概要

多年來，人們一直使用傳統(tǒng)的 Czerny-Turner (CT) 設(shè)計(jì)色散光譜儀來測(cè)量光譜。 CT 設(shè)計(jì)中固有的光學(xué)像差可能會(huì)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(yán)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(jì)的新型色散光譜儀大大減少了光學(xué)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(gè)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(jì)進(jìn)行測(cè)量，如圖 1 所示。在 CT 設(shè)計(jì)中，光穿過入口狹縫，從準(zhǔn)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(jìn)行聚焦。

光學(xué)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(cè)量

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

對(duì)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?cái)?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(kuò)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(gè)像素的光子越多，峰值強(qiáng)度就會(huì)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(hào) = 峰值高度 噪聲 = 信號(hào)測(cè)量位置附近的基線噪聲水平

由于噪聲代表y 軸測(cè)量誤差，因此高 SNR 意味著信號(hào)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(jì)中固有的光學(xué)像差包括像散和慧差。場(chǎng)像散是由于使用透鏡或鏡子對(duì)離軸源進(jìn)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(zhǎng)。慧差是由于使用鏡子對(duì)離軸光源進(jìn)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(duì)稱地展寬，如圖 2 所示。

場(chǎng)像散和彗形像差導(dǎo)致光子在大像素區(qū)域上擴(kuò)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(huì)越短，信噪比也會(huì)降低。測(cè)量光譜時(shí)，優(yōu)選高通量光譜儀。

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

Princeton Instruments 的新型色散光譜儀設(shè)計(jì)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(xué)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(jī)對(duì)焦。

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

得益于其光學(xué)設(shè)計(jì)，IsoPlane在整個(gè)焦平面上的所有波長(zhǎng)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(cè)量光譜的優(yōu)點(diǎn)。

使用IsoPlane改進(jìn)發(fā)射光譜

原子發(fā)射線具有較窄的自然帶寬，因此對(duì)光學(xué)像差異常敏感。使用 Czerny-Turner 和 Schmidt-Czerny-Turner 光譜儀測(cè)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(cè)量。藍(lán)色：使用 320 mm 焦距，施密特-車爾尼-特納攝譜儀測(cè)量。 (兩個(gè)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(cè)量譜線時(shí)，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(jìn)行測(cè)量，峰的面積都應(yīng)該相同。用CT光譜儀測(cè)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(qiáng)度的32%位于翼部，因此光譜分辨率較差。

使用IsoPlane測(cè)量的同一譜線的光譜在圖 4 中以藍(lán)色顯示。IsoPlane峰很窄，只有5% 的峰強(qiáng)度位于機(jī)翼中，并且它具有比使用 CT 攝譜儀測(cè)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(jìn)是光學(xué)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(qǐng)注意圖 4 中的紅色部分，汞發(fā)射線由于慧差而不對(duì)稱加寬。通過大大減少彗差，藍(lán)色的IsoPlane 峰是對(duì)稱的。在色散光譜中，需要在信噪比和分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。必須使用窄縫來實(shí)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(jìn)的光譜分辨率和改進(jìn)的信噪比的光譜克服了這種權(quán)衡。

使用IsoPlane改進(jìn)拉曼光譜

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

圖 5.紅色：使用 Czerny-Turner 光譜儀測(cè)量的液體環(huán)己烷 802 cm-1 波段的拉曼光譜。藍(lán)色：使用IsoPlane 測(cè)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(cè)定的紅色峰的半峰全寬(FWHM)為9.16cm -1。使用IsoPlane測(cè)量的相同藍(lán)色峰的FWHM 為 4.95 cm -1，幾乎是使用 CT 攝譜儀測(cè)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(cè)量拉曼光譜。

使用IsoPlane測(cè)量的光譜峰高高于使用 CT 攝譜儀測(cè)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(xué)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(xué)像差的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(cè)量的。請(qǐng)注意這個(gè)峰值是如何勉強(qiáng)解決的。使用IsoPlane測(cè)量的同一峰的光譜在圖 6 中以藍(lán)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(jì)中固有的光學(xué)像差在焦平面中心較小，向邊緣逐漸變大。這會(huì)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(diǎn)處測(cè)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(cè)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(xué) Sam Kleinman 博士提供)

請(qǐng)注意，在整個(gè)傳感器上，IsoPlane的光譜分辨率優(yōu)于 CT 攝譜儀，因?yàn)镮soPlane的光學(xué)像差在焦平面的所有點(diǎn)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(cè)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(xué)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(huì)降低遠(yuǎn)離焦平面中心測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量，而IsoPlane在整個(gè)焦平面上的光學(xué)像差可以忽略不計(jì)，使研究人員能夠信任傳感器上任何位置測(cè)量的數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇