一种光谱仪及其光路设计方法与流程

技术特征：
1.一种光谱仪，其特征在于，包括：光源，以及设置在所述光源出光侧的分光棱镜，在所述分光棱镜的透射光路设置有色散物镜，所述光源出射的光束经所述分光棱镜透射并经过所述色散物镜出射线性色散光，所述线性色散光照射被测物形成复合多波长反射光，所述复合多波长反射光透过所述色散物镜并经所述分光棱镜反射；在所述分光棱镜的反射光路上依次设置有弯曲狭缝器、准直镜组、分光元件、聚焦镜组和相机，所述弯曲狭缝器上设置有多个通光孔，所述弯曲狭缝器沿多个所述通光孔排列方向朝向所述分光棱镜一侧凸出呈弧形。2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述弯曲狭缝器的弯曲函数y与所述色散物镜的畸变弯曲函数y2满足关系式：(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%；所述分光元件的畸变弯曲函数y1满足：y1=ax3 bx2 cx d；所述色散物镜的畸变弯曲函数y2满足：y2=a＇x3 b＇x2 c＇x d＇；其中，x为所述通光孔的长度，a、b、c、d、a＇、b＇、c＇、d＇分别为常数。3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述准直镜组的焦距和所述聚焦镜组的焦距相等，所述准直镜组和所述聚焦镜组沿所述分光元件对称设置。4.根据权利要求1～3任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述分光元件包括依次胶合的第一棱镜、光栅、第二棱镜，所述第一棱镜和所述第二棱镜沿所述光栅对称设置。5.根据权利要求4所述的光谱仪，其特征在于，在所述光栅的入光面或出光面设置有光阑。6.根据权利要求1～3任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述分光元件的出光侧设置有0级光陷阱，用于吸收经所述分光元件出射的光束中的0级色散光。7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述0级光陷阱位于所述分光元件出射的光束中的1级色散光方向的下方、且与所述聚焦镜组之间有间隙。8.根据权利要求1～3任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜组包括正光焦度的第一透镜，负光焦度的第二透镜，正光焦度的第三透镜，负光焦度的第四透镜，负光焦度的第五透镜，正光焦度的第六透镜，正光焦度的第七透镜，正光焦度的第八透镜，正光焦度的第九透镜，负光焦度的第十透镜；所述第一透镜和所述第二透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0058；所述第三透镜和所述第四透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.018；所述第五透镜和所述第六透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0032；所述第七透镜和所述第八透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0186；所述第九透镜和所述第十透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0211。9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜组的镜头光圈数在3.0～5.0之间，所述聚焦镜组的远心度＜0.1
°
，所述聚焦镜组的焦距在60mm～100mm之间，所述聚焦镜组的入瞳距＞40mm。10.根据权利要求1～3任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述弯曲狭缝器包括基板，多个所述通光孔贯穿所述基板；所述基板上设置有高反膜。11.一种光谱仪的光路设计方法，应用于权利要求1～10任一项所述的光谱仪，其特征在于，包括：
获取分光元件的参数，建立所述分光元件模型；获取实际的准直镜组的参数，获取实际的聚焦镜组的参数，得到所述分光元件的畸变弯曲函数y1；建立色散物镜模型，得到所述色散物镜的畸变弯曲函数y2；当(100*｜y1 y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，则确定此时的y1、y2作为所述光谱仪的谱线弯曲最小的函数；根据弯曲狭缝器的弯曲函数y与所述色散物镜的畸变弯曲函数y2满足(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，得到所述弯曲狭缝器的弯曲函数y≈y2；当不满足(100*｜y1 y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%时，则重新确定所述分光元件的参数、所述准直镜组的参数、所述聚焦镜组的参数，或者重新确定所述色散物镜的参数。12.根据权利要求11所述的光谱仪的光路设计方法，其特征在于，所述获取分光元件的参数，建立所述分光元件模型包括：获取光栅的刻线数在300lp/mm～600lp/mm的范围内的透射光栅；获取所述分光元件的第一棱镜的倾斜角在5
°
～50
°
之间、折射率在1.0～1.8之间、阿贝数在17～90之间、厚度在4mm～50mm之间；其中，所述倾斜角为棱面和竖直面之间的夹角；所述分光元件的第二棱镜的设置参数与所述第一棱镜的设置参数相同；使入射所述分光元件的光束和由所述分光元件出射的光束分别为0
°
；根据满足所述光束0
°
入射所述分光元件和所述光束由所述分光元件0
°
出射，以及所述第一棱镜的倾斜角β1=所述第二棱镜的倾斜角β2的要求，获取相关操作数约束主光线角度以及使β1=β2，以像质和畸变为评价指标编辑评价函数，优化并建立理想的所述分光元件模型以及确定所述分光元件的初始参数。13.根据权利要求11所述的光谱仪的光路设计方法，其特征在于，所述获取实际的准直镜组的参数，获取实际的聚焦镜组的参数，得到所述分光元件的畸变弯曲函数y1包括：获取所述准直镜组模型和所述聚焦镜组模型，使入射所述分光元件的光束和由所述分光元件出射的光束分别为0
°
，使所述分光元件的第一棱镜的倾斜角和第二棱镜的倾斜角相等；当像质最佳、畸变值最小时，输出边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长λ0；从所述边缘波长λ1、所述边缘波长λ2和所述中心波长λ0的三个波长的畸变数据中选取介于中间的畸变值对应的波长为典型波长，且提取所述典型波长对应的网格畸变数据的边缘视场畸变数据；对所述网格畸变数据形成的坐标数据进行多项式拟合，得到所述分光元件的畸变弯曲函数y1。14.根据权利要求11所述的光谱仪的光路设计方法，其特征在于，所述建立色散物镜模型，得到所述色散物镜的畸变弯曲函数y2包括：使所述色散物镜的参数在预设范围内；当像质最佳、畸变值最小时，输出边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长λ0；从所述边缘波长λ1、所述边缘波长λ2和所述中心波长λ0的三个波长的畸变数据中选取介于中间的畸变值对应的波长为典型波长，且提取所述典型波长对应的网格畸变数据的边缘视场畸变数据；
对所述网格畸变数据形成的坐标数据进行多项式拟合，得到所述色散物镜的畸变弯曲函数y2。

技术总结
本申请提供一种光谱仪及其光路设计方法，涉及光学检测技术领域，包括光源，以及设置在光源出光侧的分光棱镜，在分光棱镜的透射光路设置有色散物镜，光源出射的光束经分光棱镜透射并经过色散物镜出射线性色散光，线性色散光照射被测物形成复合多波长反射光，复合多波长反射光透过色散物镜并经分光棱镜反射；在分光棱镜的反射光路上依次设置有弯曲狭缝器、准直镜组、分光元件、聚焦镜组和相机，弯曲狭缝器上设置有多个通光孔，弯曲狭缝器沿多个通光孔排列方向朝向分光棱镜一侧凸出呈弧形。通过弯曲狭缝器和分光元件残留的畸变像差得到很好的校正，特别使其具有着更小的成像谱线弯曲，提高了轴向测量的精度。高了轴向测量的精度。高了轴向测量的精度。


技术研发人员：黄鑫 吴昌力 郑军
受保护的技术使用者：聚时科技（深圳）有限公司
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/1/13