一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法与流程

本发明属于光谱仪，尤其涉及一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法。

背景技术：

1、在实际工业领域中光谱仪常常作为检测工具对一些微量元素进行定性和定量的分析。如今随着钢铁行业、化工行业、食品行业、矿产勘探行业等的发展，对于光谱仪的需求也变得十分巨大。例如在钢铁行业中，人们对于钢铁品质要求不断的提升。因此在钢铁的生产过程中常常要用到光谱直读法来检测金属中一些微量元素的含量，从而去判别测量金属的种类以及金属质量上的优异。由于常常需要检测一些含量极少的微量元素，因此对于实现高分辨率的光谱仪的研制变得十分重要。光谱仪又称之为分光仪，常见的就是直读光谱仪，直读光谱仪通常情况下按照分光系统的不同可分为czerny-turner型系统、罗兰圆系统、中阶梯系统。其中罗兰圆光谱仪具有全谱高分辨率，测量精度和准确度高，光路简单等优点，常常结合不同的光源发展成其他精密的光学仪器例如：libs光谱、电火花直读光谱仪以及icp光谱等。任何一种精密仪器中使用到的分光系统中最主要的性能指标就是分辨率。为了获得较高的分辨率通常的方法就是使用较高刻线数和高曲率半径的凹面光栅，但是高刻度的光栅往往成本比较高，并且较大的曲率半径也会导致光路的体积设计的过大。此外常见的方法还有使用较小宽度的狭缝，虽然此法会提升一部分系统的分辨率，但是这会使得总系统的光灵敏度降低。其并且对于高刻线密度的机刻凹面光栅来说制作难度较大成本较高，并且会使得系统像差较大、并且信噪比较大。对于此全息凹面光栅的运用，很好的优化普通凹面光栅的缺陷。对于全息凹面光栅来说，其具有无鬼线，杂散光极小，以及光栅的衍射效率相比于普通的光栅来说有较大的提高并且由于全息技术的运用可以满足高密度的刻线要求，因此全息凹面光栅的色散率和分辨率也有较好的提高。本发明所提及到的光学系统就是以具有2400l/mm刻线密度、曲率半径为401.56mm的全息凹面光栅为基础所设计的罗兰圆光学系统。为了满足分析行业中高分辨率的要求，本发明设计了一种基于加权最小二乘法拟合色差校正的方法很好的优化了像cmos这类光电传感器的平面感光面对最终成像进行采集所产生的离焦像差。此外这种优化离焦像差的方法很好的解决了在聚光模块中由于不同特征波长的光在透镜聚焦后的焦距不同所带来的最终成像点在理论罗兰圆位置前后偏移所产生较大的离焦像差的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，优化了像cmos这类光电传感器的平面感光面对最终成像进行采集所产生的离焦像差。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，包括：

3、基于高分辨率罗兰圆光学系统，将各个元素对应的特征波长进行波段的划分，并为每个波段确立一个中心波长；

4、获取每个所述中心波长的偏移量，附加衍射光程并结合衍射角确立各波长偏移后的成像点相对位置；

5、对每个波段的特征波长设立权值，对确立各波长偏移后的成像点相对位置进行拟合优化，获得像面的最佳位置；

6、通过所述像面的最佳位置，获取所述高分辨率罗兰圆光学系统中像面的中心偏移距和偏移倾斜角，结合所述高分辨率罗兰圆光学系统，完成色差校正。

7、可选的，所述高分辨率罗兰圆光学系统包括：光学狭缝、罗兰圆、全息凹面光栅及七路光电传感器，所述光学狭缝、所述全息凹面光栅及七路光电传感器均位于所述罗兰圆上；所述光学狭缝接收平凸透镜聚焦的光，并光投射在所述全息凹面光栅上进行子午方向上的色散，色散后的各个元素对应的特征波长的衍射光由所述七路光电传感器接收。

8、可选的，所述光学狭缝采用线狭缝，所述光学狭缝与所述全息凹面光栅的刻线方向平行。

9、可选的，所述七路光电传感器包括：第1波段光电传感器、第2波段光电传感器、第3波段光电传感器、第4波段光电传感器、第5波段光电传感器、第6波段光电传感器和第7波段光电传感器。

10、可选的，将各个元素对应的特征波长进行波段的划分的方法包括：

11、获取各个元素特征波长的衍射角，并将所述衍射角按顺序排列；

12、设置阈值跨度进行波段划分，并划分为七段由所述七路光电传感器接收。

13、可选的，每个波段确立一个中心波长的方法包括：

14、基于划分的波段，将所述波段内最大和最小的所述特征波长的衍射角取平均值，结合光栅方程获取每个波段确立一个中心波长。

15、可选的，获取每个所述中心波长的偏移量的方法为：

16、

17、其中，efl(λ)为每个中心波长的偏移量，x为平凸透镜的厚度、r1为平凸透镜曲面的曲率半径，d为入孔的通光孔径，n1为对应特征波长λ在材料caf2中的折射率，m为一个关于波长λ的表达式，i1为入射角。

18、可选的，对每个波段的特征波长设立权值，对确立各波长偏移后的成像点相对位置进行拟合优化，获得像面的最佳位置的方法包括：

19、在原本成像点的基础上引入偏移量，得到各波长偏移后的成像点相对位置；

20、对每个波段的特征波长设立权值，基于各波长偏移后的成像点相对位置，根据各自权值的占比进行加权最小二乘法拟合优化，获得所述像面的最佳位置。

21、可选的，获取所述高分辨率罗兰圆光学系统中像面的中心偏移距和偏移倾斜角的方法为：

22、

23、其中，ab为中心偏移距，∠pbp′为偏移倾斜角，f为全息凹面光栅的曲率半径，角θ_cenλ则是各自波段的中心波长的衍射角，k_wei和b_wei分别为加权最小二乘法所拟合后传感器感光面在子午面上投影的斜率和截距。

24、本发明技术效果：本发明公开了一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，采用了基于加权最小二乘法色差校正的像面设计方式，解决了由于非平场聚焦转变为平场聚焦时由于离焦产生像差的问题，从而实现了高分辨率；同时由于为波段内各特征波长设立了权值，因此各波段内特征波长的分辨率可以通过权值进行调整。

技术特征：

1.一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，所述高分辨率罗兰圆光学系统包括：光学狭缝(2)、罗兰圆(3)、全息凹面光栅(4)及七路光电传感器，所述光学狭缝(2)、所述全息凹面光栅(4)及七路光电传感器均位于所述罗兰圆(3)上；所述光学狭缝(2)接收平凸透镜(1)聚焦的光，并光投射在所述全息凹面光栅(4)上进行子午方向上的色散，色散后的各个元素对应的特征波长的衍射光由所述七路光电传感器接收。

3.如权利要求2所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，所述光学狭缝(2)采用线狭缝，所述光学狭缝(2)与所述全息凹面光栅(4)的刻线方向平行。

4.如权利要求2所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，所述七路光电传感器包括：第1波段光电传感器(5)、第2波段光电传感器(6)、第3波段光电传感器(7)、第4波段光电传感器(8)、第5波段光电传感器(9)、第6波段光电传感器(10)和第7波段光电传感器(11)。

5.如权利要求2所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，将各个元素对应的特征波长进行波段的划分的方法包括：

6.如权利要求5所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，每个波段确立一个中心波长的方法包括：

7.如权利要求1所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，获取每个所述中心波长的偏移量的方法为：

8.如权利要求2所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，对每个波段的特征波长设立权值，对确立各波长偏移后的成像点相对位置进行拟合优化，获得像面的最佳位置的方法包括：

9.如权利要求1所述的高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，其特征在于，获取所述高分辨率罗兰圆光学系统中像面的中心偏移距和偏移倾斜角的方法为：

技术总结
本发明公开了一种高分辨率罗兰圆光学系统的色差校正方法，包括：基于高分辨率罗兰圆光学系统，将各个元素对应的特征波长进行波段的划分，并为每个波段确立一个中心波长；获取每个所述中心波长的偏移量，附加衍射光程并结合衍射角确立各波长偏移后的成像点相对位置；对每个波段的特征波长设立权值，对确立各波长偏移后的成像点相对位置进行拟合优化，获得像面的最佳位置；通过所述像面的最佳位置，获取所述高分辨率罗兰圆光学系统中像面的中心偏移距和偏移倾斜角，结合所述高分辨率罗兰圆光学系统，完成色差校正。本发明采用了基于加权最小二乘法色差校正的像面设计方式，解决了非平场聚焦转变为平场聚焦时离焦产生像差的问题，实现了高分辨率。

技术研发人员：陈作儿,陈吉文
受保护的技术使用者：浙江善谱科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15