Part 4: 光学平台

Part 4: 光学平台


概述

B & W Tek, Inc. 的光谱仪产品采用了以下三种光学平台,分别如图2-1,2-2,2-3.

 

交叉式柴尔尼-特纳结构(Crossed Czerny-Turner, CZ)

光学平台基于交叉式柴尔尼-特纳结构(Crossed Czerny-Turner, CZ),其包括了2个凹面镜和1个平面衍射光栅。凹面镜1用来对从入射狭缝射入的光进行准直,而凹面镜2用来使被光栅色散的光聚焦到检测器平面上。柴尔尼-特纳结构的优点在于其可提供紧凑的灵活的摄谱仪设计,当衍射光栅的角色散值和检测器的感光长度和分辨率给定时,通过设计两个凹面镜的聚焦长度就可以得到不同的线色散值,从而确定系统的光谱覆盖范围。而通过对此系统的光学结构进行优化,可以使柴尔尼-特纳摄谱仪提供更平直的光谱场和更好的彗差矫正。而当采用非球面镜(如轮胎镜) 来替代球面镜时,柴尔尼-特纳结构还可以在一定程度上对球差和像散进行矫正。

Figure 4-1 Crossed Czerny-Turner Spectrograph

 
然而由于其离轴的光学结构,柴尔尼-特纳光学平台存在较大的像差,这将使得入射狭缝的像宽扩大几十个微米。因此柴尔尼-特纳光学平台主要应用于低或中等分辨率的光谱仪上。为了使得像差最小化,柴尔尼-特纳光学平台的f值*一般都设计为>3,这将使得其光通率受到限制。
*注:一个光学平台的f值表征着光学平台的入射孔径直径与其有效焦距之间的关系。f值定义为:f/#=f/D,其中f为其焦距,D为直径。f 值用来表示光学平台的光收集能力。f值与另一个重要的光学概念:数字孔径(NA)之间的关系为:f/# =1/(2×NA)。一个光学系统的数字孔径是一个无量纲的数字,它表示了这个系统能够接受或发射光的角度范围,其值等于该系统接受或发射光的最大角度的正弦值。

Unfolded Czerny-Turner Spectrograph


Figure 4-2 Unfolded Czerny-Turner Spectrograph

Unfolded Czerny-Turner 光路光谱仪是专为紫外检测应用而优化的光谱仪,具有UV波段低杂散光的特点。

的全息凹面光栅平台Concave Holographic:

在该平台中,凹面光栅同时用来做色散和聚焦部件。因此使得光学部件的数量减少,从而增加了摄谱仪的光通率和效率,使得摄谱仪的光通率更高,同时也更牢固。而全息光栅技术可在一个波长上,对存在于采用球面镜结构的光谱仪中的全部像差进行矫正,同时在较宽的光谱范围内减少像差。与常规光栅相比,全息光栅*最高可将杂散光降低10倍,这将有助于最小化杂散光产生的干扰。

Figure 4-3 Concave-Holographic Spectrograph

 规光栅 vs. 全息光栅: 常规的衍射光栅是通过一个划线机用金刚石尖头来将刻线刻入光栅基底(一般为涂有薄的反射层的玻璃)上的涂层上。而全息光栅是用照相平版印刷技术来形成一个全息干涉图案从而获得。常规的衍射光栅由于其加工过程的特性,因此不可能完全没有缺陷,常见的缺陷有周期性误差,空间误差和表面的不规则等。所有这些因素都会增加杂散光与鬼影(由周期性误差引起的伪光谱线)。而用于生产全息衍射光栅的光学技术则不会产生周期性误差,空间误差或表面的不规则。这意味着全息光栅可以显著的降低杂散光(与常规光栅相比,一般可降低5-10倍),并且无鬼影的出现。常规光栅一般被选用于使用低线数密度的场合,如少于600线/mm。当需要更高线数密度,和/或需要凹面光栅时,全息光栅是更好的选择。