便携式光谱光度计光学系统的研究

刁述妍, 谢印忠

(临沂大学汽车学院，山东临沂　276005)



便携式光谱光度计光学系统的研究

刁述妍, 谢印忠

(临沂大学汽车学院，山东临沂276005)

[摘要]本文研究了便携式光谱光度计的光学系统及各光学元件参数的设计方法.选择了消除像差的非交叉对称式Czerny-Turner(切尔尼-特纳)结构，分光系统采用平面光栅为分光元件，球面反射镜为成像物镜.设计出了具有良好特性，频谱范围为380～760nm，分辨率可达3nm的光谱光度计.

[关键词]亮度计；便携式光谱光度计； Czerny-Turner结构

0引言

光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它是运用光学原理对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备，主要用来测量光源及其他发光体的光谱功率分布，同时给出其光度学有关参量，如亮度、色度、色温等参量，在地矿探测、环境气候、生物医学、食品安全检测、国防等领域有着广泛的应用.传统的光谱仪器多体积庞大笨重，数据处理复杂，定量分析需要PC机的支持，不便于在室外尤其野外使用.便携式光谱光度计具有实时、在线、高效、便携、智能化和多参数测量等优点，有着传统光谱仪无法比拟的优势.

光谱仪器有很多具体的特点和形式，分类方法也不同[1-2].使用较多的全波段实时性便携式光谱光度计主要有两类，一类是基于PC机的光谱光度计，如Ocean Optics公司的USB4000[3]光纤光谱仪；另一类是以Photo Research 公司的PR系列为代表的便携式光谱光度计.随着微型光机电系统(MOEMS)的发展[4-8]，测量仪器仪表的微型化、智能化是现代科学仪器仪表的一个重要发展趋势[9-12].国内对近红外波段的光谱仪研究较多[13-14]，但对于可见光波段微型便携式光谱光度计的研究较少.

图1　光谱仪器的典型框图

1光谱仪器的基本组成

经典光谱仪器基本结构如图1所示,由光源和照明系统、准直系统、色散系统、聚焦成像系统记录和接收系统构成[15].

照明系统是被研究的对象，不同光谱分析对照明系统的要求不同，但必须汇聚尽可能多的光能量给准直系统以达到光谱分析的要求.准直系统、色散系统、聚焦成像系统三部分是光谱光度计的核心部分.待测光源的光信息经过准直系统变成平行光束，进入色散系统分解为多束单色光，在成像物镜的焦平面上按照波长的顺序成若干单色光的像.

准直系统一般由狭缝和准直物镜组成，经过狭缝的光束可以看成是点(线)光源，在准直物镜的物方焦点上，光束经准直物镜后变成平行光投向色散系统.色散系统通常由棱镜或光栅等色散元件组成，将入射的复合光分解成光谱，成像系统将空间上色散开的各个波长的光束汇聚在成像物镜的焦平面上，形成一系列的按波长不同排列的狭缝的单色像.

接收系统(信号采集与处理系统)：用光敏器件接收各个单色像信息，转变成与光谱能量有特定关系的电信号，通过分析得到研究对象的光谱波长分布和各波长的能量分布，按照需要的格式输出，在微型光谱仪器中，该部分是设计的重点和难点.

2成像式亮度计的研究

成像式亮度计的结构如图2所示，物镜O将目标成像在带孔反射板P上，被测量物体部位的像光束通过光纤输入，并分光分析测量对象的光谱，通过各光谱谱线能量计算出亮度、色度、色温等参量.由于P(反光镜)中间有孔，在视场中心会出现黑斑点，测量对象为视场中黑斑对应的前方物体的位置(对象)的光谱特性.

图2　成像式亮度计结构示意图

小孔H的直径d决定着测量视场(检测角)的大小，如果用f表示物镜的焦距，α表示对应与覆盖小孔到达被测目标对物镜处的张角，则有：

d=ftanα

(1)

例如f为50mm，要求α为O.5o时，d的大小应约等于0.5mm.

图2结构的成像式亮度计是以像面照度来表征物体亮度的，所以它要求像面照度应正比于物体亮度，而不随物体距离的不同而变化，设计时特别需要主要距离效应及其校正.用一个已知亮度的物体对亮度计定标后即可用来测量待测物体的亮度.

如果像面照度不严格满足上述要求，则像面照度由下公式可求：

(2)

(3)

通常在反射镜P的小孔前或者后面加入限束光阑进行校正，通过校正后的亮度计在测量距离大于50mm时，距离效应可以校准到小于1.5%.

3便携式光谱光度计光学系统的研究与设计

光谱光度计的设计主要分为光学部分和电路部分，光学部分主要是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成的分光系统.

图3　光学系统的色散、成像模块(虚线内)

光束经探头光纤传输后到达光路部分,光路部分的光学系统主要是起分光、聚焦等作用,将待检测的光束分解成单色性好的平行光束,垂直聚S焦于物像平面,物象平面也就是感光元件部分,光束经感光元件进行光电转换.

3.1光学系统的选择

光束经过分光系统后呈现单色性,还需通过聚焦成像系统将各个单色光束在接收平面上聚焦成一系列的点或线，聚焦成像系统也直接影响了整个光学系统的大小和像差的大小.一般会选用具有适用光谱范围广、无色差等优点的反射式光学系统,常见的反射式光学系统有夏帕-格兰茨系统、艾伯特-法斯梯系统、李特洛系统和切尔尼-特纳系统.其中切尔尼-特纳系统拥有结构简单小巧、加工调试方便、系统整体慧差小、没有多次衍射等特点,比较适用本次设计,在原本对称的Czerny-Turner系统的基础上做一些调整能使整体性能达到更好的效果.

3.2衍射光栅的选择

对于确定的光学系统和探测器，实际的工作范围和光谱分辨能力由作为色散元件的衍射光栅确定，所以要根据工作波段和光谱分辨率要求选择合适的光栅常数.通常用光谱带宽δ来表示光谱仪器的光谱分辨能力，由线色散率和几何光学中的物像关系，当入射狭缝宽度为a时δ可以用下式表示:

(4)

表明光谱带宽δ与入射狭缝的宽度a及光栅常数d成正比，即理论上减小光栅常数，δ随之减小，光谱仪分辨率提高；然而，光栅常数减小造成像物镜的像方视场角相应增大，像散、场曲等轴外像差也随之增大，光谱分辨率随之降低，必须综合考虑.

本课题所研究的光谱光度计工作波段为380～760nm.光栅常数应大于600-1mm.但当光栅常数太大时，光谱仪的谱带宽度显著增加，仪器性能明显降低.本系统采用光栅常数为600-1mm的光栅，测量波长范围为380nm-760nm.

3.3准直镜参数和聚焦(成像)镜参数确定

系统的像差容限和相对孔径决定准直镜的焦距和口径.由于光束通过光纤引入，设计时相对孔径过小则无法提供足够的检测光能，相对孔径过大虽然使微型光谱仪能用于检测更弱的光，但同时系统球差和杂散光会随之增大，影响成像光谱质量，降低光谱的整体分辨力.

(5)

(6)

式中d为光栅常数.利用上式解出聚焦镜焦距作为参考值，之后在设计中根据实际像面进行调节.

此外，聚焦镜以及准直镜、光栅口径的大小的确定的基础是保证色散和光电探测器的光能利用率最大以保证成像效果良好，同时还要将系统的体积和元件装配等因素考虑进去.

设计中采用对称式Czerny-Turner光学系统，通过计算使用和准直镜相同曲率的成像物镜，即二者合二为一，准直和成像聚焦分别利用同一凹面镜的不同位置，中间隔离.这样使加工和装配工艺简化.

整个系统的参数如下：

光栅常数： 600-1mm；

入射狭缝：宽0.1mm，高1mm；

准直凹面镜焦距和聚焦(成像)凹面镜焦距相同为：60mm；

相对孔径：f/4；

焦面尺寸：宽15mm,高10mm；

光谱测量范围：380nm～760nm；

线色散：27nm/mm；

分辨率：3nm.

4结论

通过合理设计并优化光路结构，设计出了具有良好特性，频谱范围为380～760nm，分辨率可达3nm的光谱光度计.本文对成像式亮度计进行了分析计算，对光谱光度计的光学结构进行了设计，为了获得均匀单色性好、分辨率高的平行光束，本文采用了非交叉对称式Czerny-Turner光学系统，可通过光路优化很好的消除整体的像差.该类型光谱仪器符合光谱仪发展的趋势，将有广阔的应用前景.

参考文献

[1]李全臣,蒋月娟.光谱仪器原理[M]. 北京:北京理工大学出版社，1999:280-281.

[2]吴国安.光谱仪器设计[M].北京:科学出版社,1978:101-102.

[3]OceanOptics.USB4000 data sheet[OL]. http://oceanoptics.com/product/usb4000-custom/

[4]Letartre X，MouetteJ，Leelereq J. L. Switching Devices with Spatial and Spectral Resolution combining Photonic Crystal and MOEMS Structures [J]. Light wave Technol, 2003, 21(7):1691-1700.

[5]A. Gatto，M.Yang，N.KaiseF，etal. High-Performance coatings for micromechanical mirrors [J]. Apply Opt, 2006, 45:1602-1607.

[6]Kong S.H., Wolffenbuttel R.F.. Spectral performance of a micro machined infrared spectrum analyzer in silicon [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2005, 54 (1): 264-267.

[7]Day D.R., Butler M.A, Smith M.C., et al. Diffractive-MEMS implementation of a hadamard near-infrared spectrometer[J]. Actuators and Microsystems, 2005, 13(2): 1246-1249.

[8]赵淑莉,廖宁放,谭博能.微型测色分光光谱仪的总体设计及数据采集系统研究[J].光学技术,2010,36(6):848-851.

[9]Wapelhorst E., Hauschild J.P., Muller J.. Complex MEMS: a fully integrated TOF micro mass spectrometer [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2007, 138 (1): 22-27.

[10]J. Holm-Kennedy, K. Tsang, W. Sze, F. Jiang and D. Yang. A novel monolithic chip integrated color spectrometer[C]. SPIE Proc., 1991, 1527:323-331.

[11]Don S. Goldman. P.L. White, and N.C. Anheier, Plannar waveguide spectrometer[C]. SPIE Optoelectron Devices and Appl. 1990, 1338: 64-68.

[12]T.A.Kwa, R.F.Wolffenbuttel, Integrated grating detector array fabricated in silicon Using micromaching techniques[C]. Sensors and Actuators A, 1992, 31: 259-266.

[13]丁莹.近红外光谱仪器的研究进展与发展趋势[J]. 红外，2012，33(7):1-5.

[14]刘康.微型光谱仪关键技术及其应用研究[D].杭州:浙江大学,2013:10-12.

[15]Y Zhang. JW Sun. G Wei, F Sxopesi, G Serra, P Rolfe. Design of a portable near infra-red spectroscopy system for tissur oxygenation measurement.3rdInternational Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering[C]. Icbbe 2009 Beijing. China.

[责任编辑：闫昕]

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

[中图分类号]TH744.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-7077(2016)02-0020-05

[作者简介]刁述妍(1965-)，女，山东蓬莱人，临沂大学汽车学院教授，工学博士，主要从事激光与光电信息技术方面的研究.

[基金项目]临沂市科技发展计划项目(项目编号: 201312022).

[收稿日期]2016-02-01