小型宽光谱低分辨率光谱仪器光学设计

　　0 引 言

　　在现代科研和生产中，光谱仪器是最基本应用最广泛的仪器。在物质生产领域，光谱仪器和光谱分析已经成为不可缺少的检测和分析手段，在颜色分析和 色度比较中也都有重要的应用，温波等采用的交叉式C-T 结构设计的小型分光测色仪器可以很好的达到便携、小型化的目的[1]，随着应用范围的扩展，对于光谱仪器的性能要求也越来越高。

　　比色仪器是一种通过分析宽谱段的光谱通过容器物质后，检测物质对于光谱的吸收特性，进而确定物已被相关文献详细讨论[2]，其光学系统由光源和 分光系统组成，分光系统对于整个系统的性能和结构形式起着决定性作用，在满足一定的指标情况下，系统的小型化和批量化对于工业生产尤为重要。文中在比较了 几种典型的光谱仪器装置的基础之上，从中选择出平场凹面光栅作为一种宽光谱、低分辨率的分光系统，大大简化了装置的复杂程度。

　　1 比色仪装置的基本结构

　　比色仪的光学原理和分光测色仪相似，其光学部分由两部分组成：光源部分和光谱仪部分，光源发出的复色光经过比色杯后成像在入射狭缝上，入射狭缝 的光束通过分光系统，将光源光束通过比色杯后的光谱信息分布到接收谱面上。光谱仪装置的色散系统主要有光栅和棱镜，其各自特点已在相关文献中有过分析 [3]，在工业生产中，和棱镜相比光栅分光元件可以大大减小仪器的体积和重量，节省研制成本。

　　2 典型光栅光谱仪装置比较

　　光栅主要可分为平面光栅和曲面光栅两大类，平面光栅在制作小型光谱仪器时主要有：切尔尼-特纳(Czerny-Turner)[4]、艾伯特- 法斯梯(Ebert-Fastie)[5]、李特洛(Littrow)自准直[6]、夏帕-格兰茨(Chupp-Gtantz)[7]系统四种形式;凸面 等间距光栅在 Offner 结构中得到很好的应用[8];等间距凹面光栅采用罗兰装置，在单色仪装置中应用极其广泛[9];平场凹面光栅采用全息方法设计可以得到平直谱面[10]， 对摄谱仪的设计非常方便。下文中对于设计指标在 340~800 nm，探测器像元数为 35 个，像元有效敏感面积 4.39 mm×0.89 mm，像元间距 0.99 mm 的比色仪装置中，分别设置了在满足上述指标要求的结构形式，并指出了上述几种装置的优缺点。

　　2.1 指标讨论

　　探测器有效像元数为 35 个，根据需要，选择 29 个像元就可以满足使用要求，光谱面大小为 28.71 mm，按照严格均匀分光计算光谱分辨率为 (8 00 340)/29=15.86nm，但是对于光学设计阶段光谱分辨率必须小于这个值，初步确定为 10 nm，物方数值孔径为 0.1，狭缝为 1 mm×3 mm。光栅的选择根据具体结构形式和尺寸，光栅周期太大需要很大的半径，才能满足谱面要求，周期太小光栅的价格也就相对较高。