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微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

發(fā)布時(shí)間:2019/09/12 點(diǎn)擊量:

  摘要:光纖光譜儀自從上個(gè)世紀(jì)末被發(fā)明以來,其應(yīng)用越來越廣泛。交叉式切尼-特納(Czerny-Turner,簡稱C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路),是光纖光譜儀中最常見的兩種分光光路,本文將詳細(xì)介紹交叉C-T光路和M型光路的基礎(chǔ)原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn),交叉C-T光路結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度較高,而M型光路分辨率較高、雜散光性能更優(yōu)。

  常見的微型光譜儀一般是基于光柵分光,光譜儀的光學(xué)光路系統(tǒng)主要分為反射式和透射式系統(tǒng),透射式系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積較小并且光強(qiáng)較強(qiáng),但在遠(yuǎn)紅外到遠(yuǎn)紫外的光譜范圍內(nèi)缺少制造透鏡所需要的材料,會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的光譜曲線不準(zhǔn),因此現(xiàn)代微型光譜儀很少采用這種結(jié)構(gòu);反射式系統(tǒng)適用的光譜范圍較廣,雖然相比透射式系統(tǒng)光強(qiáng)較弱,但反射鏡不產(chǎn)生色差,利于獲得平直的譜面,成像鏡選用反射鏡能夠保證探測(cè)器系統(tǒng)接收光譜的質(zhì)量。所以市面上主要以反射式光路的光譜儀為主。

  反射式光路中,目前光纖光譜儀市場(chǎng),比較普遍采用的光路結(jié)構(gòu)形式分為:基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)(非交叉式)和交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)。基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)因其形狀酷似字母“M”,因此也常被稱為M型光路結(jié)構(gòu),這便是M型光路的由來。

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

  圖 1基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu),光路看上去像字母“M”,所以也稱為M型光路。
M型光路看上去也像阿拉伯?dāng)?shù)字“3”,因此奧譜天成M型光路光譜儀的名稱均帶有3(第三位數(shù)為3),
如ATP5030、ATP5034、ATP3030、ATP3034

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

  圖 2 交叉式C-T光路結(jié)構(gòu)示意圖

  光譜儀光路的光學(xué)性能,主要受數(shù)值孔徑、球差、像散、慧差,及各種像差的綜合性影響,從而決定了系統(tǒng)的光學(xué)靈敏度、雜散光和光學(xué)分辨率。

  常見光譜儀采用球面反射鏡,球差是必然存在的,球面鏡無法使系統(tǒng)中各球差項(xiàng)相消,交叉式和M型光路都只能校準(zhǔn)到一定的水平,球差是一種累加的方式。M型光譜儀可通過控制相對(duì)孔徑來使球差小于像差容限,從而滿足分辨率的要求,在設(shè)計(jì)中有選擇的縮小M型光路的數(shù)值孔徑可以比較明顯的提高分辨率。如果想更進(jìn)一步的消除球差影響,那么可以采用拋物面或者自由曲面的方式來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),但是成本昂貴,加工難度大,所以目前并沒有被市場(chǎng)接受。

  交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)的慧差相對(duì)于M型光路來說有個(gè)相對(duì)突出的特點(diǎn)是,慧差可以被校準(zhǔn)到一個(gè)比較理想的數(shù)值,并且得到的光譜斑點(diǎn)較為規(guī)整。具體體現(xiàn)在對(duì)交叉式結(jié)構(gòu)分辨率的提升上。

  M型光路在像散優(yōu)化中具有明顯的天然優(yōu)勢(shì),可將像散校正到一個(gè)很低的水平。相反的交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路在像散的校準(zhǔn)方面比較弱,使得該光路的光譜分辨率較低。

  M型光路由于是一種相對(duì)對(duì)稱的光學(xué)結(jié)構(gòu),雜散光會(huì)略微好于交叉對(duì)稱型光路,但這并不會(huì)直接體現(xiàn)在兩種系統(tǒng)的雜散光最終指標(biāo)上。雜散光的抑制主要還是通過外部光學(xué)陷阱,內(nèi)部采用吸光材質(zhì)或者增加粗糙度來提高對(duì)漫反射光的吸收,最終達(dá)到消除雜散光效果。

  交叉式切尼-特納光路是由M型光路發(fā)展而來,我們通常認(rèn)為交叉式光路是一種折疊式的光路,所謂折疊式就是在整體的結(jié)構(gòu)尺寸和空間利用上有必然的優(yōu)勢(shì),結(jié)構(gòu)更緊湊合理。M型光路則是一種展開式光路,在整體的尺寸和空間利用上不及交叉式切尼-特納光路。因交叉式光路最為緊湊,所以在微型光譜儀中通常采用的是就是這種交叉式光路。而針對(duì)于分辨率要求比較高的場(chǎng)合則更多的采用M型光路。

  分辨率是光譜儀最重要的指標(biāo)之一,從像差優(yōu)化設(shè)計(jì)來看,M型光路像差優(yōu)化效果更好,使得M型光路擁有更佳的分辨率,主要被用于高分辨率光譜儀中。而交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路則用于中低分辨率光譜儀中。

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的對(duì)比

  奧譜天成的光譜儀系列產(chǎn)品齊全,依據(jù)M型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點(diǎn)和客戶需求,設(shè)計(jì)了多款相應(yīng)的儀器,各自均對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域:

  l ATP2000、ATP5020、ATP3040、ATP5040采用了交叉型CT光路,重點(diǎn)突出結(jié)構(gòu)的緊湊性和高靈敏度;

  l ATP3030、ATP5030、ATP3034、ATP5034采用M型光路,重點(diǎn)突出高分辨率和低雜散光

  狹縫50μm,光譜儀范圍200-1000nm兩者的分辨率對(duì)比。圖3可觀察到,M型光路整段分辨率表現(xiàn)為中間最好,兩邊逐漸變差;交叉型光路往長波方向分辨率逐漸變好。這部分的差異主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)優(yōu)化中,可從設(shè)計(jì)中去調(diào)整不同的分辨率走勢(shì)來達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖4中可看出,在520nm處兩種不同光路的點(diǎn)列圖情況,M型光路的RMS半徑值為11 μm,交叉型CT光路的RMS半徑值為98 μm。M型光路實(shí)際測(cè)試FWHM=1.3nm,交叉型光路實(shí)際測(cè)試FWHM=2.5nm。M型光譜儀分辨率明顯好于交叉型光譜儀。在實(shí)際的使用和光譜儀選擇中,客戶可根據(jù)分辨率、雜散光、靈敏度、體積等幾個(gè)指標(biāo)有針對(duì)性的挑選相應(yīng)的光譜儀,從而使得儀器與使用需求完美匹配。

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

圖 3 奧譜天成生成的ATP2000和ATP3030
微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析
微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

圖 4 兩種光路結(jié)構(gòu)的分辨率RMS spot radius對(duì)比,200-1000nm波長范圍,從圖中可以看出,
交叉C-T型光路的光斑尺寸為75 μm,而M型光路的光斑尺寸僅為3.5 μm,M型光路的分辨率優(yōu)于交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(該光路應(yīng)用于ATP2000); (b)M型光路(該光路應(yīng)用于ATP3030)

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析
微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

  圖 5 200-1000nm光譜范圍,兩種光路結(jié)構(gòu)在520nm處的分辨率對(duì)比,交叉C-T型光路為98.9 μm,M型光路為11 μm,可知M型光路的分辨率明顯優(yōu)于交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

表 2 奧譜天成采用M型光路的光纖光譜儀和采用交叉C-T光路的光纖光譜儀,型號(hào)的第三位數(shù)字為3的均為M型光路;型號(hào)首位數(shù)字為5、6的,探測(cè)器具有制冷。

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析

  圖 6 奧譜天成的光纖光譜儀產(chǎn)品集

微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對(duì)比分析
光纖光譜儀產(chǎn)品集合

 

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