概要

多年來，人們一直使用傳統(tǒng)的 Czerny-Turner (CT) 設(shè)計色散光譜儀來測量光譜。 CT 設(shè)計中固有的光學像差可能會導(dǎo)致光譜分辨率差、信噪比 (SNR) 低且峰形扭曲。這些像差在焦平面邊緣變得更嚴重，導(dǎo)致一些研究人員放棄了傳感器的這些區(qū)域。采用Schmidt-Czerny-Turner (SCT) 設(shè)計的新型色散光譜儀大大減少了光學像差，使光譜具有更好的光譜分辨率、信噪比和峰形。該光譜儀在焦平面上的性能非常出色，因此研究人員現(xiàn)在可以使用整個CCD 傳感器獲取他們的數(shù)據(jù)。

介紹

幾十年來，色散光譜一直使用傳統(tǒng)的車爾尼-特納 (CT)光譜儀設(shè)計進行測量，如圖 1 所示。在 CT 設(shè)計中，光穿過入口狹縫，從準直鏡反射，被衍射光柵色散，然后帶入通過儀器焦平面上的聚焦鏡進行聚焦。

光學系統(tǒng)(例如攝譜儀)的注量定義為撞擊單位面積的光子數(shù)量，如下所示：

其中 Φ = 通量 N = 光子數(shù) A = 面積，通常以 cm 2或米2為單位測量

圖 1.傳統(tǒng) Czerny-Turner 攝譜儀的光學布局(未按比例)。

對于攝譜儀，該面積可以是電荷耦合器件 (CCD) 傳感器上照亮的像素數(shù)。高通量攝譜儀有許多光子撞擊很少的像素。這意味著光在 x 軸上的擴散程度較小，從而產(chǎn)生更窄的峰值和更高的光譜分辨率。這意味著每個像素的光子越多，峰值強度就會越大，從而使峰值的信噪比 (SNR) 增加，定義為：

其中 SNR = 信噪比 信號 = 峰值高度 噪聲 = 信號測量位置附近的基線噪聲水平

由于噪聲代表y 軸測量誤差，因此高 SNR 意味著信號的大小與噪聲的大小相比較大，這是優(yōu)選的。

CT 攝譜儀設(shè)計中固有的光學像差包括像散和慧差。場像散是由于使用透鏡或鏡子對離軸源進行成像而產(chǎn)生的，并導(dǎo)致圖像在水平和垂直方向上被拉長?；鄄钍怯捎谑褂苗R子對離軸光源進行成像而產(chǎn)生的，它為圖像添加了類似彗星的尾部，并導(dǎo)致光譜峰不對稱地展寬，如圖 2 所示。

場像散和彗形像差導(dǎo)致光子在大像素區(qū)域上擴散，從而降低了能量密度。結(jié)果是光沿 x 軸傳播，降低了光譜分辨率。此外，每像素光子數(shù)越少，峰值就會越短，信噪比也會降低。測量光譜時，優(yōu)選高通量光譜儀。

圖 2.在 CT 攝譜儀上測量的光譜峰，由于慧差而出現(xiàn)不對稱展寬。

Princeton Instruments 的新型色散光譜儀設(shè)計Schmidt-Czerny-Turner (SCT)或IsoPlane? SCT 320與傳統(tǒng)的 Czerny-Turner光譜儀相比，大大降低了光學像差水平。如下圖 3 所示，IsoPlane 的焦距為 320 mm，具有三位置軸光柵轉(zhuǎn)塔。使用連接到聚焦鏡的千分尺優(yōu)化相機對焦。

圖 3. Princeton Instruments IsoPlane SCT 320 Schmidt-Czerny-Turner 攝譜儀與 PIXIS 400 CCD 相機一起顯示。

得益于其光學設(shè)計，IsoPlane在整個焦平面上的所有波長上都具有零像散，并大大降低了慧差水平。因此，IsoPlane比傳統(tǒng) CT 攝譜儀具有更高的能量密度。下面討論使用這種高通量光譜儀測量光譜的優(yōu)點。

使用IsoPlane改進發(fā)射光譜

原子發(fā)射線具有較窄的自然帶寬，因此對光學像差異常敏感。使用 Czerny-Turner 和 Schmidt-Czerny-Turner 光譜儀測量的 435 nm Hg 發(fā)射線的光譜如圖 4 所示。

圖 4. 435 nm 汞原子發(fā)射線。紅色：用 300 mm 焦距，Czerny-Turner 攝譜儀測量。藍色：使用 320 mm 焦距，施密特-車爾尼-特納攝譜儀測量。 (兩個光譜均使用 1200 g/mm 光柵、10 微米狹縫寬度、焦平面中心一排和背照式 CCD)。

測量譜線時，守恒量是峰面積，這意味著寬峰必須短，窄峰必須高。這也意味著無論使用什么光譜儀進行測量，峰的面積都應(yīng)該相同。用CT光譜儀測量的435 nm Hg發(fā)射線的光譜如圖4中紅色所示。該峰很寬，其強度的32%位于翼部，因此光譜分辨率較差。

使用IsoPlane測量的同一譜線的光譜在圖 4 中以藍色顯示。IsoPlane峰很窄，只有5% 的峰強度位于機翼中，并且它具有比使用 CT 攝譜儀測量的峰更高的光譜分辨率。 IsoPlane峰值也是CT峰值的兩倍，這意味著IsoPlane頻譜具有更好的 SNR。這些改進是光學像差減少的結(jié)果，因此與 CT 攝譜儀相比，IsoPlane的通量更大。

另請注意圖 4 中的紅色部分，汞發(fā)射線由于慧差而不對稱加寬。通過大大減少彗差，藍色的IsoPlane 峰是對稱的。在色散光譜中，需要在信噪比和分辨率之間進行權(quán)衡。必須使用窄縫來實現(xiàn)高光譜分辨率，但它們不能通過太多的光。通過消除像散和減少慧差，如圖 4 所示，IsoPlane通過提供具有改進的光譜分辨率和改進的信噪比的光譜克服了這種權(quán)衡。

使用IsoPlane改進拉曼光譜

IsoPlane拉曼光譜的優(yōu)點在圖 5 中清晰可見，該圖顯示了用 CT 光譜儀測量的液體環(huán)己烷的 802 cm -1拉曼峰與 IsoPlane 測量的比較。

圖 5.紅色：使用 Czerny-Turner 光譜儀測量的液體環(huán)己烷 802 cm-1 波段的拉曼光譜。藍色：使用IsoPlane 測量的相同峰值。(532 nm 激發(fā)，玻璃管中的樣品，180° 反向散射，背照式 CCD，1200 槽/毫米光柵，全垂直分檔)。

用CT光譜儀測定的紅色峰的半峰全寬(FWHM)為9.16cm -1。使用IsoPlane測量的相同藍色峰的FWHM 為 4.95 cm -1，幾乎是使用 CT 攝譜儀測量的峰窄的兩倍。這意味著IsoPlane可以比 CT 攝譜儀以更高的光譜分辨率測量拉曼光譜。

使用IsoPlane測量的光譜峰高高于使用 CT 攝譜儀測量的光譜峰高，這意味著IsoPlane提供的拉曼光譜具有更高的信噪比。同樣，通過減少光學像差并增加通量，IsoPlane提供的光譜具有更高的光譜分辨率和信噪比。

減少光學像差的另一個優(yōu)點是能夠解析靠近的光譜特征。 IsoPlane能夠從拉曼光譜中梳理出以前未見過的峰，如圖 6 所示。

圖6中箭頭所示的峰是環(huán)己烷的1465cm -1 拉曼峰。紅色光譜是用CT光譜儀測量的。請注意這個峰值是如何勉強解決的。使用IsoPlane測量的同一峰的光譜在圖 6 中以藍色繪制。在此光譜中，1465 cm -1峰清晰可見。這是由于IsoPlane具有更好的光譜分辨率，并且是提高分辨率如何增加光譜信息內(nèi)容的示例，使研究人員能夠從數(shù)據(jù)中了解更多信息。

來自焦平面所有部分的質(zhì)量數(shù)據(jù)

傳統(tǒng) CT 設(shè)計中固有的光學像差在焦平面中心較小，向邊緣逐漸變大。這會導(dǎo)致傳感器頂部、底部、左側(cè)和右側(cè)部分的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。這可以從表1中看出，其中列出了使用CT和SCT攝譜儀在CCD焦平面上的不同點處測量的液體環(huán)己烷的802cm -1拉曼譜帶的FWHM 。

表 1.使用不同的光譜儀在 CCD 焦平面的不同位置測量的 802 cm-1 液體環(huán)己烷拉曼峰的波數(shù) FWHM 。(數(shù)據(jù)由西北大學 Sam Kleinman 博士提供)

請注意，在整個傳感器上，IsoPlane的光譜分辨率優(yōu)于 CT 攝譜儀，因為IsoPlane的光學像差在焦平面的所有點上都很小，而不僅僅是像 CT 攝譜儀那樣在中心。這些數(shù)據(jù)表明，用戶可以信任通過在 CCD 傳感器的左邊緣、右邊緣和中心測量的IsoPlane獲得的數(shù)據(jù)。

結(jié)論

本文中的數(shù)據(jù)表明，通過減少光學像差和增加注量，與 Czerny-Turner 光譜儀相比，IsoPlane提供的光譜具有更好的光譜分辨率和信噪比。更高的光譜分辨率意味著使用IsoPlane可以清楚地看到靠得太近而無法通過 CT 攝譜儀分辨的峰。

與 CT 攝譜儀不同，像差會降低遠離焦平面中心測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量，而IsoPlane在整個焦平面上的光學像差可以忽略不計，使研究人員能夠信任傳感器上任何位置測量的數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇