分光测色仪中的光谱仪系统

摘要:根据分光测色仪的应用需要,对分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以方便仪器的整体设计、装调和测试。考虑分光测色仪是非成像光学仪器,故提出用光纤来连接各光学模块。根据应用需求提出了光谱仪的主要技术指标,所设计光谱仪很好地完成了球差和彗差的校正。分析了用滤光片消除二级衍射光谱的方法,解
 
决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题。研制了光谱仪系统,其外形尺寸为130mm×90mm×45mm。实验测试显示,在狭缝宽度为50μm 时,光谱仪各波段的光谱分辨率都可以达到2nm。对光谱仪进行了波长定标,定标精度小于0.2nm,整个工作波段占401个像元,满足1nm 的波长输出间隔的设计要求。该光谱仪的可弯曲光纤和电子线路便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便单独测试。所述方法为分光测色仪的整机研制与测试打下了良好的基础。
 
关 键 词:光学设计;分光测色仪;模块化设计;光谱仪;二级衍射光谱

序 言 2 应用要求及主要技术指标

 
分光测色仪是颜色测量中**重要的仪器,它
 
不直接测量颜色,而是测量物体的光谱反射率因数或光谱透射比,然后通过色度学公式计算求得样品颜色的三刺激值及其他表征颜色的各种参数[1-2]。作为分光光度计的一个分支,分光测色仪主要由光源和照明系统、分光系统、光电接收系统、控制和数据处理系统等组成[3]。其中,分光系统把混合光分解成单色光,光电接收系统接收单色光并进行光电转换,这两部分合称为光谱仪。光谱仪是分光测色仪的核心组成部分,不仅要满足一系列的指标要求,而且对于整个仪器的性能和结构起着决定性作用。通常分光测色仪采用整体化设计[4-5],各组成部分的相对位置固定,连接紧密,其优点是结构紧凑,便于小型化。然而整体化设计不利于各组成部分的分步装调、测试等,并
 
且在一些应用需求中,特殊照明系统的使用加大了仪器整体化设计的难度。
 
由于分光测色仪的功能和结构较为复杂,采
 
用模块化设计思想不仅便于仪器的整体装调和测试,而且有利于仪器的整机设计,以满足特殊的应用需求。模块化设计是按功能把一组相关的光学、机械等元件组装成一个独立模块,各模块分别装调、测试,**终将各模块进行总装调和测试,组
 
成完整的仪器[6],这给光学仪器的设计带来了非常大的便利[7-8]。本文根据应用需要将分光测色仪中由分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,研制了光谱仪系统,并给出了实验结果。
2 应用要求及主要技术指标
分光测色仪的设计如图1所示,整个系统主要由照明系统和光谱仪系统组成。为满足一定的应用需求,照明系统采用**际照明委员会(CIE)推荐的45/0几何条件。45°照明系统中,由于结构干涉与光路遮挡,0°的接收光路无法直接与光谱仪连接,故采用反射镜将接收光路折转后,再用光纤连接光谱仪,从而巧妙地解决这个问题。由
 
于分光测色仪是非成像光学仪器,所以用光纤连接各光学系统便可满足应用要求。


常规的分光测色仪工作在380~780nm 可
 
见光波段,由于可见光谱两端在色度学计算中贡献较小,有些分光测色仪产品的光谱仅为400~700nm[9]。本文设计的分光测色仪可用于测量紫外光激发引起的荧光颜色,将光谱仪波长设置为340nm~740nm。通常颜色样品的光谱曲线随波长的变化比较平缓,而且计算三刺激值时总是在很宽的光谱范围内进行,所以波长准确度和光谱分辨率对颜色测量准确度的影响较小[10]

 
在大多数应用中,5nm 光谱带宽的分光测色仪就能达到应用要求。为实现颜色的高精度测量,光
 
谱仪的光谱分辨率要小于5nm。CIE 推荐**计算时波长间隔为1nm,而在大多数情况下波长间隔可取5nm 甚**更高。随着探测器技术的进步,当今分光测色仪广泛使用光电二极管(PD)阵列或光电耦合器件(CCD)等阵列光电器件作为光电接 收 器 件。 本 文 选 择 Hamamatsu 公 司 的S3923-512Q光电二极管阵列作为探测器,其光谱为200~1000nm像元数为512像元大小为25
 
μm×0.5mm(宽×高)。该探测器可提供极大的信噪比和动态范围,为高精度的光度测量提供了
 
保障,所以特别适合作为分光测色仪的探测器,而
 
且512像元可获得1nm 间隔的数据。光谱仪系统与照明系统采用光纤进行连接,要求体积小于
 
150mm×100mm×60mm光谱仪的主要技术指标如表1所示。

3 光谱仪光学系统设计及结果
 
采用 Czerny-Turner型结构光谱仪它用平面衍射光栅作为色散元件,两个球面反射镜分别作为准直镜和成像镜[11]。传统的Czerny-Turner
 
光谱仪考虑了消球差和消彗差条件[12-13],可以保证良好的光谱分辨率。球差会使光谱线对称地扩展,使边缘不清晰,因此用凹球面反射镜时**控制球差在像差容限以内,以尽可能达到**高的光谱分辨率。球面镜焦距 与系统 之间需满
14
 
    · ·  
  ≤256 λ   
    ()
    · ·
   
  ≤256 λ   
其中:   为波长。彗差对谱线轮廓的影



光谱为340~740nm 共400nm设计时令线色散率dλ=25μ1nm 以满足1nm 的波长采集间隔。选用光栅常数为1/300mm 的平面光栅。根据指标要求和上述公式计算初始结构,经优化设计的光谱仪光路结构如图3所示。其物方数值孔径为0.1,光栅衍射级次采用+1级,准
 
直镜和成像镜采用曲率半径相同的球面反射镜,焦距不足80mm,整体尺寸小于90mm×60mm。
 
在工作波段内,光谱像点斑在色散方向的半径均方根值随波长的变化如图4所示。从图中可以看出,点斑色散方向半径的 RMS值在整个工作波段内均小于6μm,部分波段优于衍射极限,这表明球差和彗差得到了充分校正,可达到**优的光谱分辨率。像面上各波长点列图如图5所
 
示,由于该光谱仪未矫正像散,光谱像点斑在两个方向的尺寸差别很大,近乎成直线,垂直于色散方向半径的均方根值约为100μm。在整个工作波


  由于色散元件采用光栅,不可避免地存在二 级衍射光谱。本设计的光谱仪工作波段为     340~                               ,二级光谱的影响包括带内和带外两个部     740nm                     分,工作波段内的340~370nm 的二级光谱会和 680~740nm 的一级光谱重叠带外340nm 之前 的光谱区的二级光谱将会和 680nm 之前的一级                       光谱重叠,所以需要在探测器前加前截止滤光片 来消除二级光谱的影响 [17]                 。已知经光源发出到 达光谱仪的带外光谱区为         ,即需要           300~340nm     在 600~740nm 波段消除 300~370nm 的二级                 光谱。只在探测器前的部分光谱区域中插入滤光 片消除二级光谱的办法是不可行的,因为受滤光 片厚度的影响,通过滤光片的光线和未通过滤光 片的光线光程不等,从而产生了不同的焦平面,这 会大幅影响整个光谱区域的光谱分辨率。本文在   滤光片基底部分区域镀前截止膜,膜系厚度产生   的光程差可以忽略。如图 7 所示,将滤光片放置                       到探测器前,滤光片上镀截止深度小于0.1%、 400nm 的前截止膜,区域完全覆盖 600~740nm                 的一级光谱,可以有效消除300~370nm 的二级 光谱;而镀400nm 前截止膜的区域应尽量远离    400nm 的一级光谱,以防对工作波段内的一级光谱产生影响;而未镀前截止膜的区域,一级光谱可以正常通过。
光谱仪与其他光学系统采用光纤连接,由光   纤出射的光入射到光谱仪狭缝。通常采用数值孔 径为0.22的光纤,这样经光纤出射进入光谱仪的 光束的数值孔径为     ,大于光谱仪设计的数值       0.22         。数值孔径不匹配将会给光谱仪造成大 0.1               量的杂散光,因此在狭缝到准直镜之间设置了消 杂光光阑,以有效遮挡光纤发出的超过光谱仪数 值孔径的光。考虑狭缝的长宽尺寸很小,可以忽 略,光阑开口半径 与光阑到狭缝的距离 需满             足关系:                 ·       · , ()  tan sin=0.1   6 其中: 为孔径角。式()即可解决光纤数值孔径             6       大于光谱仪数值孔径的问题,有效地降低了光谱   仪中的杂散光。图8为添加了滤光片和消杂光光 阑后的光谱仪结构。                                     光谱仪系统集成                                                   根据所设计的光学系统进行机械结构设计及 光机零件加工,**终完成光谱仪光机系统的集成 及装调。在光谱仪中的适当位置添加若干光阑以 消除杂散光的影响,此外光谱仪系统中所有的机                   械件表面均做了发黑处理,以进一步减小杂散光                   的影响。本文研制的光谱仪实物如图 9 所示,壳                   体密封,外形尺寸为         ,
光谱仪与其他光学系统采用光纤连接,由光   纤出射的光入射到光谱仪狭缝。通常采用数值孔 径为0.22的光纤,这样经光纤出射进入光谱仪的 光束的数值孔径为     ,大于光谱仪设计的数值       0.22         。数值孔径不匹配将会给光谱仪造成大 0.1               量的杂散光,因此在狭缝到准直镜之间设置了消 杂光光阑,以有效遮挡光纤发出的超过光谱仪数 值孔径的光。考虑狭缝的长宽尺寸很小,可以忽 略,光阑开口半径 与光阑到狭缝的距离 需满             足关系:                 ·       · , ()  tan sin=0.1   6 其中: 为孔径角。式()即可解决光纤数值孔径             6       大于光谱仪数值孔径的问题,有效地降低了光谱   仪中的杂散光。图8为添加了滤光片和消杂光光 阑后的光谱仪结构。                                     光谱仪系统集成                                                   根据所设计的光学系统进行机械结构设计及 光机零件加工,**终完成光谱仪光机系统的集成 及装调。在光谱仪中的适当位置添加若干光阑以 消除杂散光的影响,此外光谱仪系统中所有的机                   械件表面均做了发黑处理,以进一步减小杂散光                   的影响。本文研制的光谱仪实物如图 9 所示,壳                   体密封,外形尺寸为         ,分开,即在580nm 附近可以实现2nm 的光谱分辨率。各波长谱线的半高全宽(FWHM)皆约为两个像元,即2nm,因此可以认为工作波段内光谱分辨率都达到了2nm。所设计的光谱仪的光谱分辨率小于设计指标5nm,实验与分析的结果相同。度小于0.2nm,满足设计指标要求。由式(5)得,
 
340nm 所对应的像元序数为48,740nm 所对应的像元序数为448,整个工作谱段共计401个像元。由于式(7)所得拟合曲线近乎直线,所以整个谱段近似满足1nm 的波长输出间隔。
 
6 结 论
 
本文将分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以便于仪器的整体设计、装调和测试,满足了分光测色仪的应用需要。**先分析应用需求并提出主要指标,设计了光谱仪系统,很好地校正了球差和彗差。然后详细分析了用滤光片消二级衍射光谱的方法,解
 
决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题。根据设计研制了光谱仪系统,并对光谱仪进行了测试。
 
结果表明在狭缝宽度为50μm 时,各波段光谱分辨率都可以达到2nm,满足设计指标。**后对光谱仪进行了波长定标,结果表明定标精度小于
 
0.2nm,整个工作波段占401个像元,满足1nm
 
波长输出间隔的设计要求。
 
光谱仪系统采用可弯曲光纤和电子线路的接口设计,便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便光谱仪的单独测试,体现了模块化设计的优势,为
 
分光测色仪的整机研制与测试奠定了良好的基础。