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光學(xué)系統(tǒng)是分光測色儀的核心部分,以光譜儀基本原理和光學(xué)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ),以便攜化、低成本、且滿足設(shè)計(jì)要求的光譜范圍和分辨率為具體設(shè)計(jì)目標(biāo),對(duì)李特洛系統(tǒng)、艾伯特-法斯梯系統(tǒng)、切爾尼-特納系統(tǒng)、交叉式切爾尼-特納系統(tǒng)這4種可行的設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(duì)稱交叉式Czerny-Turner結(jié)構(gòu)作為該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。用光學(xué)軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化,設(shè)計(jì)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)光譜范圍為360nm～740nm,光譜分辨率為10nm、F數(shù)為5.25、光譜展開為44.1mm、系統(tǒng)體積約80mm×69mm×62mm,滿足精度高、體積小及成本低等設(shè)計(jì)要求。
隨著工業(yè)的發(fā)展,顏色測量在很多方面都有著廣泛的應(yīng)用,甚至在很多行業(yè),顏色都已經(jīng)成為質(zhì)量評(píng)價(jià)重要指標(biāo),因此顏色測量精度及測量速度的提高,對(duì)許多產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的提高起著至關(guān)重要的作用。近年來出現(xiàn)的自動(dòng)分光式測色儀器,雖然在體積上有所減小,但由于價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、維護(hù)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(duì)研究測量精度高,價(jià)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是便攜式測色儀中的核心部分,它設(shè)計(jì)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(tǒng)質(zhì)量好壞最重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)在于對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬,使其滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),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(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、成像系統(tǒng)以及接收、檢測顯示系統(tǒng)5部分,其中準(zhǔn)直系統(tǒng)和色散系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為分光系統(tǒng),其工作原理如圖1所示。光源發(fā)出的光照射在被測物體上,經(jīng)過被測物體表面反射的光在積分球內(nèi)壁多次反射后射向入射狹縫,該光包含有物質(zhì)光譜信息。照明系統(tǒng)(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(zhǔn)直系統(tǒng)。準(zhǔn)直系統(tǒng)一般由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成,由狹縫處發(fā)出的光束經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)后變成平行光射向色散系統(tǒng)。色散系統(tǒng)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(tǒng)作用是將空間上分散開的各波長單色光會(huì)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(tǒng)與顯示系統(tǒng)將焦面上的光譜能量接收,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后以數(shù)據(jù)的形式輸出顏色測量結(jié)果。
圖1 分光測色儀工作原理圖
光學(xué)設(shè)計(jì)理論
一般光學(xué)儀器像差都分為單色像差和色差兩種。對(duì)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(shè)計(jì)的分光測色儀中采用的元件都是反射元件,系統(tǒng)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(huì)聚在一點(diǎn)而產(chǎn)生的。反過來,由于球差,準(zhǔn)直鏡不能把來自狹縫上任一點(diǎn)的全部光線變成平行光束。球差會(huì)導(dǎo)致光譜線輪廓增寬,譜線模糊,分辨率降低。準(zhǔn)直鏡和成像鏡的球差無法用調(diào)整的辦法來消除,因此設(shè)計(jì)時(shí)必須校正到像差容限以內(nèi)。
由于有彗差,從非常近軸的狹縫高度上一點(diǎn)發(fā)出的光通過該準(zhǔn)直物鏡時(shí)也不能成為平行光束,且光束結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。反過來,成像鏡也不能把從色散系統(tǒng)射出的平行光束會(huì)聚到一點(diǎn)。彗差對(duì)譜線輪廓影響也嚴(yán)重,不僅是譜線輪廓單邊擴(kuò)散,降低儀器的分辨率,而且會(huì)使譜線輪廓極大值發(fā)生位移,甚至產(chǎn)生假的伴線。因此,彗差也必須限制在像差容限之內(nèi)。
準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的物鏡都要校正球差和彗差,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般都采用瑞利準(zhǔn)則作為像差容限。所以瑞利準(zhǔn)則,就是由剩余球差、剩余彗差所產(chǎn)生的最大波像差應(yīng)當(dāng)小于。按照軸向像差和波像差的關(guān)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;
