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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用,甚至在很多行業(yè),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(tǒng)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(tǒng)質量好壞最重要的評價標準。本文重點在于對該光學系統(tǒng)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。
光學系統(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(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(tǒng)結構。用光學軟件對該系統(tǒng)進行模擬和優(yōu)化,設計結果表明:設計的系統(tǒng)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(tǒng)體積約80mm×69mm×62mm,滿足精度高、體積小及成本低等設計要求。
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(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直系統(tǒng)。準直系統(tǒng)一般由入射狹縫和準直物鏡組成,由狹縫處發(fā)出的光束經過準直系統(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(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(fā)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(tǒng)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,而且會使譜線輪廓極大值發(fā)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(tǒng)和成像系統(tǒng)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、剩余彗差所產生的最大波像差應當小于。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;
