[发明专利]一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法

说明书

本发明公开了一种双光路光谱仪及测色装置与校准方法，测色装置获取被测样品反射光和测试光源反射光，通过Y形光路单元分别输入光谱仪的第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，改善了分光测色的短期重复性。波长校准时，通过Y形光路单元分别获取校准光源的光信号，根据光谱仪的传感器将采集到的光信号的像元位置信息，通过四阶多项式对波长数据和像元位置信息进行拟合，调整像元与波长的对应关系，从而对波长进行校准，改善了分光测色的短期重复性。

技术领域

本发明涉及测色技术领域，尤其是双光路光谱仪，以及基于双光路光谱仪的测色装置及波长校准方法。

背景技术

测色仪通过获得被测样品表面可见光范围内的光谱反射率曲线，计算得到颜色三刺激值和其它色参量。测量重复性时评价测色仪性能的重要指标。测色仪主要由光源和照明系统、分光系统、光电接收系统、控制和数据处理系统等组成。其中，分光系统将混合光分解成单色光，光电接收系统接收单色光并进行光电转换，这两部分合称为光谱仪。光谱仪是测色仪的核心组成部分，不仅要满足一系列的指标要求，而且对于整个测色仪的性能和结构起着决定性作用。大多数测色仪均采用脉冲氙灯作为光源。在测量的过程中，脉冲氙灯每次点亮时的光谱能量会发生较大变化，通常采用双光路设计来消除光源波动对仪器重复性产生的影响，即一条光路传感器检测被测物体表面反射光谱信号，另一条光路传感器检测光源能量波动，通过两个传感器的信号对比，即可消除光源波动对测量产生的影响，保证测量重复性。

现有的双光路设计均采用两个光谱仪分别检测两个光路的信号，一个测量被测样品的光谱信息，称作样品探测支路光谱仪，一个测量光源能量波动，称作光源监测支路光谱仪，即双光路系统中存在两个光栅和两个传感器。即使两个光谱仪是同一品牌同一型号，但是由于光栅、光路机械结构和传感器性能参数的不一致，该差别为测色仪带来的误差，即便使用双光路也无法抵消，继而导致工作环境温度、湿度发生改变时两个光谱仪因变化不一致，致使测色仪的短期重复性和长期重复性较差。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现提高测色仪短期重复性和长期重复性的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种双光路光谱仪，包括入射狭缝、透镜、光栅、传感器和光阑，入射狭缝包括第一入射狭缝、第二入射狭缝，所述光栅为凹面光栅，所述透镜为平凸透镜，凹面光栅的凹面与平凸透镜的凸面配合设置，被测样品反射光、测试光源反射光两条光路分别通过第一入射狭缝、第二入射狭缝，经透镜入射到光栅，光栅分光返回的两条衍射光斑，再经透镜，错位分布在入射狭缝侧的传感器光敏面上，从而优化光谱仪结构，光敏面上配合设置具有错位开口的光阑，对370-730nm以外的光进行拦截，使得每个错位开口处的光敏面只接收一个光路的光信号，从而实现了通过单光栅单传感器，便能实现双光路光谱仪的功能，降低了成本，对于两个光路，光栅、光路结构和传感器的变化一致，有效的减小了短期测量重复性。

进一步地，传感器的光敏面接收单个光路光信号的宽度dl对应的波长范围为dλ＝730-370nm，根据光谱仪的色散率dλ/dl＝56.25±10％nm/mm，设置光阑的错位开口宽度为dl，通过色散率限定了光阑错位开口的最佳宽度范围。

进一步地，dl＝6.4mm，为光阑最佳的错位开口宽度。

进一步地，光阑的错位开口有两个，分别对应光阑分光返回的两条衍射光斑，两个错位开口为横向排布、上下错位且相互平行的矩形开口，横向排布的矩形开口与第一、第二入射狭缝的连线所构成的锐角，在±30度以内。

进一步地，入射狭缝设有370nm长波通滤光片，用于消除二级衍射光对采集的指定波段(370-730nm)波长小于370nm的光信号进入光谱仪所产生的影响。

进一步地，传感器为线阵传感器，通过光阑的错位开口，线阵传感器光敏面的单个像元只接收一个光路的光信号。