6.1 入口光学的选择

        在以下实例中使用透镜时,应当优先选择前表面凹面并针对特殊波段镀膜的类型。比如铝镀膜从170nm到近红外都是高反射率反射的,而玻璃的透射效率却在400nm以下快速下降。“消色差双合透镜”常常用吸收紫外线的树脂粘合,而且它们的抗反镀膜对波长小于425nm的紫外光常常失效(这是由于这些透镜常常用在摄影场合,因此是紫外敏感的)。

        如果必须在蓝光到紫外波段使用透镜,那么选择未镀膜的石英单透镜或者空气隙双合透镜。

 

                                                                  图6.1  典型单色仪系统

        AS - 开口阻挡

        L1 - 透镜1

        M1 - 反射镜1

        M2 - 反射镜2

        G1 - 光栅1

        p  - 到透镜L1的物距

        q  - 到透镜L1的像距

        F  - 透镜L1的焦距

        d  - 透镜的光开口 (如图中的L1)

 

        上图中给出一套典型的单色仪系统,配备固定出口狭缝和探测器。然而,以下所有的分析和结论都同样适用于摄谱仪的情形。

 

6.1.1 基础公式的回顾

        薄透镜方程:

 (3-16)

        放大倍数(m)

 (2-14)

        简单起见,以光学元件的直径或者其开口阻挡(AS)(假设它非常靠近光学元件)来计算f数。因此,式(2-4)(2-5)简化为:

f/valuein = p/d      物的f数(6-1)

f/valueout = q/d   像的f数 (6-2)

6.2 建立单色仪系统的光轴

6.2.1 所需物品

  • HeNe激光器

  • 用作系统优化所需的透镜、反射镜和其他光学元件(参看第3章)
  • 与台面高度固定的三个针孔
  • 用于以上所有元件的准确位置调节设备
  • 光学平台、导轨和夹具

6.2.2 步骤

        将以上物品组合搭建,使得激光光束作为准直光轴首先通过两个针孔,然后通过单色仪并通过第三个针孔。

        其他光学元件和光源将放置在由针孔和激光光束定义的这条光轴上。调整针孔的位置使得透镜等其他物品能够放置进来而不影响针孔。

        提示:光路反向回循有时候也可被采用,即激光光束首先通过出口狭缝,其次经过所有的其他光学元件,到达光源处。

        元件的对准是一个反复的过程。其目的是使得激光光束通过每个狭缝的中心并且通过每个光学元件的中心。可按照以下步骤来进行:

        如果单色仪是正弦步进电机驱动,那么设置单色仪工作在零阶状态。

  1. 调整使得激光光束通过入口狭缝的中心。
  2. 调整使得光束通过第一个光学元件的中心。
  3. 调整使得光束通过下一个光学元件的中心,直到出口狭缝。
  4. 如果激光光束并没有通过光栅之后的光学元件的中心,那么可以通过旋转光栅来调整。许多光谱仪的零阶状态并没有准确校准,因此,可以施加适当的偏移量。

6.3 光信号进入光谱仪

        如果光谱仪的入口狭缝前放置有聚焦的样品或者校准灯这些光源,接下来:

  • 保证第一个主动光学元件被均匀照射(平面反射镜是被动元件)。
  • 在入口狭缝和第一个主动光学元件(在CZ型单色仪中是准直反射镜,而像差校正凹面光栅光谱仪中是光栅本身)之间放置一个白屏。

        检查“像”,保证白屏上被照射的区域均匀统一。否则,需要调整入口光学元件。

6.4 入口光学实例

        大多数商用光谱仪工作在f/3f/15之间,以下所有计算假设f数为f/6,但是以下图表和计算对其他f数也适用。

        以下实例中,采用的透镜是单片薄透镜,焦距100mm(对应物体在无穷远处),直径60mm。

        入口光学的ff/valueout必须等于单色仪的ff/valuein

        如有必要,可以加入开口阻挡来调节入口光学的直径。

        请记住计算开口阻挡的直径时,使得它稍小于光谱仪光学元件的要求,来抑制光谱仪内部杂散反射。

 

6.4.1 与小光源匹配的光学开口

 

        实例1 (参看图6.2)

        发射光源的宽度小于一定光谱带宽下的入口狭缝宽度。

 

                                                                         图6.2  小光源情况

        1. 根据光谱带宽要求计算入口狭缝宽度(根据式(3-9))。在这个实例中,狭缝宽度为0.25mm。

        2. 光源:光纤,芯径0.05mm,数值孔径NA0.25

        3. 光源光束的f数为f/2(数值孔径NA=0.25),而光谱仪f数为f/6

        4. 与光谱仪系统相匹配的光纤像的大小(由入口狭缝宽度决定)=0.25mm

        5.计算与入口狭缝匹配时的放大倍数。m=像大小/物大小=0.25/0.05=5.0。因此,q/p=5q=5p

        6.代入到透镜方程(3-16)中得到p = 120mmq =600mm

        7.下一步计算d,光束以f/2被收集并以f/6投射到光栅上且恰好充满整片光栅。

        因此,p/d = 2d = 120/2 = 60mm

        进一步,开口阻挡的直径=透镜L1的整个直径。

        光束透射的f数=q/d=10

        换言之,即使对于f/2的光束,单色仪的光栅面积,也会因为投射角为f/10而大于光束大小。但是,所有的光均已被收集,无法再做进一步的改进。

        实例2

        然而,如果光纤的出射光束f数为f/1,采用相同焦距但是直径更大(120mm)的透镜将进一步改善光的收集情况。这样,透镜输出光束的f数为:

600/120 = f/5

        由于这一数值超过光谱仪的ff/6,因此系统光收集需要透镜的直径为:

d = q/(f/value) = 600/6 = 100 mm

        这里,调整光束的光展量使得它与光谱仪有限的f数相匹配。

        因此,透镜对光的收集其f数为:

f/valuein = p/d = 120/100 = 1.2

        由于光展量正比于(f) -1的平方,因此,当f数为f/1.2时大约收集有70%的信号(参看第3章)。

        如果用户仅仅简单地将光纤放置在入口狭缝处而不利用任何入口光学元件,那么只有3%左右的信号进入光谱仪(在这种情况下,光束的收集f数为光谱仪的f/6,而非与入口光学光展量所匹配的f/1.2)。

6.4.2 与宽光源匹配的光纤开口

                                                                      图6.3  宽光源的情况

        光源的宽度等于甚至大于入口狭缝宽度(参看图6.3)。

        入口光学输出光束的fout必须等于单色仪的fin

        物距必须等于像距(放大倍数,m,等于1)。

        开口阻挡用来使入口光学和单色仪的光展量相匹配。

        由于光源大于狭缝宽度,因此单色仪的光展量是限制光收集的因素。

        这个实例中,放大倍数为1

1.还是选择透镜L1。因此,有F = 100mmp = 200mmq =200mm(2F)

2.单色仪的f=q/d = p/d = 6

3.然后得到,d = q/(f) = 200/6 = 33.3

        因此,设定开口阻挡=33.33mm时,可保证与光栅大小的恰好匹配。

6.4.3 光源的缩小成像

        在这种情况中,光源的f数数值上大于光谱仪的f数。常常出现的情况时望远镜的出射光束f数为f/30,而探测的光谱仪其f数却只有f/6。在这种情形下,光展量匹配通过对光源的缩小成像来实现(参看图6.4)。

                                                               图6.4  光源缩小成像的实例

      1. 首先根据光谱带宽要求计算入口狭缝宽度(根据式(2-21))。比如说,假定1.0mm=像大小=入口狭缝宽度。

      2. 望远镜投射出大小为5mm的像,这个像对光谱仪而言即为待测物。

m = 1/5 = 0.2,

        然后根据式(3-16)。取焦距为100mm(已知)的透镜L1

p = 600 mm, q = 120 mm.

        在已知单色仪f数为6的情况下计算d

q/d = 6, d = 120/6 = 20 mm.

        开口阻挡的大小为20mm。

        光束以望远镜投射像的大小或者说f/30被收集,即使这个f数数值更大。

 

6.5 场透镜的使用

        目前为止本章还未提到场透镜的使用。当光源为宽光源时,通常要求在光学元件序列中,一个开口在下一个开口处的成像要稍小,以防止成像过大带来的光损失,即渐晕现象(参看第2.8节)。

  • 当狭缝高度较大,且光源为宽光源时使用。

  • 场透镜将一个开口成像在另一个开口处。如图6.5中,AS成像在G1处。

  • 场透镜保证对于宽光源和有限的狭缝高度,到达光栅上的光束不会出现渐晕现象。图6.5和图6.6中狭缝的高度方向在纸平面内。

                                                                       图6.5  无场透镜的光谱仪系统

                                                                    图6.6 含场透镜的光谱仪系统

6.6 针孔相机效应

        当未采用入口光学时,入口狭缝可能会将狭缝前所有的物体都成像进入光谱仪。这可能包括灯源、样品、透镜边沿,甚至远处的窗户。第3章 中描速如何正确调整光谱仪的光束来获得高的光通量。按照这一步骤则消除针孔相机效应。

        多次成像将严重降低出口处的成像质量和光通量。另一方面,在VUV波段由于不存在折射透镜而且反射镜效率很低,针孔相机效应反而有帮助。

6.7 空间滤镜

  •  开口或者场阻挡用来减小甚至消除光源光束的大小,并且挡住不需要的那部分光信号(比如,光纤包层内的信号)。从这个功能角度,开口阻挡被称为空间滤镜(参看图6.7)。

  • 光源成像聚焦在空间滤镜处,这里输出的光束成为系统的光源。

                                                                        图6.7  空间滤镜