求助一种小型紫外光谱仪设计

11294

最近在帮老板弄个小型紫外光谱模块，200~400nm，分辨率1.5nm左右的。老板要求只许用一个小球面反射镜，这可犯了难。
目前我的选型是这样的：
传感器： Hamamatsu 的一个 256元紫外COMS， 感光区域  6.4mm*2.6mm  (目前暂不考虑分辨率具体值)
镜片：R60 Φ25 的紫外镀铝反射镜
光栅：600/250 的刻线光栅，用+1阶

沿着光路走，直到球面镜把光束投到光栅上还好好的，可是光栅打回镜子再投到传感器时，发现总是聚焦不好。
我试着调节了一下两个镜子的倾角，发现可以调成M型的光路（光栅在光纤入口和传感器中间），而且聚焦还不错，但是违背了缩小体积的初衷；
所以我理想的设计，就是如图中一般把光纤入口做在传感器和光栅中间。

我没什么好的优化思路，请前辈们指点一下。
目前我选型的是标准件，以后批量生产的话也可以考虑定制镜片，但是目前还是急着打个样出来。

谢过各位了。

8194

果然，我的光学设计还是拘泥于现有的方案，我还依然是个菜鸡，看到你的思路；
1. 我知道光谱仪成本控制厉害，但没想到你老板是真的死扣；无论是钱还是尺寸，扣到死的哪种；
2. 你的这种设计方式，我没有去考虑具体的光学可实行性
    我能给的建议是，你体积一定要留出余量，多多考虑机械及生产人员；
3. 以我的实例来给你建议，我在20年初也是设计光谱仪部分，当时我的老板和你老板一样，非常扣价格、性能和体积，但最终效果不好；  
原因是：3.1  光学设计，体积是非常重要的优化的一环，控制体积会让你设计非常难做；
             3.2 以我举例，我当时设计了一款折叠CT的光谱仪 ，老板死扣体积，我的光学体积做到了40mm*40mm，我基本上把线阵CMOS用完的同时体积做到了最小；
             但最终效果不好，不是因为光学的因素，而是因为产品经理； 由于光谱仪行业就很拉闸，很少有公司有产品经理这个岗位，光学模块设计的再小，因为最终排布的问题，电路板、光学模块、机械模块根本事先就没商定大概多大范围以内，所以我做再小也没用，最终空出了好大一块地方，反而是不好，如果体积能应用上光路能做到更好；
             我的建议是，如果实现没做整体产品的硬件分布，那就让产品经理先完成了这部分设计再搞你那部分。
            3.3 成本控制
            真正决定成本的是销量而不是你这里，你再能压缩也没办法靠量的模式那样把成本降低；     你可以看看你们公司的立项书及商业计划书，它里面写了大概年销售量，根据这个量来参考设计你的产品会让你的设计做得更好；
           而且，考虑机械加工成本和装调成本；  
           单独光学模块其实价格有限，控制成本应当控制全局，即整体硬件成本，而不是光把光路成本和体积压缩到极致，导致机械装调、加工、组装的时候心态崩了，反而导致成本上升

我觉得你未必有我当时扣成本厉害，我当时可是使用了很多骚操作，让现在的我来看是非常脑残的操作；      接收光路中二向色镜滤光片买大片来切割，崩边无所谓反正留有机械夹持距离，套个壳子一样用；   最后厂商不带我玩了， 总共就是几片样片或者是几百块的测试片，你一片切6小片组装，你让厂商赚个屁钱，谁带你玩吖；                                             这完全就是商业模式的问题，光谱仪作为竞争非常激烈的一个行业，尤其是作为民用低成本的小光谱仪，目前活路不多，赛道总共就是这么大；   很难养活不了供应商及你们的，那也别怪人家看不上这个行业，别的行业打件标准版都是一套10片左右，6W左右的加工费， 在光谱仪行业那里可能打个几版都要嘟嘟囔囔，就会是很直接的对比

zhlim93

要不考虑ebert-fastie 结构？那也是一个球面镜就够了，也是M型结构。其实也挺小的，

11294

zhlim93 发表于 2021-7-22 11:12
要不考虑ebert-fastie 结构？那也是一个球面镜就够了，也是M型结构。其实也挺小的，

文中我说的那个M型光路其实就是您说的ebert-fastie结构。目前我做的这个，可以勉强说是 Crossed CT结构了。
至于为什么我要坚持这个结构，当然是因为老板买了个这样的样机回来，让我做个一模一样的·········

wgw96

应该先光学设计，设计完之后，才开始布局设计。

wgw96

应该先光学设计，设计完之后，才开始布局设计。我怎么看你这是倒了呢！

11294

wgw96 发表于 2021-7-28 08:16
应该先光学设计，设计完之后，才开始布局设计。我怎么看你这是倒了呢！

是的，逆向工程。由于镜片数量并没有很多，所以做逆向还是有可行性的。

8194

11294 发表于 2021-7-28 12:44
是的，逆向工程。由于镜片数量并没有很多，所以做逆向还是有可行性的。

其实这位兄弟说的，我不敢苟同；

光谱仪设计对于光路部分设计有诸多选择，同一种光路都会有很多形态；

有时候未必需要把光学部分设计到极致，你用+1还是—1，你每个夹脚稍微改变一部分就可以有新的波峰波谷；

这包含着整体的设计在里面，我之所以觉得单独的先考虑光学模块再考虑整机模块不妥当的一点是：这种思想极大的忽视了产品经理的重要性以及把光学太捧了；

前期可以确定的电池模块、电路板大体体积、以及最终形态上客户需要的最终产品效果；
中期： 光路体积、散热、维修方案、装配过程、批量化成本；
后期：批量生产流程，体系；
这些都得考虑进去，这也就是光学大师和一般光学小弟的区别；

凭什么一个光学工程师可以在规划之前设计光路然后再规划产品体积和形态？

凭什么一个光学工程师在自己模块设计完成之后就可以说不改了，我的MTF我的分辨率就是最好的，哪怕其他模块出问题我也不是我光学的事情；

我不敢苟同说先设计光学，再考虑布局的方案；

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有的光谱仪在乎分辨率，有的光谱仪在乎体积，有的光谱仪在乎成本，有的光谱仪在乎整体性能，有的光谱仪考虑极致的批量化工艺；有的光谱仪可以限制波束，让其分辨率增大； 有的光谱仪就需要大波束，分辨率合适就行；  有的光谱仪为了极致的体积，我可以不用CMOS的一部分；

以上需求都是同一种光路吗?

是不是需要考虑清楚了再设计，是不是需要布局完善了再设计； 先手设计完,OK ，横向尺寸80Mm, 但手握90mm最佳， 那多出来的10mm是卡自己脖子呢？还是空放着呢？              设计出一款看似完美，实际畸形摆列的光谱仪，边边角角打算干嘛? 养金鱼？ 卖个光谱仪送两根华子放在边角方便测试的人边测边抽？

11294

今天是2021年八月二日，更新一下自己的进度。
首先很不幸运，由于微软在昨天为我更新了KB5003173补丁，我的CodeV 和Lighttools都不能用了（错误代码6，很多人也出现过）
焦头烂额地搞了半天，将系统的自动更新禁用掉，然后卸载了补丁。重新安装Code V，终于成功了。（在安装Multikey结束后，如果电脑提示了U盘插入的声音，这说明这次CodeV的安装会成功---个人臆测）

其次是这个光谱仪的进度。
1.狭缝后出射的光的角度--我猜测这个角度，也就是仿真中的物方NA，应该由衍射公式（sinΦ=λ/d）计算得出。可是翻阅贴吧前辈们的帖子，貌似并不是这么一回事，貌似是一个由实验得出的经验值。此次的波长区间为200~400nm，狭缝假设为25um，Φ≈sinΦ=0.016。私下请教了一位前辈，他说他设计的时候会设为0.08，是经验值。我个人也没有更好的意见，就按前辈的来吧。这个或许可以在Lighttools中去验证，有空可以做个仿真实验看看。

2.关于镜片的选用，由于都是标准件，可用的曲率较为受限。原先希望使用f=60mm的反射镜，但是可以发现它引入的像差（应该是彗差吧····）使得像面上的光斑很不理想。在X=0,Y=0这个视场下的仿真得到的光斑都远超1个像素宽度，像没头苍蝇一样优化Alpha、Y、厚度·······结果都不是很好。最后决定改用100mm的反射镜，效果好了很多，但还是不太能将单波长的光斑聚焦在一个pixel内······

3.从点列图上看，如果我的设计比较合理，三个波长（200、300、400nm）的光斑尺寸应该是差不多的，可能是我的像面角度还没有调教好，但是暂时也还想不到用哪个优化函数去调。而且以前看过某些zemax上的仿真，点列图上的光斑都是正正好好的正方形，不想我这般歪歪扭扭的·······

总之·····还得好好琢磨琢磨······

hf0707520sdo

11294 发表于 2021-8-2 23:50
今天是2021年八月二日，更新一下自己的进度。
首先很不幸运，由于微软在昨天为我更新了KB5003173补丁，我 ...

看不懂，你这个光谱仪入射光从哪里进去的