光谱仪、单色仪和摄谱仪

光谱仪将入射复合光分离成不同波长的光谱成分，同时测量物质在宽光谱范围内发射光的强度。入射光可以被样品透过、吸收或反射，广泛用于材料的光谱分析。

单色仪可以产生极窄带宽的光束或单色光，可用于需要产生可调单色光的光学测量仪器。

摄谱仪将来自样品的复合光分离成不同波长光谱成分，以便对其进行记录和分析。通过摄谱仪可以得到所设置的带宽和波长的图像。摄谱仪可以耦合一些部件如电子检测器，用于记录光谱并进行分析。

在光源的所有波长上，单色仪和摄谱仪系统在出口平面上形成入口狭缝的像。实现这一功能有很多种配置设计，在这里仅仅讨论最常见包含平面光栅系统(PGS)和像差修正全息光栅(ACHG)系统

定义：
L_A-入射臂的长度

L_B-出射臂的长度

h-入射狭缝的高度

h'-入射狭缝的像高度

α-入射角

β-衍射角

w-入射狭缝的宽度

w'-入射狭缝的像宽度

D_g-圆形光栅的半径

W_g-矩形光栅的宽度

H_g-矩形光栅的高度

Fastie-Ebert型仪器主要由一片面积很大的球面反射镜和一片衍射光栅组成(参看图9)。

首先，反射镜的一部分收集并准直将要入射到平面光栅上的光。然后，反射镜的另一部分将衍射分光后的光线聚焦并使之在出射平面上成入口狭缝的像。

Czerny-Turner(CZ)型单色仪由两片凹面反射镜和一片平面衍射光栅组成(参看图10)。

虽然这两片反射镜各自的功能与Fastie-Ebert型配置中的单片球面反射镜的功能相同，如首先准直入射光线(反射镜1)，然后聚焦从光栅反射的色散分离光线(反射镜2)，但是Czerny-Turner型配置中反射镜的尺寸却可以根据需要改变。

采用非对称几何学，Czerny-Turner型配置能够设计实现平面光谱面以及在特定波长上良好的彗差修正。但球面偏差和散光偏差在所有波长上依然存在。

采用CZ配置能设计出容纳较大光学器件的系统。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像到出射狭缝。通过电脑控制光栅扫描可精确地改变出射波长。

CZ型单色仪(Monochromator)：通过狭缝只输出波长范围极窄单色光的光谱仪。

CZ型摄谱仪：与单色仪不同，摄谱仪出口处不是接狭缝输出单色光，而是接阵列探测器如CCD，能够在一次拍摄就记录多个波长的信息。

PGS摄谱仪存在某些偏差，降低了光谱分辨率、空间分辨率以及信噪比等指标。最突出的偏差有散光偏差、彗差、球面偏差以及散焦(defocusing)。PGS仪器常常离轴使用，因此在每个平面上的偏差都有所不同。本书并不会详细回顾这些偏差的概念和细节¹，但是在考虑这些偏差产生的效应时，理解光路差(OPD)的概念是很有帮助的。

本质上，光路差(OPD)是实际产生的波前和没有偏差的条件下应该得到的“参考波前”之间的差别。这一参考波前是以像为中心的球面或者成像在无穷远处时的平面。

比如：

1. 散焦是指光线在探测器表面外的另一个平面上聚焦，从而造成不清晰成像，降低了光谱带宽、空间分辨率和光信号的信噪比等参数。最常见的一个实例就是球面波前入射到图2.2中的反射镜M1上。当PGS单色仪采用一套单出口狭缝和一支光电倍增管(PMT)探测器时，散焦不会造成影响。然而，未修正的PGS仪器其聚焦面为曲面，从而采用平面线性二极管阵列时在探测器的两端会受到散焦的影响。如图2.2所示的几何修正CZ配置几乎消除了这一问题。散焦带来的OPD随数值孔径的平方改变。

彗差是PGS仪器的离轴特性导致的结果，如图13所示，由于光线在色散平面上扭曲从而表现为谱线的扩张变形。彗差是造成光学带宽和光信号信噪比这些参数降低的原因。彗差带来的OPD随数值孔径的立方变化。在CZ配置中，可以通过计算一个合适的几何尺寸从而在波长上修正彗差的影响。

球面偏差是指非光学平面中心出射的光线聚焦在光学平面中心出射光线的焦点上这一情况(参看图14)。球面偏差导致的OPD随数值孔径的4次方变化，而且不使用非球面光学是无法修正的。

散光偏差是离轴几何的特性。在这种情况下，平面波以一定的入射角照射在球面反射镜上(如图10中的反射镜M2)，这时反射镜出现两个焦点：切面(tangential)焦点Ft和矢面(sagittal)焦点Fs。

散光偏差带来的效应是入口狭缝处的点光源在出口处成垂直于色散平面的线型像(参看图15)，从而阻止了空间分辨率的提高并且由于狭缝高度的增加而降低了光信号的信噪比。

散光偏差导致的OPD随数值孔径的平方和离轴角度的平方变化，并且不使用非球面光学是无法修正的。

超环面镜的切面和矢面的曲率半径是经过优化的，正切方向优化分辨率，弧矢方向优化成像，可以对像散进行校正，优化了探测器边缘的光谱成像和空间分辨率，有效纠正成像时产生的散光。

全息光栅的最新进展使得球面反射镜CZ型光谱仪中特定波长上的所有偏差能够被完全修正，并且在一个较宽的波长范围内能够最大程度地缓解偏差的影响。

这一类型的单色仪和摄谱仪都仅仅使用一单片全息光栅，而没有其他辅助光路。

在这一类仪器中，光栅不仅分离不同波长的光，而且对入射光进行聚焦。

由于设计中仅仅采用了一个光学元件，这类仪器造价低廉而且外形紧凑。图18给出了ACHG单色仪的结构，而图19给出了ACHG摄谱仪的结构。其中，焦平面的位置由下列参数来决定：

β_H：垂直光谱面方向和光栅法线方向的夹角。

L_H：从光栅中心到光谱面的垂直距离。

由方程（2）得到，
D_v=β-α（为常数）
根据此方程和方程（3）， 

*使用等式 (19) 和 ( 2 ) 分别确定 α 和 β。参见表 3中的实例。

提示：实际中，可实现的最大波长受光栅的机械旋转范围决定。这意味着光栅的刻线密度增加一倍时，相应的光谱仪光谱范围减小一半。