便攜式光譜光度計光學系統的研究

刁述妍, 謝印忠

(臨沂大學汽車學院，山東臨沂　276005)

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便攜式光譜光度計光學系統的研究

刁述妍, 謝印忠

(臨沂大學汽車學院，山東臨沂276005)

[摘要]本文研究了便攜式光譜光度計的光學系統及各光學元件參數的設計方法.選擇了消除像差的非交叉對稱式Czerny-Turner(切爾尼-特納)結構，分光系統采用平面光柵為分光元件，球面反射鏡為成像物鏡.設計出了具有良好特性，頻譜范圍為380～760nm，分辨率可達3nm的光譜光度計.

[關鍵詞]亮度計；便攜式光譜光度計； Czerny-Turner結構

0引言

光譜儀器是光學儀器的重要組成部分，它是運用光學原理對物質的結構和成分等進行測量、分析和處理的基本設備，主要用來測量光源及其他發光體的光譜功率分布，同時給出其光度學有關參量，如亮度、色度、色溫等參量，在地礦探測、環境氣候、生物醫學、食品安全檢測、國防等領域有著廣泛的應用.傳統的光譜儀器多體積龐大笨重，數據處理復雜，定量分析需要PC機的支持，不便于在室外尤其野外使用.便攜式光譜光度計具有實時、在線、高效、便攜、智能化和多參數測量等優點，有著傳統光譜儀無法比擬的優勢.

光譜儀器有很多具體的特點和形式，分類方法也不同[1-2].使用較多的全波段實時性便攜式光譜光度計主要有兩類，一類是基于PC機的光譜光度計，如Ocean Optics公司的USB4000[3]光纖光譜儀；另一類是以Photo Research 公司的PR系列為代表的便攜式光譜光度計.隨著微型光機電系統(MOEMS)的發展[4-8]，測量儀器儀表的微型化、智能化是現代科學儀器儀表的一個重要發展趨勢[9-12].國內對近紅外波段的光譜儀研究較多[13-14]，但對于可見光波段微型便攜式光譜光度計的研究較少.

圖1　光譜儀器的典型框圖

1光譜儀器的基本組成

經典光譜儀器基本結構如圖1所示,由光源和照明系統、準直系統、色散系統、聚焦成像系統記錄和接收系統構成[15].

照明系統是被研究的對象，不同光譜分析對照明系統的要求不同，但必須匯聚盡可能多的光能量給準直系統以達到光譜分析的要求.準直系統、色散系統、聚焦成像系統三部分是光譜光度計的核心部分.待測光源的光信息經過準直系統變成平行光束，進入色散系統分解為多束單色光，在成像物鏡的焦平面上按照波長的順序成若干單色光的像.

準直系統一般由狹縫和準直物鏡組成，經過狹縫的光束可以看成是點(線)光源，在準直物鏡的物方焦點上，光束經準直物鏡后變成平行光投向色散系統.色散系統通常由棱鏡或光柵等色散元件組成，將入射的復合光分解成光譜，成像系統將空間上色散開的各個波長的光束匯聚在成像物鏡的焦平面上，形成一系列的按波長不同排列的狹縫的單色像.

接收系統(信號采集與處理系統)：用光敏器件接收各個單色像信息，轉變成與光譜能量有特定關系的電信號，通過分析得到研究對象的光譜波長分布和各波長的能量分布，按照需要的格式輸出，在微型光譜儀器中，該部分是設計的重點和難點.

2成像式亮度計的研究

成像式亮度計的結構如圖2所示，物鏡O將目標成像在帶孔反射板P上，被測量物體部位的像光束通過光纖輸入，并分光分析測量對象的光譜，通過各光譜譜線能量計算出亮度、色度、色溫等參量.由于P(反光鏡)中間有孔，在視場中心會出現黑斑點，測量對象為視場中黑斑對應的前方物體的位置(對象)的光譜特性.

圖2　成像式亮度計結構示意圖

小孔H的直徑d決定著測量視場(檢測角)的大小，如果用f表示物鏡的焦距，α表示對應與覆蓋小孔到達被測目標對物鏡處的張角，則有：

d=ftanα

(1)

例如f為50mm，要求α為O.5o時，d的大小應約等于0.5mm.

圖2結構的成像式亮度計是以像面照度來表征物體亮度的，所以它要求像面照度應正比于物體亮度，而不隨物體距離的不同而變化，設計時特別需要主要距離效應及其校正.用一個已知亮度的物體對亮度計定標后即可用來測量待測物體的亮度.

如果像面照度不嚴格滿足上述要求，則像面照度由下公式可求：

(2)

(3)

通常在反射鏡P的小孔前或者后面加入限束光闌進行校正，通過校正后的亮度計在測量距離大于50mm時，距離效應可以校準到小于1.5%.

3便攜式光譜光度計光學系統的研究與設計

光譜光度計的設計主要分為光學部分和電路部分，光學部分主要是由準直系統、色散系統、成像系統三部分組成的分光系統.

圖3　光學系統的色散、成像模塊(虛線內)

光束經探頭光纖傳輸后到達光路部分,光路部分的光學系統主要是起分光、聚焦等作用,將待檢測的光束分解成單色性好的平行光束,垂直聚S焦于物像平面,物象平面也就是感光元件部分,光束經感光元件進行光電轉換.

3.1光學系統的選擇

光束經過分光系統后呈現單色性,還需通過聚焦成像系統將各個單色光束在接收平面上聚焦成一系列的點或線，聚焦成像系統也直接影響了整個光學系統的大小和像差的大小.一般會選用具有適用光譜范圍廣、無色差等優點的反射式光學系統,常見的反射式光學系統有夏帕-格蘭茨系統、艾伯特-法斯梯系統、李特洛系統和切爾尼-特納系統.其中切爾尼-特納系統擁有結構簡單小巧、加工調試方便、系統整體慧差小、沒有多次衍射等特點,比較適用本次設計,在原本對稱的Czerny-Turner系統的基礎上做一些調整能使整體性能達到更好的效果.

3.2衍射光柵的選擇

對于確定的光學系統和探測器，實際的工作范圍和光譜分辨能力由作為色散元件的衍射光柵確定，所以要根據工作波段和光譜分辨率要求選擇合適的光柵常數.通常用光譜帶寬δ來表示光譜儀器的光譜分辨能力，由線色散率和幾何光學中的物像關系，當入射狹縫寬度為a時δ可以用下式表示:

(4)

表明光譜帶寬δ與入射狹縫的寬度a及光柵常數d成正比，即理論上減小光柵常數，δ隨之減小，光譜儀分辨率提高；然而，光柵常數減小造成像物鏡的像方視場角相應增大，像散、場曲等軸外像差也隨之增大，光譜分辨率隨之降低，必須綜合考慮.

本課題所研究的光譜光度計工作波段為380～760nm.光柵常數應大于600-1mm.但當光柵常數太大時，光譜儀的譜帶寬度顯著增加，儀器性能明顯降低.本系統采用光柵常數為600-1mm的光柵，測量波長范圍為380nm-760nm.

3.3準直鏡參數和聚焦(成像)鏡參數確定

系統的像差容限和相對孔徑決定準直鏡的焦距和口徑.由于光束通過光纖引入，設計時相對孔徑過小則無法提供足夠的檢測光能，相對孔徑過大雖然使微型光譜儀能用于檢測更弱的光，但同時系統球差和雜散光會隨之增大，影響成像光譜質量，降低光譜的整體分辨力.

(5)

(6)

式中d為光柵常數.利用上式解出聚焦鏡焦距作為參考值，之后在設計中根據實際像面進行調節.

此外，聚焦鏡以及準直鏡、光柵口徑的大小的確定的基礎是保證色散和光電探測器的光能利用率最大以保證成像效果良好，同時還要將系統的體積和元件裝配等因素考慮進去.

設計中采用對稱式Czerny-Turner光學系統，通過計算使用和準直鏡相同曲率的成像物鏡，即二者合二為一，準直和成像聚焦分別利用同一凹面鏡的不同位置，中間隔離.這樣使加工和裝配工藝簡化.

整個系統的參數如下：

光柵常數： 600-1mm；

入射狹縫：寬0.1mm，高1mm；

準直凹面鏡焦距和聚焦(成像)凹面鏡焦距相同為：60mm；

相對孔徑：f/4；

焦面尺寸：寬15mm,高10mm；

光譜測量范圍：380nm～760nm；

線色散：27nm/mm；

分辨率：3nm.

4結論

通過合理設計并優化光路結構，設計出了具有良好特性，頻譜范圍為380～760nm，分辨率可達3nm的光譜光度計.本文對成像式亮度計進行了分析計算，對光譜光度計的光學結構進行了設計，為了獲得均勻單色性好、分辨率高的平行光束，本文采用了非交叉對稱式Czerny-Turner光學系統，可通過光路優化很好的消除整體的像差.該類型光譜儀器符合光譜儀發展的趨勢，將有廣闊的應用前景.

參考文獻

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[責任編輯：閆昕]

Research on Optical System of Portable Spectral Photometer

DIAO Shu-yan, XIE Yin-zhong

(School of Automobile Engineering, Linyi University, Linyi 276005, China)

Abstract：The optical system of the Portable spectral photometer is researched and element parameters are designed. The symmetry Czerny-turner optical system which can greatly eliminate the aberration by optimizing the optical path is adopted. The optical system of the spectral photometer is introduced by taking a plan grating as a beam splitter and a spherical mirror as an imaging objective. The spectrometer with good characteristics, spectrum range of 380 ～ 760nm, and the resolution 3nm is designed.

Key words：luminance meter; portable spectral photometer; czerny-turner structure

[中圖分類號]TH744.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-7077(2016)02-0020-05

[作者簡介]刁述妍(1965-)，女，山東蓬萊人，臨沂大學汽車學院教授，工學博士，主要從事激光與光電信息技術方面的研究.

[基金項目]臨沂市科技發展計劃項目(項目編號: 201312022).

[收稿日期]2016-02-01