من النوع M إلى النوع المتقاطع: تطور مسار مزدوج لتكوينات طيف تشيرني-تورنر

من النوع M إلى النوع المتقاطع: تطور مسار مزدوج لتكوينات طيف تشيرني-تورنر

01 المنشأ: التصميم الكلاسيكي من جامعة برلين (1930)

في عام 1930، البروفيسور ماريانوس تشيرني من معهد الفيزياء في جامعة برلين، جنبا إلى جنب مع طلبه الدكتوراه آرثر فرانسيس تيرنر،نشرت ورقة تاريخية التي اقترحت لأول مرة تشكيل طيف تشيرني-تورنر (C-T)، سميت على اسم الباحثين. This design was not conceived in a vacuum but was an improvement upon the Ebert design proposed by Hermann Ebert in 1889 — Ebert had attempted to replace conventional lens collimators and camera lenses with a single concave spherical mirror to eliminate chromatic aberration، ومع ذلك لم يتم القضاء على غيبوبة تماما لأن ميل الشبكة تعطلت التماثل من المسار البصري.

فاستي إيبرت: تتكون من مرآة كروية كبيرة واحدة وشبكة انعكاسية مسطحة.

كان الابتكار الرئيسي الذي قام به تشيرني وتيرنر هو تقسيم مرآة إيبرت الكبيرة المنحدرة إلى مرآتين كروتيتين منفصلتين: أحدهما بمثابة المكافئ والآخر بمثابة مرآة الكاميرا.هذا التصميم المنفصل لم يقتصر على القضاء على الغيبوبة بل قدم أيضًا مرونة تصميم أكبر، شعاع مختلف من الانحناء، ويمكن حتى أن تصنع في المرايا الشوكية لتحقيق التصوير الخالي من الغموض.ظل هذا الاختراع في غاية النسيان لأكثر من عقدين من الزمن بعد نشرهلم يكن حتى عام 1952، عندما أعاد وليام جي فاستي اكتشاف نظام إيبرت (الذي أطلق عليه فيما بعد نظام إيبرت-فاستي)أن المجتمع الأكاديمي قد أدرك تدريجياً أن تصميم تشيرني-تورنر يقدم فرصاً أكبر لتصحيح الانحرافاستغرق الأمر عدة سنوات أخرى حتى يتم تقدير مزايا نظام CT بشكل كامل ، مما جعله في النهاية التكوين المهيمن في مقاييس الطيف الحديثة.

02 نوع M: المسار البصري الكلاسيكي المكشوف

مخطط المسار البصري C-T من نوع M

النوع M هو التخطيط الأكثر كلاسيكية من تشكيل تشيرني-تورنر، المعروف أيضا باسم البنية البصرية C-T الأساسية، واسمها على مسارها البصري الذي، عندما تمتد،يشبه كثيراً حرف "م"في هذا التكوين، يتم ترتيب فتحة المدخل، مرآة المكافئ، الشبكة، مرآة التركيز، والكاشف في خط مستقيم، وتشكيل مسار بصري واضح.

تكمن الميزة الأساسية لنوع M في اتساق دقة ممتازة.الحسابات النظرية والتجارب تظهر أن نوع M يظهر اختلافا صغيرا نسبيا في الدقة عبر النطاق الطيفي الكامل، تقترب من توزيع مسطح ، متفوق بكثير على الاختلافات على شكل "V" من النوع المتقاطع. وهذا يعني أنه على نطاق طيفي واسع ،يمكن لنوع M الحفاظ على أداء دقة أكثر اتساقًابالإضافة إلى ذلك، فإن النوع M لديه ميزة طبيعية في تحسين الوهم، قادرة على تصحيح الوهم إلى مستويات منخفضة جدا،في حين أن أدائها الضوء الضائع هو أيضا متفوقة قليلا على ذلك من النوع المتقاطع.

المنتج الممثل: يستخدم مقياس طيف الألياف الضوئية JINSP SR75C مسارًا بصريًا من النوع M ، لتحقيق دقة بصرية تصل إلى 0.15 نانومتر في النطاق المرئي 500 نانومتر 600 نانومتر.

03 النوع المتقاطع: ثورة المسار البصري المطوي

مخطط بصري C-T متقاطع

النوع المتقاطع (Crossed C-T) هو تصميم مسار بصري مطوية تطورت من النوع M. في هذا التكوين،يتم ترتيب المرآتين المنحنيتين بشكل متماثل على الجانبين الأيسر واليمين بالنسبة للشبكة المستوية، ولكن المسار البصري "مقدّم"

ولادة النوع المتقاطع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتطوير طيفات الألياف الضوئية. في أواخر القرن العشرين، مع نضج تكنولوجيا الألياف الضوئية،ارتفع الطلب على أجهزة طيف مصغرة ومحمولة بشكل كبير. أصبح تكوين C-T المتقاطع ، بسبب بصمته المدمجة ، الاختيار المثالي لمقاييس الطيف الضوئي الصغيرة. ومع ذلك ، فإن النوع المتقاطع له أيضا قيود متأصلة:وضوحه أعلى في الطول الوسطى للموجة وتقل تدريجيا نحو الحواف، مع إظهار توزيع على شكل حرف "V" ؛ كما أنه ضعيف نسبياً في تصحيح العصبية. ومع ذلك ، من خلال إدخال محفزات في المسار البصري ،النوع المتقاطع يقدم مزايا فريدة في قمع الضوء الضوئي، وهو أمر بالغ الأهمية للتصاميم المصغرة.

المنتجات الممثلة: منتجات JINSP بما في ذلك SR50C و SR100B / Z / Q جميعها تتبنى تكوينات C-T غير متماثلة متقاطعة ،تمكين مقاييس الطيف من الانتقال من المختبر إلى مواقع الميدان الصناعي والتطبيقات المحمولة.

04 التطور التكنولوجي: من التماثل إلى عدم التماثل، من الكرة إلى الشكل الحر

دخول القرن الحادي والعشرين، نظرية تصميم تشكيلات تشيرني-تورنر استمرت في التعميق.(شايفر) كان أول من استخدم هياكل غير متماثلة لتصحيح الغيبوبة في أطوال موجة محددة، مقترحين معادلات شايفر المعروفة. أثبت روزندال وشايفر نظرياً أنه يمكن استخدام العدسات التعويضية أو المرايا الشوكية لقمع العصبية.

يظهر تطوير تكوين سي تي الحديث اتجاهين رئيسيين:

انتشار التصاميم غير المتماثلة
تصاميم C-T التقليدية اعتمدت في الغالب تخطيطات متماثلة، ولكن التصاميم الحديثة تميل نحو هياكل غير متماثلة. من خلال ضبط نصف قطر الانحناء، الزوايا خارج المحور،ومواقف النسبية للمرايا، يمكن تحقيق تصحيح متوازن للغيبوبة والعصبية على نطاق طيفي واسع.تحسين المعلمات غير المتماثلة يمكن أن تحسن بشكل كبير توزيع الدقة على شكل "V"، ويمكن حتى تحقيق منحنى دقة مسطحة تقريبا.

تطبيق تكنولوجيا السطح الحرة
للقضاء على الانحراف الكروي المتأصل للمرايا الكروية، بدأ الباحثون في استكشاف تطبيقات المرايا البارابولية أو الأسطح الحرة.على الرغم من أن هذه التقنيات لم يتم تبنيها على نطاق واسع بعد بسبب تكاليف التصنيع العالية، أنها تمثل الاتجاه المستقبلي لتطوير تكوين C-T.

05 التوازي المزدوج: التمييز والتكامل في مجالات التطبيق

بعد ما يقرب من قرن من التطوير ، شكلت تكوينات نوع M ونوع C-T المتقاطعة تقسيمًا واضحًا للعمل على مستوى التطبيق:

تجدر الإشارة إلى أن التكوينينين ليسا منفصلين تمامًا. بدأت بعض طيفات الطيف المتطورة في دمج مزايا كلا الطيفين. على سبيل المثال،اعتماد خصائص الدقة العالية من نوع M مع دمج مفهوم الطي من النوع المتقاطع لتحقيق تصميم مضغوط بشكل معتدلوعلاوة على ذلك، سواء كان من النوع M أو من النوع المتقاطع، تستخدم أجهزة مقياس الطيف C-T الحديثة عادة أجهزة الكشف عن المجموعات (مثل CCD و CMOS) لتحل محل فتحات خروج المسح التقليدية، مما يتيح سرعة،القياسات الطيفية عالية الحساسية.

الاستنتاج

من ورقة 1930 الكلاسيكية من قبل تشيرني وتيرنر في جامعة برلين، إلى إعادة اكتشافها في الخمسينات،ومن خلال انتشار أجهزة طيفية مصغرة للألياف البصرية في القرن الحادي والعشرين، تشكيل تشيرني-تورنر قد خضع لما يقرب من قرن من التطور.تمثل على التوالي فلسفتين تصميمية متميزة: "الأداء أولاً" مقابل "التقليص أولاً". النوع M، مع استمرارية دقة عالية، يحافظ على معقل في سوق المختبرات الراقية، بينما النوع المتقاطع،الاستفادة من بصمتها المدمجة، قد فتحت مجالات تطبيقية ناشئة مثل الأجهزة المحمولة والرصد الصناعي عبر الإنترنت.

كما يتجسد في تلقي آرثر فرانسيس تيرنر لميدالية فريدريك آيفز في عام 1971،هذا التكوين ليس مجرد تصميم بصري ولكن علامة فارقة هامة في تاريخ الأجهزة الطيفيةمع تطوير تكنولوجيات تصنيع السطح الحر، أجهزة الكشف الجديدة، والبصريات الحاسوبيةتشكيل تشيرني-تورنر سواء كان من النوع M أو من النوع المتقاطع سوف يستمر في لعب دور مركزي في تقنيات الطيف المستقبلية.

المراجع:

[1] CZERNY M ، TURNER A F. Über den Astigmatismus bei Spiegelspektrometern[J]. زيتشريفت فور فيزيك ، 1930 ، 61 ((11-12): 792-797.

[2] جيمس جيه إف. أساسيات تصميم الطيف. كامبريدج: جامعة كامبريدج للصحافة، 2007.

[3] تيرنر أ. إف. السيرة الذاتية. مجلة الجمعية البصرية الأمريكية، 1972، 62 ((1): 1-2.