از نوع M به نوع متقاطع: تکامل دو مسیر پیکربندی های طیف سنج Czerny-Turner

از نوع M به نوع متقاطع: تکامل دو مسیر پیکربندی های طیف سنج Czerny-Turner

01 منشأ: طراحی کلاسیک از دانشگاه برلین (1930)

در سال 1930، پروفسور ماريانوس چيرني از موسسه ي فيزيکي دانشگاه برلين، همراه با دانش آموز دکترايش آرتور فرانسيس ترنر،یک مقاله تاریخی منتشر کرد که برای اولین بار پیکربندی طیف سنج Czerny-Turner (C-T) را پیشنهاد کرد، به نام دو محقق. 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، اما کما به طور کامل از بین نرفت چون شیب شبکه تقارن مسیر نوری را مختل کرد.

فاستی - ایبرت: متشکل از یک آینه بزرگ کروی و یک شبکه تکان دهنده مسطح.

نوآوری اصلی از سوی چرنی و ترنر این بود که یک آینه مجاور بزرگ واحد ایبرت را به دو آینه کروی جداگانه تقسیم کرد: یکی به عنوان کولیماتور و دیگری به عنوان آینه دوربین.این طراحی جدا شده نه تنها کما را از بین می برد بلکه انعطاف پذیری طراحی بیشتری را نیز ارائه می دهد، شعاع های منحنی مختلف، و حتی می تواند به آینه های تروییدال برای دستیابی به تصویربرداری بدون استیگمت ساخته شود.این اختراع تا بیش از دو دهه پس از انتشارش به طور عمده فراموش شد.تا سال 1952 که ویلیام G. Fastie سیستم Ebert را دوباره کشف کرد (که بعداً سیستم Ebert-Fastie نامیده شد) ،که جامعه ی دانشگاهی به تدریج به این نتیجه رسید که طرح چرنای-ترنر فرصت های بیشتری برای اصلاح انحراف نسبت به سیستم ایبرت-فستی داردچند سال دیگر طول کشید تا مزایای سیستم CT به طور کامل مورد توجه قرار گیرد و در نهایت آن را به پیکربندی غالب در طیف سنج های مدرن تبدیل کند.

02 نوع M: مسیر نوری کلاسیکی

نمودار مسیر نوری C-T نوع M

نوع M کلاسیک ترین طرح پیکربندی Czerny-Turner است، که به عنوان ساختار نوری پایه CT نیز شناخته می شود، به خاطر مسیر نوری آن نامگذاری شده است که، هنگامی که گسترش می یابد،شبيه حرف "م" هستدر این پیکربندی، شکاف ورودی، آینه کولیماتور، شبکه، آینه تمرکز و آشکارگر در یک خط مستقیم قرار دارند و یک مسیر نوری شفاف را تشکیل می دهند.

مزیت اصلی نوع M در ثبات عالی وضوح آن است.محاسبات نظری و آزمایشات نشان می دهد که نوع M تغییرات وضوح نسبتا کوچک در سراسر طیف طیف را نشان می دهد، تقریباً توزیع مسطح، بسیار بالاتر از تغییرات شکل "V" از نوع متقاطع است.نوع M می تواند عملکرد وضوح ثابت تری را حفظ کندعلاوه بر این، نوع M دارای یک مزیت طبیعی در بهینه سازی استیگمت است، قادر به اصلاح استیگمت به سطوح بسیار پایین،در حالی که عملکرد نور بیگانه آن نیز کمی از نوع متقاطع بهتر است.

محصول نماینده: JINSP SR75C طیف سنج فیبر نوری از یک مسیر نوری نوع M استفاده می کند و به وضوح نوری تا 0.15 نانومتر در محدوده قابل مشاهده 500nm 600nm می رسد.

03 نوع متقاطع: انقلاب مسیر نوری تاشو

طرح نوری متقاطع C-T

نوع متقاطع (Crossed C-T) یک طرح مسیر نوری تاشو است که از نوع M تکامل یافته است. در این پیکربندی،دو آینه های مجاور به طور متماثل در سمت چپ و راست نسبت به شبکه هواپیما تنظیم شده انداین طراحی به طور قابل توجهی استفاده از فضا را بهبود می بخشد و ساختار ابزار را فشرده تر می کند.

تولد نوع متقاطع به طور نزدیک با توسعه طیف سنج های فیبر نوری مرتبط است. در اواخر قرن بیستم، با بلوغ فن آوری فیبر نوری،تقاضا برای طیف سنج های کوچک و قابل حمل به شدت افزایش یافته استپیکربندی C-T متقاطع، به دلیل اثر فشرده آن، انتخاب ایده آل برای طیف سنج های فیبر نوری کوچک شد. با این حال، نوع متقاطع نیز محدودیت های ذاتی دارد:وضوح آن در طول موج مرکزی بالاتر است و به تدریج به سمت لبه ها کاهش می یابدبا این حال، با وارد کردن بافلهای در مسیر نوری،نوع متقاطع مزایای منحصر به فرد در سرکوب نور منحرف ارائه می دهد، که برای طرح های کوچک بسیار مهم است.

محصولات نمایان: محصولات JINSP از جمله SR50C و SR100B/Z/Q همگی دارای پیکربندی های C-T نامتقارن متقاطع هستند.امکان انتقال طیف سنجها از آزمایشگاه به سایت های صنعتی و برنامه های کاربردی قابل حمل.

04 تکامل تکنولوژیکی: از همبستگی به ناهمبستگی، از کروی به شکل آزاد

وارد شدن به قرن ۲۱، نظریه طراحی پیکربندی های چرنی-ترنر همچنان عمیق تر شده است. در دهه ۱۹۶۰،شفر اولين کسي بود که از ساختارهاي نامتقارن براي اصلاح کما در طول موج هاي خاص استفاده کردروزندال و شفر به طور نظری ثابت کردند که می توان از لنزهای جبران یا آینه های تروییدال برای سرکوب استیگما استفاده کرد.

توسعه پیکربندی مدرن C-T دو روند عمده را نشان می دهد:

گسترش طرح های نامتقارن
پیکربندی های سنتی C-T بیشتر طرح های تقارن پذیرفته شده است، اما طرح های مدرن به سمت ساختارهای نامتقارن تمایل دارند. با تنظیم شعاع انحرافی، زاویه های خارج از محور،و موقعیت نسبی دو آینه، تصحیح متعادل کما و استیگما در یک محدوده طیف گسترده ای به دست می آید. مطالعات نشان داده اند که در پیکربندی های نوع متقاطع،بهینه سازی پارامترهای نامتقارن می تواند به طور قابل توجهی توزیع وضوح "V" را بهبود بخشد، و حتی می تواند یک منحنی وضوح تقریبا مسطح را به دست آورد.

استفاده از تکنولوژی سطح آزاد
برای از بین بردن انحراف کروی ذاتی آینه های کروی، محققان شروع به بررسی کاربرد آینه های پارابولیک یا سطوح شکل آزاد کرده اند.اگرچه این فناوری ها هنوز به دلیل هزینه های تولید بالا به طور گسترده ای پذیرفته نشده اند، آنها جهت آینده توسعه پیکربندی CT را نشان می دهند.

05 موازی دو مسیر: تمایز و ادغام در زمینه های کاربردی

پس از نزدیک به یک قرن توسعه، پیکربندی های نوع M و نوع متقاطع C-T یک تقسیم کار واضح در سطح برنامه کاربردی را تشکیل داده اند:

لازم به ذکر است که این دو پیکربندی به طور کامل جدا نیستند. برخی از طیف سنج های پیشرفته شروع به ادغام مزایای هر دو به عنوان مثالاتخاذ ویژگی های وضوح بالا از نوع M در حالی که شامل مفهوم تاشو از نوع متقاطع برای دستیابی به یک طراحی نسبتا فشردهعلاوه بر این، آیا نوع M یا نوع متقاطع، طیف سنج های مدرن CT به طور معمول از آشکارسازان آرایه (مانند CCD و CMOS) برای جایگزینی شکاف های خروجی اسکن سنتی استفاده می کنند، که به سرعت،اندازه گیری های طیف با حساسیت بالا.

نتیجه گیری

از مقاله ی کلاسیک ۱۹۳۰ توسط Czerny و Turner در دانشگاه برلین، تا کشف مجدد آن در دهه ی ۱۹۵۰،و از طریق گسترش طیف سنج های فیبر نوری کوچک در قرن 21، پیکربندی Czerny-Turner تقریباً یک قرن تکامل را تجربه کرده است.به ترتیب دو فلسفه طراحی متمایز را نشان می دهند: "کارایی اول" در مقابل "کمپکت اول". نوع M، با ثبات رزولوشن برتر خود، در بازار آزمایشگاه های پیشرفته، در حالی که نوع متقاطع،استفاده از اثر انگشت فشرده آن، زمینه های کاربردی نوظهور مانند دستگاه های قابل حمل و نظارت آنلاین صنعتی را فراهم کرده است.

به عنوان تجسم شده توسط آرتر فرانسیس ترنر دریافت مدال فردریک آیوز در سال 1971،این پیکربندی فقط یک طراحی نوری نیست بلکه یک نقطه عطف مهم در تاریخ ابزار نوری استبا توسعه فن آوری های ساخت سطح شکل آزاد، آشکارسازان جدید و نوری محاسباتی،پیکربندی Czerny-Turner، چه نوع M باشد یا نوع متقاطع، همچنان نقش مرکزی در فناوری های طیف سنجی آینده ای خواهد داشت..

مرجع:

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

[2] جیمز ج. اف. اصول طراحی اسپکتروگراف. کمبریج: چاپ دانشگاه کمبریج، 2007.

[1] ترنر A. F. بیوگرافی. ژورنال انجمن نوری آمریکا، 1972، 62 (((1): 1-2.