便携式分光测色仪的系统设计

系统结构是便携式测色仪中的核心部分，它设计的好坏直接影响测色仪的整体性能。本文简单介绍了便携式分光测色仪的系统设计，包括方案选择、设计指标、参数设计等。

1. 可行方案选择

光谱仪器光学结构的选择范围很大，经过全面分析可知，有3种结构比较适合。第1种是李特洛光学系统(如图2)，该系统结构简单，紧促，但是入射狭缝与出射狭缝距离很近，入射光束在反射镜上产生的杂散光可直接到达出射狭缝，且存在二次衍射和多次衍射问题。

第2种结构是艾伯特-法斯梯系统(如图3)，该系统优点是彗差小，且物镜的像差不会是狭缝像产生附加弯曲，缺点也是存在二次衍射。

第3种结构是切尔尼-特纳系统(如图4)，优点是可避免二次衍射和多次衍射，同时又方便反射镜的加工与装调。但是对便携式分光测色仪光学系统来说，考虑到该系统便携化的特点，所以我们使用非对称交叉式切尔尼-特纳系统，如图5所示。所谓交叉式切尔尼-特纳系统，就是改变成像物镜的位置，使入射光线和成像光线在路径交叉，这样既减小了整体尺寸又可以使光谱像面的位置与光栅、准直物镜及狭缝的位置在空间不发生干涉并且该交叉式结果对杂散光的抑制非常有利，再者使用硅光电二极管阵列探测器可以实现多通道分析，避免了单色仪复杂的光栅调节机构。

2. 系统设计指标

该设计要求参考了国外同类仪器的性能指标，并考虑到设计及研发成本，在此基础上提出了设计的主要技术指标：光谱波段为360 nm~ 740 nm，光谱分辨率为10 nm， 测量波长间隔为10 nm，系统的球差与彗差应控制在像差容限以内，仪器体积约为69 mm ×96mm×193mm，此外在设计时应使用可降低生产成本的元件及并考虑尽量提高仪器灵敏度。

3. 系统参数设计

本系统设计中，光源的选择与仪器所工作的光谱波段有关，由于光谱波段为可见光波段，所以选择用脉冲氙灯来模拟标准照明体D65的光谱功率分布。脉冲氙灯与日光的光谱能量分布相近，发光不连续，能在短时间内发出很强的光。准直镜与成像镜都使用凹球面反射镜，设计球面曲率半径时，必须使其产生的球差限制在像差容限之内。此处色散元件采用平面光栅，光栅的参数可由色散系统的光谱分辨率决定，设计要求光谱分辨率为10 nm，因为10 nm 的分辨率对于色度测量来说已经足够精确。