系統、艾伯特-法斯梯系統、切爾尼-特納系統、交叉式切爾尼-特納系統這4種可行的設計方案進行了比較與分析,提出以平面衍射光柵作為色散元件的非對稱交叉式Czerny-Turner結構作為該設計的系統結構。用光學軟件對該系統進行模擬和優化,設計結果表明:設計的系統光譜范圍為360nm～740nm,光譜分辨率為10nm、F數為5.25、光譜展開為44.1mm、系統體積約80mm×69mm×62mm,滿足精度高、體積小及成本低等設計要求。

隨著工業的發展,顏色測量在很多方面都有著廣泛的應用,甚至在很多行業,顏色都已經成為質量評價重要指標,因此顏色測量精度及測量速度的提高,對許多產品生產質量的提高起著至關重要的作用。近年來出現的自動分光式測色儀器,雖然在體積上有所減小,但由于價格昂貴、操作復雜、維護難等原因,這類儀器并不適合目前我國一般用戶的需要,所以對研究測量精度高,價格低且便于攜帶與使用的顏色測量儀器有著重要的意義。

光學系統結構是便攜式測色儀中的核心部分,它設計的好壞直接影響測色儀的整體性能,其中光譜分辨率是衡量該系統質量好壞重要的評價標準。本文重點在于對該光學系統設計與模擬,使其滿足設計目標,為之后便攜式分光測色儀的研制提供前提條件。

基本工作原理

分光測色儀的基本組成可分為光源和照明系統、準直系統、色散系統、成像系統以及接收、檢測顯示系統5部分,其中準直系統和色散系統可以統稱為分光系統,其工作原理如圖1所示。光源發出的光照射在被測物體上,經過被測物體表面反射的光在積分球內壁多次反射后射向入射狹縫,該光包含有物質光譜信息。照明系統(在此指積分球)是把從被測物體表面反射的光能量傳遞給準直系統。準直系統一般由入射狹縫和準直物鏡組成,由狹縫處發出的光束經過準直系統后變成平行光射向色散系統。色散系統利用色散元件(這里用平面光柵)把入射的平行光分成單色光。成像系統作用是將空間上分散開的各波長單色光會聚在成像鏡的焦面上,形成一系列按波長排列的狹縫的單色像。接收系統與顯示系統將焦面上的光譜能量接收,經過數據處理后以數據的形式輸出顏色測量結果。

                                                                                                                      圖1 分光測色儀工作原理圖

光學設計理論

一般光學儀器像差都分為單色像差和色差兩種。對于單色像差來說,分為球差,彗差,像散,場曲和畸變5種。主要校正像差有球差、彗差和色差,由于所設計的分光測色儀中采用的元件都是反射元件,系統沒有色差,因此只需校正球差與彗差即可。

球差是由于不同的孔徑的平行光束不能會聚在一點而產生的。反過來,由于球差,準直鏡不能把來自狹縫上任一點的全部光線變成平行光束。球差會導致光譜線輪廓增寬,譜線模糊,分辨率降低。準直鏡和成像鏡的球差無法用調整的辦法來消除,因此設計時必須校正到像差容限以內。

由于有彗差,從非常近軸的狹縫高度上一點發出的光通過該準直物鏡時也不能成為平行光束,且光束結構不對稱。反過來,成像鏡也不能把從色散系統射出的平行光束會聚到一點。彗差對譜線輪廓影響也嚴重,不僅是譜線輪廓單邊擴散,降低儀器的分辨率,而且會使譜線輪廓較大值發生位移,甚至產生假的伴線。因此,彗差也必須限制在像差容限之內。

準直系統和成像系統的物鏡都要校正球差和彗差,根據經驗,一般都采用瑞利準則作為像差容限。所以瑞利準則,就是由剩余球差、剩余彗差所產生的波像差應當小于。按照軸向像差和波像差的關系,可以得到球差和彗差的容限如下:

軸向球差:

偏離正弦條件:

式中:D為有效光闌孔徑,在光譜儀器中就是色散元件的有效寬度;f′為物鏡的焦距;