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        分光測色儀中的光譜儀系統

        摘要:根據分光測色儀的應用需要,對分光系統、光電接收系統及相關電路組成的光譜儀進行了模塊化設計,以方便儀器的整體設計、裝調和測試??紤]分光測色儀是非成像光學儀器,故提出用光纖來連接各光學模塊。根據應用需求提出了光譜儀的主要技術指標,所設計光譜儀很好地完成了球差和彗差的校正。分析了用濾光片消除二級衍射光譜的方法,解
         
        決了光纖和光譜儀數值孔徑不匹配的問題。研制了光譜儀系統,其外形尺寸為130mm×90mm×45mm。實驗測試顯示,在狹縫寬度為50μm 時,光譜儀各波段的光譜分辨率都可以達到2nm。對光譜儀進行了波長定標,定標精度小于0.2nm,整個工作波段占401個像元,滿足1nm 的波長輸出間隔的設計要求。該光譜儀的可彎曲光纖和電子線路便于整機靈活布局與模塊拆卸,同時方便單獨測試。所述方法為分光測色儀的整機研制與測試打下了良好的基礎。
         
        關 鍵 詞:光學設計;分光測色儀;模塊化設計;光譜儀;二級衍射光譜

        序 言 2 應用要求及主要技術指標

         
        分光測色儀是顏色測量中**重要的儀器,它
         
        不直接測量顏色,而是測量物體的光譜反射率因數或光譜透射比,然后通過色度學公式計算求得樣品顏色的三刺激值及其他表征顏色的各種參數[1-2]。作為分光光度計的一個分支,分光測色儀主要由光源和照明系統、分光系統、光電接收系統、控制和數據處理系統等組成[3]。其中,分光系統把混合光分解成單色光,光電接收系統接收單色光并進行光電轉換,這兩部分合稱為光譜儀。光譜儀是分光測色儀的核心組成部分,不僅要滿足一系列的指標要求,而且對于整個儀器的性能和結構起著決定性作用。通常分光測色儀采用整體化設計[4-5],各組成部分的相對位置固定,連接緊密,其優點是結構緊湊,便于小型化。然而整體化設計不利于各組成部分的分步裝調、測試等,并
         
        且在一些應用需求中,特殊照明系統的使用加大了儀器整體化設計的難度。
         
        由于分光測色儀的功能和結構較為復雜,采
         
        用模塊化設計思想不僅便于儀器的整體裝調和測試,而且有利于儀器的整機設計,以滿足特殊的應用需求。模塊化設計是按功能把一組相關的光學、機械等元件組裝成一個獨立模塊,各模塊分別裝調、測試,**終將各模塊進行總裝調和測試,組
         
        成完整的儀器[6],這給光學儀器的設計帶來了非常大的便利[7-8]。本文根據應用需要將分光測色儀中由分光系統、光電接收系統及相關電路組成的光譜儀進行了模塊化設計,研制了光譜儀系統,并給出了實驗結果。
        2 應用要求及主要技術指標
        分光測色儀的設計如圖1所示,整個系統主要由照明系統和光譜儀系統組成。為滿足一定的應用需求,照明系統采用**際照明委員會(CIE)推薦的45/0幾何條件。45°照明系統中,由于結構干涉與光路遮擋,0°的接收光路無法直接與光譜儀連接,故采用反射鏡將接收光路折轉后,再用光纖連接光譜儀,從而巧妙地解決這個問題。由
         
        于分光測色儀是非成像光學儀器,所以用光纖連接各光學系統便可滿足應用要求。


        常規的分光測色儀工作在380~780nm 可
         
        見光波段,由于可見光譜兩端在色度學計算中貢獻較小,有些分光測色儀產品的光譜僅為400~700nm[9]。本文設計的分光測色儀可用于測量紫外光激發引起的熒光顏色,將光譜儀波長設置為340nm~740nm。通常顏色樣品的光譜曲線隨波長的變化比較平緩,而且計算三刺激值時總是在很寬的光譜范圍內進行,所以波長準確度和光譜分辨率對顏色測量準確度的影響較小[10]。

         
        在大多數應用中,5nm 光譜帶寬的分光測色儀就能達到應用要求。為實現顏色的高精度測量,光
         
        譜儀的光譜分辨率要小于5nm。CIE 推薦**計算時波長間隔為1nm,而在大多數情況下波長間隔可?。担睿?nbsp;甚**更高。隨著探測器技術的進步,當今分光測色儀廣泛使用光電二極管(PD)陣列或光電耦合器件(CCD)等陣列光電器件作為光電接 收 器 件。 本 文 選 擇 Hamamatsu 公 司 的S3923-512Q光電二極管陣列作為探測器,其光譜為200~1000nm,像元數為512,像元大小為25
         
        μm×0.5mm(寬×高)。該探測器可提供極大的信噪比和動態范圍,為高精度的光度測量提供了
         
        保障,所以特別適合作為分光測色儀的探測器,而
         
        且512像元可獲得1nm 間隔的數據。光譜儀系統與照明系統采用光纖進行連接,要求體積小于
         
        150mm×100mm×60mm。光譜儀的主要技術指標如表1所示。

        3 光譜儀光學系統設計及結果
         
        采用 Czerny-Turner型結構光譜儀,它用平面衍射光柵作為色散元件,兩個球面反射鏡分別作為準直鏡和成像鏡[11]。傳統的Czerny-Turner
         
        光譜儀考慮了消球差和消彗差條件[12-13],可以保證良好的光譜分辨率。球差會使光譜線對稱地擴展,使邊緣不清晰,因此用凹球面反射鏡時**控制球差在像差容限以內,以盡可能達到**高的光譜分辨率。球面鏡焦距 與系統 之間需滿
        14
         
            · ·  
          ≤256 λ   
            , ()
            · ·
           
          ≤256 λ   
        其中:   為波長。彗差對譜線輪廓的影



        光譜為340~740nm 共400nm,設計時令線色散率dλ=25μ1nm ,以滿足1nm 的波長采集間隔。選用光柵常數為1/300mm 的平面光柵。根據指標要求和上述公式計算初始結構,經優化設計的光譜儀光路結構如圖3所示。其物方數值孔徑為0.1,光柵衍射級次采用+1級,準
         
        直鏡和成像鏡采用曲率半徑相同的球面反射鏡,焦距不足80mm,整體尺寸小于90mm×60mm。
         
        在工作波段內,光譜像點斑在色散方向的半徑均方根值隨波長的變化如圖4所示。從圖中可以看出,點斑色散方向半徑的 RMS值在整個工作波段內均小于6μm,部分波段優于衍射極限,這表明球差和彗差得到了充分校正,可達到**優的光譜分辨率。像面上各波長點列圖如圖5所
         
        示,由于該光譜儀未矯正像散,光譜像點斑在兩個方向的尺寸差別很大,近乎成直線,垂直于色散方向半徑的均方根值約為100μm。在整個工作波


          由于色散元件采用光柵,不可避免地存在二 級衍射光譜。本設計的光譜儀工作波段為     340~                               ,二級光譜的影響包括帶內和帶外兩個部     740nm                     分,工作波段內的340~370nm 的二級光譜會和 680~740nm 的一級光譜重疊,帶外340nm 之前 的光譜區的二級光譜將會和 680nm 之前的一級                       光譜重疊,所以需要在探測器前加前截止濾光片 來消除二級光譜的影響 [17]                 。已知經光源發出到 達光譜儀的帶外光譜區為         ,即需要           300~340nm     在 600~740nm 波段消除 300~370nm 的二級                 光譜。只在探測器前的部分光譜區域中插入濾光 片消除二級光譜的辦法是不可行的,因為受濾光 片厚度的影響,通過濾光片的光線和未通過濾光 片的光線光程不等,從而產生了不同的焦平面,這 會大幅影響整個光譜區域的光譜分辨率。本文在   濾光片基底部分區域鍍前截止膜,膜系厚度產生   的光程差可以忽略。如圖 7 所示,將濾光片放置                       到探測器前,濾光片上鍍截止深度小于0.1%、 400nm 的前截止膜,區域完全覆蓋 600~740nm                 的一級光譜,可以有效消除300~370nm 的二級 光譜;而鍍400nm 前截止膜的區域應盡量遠離    400nm 的一級光譜,以防對工作波段內的一級光譜產生影響;而未鍍前截止膜的區域,一級光譜可以正常通過。
        光譜儀與其他光學系統采用光纖連接,由光   纖出射的光入射到光譜儀狹縫。通常采用數值孔 徑為0.22的光纖,這樣經光纖出射進入光譜儀的 光束的數值孔徑為     ,大于光譜儀設計的數值       0.22         。數值孔徑不匹配將會給光譜儀造成大 0.1               量的雜散光,因此在狹縫到準直鏡之間設置了消 雜光光闌,以有效遮擋光纖發出的超過光譜儀數 值孔徑的光??紤]狹縫的長寬尺寸很小,可以忽 略,光闌開口半徑 與光闌到狹縫的距離 需滿             足關系:                 ·       · , ()  tan sin=0.1   6 其中: 為孔徑角。式()即可解決光纖數值孔徑             6       大于光譜儀數值孔徑的問題,有效地降低了光譜   儀中的雜散光。圖8為添加了濾光片和消雜光光 闌后的光譜儀結構。                                     光譜儀系統集成                                                   根據所設計的光學系統進行機械結構設計及 光機零件加工,**終完成光譜儀光機系統的集成 及裝調。在光譜儀中的適當位置添加若干光闌以 消除雜散光的影響,此外光譜儀系統中所有的機                   械件表面均做了發黑處理,以進一步減小雜散光                   的影響。本文研制的光譜儀實物如圖 9 所示,殼                   體密封,外形尺寸為         ,
        光譜儀與其他光學系統采用光纖連接,由光   纖出射的光入射到光譜儀狹縫。通常采用數值孔 徑為0.22的光纖,這樣經光纖出射進入光譜儀的 光束的數值孔徑為     ,大于光譜儀設計的數值       0.22         。數值孔徑不匹配將會給光譜儀造成大 0.1               量的雜散光,因此在狹縫到準直鏡之間設置了消 雜光光闌,以有效遮擋光纖發出的超過光譜儀數 值孔徑的光??紤]狹縫的長寬尺寸很小,可以忽 略,光闌開口半徑 與光闌到狹縫的距離 需滿             足關系:                 ·       · , ()  tan sin=0.1   6 其中: 為孔徑角。式()即可解決光纖數值孔徑             6       大于光譜儀數值孔徑的問題,有效地降低了光譜   儀中的雜散光。圖8為添加了濾光片和消雜光光 闌后的光譜儀結構。                                     光譜儀系統集成                                                   根據所設計的光學系統進行機械結構設計及 光機零件加工,**終完成光譜儀光機系統的集成 及裝調。在光譜儀中的適當位置添加若干光闌以 消除雜散光的影響,此外光譜儀系統中所有的機                   械件表面均做了發黑處理,以進一步減小雜散光                   的影響。本文研制的光譜儀實物如圖 9 所示,殼                   體密封,外形尺寸為         ,分開,即在580nm 附近可以實現2nm 的光譜分辨率。各波長譜線的半高全寬(FWHM)皆約為兩個像元,即2nm,因此可以認為工作波段內光譜分辨率都達到了2nm。所設計的光譜儀的光譜分辨率小于設計指標5nm,實驗與分析的結果相同。度小于0.2nm,滿足設計指標要求。由式(5)得,
         
        340nm 所對應的像元序數為48,740nm 所對應的像元序數為448,整個工作譜段共計401個像元。由于式(7)所得擬合曲線近乎直線,所以整個譜段近似滿足1nm 的波長輸出間隔。
         
        6 結 論
         
        本文將分光系統、光電接收系統及相關電路組成的光譜儀進行了模塊化設計,以便于儀器的整體設計、裝調和測試,滿足了分光測色儀的應用需要。**先分析應用需求并提出主要指標,設計了光譜儀系統,很好地校正了球差和彗差。然后詳細分析了用濾光片消二級衍射光譜的方法,解
         
        決了光纖和光譜儀數值孔徑不匹配的問題。根據設計研制了光譜儀系統,并對光譜儀進行了測試。
         
        結果表明在狹縫寬度為50μm 時,各波段光譜分辨率都可以達到2nm,滿足設計指標。**后對光譜儀進行了波長定標,結果表明定標精度小于
         
        0.2nm,整個工作波段占401個像元,滿足1nm
         
        波長輸出間隔的設計要求。
         
        光譜儀系統采用可彎曲光纖和電子線路的接口設計,便于整機靈活布局與模塊拆卸,同時方便光譜儀的單獨測試,體現了模塊化設計的優勢,為
         
        分光測色儀的整機研制與測試奠定了良好的基礎。
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