刁述妍, 謝印忠

(臨沂大學(xué)汽車學(xué)院，山東臨沂　276005)

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便攜式光譜光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的研究

刁述妍, 謝印忠

(臨沂大學(xué)汽車學(xué)院，山東臨沂276005)

[摘要]本文研究了便攜式光譜光度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)及各光學(xué)元件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法.選擇了消除像差的非交叉對(duì)稱式Czerny-Turner(切爾尼-特納)結(jié)構(gòu)，分光系統(tǒng)采用平面光柵為分光元件，球面反射鏡為成像物鏡.設(shè)計(jì)出了具有良好特性，頻譜范圍為380～760nm，分辨率可達(dá)3nm的光譜光度計(jì).

[關(guān)鍵詞]亮度計(jì)；便攜式光譜光度計(jì)； Czerny-Turner結(jié)構(gòu)

0引言

光譜儀器是光學(xué)儀器的重要組成部分，它是運(yùn)用光學(xué)原理對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進(jìn)行測(cè)量、分析和處理的基本設(shè)備，主要用來測(cè)量光源及其他發(fā)光體的光譜功率分布，同時(shí)給出其光度學(xué)有關(guān)參量，如亮度、色度、色溫等參量，在地礦探測(cè)、環(huán)境氣候、生物醫(yī)學(xué)、食品安全檢測(cè)、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.傳統(tǒng)的光譜儀器多體積龐大笨重，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，定量分析需要PC機(jī)的支持，不便于在室外尤其野外使用.便攜式光譜光度計(jì)具有實(shí)時(shí)、在線、高效、便攜、智能化和多參數(shù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，有著傳統(tǒng)光譜儀無法比擬的優(yōu)勢(shì).

光譜儀器有很多具體的特點(diǎn)和形式，分類方法也不同[1-2].使用較多的全波段實(shí)時(shí)性便攜式光譜光度計(jì)主要有兩類，一類是基于PC機(jī)的光譜光度計(jì)，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(jì).隨著微型光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)的發(fā)展[4-8]，測(cè)量?jī)x器儀表的微型化、智能化是現(xiàn)代科學(xué)儀器儀表的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)[9-12].國(guó)內(nèi)對(duì)近紅外波段的光譜儀研究較多[13-14]，但對(duì)于可見光波段微型便攜式光譜光度計(jì)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(jīng)典光譜儀器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由光源和照明系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、聚焦成像系統(tǒng)記錄和接收系統(tǒng)構(gòu)成[15].

照明系統(tǒng)是被研究的對(duì)象，不同光譜分析對(duì)照明系統(tǒng)的要求不同，但必須匯聚盡可能多的光能量給準(zhǔn)直系統(tǒng)以達(dá)到光譜分析的要求.準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、聚焦成像系統(tǒng)三部分是光譜光度計(jì)的核心部分.待測(cè)光源的光信息經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)變成平行光束，進(jìn)入色散系統(tǒng)分解為多束單色光，在成像物鏡的焦平面上按照波長(zhǎng)的順序成若干單色光的像.

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

接收系統(tǒng)(信號(hào)采集與處理系統(tǒng))：用光敏器件接收各個(gè)單色像信息，轉(zhuǎn)變成與光譜能量有特定關(guān)系的電信號(hào)，通過分析得到研究對(duì)象的光譜波長(zhǎng)分布和各波長(zhǎng)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn).

2成像式亮度計(jì)的研究

成像式亮度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，物鏡O將目標(biāo)成像在帶孔反射板P上，被測(cè)量物體部位的像光束通過光纖輸入，并分光分析測(cè)量對(duì)象的光譜，通過各光譜譜線能量計(jì)算出亮度、色度、色溫等參量.由于P(反光鏡)中間有孔，在視場(chǎng)中心會(huì)出現(xiàn)黑斑點(diǎn)，測(cè)量對(duì)象為視場(chǎng)中黑斑對(duì)應(yīng)的前方物體的位置(對(duì)象)的光譜特性.

圖2　成像式亮度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

小孔H的直徑d決定著測(cè)量視場(chǎng)(檢測(cè)角)的大小，如果用f表示物鏡的焦距，α表示對(duì)應(yīng)與覆蓋小孔到達(dá)被測(cè)目標(biāo)對(duì)物鏡處的張角，則有：

d=ftanα

(1)

例如f為50mm，要求α為O.5o時(shí)，d的大小應(yīng)約等于0.5mm.

圖2結(jié)構(gòu)的成像式亮度計(jì)是以像面照度來表征物體亮度的，所以它要求像面照度應(yīng)正比于物體亮度，而不隨物體距離的不同而變化，設(shè)計(jì)時(shí)特別需要主要距離效應(yīng)及其校正.用一個(gè)已知亮度的物體對(duì)亮度計(jì)定標(biāo)后即可用來測(cè)量待測(cè)物體的亮度.

如果像面照度不嚴(yán)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(jìn)行校正，通過校正后的亮度計(jì)在測(cè)量距離大于50mm時(shí)，距離效應(yīng)可以校準(zhǔn)到小于1.5%.

3便攜式光譜光度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

光譜光度計(jì)的設(shè)計(jì)主要分為光學(xué)部分和電路部分，光學(xué)部分主要是由準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成的分光系統(tǒng).

圖3　光學(xué)系統(tǒng)的色散、成像模塊(虛線內(nèi))

光束經(jīng)探頭光纖傳輸后到達(dá)光路部分,光路部分的光學(xué)系統(tǒng)主要是起分光、聚焦等作用,將待檢測(cè)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(jīng)感光元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換.

3.1光學(xué)系統(tǒng)的選擇

光束經(jīng)過分光系統(tǒng)后呈現(xiàn)單色性,還需通過聚焦成像系統(tǒng)將各個(gè)單色光束在接收平面上聚焦成一系列的點(diǎn)或線，聚焦成像系統(tǒng)也直接影響了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的大小和像差的大小.一般會(huì)選用具有適用光譜范圍廣、無色差等優(yōu)點(diǎn)的反射式光學(xué)系統(tǒng),常見的反射式光學(xué)系統(tǒng)有夏帕-格蘭茨系統(tǒng)、艾伯特-法斯梯系統(tǒng)、李特洛系統(tǒng)和切爾尼-特納系統(tǒng).其中切爾尼-特納系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、加工調(diào)試方便、系統(tǒng)整體慧差小、沒有多次衍射等特點(diǎn),比較適用本次設(shè)計(jì),在原本對(duì)稱的Czerny-Turner系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做一些調(diào)整能使整體性能達(dá)到更好的效果.

3.2衍射光柵的選擇

對(duì)于確定的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，實(shí)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(jù)工作波段和光譜分辨率要求選擇合適的光柵常數(shù).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(xué)中的物像關(guān)系，當(dāng)入射狹縫寬度為a時(shí)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(shù)d成正比，即理論上減小光柵常數(shù)，δ隨之減小，光譜儀分辨率提高；然而，光柵常數(shù)減小造成像物鏡的像方視場(chǎng)角相應(yīng)增大，像散、場(chǎng)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(jì)工作波段為380～760nm.光柵常數(shù)應(yīng)大于600-1mm.但當(dāng)光柵常數(shù)太大時(shí)，光譜儀的譜帶寬度顯著增加，儀器性能明顯降低.本系統(tǒng)采用光柵常數(shù)為600-1mm的光柵，測(cè)量波長(zhǎng)范圍為380nm-760nm.

3.3準(zhǔn)直鏡參數(shù)和聚焦(成像)鏡參數(shù)確定

系統(tǒng)的像差容限和相對(duì)孔徑?jīng)Q定準(zhǔn)直鏡的焦距和口徑.由于光束通過光纖引入，設(shè)計(jì)時(shí)相對(duì)孔徑過小則無法提供足夠的檢測(cè)光能，相對(duì)孔徑過大雖然使微型光譜儀能用于檢測(cè)更弱的光，但同時(shí)系統(tǒng)球差和雜散光會(huì)隨之增大，影響成像光譜質(zhì)量，降低光譜的整體分辨力.

(5)

(6)

式中d為光柵常數(shù).利用上式解出聚焦鏡焦距作為參考值，之后在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際像面進(jìn)行調(diào)節(jié).

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

設(shè)計(jì)中采用對(duì)稱式Czerny-Turner光學(xué)系統(tǒng)，通過計(jì)算使用和準(zhǔn)直鏡相同曲率的成像物鏡，即二者合二為一，準(zhǔn)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(jiǎn)化.

整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)如下：

光柵常數(shù)： 600-1mm；

入射狹縫：寬0.1mm，高1mm；

準(zhǔn)直凹面鏡焦距和聚焦(成像)凹面鏡焦距相同為：60mm；

相對(duì)孔徑：f/4；

焦面尺寸：寬15mm,高10mm；

光譜測(cè)量范圍：380nm～760nm；

線色散：27nm/mm；

分辨率：3nm.

4結(jié)論

通過合理設(shè)計(jì)并優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了具有良好特性，頻譜范圍為380～760nm，分辨率可達(dá)3nm的光譜光度計(jì).本文對(duì)成像式亮度計(jì)進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)光譜光度計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(duì)稱式Czerny-Turner光學(xué)系統(tǒng)，可通過光路優(yōu)化很好的消除整體的像差.該類型光譜儀器符合光譜儀發(fā)展的趨勢(shì)，將有廣闊的應(yīng)用前景.

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[責(zé)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(hào)]TH744.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-7077(2016)02-0020-05

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

[基金項(xiàng)目]臨沂市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào): 201312022).

[收稿日期]2016-02-01