常見的微型光譜儀一般是基于光柵分光,光譜儀的光學光路系統主要分為反射式和透射式系統,透射式系統光學系統體積較小并且光強較強,但在遠紅外到遠紫外的光譜范圍內缺少制造透鏡所需要的材料,會導致測得的光譜曲線不準,因此現代微型光譜儀很少采用這種結構;反射式系統適用的光譜范圍較廣,雖然相比透射式系統光強較弱,但反射鏡不產生色差,利于獲得平直的譜面,成像鏡選用反射鏡能夠保證探測器系統接收光譜的質量。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,比較普遍采用的光路結構形式分為:基本型切尼-特納(czerny-turner)光路結構(非交叉式)和交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路結構。基本型切尼-特納(czerny-turner)光路結構因其形狀酷似字母“m”,因此也常被稱為m型光路結構,這便是m型光路的由來。
光譜儀光路的光學性能,主要受數值孔徑、球差、像散、慧差,及各種像差的綜合性影響,從而決定了系統的光學靈敏度、雜散光和光學分辨率。
常見光譜儀采用球面反射鏡,球差是必然存在的,球面鏡無法使系統中各球差項相消,交叉式和m型光路都只能校準到一定的水平,球差是一種累加的方式。m型光譜儀可通過控制相對孔徑來使球差小于像差容限,從而滿足分辨率的要求,在設計中有選擇的縮小m型光路的數值孔徑可以比較明顯的提高分辨率。如果想更進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行優化設計,但是成本昂貴,加工難度大,所以目前并沒有被市場接受。
交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路結構的慧差相對于m型光路來說有個相對突出的特點是,慧差可以被校準到一個比較理想的數值,并且得到的光譜斑點較為規整。具體體現在對交叉式結構分辨率的提升上。
m型光路在像散優化中具有明顯的天然優勢,可將像散校正到一個很低的水平。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對稱的光學結構,雜散光會略微好于交叉對稱型光路,但這并不會直接體現在兩種系統的雜散光最終指標上。雜散光的抑制主要還是通過外部光學陷阱,內部采用吸光材質或者增加粗糙度來提高對漫反射光的吸收,最終達到消除雜散光效果。
交叉式切尼-特納光路是由m型光路發展而來,我們通常認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構尺寸和空間利用上有必然的優勢,結構更緊湊合理。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。而針對于分辨率要求比較高的場合則更多的采用m型光路。
分辨率是光譜儀最重要的指標之一,從像差優化設計來看,m型光路像差優化效果更好,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。
奧譜天成的光譜儀系列產品齊全,依據m型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點和客戶需求,設計了多款相應的儀器,各自均對應不同的應用領域:
l atp2000、atp5020、atp3040、atp5040采用了交叉型ct光路,重點突出結構的緊湊性和高靈敏度;
l atp3030、atp5030、atp3034、atp5034采用m型光路,重點突出高分辨率和低雜散光。
狹縫50μm,光譜儀范圍200-1000nm兩者的分辨率對比。圖3可觀察到,m型光路整段分辨率表現為中間最好,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在設計優化中,可從設計中去調整不同的分辨率走勢來達到設計的要求。圖4中可看出,在520nm處兩種不同光路的點列圖情況,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型光路實際測試fwhm=1.3nm,交叉型光路實際測試fwhm=2.5nm。m型光譜儀分辨率明顯好于交叉型光譜儀。在實際的使用和光譜儀選擇中,客戶可根據分辨率、雜散光、靈敏度、體積等幾個指標有針對性的挑選相應的光譜儀,從而使得儀器與使用需求完美匹配。