在色彩测量领域，光栅分光技术正推动着分光测色仪的精度革命。本文将从光学物理本质出发，解析光栅分光的核心技术原理，对比不同类型光栅的性能差异。

光栅分光的物理本质

（1）衍射光学基础

光栅分光基于夫琅禾费衍射理论，当复色光入射到具有周期性微观结构的光栅表面时，遵循基本方程：

mλ = d(sinθ₁ + sinθ₂)

其中：

m：衍射级次（通常取+1级）

λ：光的波长（nm）

d：光栅刻线间距（商业光栅通常1200-1800线/mm）

θ₁：入射角（°）

θ₂：衍射角（°）

（2）关键技术参数

色散率：Δθ/Δλ ≈ 0.1°/nm（1800线/mm光栅）

分辨率：R=λ/Δλ ≈ 15000（高端光栅）

闪耀特性：通过锯齿状槽形将70%能量集中到工作级次

光栅分光系统架构

（1）核心光学组件

入射系统：

光纤耦合器（芯径200-600μm）

狭缝宽度可调（10-100μm）

准直系统：

离轴抛物面镜（焦距80mm，f/2.4）

波前误差＜λ/8

分光系统：

平面闪耀光栅（尺寸30×40mm）

安装角度自动校准

探测系统：

线性CCD阵列（2048像素）

16bit ADC转换

（2）信号处理流程

光电转换：CCD输出电荷信号

模数转换：16bit@100kHz采样率

暗电流补偿：-40℃制冷CCD

光谱重建：最小二乘法拟合

色彩计算：CIE标准观察者加权

技术演进路线

（1）第一代：机械刻划光栅

特点：钻石刀具刻划铝膜

局限：

存在鬼线（Ghost Lines）

刻划效率低（1光栅/8小时）

代表设备：X-Rite 938（1990年代）

（2）第二代：全息记录光栅

突破点：

激光干涉制程

无鬼线缺陷

参数提升：

刻线密度提升至2400线/mm

衍射效率提高30%

典型应用：麻豆AV在线时TS8200系列

（3）第三代：体全息光栅（VHG）

核心技术：

光敏聚合物记录

三维衍射结构

优势：

分辨率达0.02nm

温度稳定性提升10倍

最新进展：麻豆AV在线时CX-10实验室级设备

工业应用突破

（1）纺织行业荧光检测

技术难点：

激发光谱（340-400nm）与发射光谱（420-460nm）分离

光栅解决方案：

双光栅切换系统

紫外区信噪比＞200:1

（2）汽车金属漆测量

多角度测量要求：

15°：分辨率1nm

45°：动态范围＞1000:1

75°：信噪比＞500:1

（3）印刷行业专色匹配

同色异谱检测：

光谱匹配度算法

MI指数＜0.8

5. 技术前沿发展

（1）智能光栅系统

动态波长校准：

内置汞灯参考谱线（435.8nm）

实时闭环反馈

自清洁技术：

纳米疏油涂层

接触角＞110°

（2）计算光学突破

计算光谱重建：

压缩感知算法

128像素重建512点光谱

深度学习应用：

光谱库智能匹配

预测精度提升40%

（3）微型化趋势

MEMS光栅：

尺寸3×3mm

功耗＜100mW

手机集成方案：

光谱范围400-700nm

成本降至$50以下