Während in den untenstehenden Beispielen Linsen verwendet werden, werden konkave Spiegel an der Frontoberfläche, die für den bevorzugten Spektralbereich beschichtet sind, bevorzugt. Eine Beschichtung wie Aluminium ist von 170 nm bis nahe IR hochreflektierend, während Kronen- und Feuersteingläser unter 400 nm schnell an Transmissionseffizienz verlieren. "Achromatische Doublets" werden routinemäßig mit UV-absorbierenden Harzen zementiert, und ihre antireflektierenden Beschichtungen diskriminieren oft gegen UV-Strahlen unter 425 nm (dies liegt daran, dass solche Objektive häufig in Kameras verwendet werden, bei denen fotografischer Film sehr UV-empfindlich sein kann).
Wenn Linsen von Blau zu UV verwendet werden müssen, wählen Sie unbeschichtete Quarz-Singlets oder luftspaced-Doublets.
Ein typisches Monochromatorsystem mit einem festen Austrittsschlitz und einem Detektor.
AS – Blendenstopp
L1 – Objektiv 1
G1 – Gitter 1
M1 – Spiegel 1
M2 – Spiegel 2
p – Objektentfernung von Linse L1
q - Bildentfernung vom Objektiv L1
F – Brennweite der Linse L1
d – die klare Blende des Objektivs (L1 im Diagramm)
Das obige Diagramm zeigt ein typisches Monochromatorsystem mit einem festen Austrittsspalt und einem Detektor, jedoch ist alles folgende gleichermaßen auf einen Spektrographen anwendbar.
Diese Linsengleichung:
Vergrößerung (m):
Zur Vereinfachung wird der Durchmesser der Optik oder ihrer Aperturblende (AS) (vorausgesetzt, diese befindet sich sehr nahe an der Optik selbst) zur Bestimmung des f-Wertes verwendet. In diesem Fall vereinfachen sich die Gleichungen (4) und (23) zu:
Setzen Sie die oben genannten Komponenten so zusammen, dass der Laserstrahl als optische Achse fungiert, der zuerst durch zwei Lochöffnungen, dann durch den Monochromator und schließlich durch die dritte Lochöffnung führt.
Die externe Optik und Quelle werden schließlich auf der optischen Achse platziert, die durch die Lochöffnungen und den Laserstrahl definiert ist. Positioniere die Lochblenden so, dass Objektive usw. hinzugefügt werden können, ohne sie zu stören.
Hinweis: Manchmal ist eine umgekehrte Beleuchtung vorteilhaft, bei der der Laserstrahl zuerst durch den Austrittsspalt und dann durch die gesamte Optik verläuft, bis er die Lichtquelle selbst beleuchtet. Die Ausrichtung der Komponenten ist ein iterativer Prozess. Ziel ist es, dass der Laserstrahl durch die Mitte jedes Spalts tritt und auf die Mitte jedes optischen Elements trifft. Dies wird durch die folgenden Schritte erreicht:
Wenn eine Lichtquelle wie eine Probe oder eine Kalibrierungslampe in den Eingangsspalt eines Spektrometers fokussiert werden soll, dann:
Die emittierende Quelle ist kleiner als die Breite des Eingangsspalts für einen erforderlichen Bandpass.
Die Mehrheit der kommerziellen Spektrometer arbeitet zwischen f/3 und f/15, aber die folgenden Diagramme verwenden Zeichnungen, die mit f/3 übereinstimmen, und alle Berechnungen gehen von f/6 aus.
In den folgenden Beispielen ist das verwendete Objektiv (L1) eine einzelne dünne Linse mit 100 mm Brennweite (für ein Objekt im Unendlichen) und 60 mm Durchmesser.
Der f/valueout der Eintrittsoptik muss gleich dem f/valuein des Monochromators sein.
Falls nötig, sollte ein Blendenstopp verwendet werden, um den Durchmesser der Eingangsoptik anzupassen.
Denken Sie bei der Berechnung des Durchmessers der Blenden daran, die Spektrometeroptik leicht zu unterfüllen, um Streureflexionen im Spektrometergehäuse zu vermeiden.
Beispiel 1 (Abb. 36)
Die emittierende Quelle ist kleiner als die Breite des Eingangsspalts für einen erforderlichen Bandpass.
Berechnen Sie die Eingangsspaltbreite für den passenden Banddurchgang (Gleichung 3-9). Für dieses Beispiel sei die Spaltbreite 0,25 mm.
Beispielobjekt: eine Faser mit 0,05 mm Kerndurchmesser und NA-Wert von 0,25.
Das Objekt emittiert Licht bei f/2 (NA = 0,25). Spektrometer = f/6.
Projizierte Bildgröße der Faser, die vom System aufgenommen wird (gegeben durch Eingangsspaltweite) = 0,25 mm.
Berechnen Sie die Vergrößerung, um den Eingangsspalt zu füllen.
m = Bildgröße/Objektgröße = 0,25/0,05 = 5,0.
Daher gilt: q/p = 5, q = 5p.
Setzt man Gleichung 3-16 in die Linse ein, erhält man p = 120 mm und q = 600 mm.
Um d zu berechnen, muss Licht bei f/2 aufgenommen und bei f/6 projiziert werden, um das Gitter perfekt zu füllen.
Daher gilt p/d = 2, d = 120/2 = 60 mm.
Daher entspricht die Blendenöffnung dem vollen Durchmesser von L1.
Projektion f/value = 600/60 = 10.
Anders ausgedrückt: Obwohl das Gitter des Monochromators Licht empfängt, das bei f/2 gesammelt wird, wird es vom projizierten Kegel bei f/10 nicht vollständig ausgeleuchtet. Das gesamte mögliche Licht wurde bereits gesammelt, eine weitere Verbesserung ist nicht möglich.
Beispiel 2
Wenn die Faser jedoch mit f/1 Licht emittiert, könnte die Lichtaufnahme durch die Verwendung einer Linse in derselben Konfiguration, aber mit 120 mm Durchmesser, weiter verbessert werden. Dies würde jedoch einen Output f/value von
600/120 = f /5
Da dies das F/6 des Spektrometers übersteigt, würde die maximale Lichtaufnahme im System durch eine Linse mit Durchmesser erzeugt werden:
wodurch die Lichtsammlung mit der Grenz-Etendue des Spektrometers übereinstimmt.
Die Sammlung f/value ist daher
Da das Etendue proportional zum Quadrat von (f/value)-1 ist, würden bei f/1,2 etwa 70 % des verfügbaren emittierten Lichts aufgefangen (siehe Abschnitt 3).
Hätte der Nutzer die Glasfaser einfach am Eingangsspalt ohne Eingangsoptik platziert, wären nur 3 % des verfügbaren Lichts gesammelt worden. (Das Licht wurde in diesem Fall an der f/6 des Spektrometers und nicht an der f/1,2 mit Etendue-Passender Eingangsoptik aufgenommen.)
Die Objektbreite ist gleich oder größer als die Eintrittsspaltbreite. Blendenblenden sollten verwendet werden, um die Lichtedue der Eintrittsoptik an die des Monochromators anzupassen. Da das Objekt größer als die Spaltbreite ist, begrenzt die Lichtedue des Monochromators die Lichterfassung.
Die Objektbreite ist gleich oder größer als die Eingangsspaltbreite (siehe Abb. 37).
Der f/valueout muss gleich dem f/valuein des Monochromators sein. Der Objektabstand sollte gleich dem Bildabstand sein (absolute Vergrößerung, m, gleich 1).
Aperturstopps sollten verwendet werden, um das Etendue der Eingangsoptik an den Monochromator anzupassen. Da das Objekt größer als die Spaltbreite ist, ist es der Monochromator Etendue, der die Lichtaufnahme begrenzt.
In diesem Fall Bild 1:1 bei Einheitsvergrößerung.
Aufnahme von Objektiv L1
Für F = 100 mm, p = 200 mm, q = 200 mm (2F).
f/value des Monochromators = q/d = p/d = 6.
Dann
Daher gilt der Aperturstopp = 33,33 mm, um das Beugungsgitter perfekt zu füllen.
Der f/value der Quelle ist numerisch größer als der des Spektrometers. In diesem Fall wird das Etendue-Matching durch die Devergrößerung der Quelle erreicht.
In diesem Fall ist der f/value der Quelle numerisch größer als der des Spektrometers. Dies wird oft mit einem Teleskop beobachtet, das zwar mit f/30 projiziert, aber mit einem Spektrometer bei f/6 überwacht werden soll. In diesem Fall wird das Etendue-Matching durch die Devergrößerung der Quelle erreicht (siehe Abb. 38).
Berechnen Sie die Eingangsspaltbreite für den entsprechenden Bandpass (Gleichung (37)). Nehmen wir zum Beispiel:
1,0 mm = Endbildgröße = Eingangsspaltweite.
Das vom Teleskop projizierte Bild = 5 mm bildet das Objekt für das Spektrometer.
m = 1/5 = 0,2,
dann aus Gleichung (58).
Objektiv L1 mit F = 100 mm (angegeben),
p = 600 mm, q = 120 mm.
Berechnen Sie d unter Berücksichtigung des Monochromators f/value = 6, q/d = 6, d = 120/6 = 20 mm.
Die Blendenöffnung hat einen Durchmesser von 20 mm.
Das Licht wird entweder an der Blende des projizierten Bildes oder bei 600/20 = f/30 gesammelt, je nachdem, was numerisch größer ist.
Die in diesem Abschnitt dargestellten Konzepte haben die Verwendung von Feldlinsen nicht eingeschlossen. Erweiterte Quellen erfordern oft, dass jede Pupille im Zug auf die nächste Pupille nachgeschaltet wird, um Lichtverlust durch Überfüllung der Optik zu verhindern, Vignettierung
Feldlinsen stellen sicher, dass bei einer erweiterten Quelle und endlicher Spaltenhöhe das gesamte Licht das Gitter erreicht, ohne Vignettierung. In Abb. 39 und Abb. 40 liegt die Höhe des Schlitzes in der Ebene des Papiers.
Feldlinsen stellen sicher, dass bei einer erweiterten Quelle und endlicher Spaltenhöhe das gesamte Licht das Gitter erreicht, ohne Vignettierung.
Feldlinsen stellen sicher, dass bei einer erweiterten Quelle und endlicher Spaltenhöhe das gesamte Licht das Gitter erreicht, ohne Vignettierung.
Wenn die Eintrittsoptik fehlt, ist es möglich, dass der Eingangsspalt ein Bild von nahezu allem vor dem Spalt in das Spektrometer projiziert. Dazu gehören die Lampe, das Muster, die Ränder der Linsen oder sogar entfernte Fenster. Der vorherige Teil beschreibt, wie man ein Spektrometer korrekt für den höchsten Durchsatz beleuchtet. Dieses Verfahren beseitigt den Pinhole-Kamera-Effekt.
Multiple Imaging kann die Bildqualität und den Durchsatz des Ausgangsbildes stark beeinträchtigen. Andererseits ist der Pinhole-Kameraeffekt im VUV sehr nützlich, wenn keine brechungsfähigen Objektive verfügbar sind und Spiegel ineffizient wären.
Apertur- und Feldstopps können verwendet werden, um die Struktur einer Lichtquelle zu reduzieren oder sogar zu eliminieren und unerwünschte Lichtbereiche zu blockieren. In dieser Funktion werden Aperturstopps räumliche Filter genannt.
Apertur- und Feldstopps können verwendet werden, um die Struktur einer Lichtquelle zu reduzieren oder sogar zu eliminieren und die unerwünschten Lichtbereiche (z. B. die Verkleidung um eine Glasfaser) zu blockieren. In dieser Funktion werden Aperturstopps räumliche Filter genannt (siehe Abb. 41).
Das Lichtquellenbild wird auf die Ebene des räumlichen Filters fokussiert. das dann zur Lichtquelle des Systems wird.
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