CN115597711B - 一种光谱仪及其光路设计方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本申请涉及光学检测技术领域，具体涉及一种光谱仪及其光路设计方法。
背景技术
表面形貌检测常采用线光谱共焦系统进行测量，其原理是利用波长信息测量距离，由光源射出的一束线状宽谱的复色，通过色散透镜组产生色散，在色散焦面处形成不同波长的线状单色光，每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光照射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光可以通过小孔或狭缝被光谱仪感测到，通过计算被检测到的焦点的波长，换算获得距离值。
光谱共焦测量系统属于精密制造和超精密制造、精细加工等精密工程范围内，同时由于光谱共焦测量系统的光路组成较为复杂，加工和装调的难度大，由于加工公差要求太高，而实际加工无法满足或装调方法无法控制公差，特别地，导致残留畸变像差特别大，从而造成较大的成像光谱弯曲。成像光谱弯曲严重影响光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系的标定，以及波长和位移的关系的标定，并严重影响后期算法图像的识别，以及降低了探测器的有效使用面积，从而严重降低色散物镜工作波段范围，即降低轴向测量的精度。
现有技术用于光谱共焦测量系统的成像光谱仪，其残留畸变像差特别大，导致成像光谱弯曲无法校正，严重影响光谱共焦测量系统的轴向测量精度，且光路偏转角度过大准直光路和聚焦光路无法同轴或小角度偏转，从而增大了后期光路的装调难度，影响装调的精度导致残留畸变等像差增大从而导致更大的成像光谱弯曲。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种光谱仪及其光路设计方法，能够解决目前线光光谱共焦系统成像光谱严重弯曲的问题。
本申请实施例的一方面，提供了一种光谱仪，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。
可选地，弯曲狭缝器的弯曲函数y与色散物镜的畸变弯曲函数y2满足关系式：(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%；
分光元件的畸变弯曲函数y1满足：y1=ax3+bx2+cx+d；
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为通光孔的长度，a、b、c、d、a＇、b＇、c＇、d＇分别为常数。
可选地，准直镜组的焦距和聚焦镜组的焦距相等，准直镜组和聚焦镜组沿分光元件对称设置。
可选地，分光元件包括依次胶合的第一棱镜、光栅、第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜沿光栅对称设置。
可选地，在光栅的入光面或出光面设置有光阑。
可选地，分光元件的出光侧设置有0级光陷阱，用于吸收经分光元件出射的光束中的0级色散光。
可选地，0级光陷阱位于分光元件出射的光束中的1级色散光方向的下方、且与聚焦镜组之间有间隙。
可选地，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；
第一透镜和第二透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0058；第三透镜和第四透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.018；第五透镜和第六透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0032；第七透镜和第八透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0186；第九透镜和第十透镜的光焦度之和的绝对值小于等于0.0211。
可选地，聚焦镜组的镜头光圈数在3.0～5.0之间，聚焦镜组的远心度＜0.1°，聚焦镜组的焦距在60mm～100mm之间，聚焦镜组的入瞳距＞40mm。
可选地，弯曲狭缝器包括基板，多个通光孔贯穿基板；基板上设置有高反膜。
本申请实施例的另一方面，提供了一种光谱仪的光路设计方法，应用于上述的光谱仪，包括：获取分光元件的参数，建立分光元件模型；
获取实际的准直镜组的参数，获取实际的聚焦镜组的参数，得到分光元件的畸变弯曲函数y1；
建立色散物镜模型，得到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与色散物镜的畸变弯曲函数y2满足(100*｜y-y2｜)/(｜y2｜)≤0.5%，得到弯曲狭缝器的弯曲函数y≈y2；
当不满足(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%时，则重新确定分光元件的参数、准直镜组的参数、聚焦镜组的参数，或者重新确定色散物镜的参数。
可选地，获取分光元件的参数，建立分光元件模型包括：
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，倾斜角为棱面和竖直面之间的夹角；分光元件的第二棱镜的设置参数与第一棱镜的设置参数相同；
使入射分光元件的光束和由分光元件出射的光束分别为0°；
根据满足光束0°入射分光元件和光束由分光元件0°出射，以及第一棱镜的倾斜角β1=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，优化并建立理想的分光元件模型以及确定分光元件的初始参数。
可选地，获取实际的准直镜组的参数，获取实际的聚焦镜组的参数，得到分光元件的畸变弯曲函数y1包括：
获取准直镜组模型和聚焦镜组模型，使入射分光元件的光束和由分光元件出射的光束分别为0°，使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；
从边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长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，且提取典型波长对应的网格畸变数据的边缘视场畸变数据；
对网格畸变数据形成的坐标数据进行多项式拟合，得到分光元件的畸变弯曲函数y1。
可选地，建立色散物镜模型，得到色散物镜的畸变弯曲函数y2包括：
使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；
从边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长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，且提取典型波长对应的网格畸变数据的边缘视场畸变数据；
对网格畸变数据形成的坐标数据进行多项式拟合，得到色散物镜的畸变弯曲函数y2。
本申请实施例提供的光谱仪及其光路设计方法，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，非常有利于光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系的标定，以及波长和位移的关系的标定，还提高了后期图像算法的识别度；并且，更小的成像谱线弯曲提高了探测器的有效使用面积，从而增加了色散物镜工作波段范围，提高了轴向测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实施例提供的光谱仪结构示意图；
图2是本实施例提供的成像于相机靶面的不同波长的狭缝像的示意图；
图3是本实施例提供的弯曲狭缝器结构示意图；
图4是本实施例提供的PGP分光元件参数示意图；
图5是本实施例提供的PGP光谱仪的理想模型图；
图6是本实施例提供的ZEMAX边缘波长λ1的网格畸变图；
图7是本实施例提供的ZEMAX中心波长λ0的网格畸变图；
图8是本实施例提供的ZEMAX边缘波长λ2的网格畸变图；
图9是本实施例提供的PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲的表征函数y1图；
图10a是本实施例提供的准直镜组、聚焦镜组结构示意图之一；
图10b是本实施例提供的准直镜组、聚焦镜组结构示意图之二；
图11是本实施例提供的PGP光谱系统典型波长的网格畸变图；
图12是本实施例提供的PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1图；
图13是本实施例提供的光谱仪仅基于光栅分光的理想光谱仪模型图；
图14是本实施例提供的光谱仪仅基于光栅分光的理想光谱仪的谱线弯曲函数图；
图15是本实施例提供的色散物镜系统典型波长畸变的弯曲函数y2图；
图16是现有技术用于光谱共焦测量的成像光谱仪结构示意图。
图标：10-狭缝；11-准直镜；12-光栅；13-聚焦镜；14-传感器；101-光源；102-分光棱镜；103-色散物镜；104-弯曲狭缝器； 104a-通光孔；104＇-理想狭缝器；105-准直镜组；105＇-理想准直镜组；106-分光元件；106a-棱镜；106b-光栅；107-聚焦镜组；107＇-理想聚焦镜组；108-相机；109-0级光陷阱；A-理想物面；A＇-理想像面；L1-第一透镜；L2-第二透镜；L3-第三透镜；L4-第四透镜；L5-第五透镜；L6-第六透镜；L7-第七透镜；L8-第八透镜；L9-第九透镜；L10-第十透镜；β1、β2-倾斜角；n1、n2-折射率；d1、d2-厚度；x-长度；t-间隔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
表面形貌检测是精密加工技术的重要组成部分，随着加工工艺水平的发展，对形貌检测的范围、精度及速率的要求越来越高。其中，线光谱共焦是目前非接触式表面形貌检测方法中在速度上是比较有优势的一种检测方式。线光谱共焦是一种使用宽带光色散，用光学非接触的方法测量物体表面轮廓、位移、三维形貌或厚度的测量装置，其原理是利用波长信息测量距离，由光源射出的一束线状宽谱的复色，通过色散透镜组产生色散，在色散焦面处形成不同波长的线状单色光，每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光照射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光可以通过小孔或狭缝被光谱仪感测到，通过计算被感测到的焦点的波长，换算获得距离值。
光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，通常加工组装后需要对光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系进行标定以及波长和位移的关系进行标定，因此光谱共焦测量系统属于精密制造和超精密制造、精细加工等精密工程范围内，同时由于光谱共焦测量系统的光路组成较为复杂，主要分为线照明模块和色散物镜模块以及光谱仪模块，且各模块件间紧密配合；特别地，照明端和色散物镜的色散焦面是共轭关系，同时也和入射狭缝是共轭关系，入射狭缝经色散成像于传感器，对光路的同轴度要求比较高，同时线光光谱共焦系统的视场一般比较大，轴外像差慧差、像散、场曲、畸变影响比较大，色散物镜为了保证较高的横向分辨率需要设计较高的na（数值孔径），以及较快的扫描速度需要较大的视场，由于拉赫不变量L=nuy=n＇u＇y＇的关系色散物镜的拉赫不变量和光谱仪的准直镜拉赫不变量相等，相应地，要求光谱仪准直镜的设计具有较高的F数，提高加工和装调的难度，往往因加工公差要求太高，而实际加工无法满足或装调方法无法控制公差，特别地导致残留畸变像差特别大从而造成较大的成像光谱弯曲。成像光谱弯曲，严重影响光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系的标定，以及波长和位移的关系的标定和严重影响后期算法图像的识别，降低了探测器的有效使用面积，从而严重降低色散物镜工作波段范围，降低轴向测量的精度。
典型的线光光谱共焦检测的光谱仪设计参考参见中国专利申请公开说明书(申请号CN202110732241.5，公开号CN113448050A)公开的一种光谱仪光路，现有技术用于光谱共焦测量系统的成像光谱仪的技术方案，主要采用不弯曲的狭缝和用准直镜准直通过狭缝的光信号成平行光束，然后平行光束经光栅分光形成色散光谱，在光谱+1级或-1级中心波长主光线同轴的方向放置聚焦镜，用于将光谱+1级或-1级的光谱信号聚焦在成像传感器上实现光谱的成像。如图16所示，包括依次设置的狭缝10、准直镜11、光栅12、聚焦镜13和传感器14，这种结构往往这种技术方案残留畸变像差特别大，导致成像光谱弯曲无法校正，严重影响光谱共焦测量系统的轴向测量精度，且光路偏转角度过大准直光路和聚焦光路无法同轴或小角度偏转，从而增大了后期光路的装调难度，影响装调的精度导致残留畸变等像差增大从而导致更大的成像光谱弯曲。
有鉴于此，针对目前线光光谱共焦系统成像光谱严重弯曲的问题，本申请实施例提供一种光谱仪及其光路设计方法，可以解决目前线光光谱共焦系统成像光谱严重弯曲的问题。
具体地，请参照图1所示，本申请实施例提供一种光谱仪，包括：光源101，以及设置在光源101出光侧的分光棱镜102，在分光棱镜102的透射光路设置有色散物镜103，光源101出射的光束经分光棱镜102透射并经过色散物镜103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103并经分光棱镜102反射；
在分光棱镜102的反射光路上依次设置有弯曲狭缝器104、准直镜组105、分光元件106、聚焦镜组107和相机108，弯曲狭缝器104上设置有多个通光孔104a，多个通光孔104a的排布呈弧线形状，弧线弯曲的方向和色散物镜103的畸变弯曲方向一致，弯曲狭缝器104沿多个通光孔104a排列方向朝向分光棱镜102一侧凸出呈弧形。
光源101朝向分光棱镜102出射光束，经分光棱镜102透射后射向色散物镜103，以使色散物镜103出射线性色散光，来自色散物镜103产生的线性色散光照射被测物后，产生的复合多波长反射光经色散物镜103、分光棱镜102反射并聚焦在弯曲狭缝器104处，不同波长的线性色散光的焦面对应被测物不同的高度，由于不同的焦面与弯曲狭缝器104的通光孔104a形成共轭关系，满足共轭关系的单色光可以通过弯曲狭缝器104的通光孔104a，不满足共轭关系的单色光被弯曲狭缝器104的通光孔104a完全阻挡或部分阻挡，经过通光孔104a的所有单色光、再经过准直镜组105准直成平行光束，平行光束经过的分光元件106，分光元件106将所有平行光入射的单色光进行分光，并按一定的顺序排成光谱，聚焦镜组107将1级色散光谱聚焦在相机108上，形成不同波长的狭缝像。
如图2所示，由于不同波长的光（如λ1、λ2、λ3，特别地，λ1的波长短于λ2，且λ2的波长短于λ3的波长）经光栅106b色散分光后，出射角度不一样，因此聚焦在分辨率为2560*1080像素的相机108靶面的像，从相机108靶面短轴的0像素至1080像素方向，按一定波长顺序排列；如按短波到长波的顺序排列，狭缝像即为对应不同波长的光充满弯曲狭缝器104，经上述光谱仪成像于相机108靶面上。
本申请中，如图3所示，弯曲狭缝器104呈现弧形，由n个5um*5um大小的矩形通光孔104a以等间隔t为10um 排成线分布的阵列；弯曲狭缝器104包括基板，多个通光孔104a贯穿基板；基板上设置有高反膜。例如，弯曲狭缝器104的基板材料为可见光波段高透过率玻璃材料，通光孔104a大小为5um*5um的矩形通光区域，均镀上可见光波段(400 nm～700nm)区间的高反射膜，这里通光孔104a的大小不局限于5um*5um，可根据信号强度及分辨率要求进行调整，同理通光孔104a间隔t不局限于10um 可根据线视场的采样率进行调整，并不以上述为限。
而分光元件106为由棱镜106a、光栅106b和棱镜106a（第一棱镜和第二棱镜对称，可看成是相同的棱镜106a）胶合而成PGP结构，实现较小光路的偏折、较小的光谱弯曲。其中，光栅106b涵盖衍射光栅、全息光栅或色散棱镜等元件。
弯曲狭缝器104的弯曲可由色散物镜103的畸变和光栅106b、棱镜106a谱线弯曲和准直镜组105、聚焦镜组107的场曲畸变，以及分光元件106的非线性色散一起综合考虑并确定合适的弯曲参数，其中考虑到在系统里狭缝（通光孔104a）和色散物镜103的色散面是共轭成像的关系，为了尽可能地让满足共轭关系有效的光信号通过狭缝被传感器检测到，避免了大量有效的光信号被不正确弯曲的狭缝阻挡，从而结合色散物镜103畸变值，综合考虑弯曲狭缝器104的弯曲值，更准确、更有利于测量系统的信噪比。
狭缝不同发光点的色散角不同，导致光线经棱镜106a或光栅106b分光后成像的谱线产生弯曲，由棱镜106a谱线弯曲公式和光栅106b谱线弯曲公式，可以得出棱镜106a谱线弯曲和光栅106b谱线弯曲的方向相反，因此根据这个原理在设计过程中，利用棱镜106a和光栅106b组合成补偿校正谱线弯曲。同时由几何成像物像异侧的规律可知，弯曲狭缝器104的弯曲方向和光谱仪系统的谱线弯曲方向相反时，可起到相互抵消的作用，因此根据这个原理设计，基于弯曲狭缝器104和PGP（棱镜106a-光栅106b-棱镜106a）分光元件106的光谱仪，并结合考虑色散物镜103的畸变，以实现更小的谱线弯曲。
本申请实施例提供的光谱仪，通过弯曲狭缝器104和分光元件106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，非常有利于光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系的标定，以及波长和位移的关系的标定，提高了后期图像算法的识别度；特别地，更小的成像谱线弯曲，提高了探测器的有效使用面积，从而增加了色散物镜103工作波段范围，提高了轴向测量的精度。
进一步地，弯曲狭缝器104的弯曲的方向与色散物镜103的网格畸变的弯曲方向一致，且与光谱仪（理想物面A、准直镜组105、PGP分光元件106、聚焦镜组107、理想像面A＇组成的光谱仪）系统网格畸变的弯曲方向相反；特别地，考虑到非线性色散波长间对应的畸变差异比较大，因此弯曲狭缝器104的弯曲应综合考虑波段范围内、边缘波长畸变和中心波长畸变的中间值，即选取介于中间畸变值对应的波长为典型波长，主要参考典型波长畸变值，因此弯曲狭缝器104的弯曲函数y与色散物镜103的畸变弯曲函数y2满足关系式：(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%；
分光元件106的畸变弯曲函数y1满足：y1=ax3+bx2+cx+d；
色散物镜103的畸变弯曲函数y2满足：y2=a＇x3+b＇x2+c＇x+d＇；
其中，x为通光孔104a的长度，a、b、c、d、a＇、b＇、c＇、d＇分别为常数。
当满足上述关系式时，弯曲狭缝器104的弯曲函数y与PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1相互抵消，以实现更小的谱线弯曲。
准直镜组105的焦距和聚焦镜组107的焦距相等，准直镜组105和聚焦镜组107沿分光元件106对称设置。
当准直镜组105的焦距和聚焦镜组107的焦距相等时，准直镜组105和聚焦镜组107是同一个镜头，该镜头为单远心准直或聚焦镜头，准直镜和聚焦镜组107合成双远心成像系统，且关于光栅106b轴对称分布；同样地，两个棱镜106a沿光栅106b对称设置，系统光阑放置于光栅106b表面，具体位于光栅106b的入光面或出光面，位于出光面时效果更好；因此本申请的光谱仪具备物方、像方远心、对称式分布、弯曲狭缝器104、PGP分光元件106、0级光陷阱109等显著特点。聚焦镜组107的焦距f2或准直镜组105的焦距f1和光阑的有效通光孔径φ1满足：3≤（f1/φ1）≤5，或3≤（f2/φ1）≤5。
此外，分光元件106的出光侧设置有0级光陷阱109，用于吸收经分光元件106出射的光束中的0级色散光。0级光陷阱109将收集所有的0级光信号，避免影响有效光谱信息号的收集，有利于提高信噪比。
并且，0级光陷阱109位于分光元件106出射的光束中的1级色散光方向的下方、且与聚焦镜组107之间有间隙。0级光陷阱109依托聚焦镜组107较长的入瞳距，放置于1级光出光方向的下方，且不与1级光束有效孔径干涉、不与聚焦镜组107结构干涉，同时尽可能与0级光光轴同轴，孔径足够大，尽可能收集全部的0级光。
对于聚焦镜组107来说，在本申请的一个实施例中，如图10a所示，聚焦镜组107包括正光焦度的第一透镜L1，负光焦度的第二透镜L2，正光焦度的第三透镜L3，负光焦度的第四透镜L4，负光焦度的第五透镜L5，正光焦度的第六透镜L6，正光焦度的第七透镜L7，正光焦度的第八透镜L8，正光焦度的第九透镜L9，负光焦度的第十透镜L10；
第一透镜L1和第二透镜L2的光焦度之和的绝对值小于等于0.0058；第三透镜L3和第四透镜L4的光焦度之和的绝对值小于等于0.018；第五透镜L5和第六透镜L6的光焦度之和的绝对值小于等于0.0032；第七透镜L7和第八透镜L8的光焦度之和的绝对值小于等于0.0186；第九透镜L9和第十透镜L10的光焦度之和的绝对值小于等于0.0211。设置0级光陷阱109时如图10b所示。
进一步地，聚焦镜组107的镜头光圈数在3.0～5.0之间，聚焦镜组107的远心度＜0.1°，聚焦镜组107的焦距f在60mm～100mm之间，聚焦镜组107的入瞳距＞40mm，准直镜组105和聚焦镜组107为同一个镜头。
其中，镜头光圈数和聚焦镜组107的焦距f满足：镜头光圈数=焦距f/光阑的直径d；远心度和入瞳距均为独立参数，远心度使系统具有更小的倍率误差，较长入瞳距使系统具有更宽的结构空间。
另一方面，本申请实施例还公开了一种光谱仪的光路设计方法，应用于前述的光谱仪，该方法包括：
S100: 获取分光元件106的参数，建立分光元件106模型。
具体地，是在ZEAMX建立理想的PGP光谱仪模型，初步优化PGP参数。
具体地，根据线光光谱共焦传感器系统的分辨率需求，确定匹配相应光谱分辨力的光栅106b选型，特别地，选用光栅106b刻线数在300lp/mm-600lp/mm的范围内的透射光栅。
棱镜106a初始结构参数设置为倾斜角β1、倾斜角β2、折射率n2、阿贝数vd、厚度，如图4 棱镜106a参数示意图所示，其中倾斜角β1、倾斜角β2均在5°～50°之间设置，棱镜106a的折射率n2在1.0～1.8之间设置，n1为空气的折射率n1；阿贝数vd在17～90之间设置，棱镜106a的厚度d1、厚度d2均在4mm～50mm之间设置。在ZEMAX光学仿真软件上设置棱镜106a参数倾斜角β1、倾斜角β2、折射率n2、阿贝数vd、厚度，且各参数满足上述对应的范围要求。同时由初始的PGP分光元件106的初始参数在ZEMAX光学仿真软件上建立PGP模型。
根据满足光束0°入射分光元件106和光束由分光元件106以0°出射，以及第一棱镜的倾斜角β1=第二棱镜的倾斜角β2的要求，在ZEMAX光学仿真软件上设置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，优化并建立理想的分光元件106模型以及确定分光元件106的初始参数，如图5所示。
S110: 获取实际的准直镜组105的参数，获取实际的聚焦镜组107的参数，得到分光元件106的畸变弯曲函数y1。
在ZEMAX建立的理想PGP光谱仪模型的基础上，加入实际使用的准直镜组105和聚焦镜组107替换模型里的理想准直镜组105＇和理想聚焦镜组107＇，然后进行优化设计得到PGP光谱系统典型波长畸变的弯曲函数y1。
具体地，在上述理想的PGP光谱仪模型基础上，依次导入准直镜组105和聚焦镜组107的模型，然后在ZEMAX光学仿真软件上设置相关操作数，约束主光线角度以及使β1=β2，以像质和畸变为评价指标，因此设置好棱镜106a折射率n2、厚度和倾斜角β1、倾斜角β2参数以及准直镜组105和聚焦镜组107的曲率、厚度、空气间隔和材料等参数为变量，编辑好评价函数，对所有的变量参数进行优化设计；
当优化到像质最佳及畸变值最小时，即弯曲最小（ZEMAX模型中以RMS波像差作为评判像质的标准，以达到最小的RMS波像差值和最小的畸变值，以上两个值均可以由ZEMAX软件得出），则输出ZEMAX边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长λ0的网格畸变图如图6～图8所示，从边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长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，此时典型波长为畸变中间值对应的中心波长λ0为580nm的网格畸变作为典型波长的畸变值；
考虑到边缘视场畸变表征最大的畸变，因此提取边缘视场畸变数据然后，使用数据处理工具对网格畸变数据形成的坐标数据进行多项式拟合，最后得到表征PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1的表征函数：y1=ax3+bx2+cx+d(如图9所示)。
S120: 建立色散物镜103模型，得到色散物镜103的畸变弯曲函数y2。
在ZEMAX建立色散物镜103模型，然后优化设计得到色散物镜103系统典型波长的畸变弯曲函数y2。
同理，设置色散物镜103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；其中，ZEMAX模型中以RMS波像差作为评判像质的标准，以达到最小的RMS波像差值和最小的畸变值，以上两个值均可以由ZEMAX软件得出。边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长λ0均为ZEMAX软件单独优化，当边缘波长λ1满足像质最佳、畸变值最小的条件时，输出对应边缘波长λ1的数据；当边缘波长λ2满足像质最佳、畸变值最小的条件时，输出对应边缘波长λ2的数据；当中心波长λ0满足像质最佳、畸变值最小的条件时，输出对应中心波长λ0的数据。
从边缘波长λ1、边缘波长λ2和中心波长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，且提取此典型波长对应的网格畸变数据的边缘视场畸变数据；
对坐标数据进行多项式拟合，得到色散物镜103的畸变弯曲函数y2；坐标数据即为对应波长的网格畸变数据如图6、图7、图8所示，网格畸变数据实为X坐标和Y坐标组成，X坐标为视场单位为mm，Y坐标为像高单位为mm。
S130: 当(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，则确定此时的y1、y2作为光谱仪的谱线弯曲最小的函数。
核验色散物镜103系统典型波长的畸变弯曲函数y2与PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1，若(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，则即可确定此时的y1和y2是最佳的组合，即在这个组合下谱线弯曲最小，因此可以确定下弯曲狭缝器104的弯曲函数y≈y2。
鉴于考虑到相机108上成像的是狭缝像，由几何光学成像物像异侧的规律可知，弯曲狭缝器104的弯曲函数y与PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1大小相等、方向相反时，才能起到相互抵消的作用，从而降低畸变、减小谱线弯曲，同时PGP光谱仪系统准直镜组105和聚焦镜组107焦距相同、且光阑位置放置于光栅106b表面，因此PGP光谱仪系统是对称式的成像系统，系统放大倍率为一倍，因此更有利于弯曲狭缝器104的弯曲函数y与PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1相互抵消的作用。
S140: 根据弯曲狭缝器104的弯曲函数y与色散物镜103的畸变弯曲函数y2满足(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，得到弯曲狭缝器104的弯曲函数y≈y2。
弯曲狭缝器104的弯曲函数y与色散物镜103系统典型波长畸变的弯曲函数y2需满足条件：(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%，即y≈y2。
之所以弯曲狭缝器104的弯曲函数y与色散物镜103系统典型波长畸变的弯曲函数y2需满足条件：(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%即y≈y2。是鉴于考虑到狭缝与色散物镜103色散面各单色光对应的焦面是共轭关系，色散物镜103为在色散面对应各单色波长焦面处的视场长边与狭缝长边长度相同、视场短边与狭缝短边长度相同的线视场，色散物镜103色散方向的线视场和狭缝是共轭成像关系，为了尽可能地让满足共焦条件的有效光信号通过狭缝并被传感器检测到，避免大量有效的光信号被不正确弯曲方向的狭缝所阻挡，因此必须要满足(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%的条件，才尽可能地避免大量有效光信号被阻挡在通光孔104a的边缘处，导致信噪比降低，且造成谱线边缘与中心的能量分布不均，影响到光谱共焦测量的准确性。
S150: 当不满足(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%时，则重新确定分光元件106的参数、准直镜组105的参数、聚焦镜组107的参数，或者重新确定色散物镜103的参数。
不满足(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%时，则返回优化准直镜组105和聚焦镜组107的曲率、厚度、空气间隔和材料等参数，以及优化PGP分光元件106的倾斜角β1、倾斜角β2、折射率n2、阿贝数vd、厚度等参数以满足条件，或者同时返回优化色散物镜103的曲率、厚度、空气间隔以及材料等参数以满足条件。
示例地，按上述方法可得到PGP光谱系统典型波长的网格畸变如图11所示，同时进一步提取边缘数据，并使用数据处理工具进行多项式拟合，可得PGP光谱系统典型波长的畸变弯曲函数y1:y1=8*10-16x3-0.0003x2+0.0055x-6.4094；如图12所示系统设计狭缝长度x为18mm，分别在公式输入x=18mm和x=9mm，可分别得到狭缝边缘高度A1=6.4076mm和狭缝中心高度A2=6.3842mm、谱线弯曲23.4um。基于上述的设计方法设计的一种PGP光谱仪产生的谱线弯曲为23.4um，这个谱线弯曲的指标远远好于仅基于光栅106b分光的光谱仪。
如图13 所示为仅基于光栅106b分光的理想光谱仪模型，包括理想准直镜组105＇和理想聚焦镜组107＇，如图14 所示为仅基于光栅分光的理想光谱仪的谱线弯曲函数，将同样18mm狭缝长度x代入计算，可得仅基于光栅分光的光谱仪的谱线弯曲约为81um。
对应设计的色散物镜103系统典型波长畸变的弯曲函数y2，如图15所示，y2=-7*10-16x3+0.0003x2-0.0055x+6.4415。系统设计狭缝长度x为18mm，分别在公式输入 x=18mm和x=9mm，可分别得到边缘高度B1≈6.4397mm和中心高度B2≈6.4163mm、谱线弯曲23um。
经核验色散物镜103系统典型波长畸变的弯曲函数y2需满足(100*｜y1+y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%的条件，即可确定此时的y1和y2是最佳的组合，即在这个组合下谱线弯曲最小，考虑到y≈y2，所以弯曲狭缝器104的弯曲函数y≈y2;
即y≈-7*10-16x3+0.0003x2-0.0055x+6.4415，且满足(100*｜y-y2｜)/( ｜y2｜)≤0.5%的条件。
弯曲狭缝器104可按弯曲函数y≈-7*10-16x3+0.0003x2-0.0055x+6.4415进行定制加工。
由此可证明，按上述方法步骤设计PGP光谱仪的参数，以及弯曲狭缝器104的参数是非常准确可靠的；同时，设计的过程全部依靠光学设计软件ZEMAX按步骤设置好参数，然后进行优化，最后得到ZEMAX的分析结果，数据结果非常直观、量化且步骤简单。
综上，本申请设置了弯曲狭缝器104，增加了PGP分光元件106，弯曲狭缝器104的弯曲由色散物镜103畸变和准直镜组105畸变、聚焦镜组107畸变、PGP分光元件106畸变一起综合考虑得到；基于弯曲狭缝器104和PGP分光元件106的光谱仪系统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普线弯曲，非常有利于光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系的标定，以及波长和位移的关系的标定，提高了后期图像算法的识别度；特别地，更小的成像谱线弯曲提高了探测器的有效使用面积，从而增加了色散物镜103工作波段范围，即提高了轴向测量的精度。
此外，优化了基于弯曲狭缝器104和PGP分光元件106的光谱仪的设计方法以及步骤，设计过程依托光学设计软件ZEMAX，按步骤设置好参数，然后进行优化，最后得到ZEMAX的分析结果，并结合数据处理软件，最终得到校正后的成像光谱弯曲值；解耦化的优化设计步骤，以及成像光谱弯曲分析结果图形化、成像光谱弯曲校正值可量化，依托光学设计软件ZEMAX的设计，步骤简易上手、且数据分析结果可靠。同时，将基于弯曲狭缝器104和PGP分光元件106的光谱仪技术和色散共聚焦的技术进行结合，用于设计一种线光光谱共焦检测的光谱仪，用于色散共聚焦的使用场景，同时弯曲狭缝器104由色散物镜103畸变和准直镜组105畸变、聚焦镜组107畸变和PGP分光元件106的畸变一起综合考虑得到，在线光光谱共焦测量系统的应用场景下，考虑色散物镜103的畸变影响，将会使满足共轭关系的有效光信号，更多地通过弯曲狭缝器104被传感器检测到，从而避免了大量有效的光信号被不正确弯曲的狭缝阻挡，因此结合色散物镜103的畸变和准直镜组105畸变、聚焦镜组107畸变和PGP分光元件106的畸变一起综合确定的狭缝弯曲值更准确，更有利于提高光谱仪的信噪比，从而提高了线光光谱共焦测量系统的测量精度。
进一步地，还增加0级光陷阱109，避免光能量更强的0级光照进聚焦镜组107造成杂散光影响有效信号的识别，从而提高了光谱检测的信噪比。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (13)
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；
所述弯曲狭缝器的通光孔和所述色散物镜的色散面共轭成像；
且所述分光元件通过建立所述分光元件模型得到，通过获取实际的所述准直镜组的参数，获取实际的所述聚焦镜组的参数，得到所述分光元件的畸变弯曲函数y1；所述色散物镜通过建立所述色散物镜模型得到；
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，得到所述色散物镜的畸变弯曲函数y2；
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。
2.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。
3.根据权利要求1～2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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求1～2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。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求1～2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。
8.根据权利要求7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。
9.根据权利要求1～2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。
10.一种光谱仪的光路设计方法，应用于权利要求1～9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。
11.根据权利要求10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。
12.根据权利要求10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。
13.根据权利要求10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。
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