От M-типа к перекрестному типу: двойная эволюция конфигураций спектрометра Черни-Турнера

От M-типа к перекрестному типу: двойная эволюция конфигураций спектрометра Черни-Турнера

01 Истоки: Классический дизайн из Берлинского университета (1930)

В 1930 году профессор Марианус Черни из Института физики Берлинского университета вместе со своим докторантом Артуром Франциском Тернеромопубликовал знаковую статью, в которой впервые предложил конфигурацию спектрометра Черни-Турнера (C-T), названный в честь двух исследователей. 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, но кома не была полностью устранена, потому что наклон решетки нарушил симметрию оптического пути.

Fastie-Ebert: состоит из одного большого сферического зеркала и плоской дифракционной решетки.

Ключевым новшеством Черни и Тернера было разделение одного большого выпуклого зеркала Эберта на два отдельных сферических зеркала: одно служило коллиматором, а другое - зеркалом камеры.Эта отдельная конструкция не только устраняла кому, но и обеспечивала большую гибкость конструкции ∙ два зеркала могли быть изготовлены с разными размерами, различных радиусов кривизны, и даже могут быть сделаны в тороидальные зеркала для достижения безастигматизма.Это изобретение оставалось в значительной степени забытым в течение более чем двух десятилетий после его публикации.Только в 1952 году Уильям Г. Фасти вновь открыл систему Эберта (позже названную системой Эберта-Фасти),что академическое сообщество постепенно пришло к признанию того, что конструкция Черни-Тёрнера предлагала больше возможностей для коррекции аберрации, чем система Эберта-ФастиПотребовалось еще несколько лет, чтобы полностью оценить преимущества ЦТ-системы, в конечном итоге сделав ее доминирующей конфигурацией в современных спектрометрах.

02 М-тип: Классический развернутый оптический путь

Диаграмма оптического пути типа M C-T

M-тип - это самая классическая компоновка конфигурации Черни-Турнера, также известная как основная оптическая структура C-T, названная так из-за ее оптического пути, который, когда разворачивается,очень напоминает букву "М"В этой конфигурации входной щелчок, зеркало коллиматора, решетка, фокусирующее зеркало и детектор расположены в прямой линии, образуя четкий оптический путь.

Основное преимущество M-типа заключается в его отличной стабильности разрешения.Теоретические расчеты и эксперименты показывают, что M-тип показывает относительно небольшие вариации разрешения в полном спектреЭто означает, что в широком спектре,M-тип может поддерживать более стабильную производительность разрешенияКроме того, M-тип имеет естественное преимущество в оптимизации астигматизма, способный исправить астигматизм до очень низких уровней,При этом его световые характеристики также немного превосходят характеристики перекрестного типа..

Представительный продукт: JINSP SR75C оптоволоконный спектрометр использует оптический путь типа M, достигая оптического разрешения до 0,15 нм в видимом диапазоне 500 нм 600 нм.

03 Скрещенный тип: революция сложенного оптического пути

Схема оптической скрещивания C‐T

Скрещенный тип (Crossed C-T) представляет собой свернутый оптический путь, разработанный на основе M-типа.два выпуклого зеркала расположены симметрично на левой и правой сторонах относительно плоской решетки, но оптический путь "сгибается" - падающий луч и выходящий луч пересекаются пространственно.

Рождение перекрестного типа тесно связано с развитием оптико-волоконных спектрометров.спрос на миниатюрные и портативные спектрометры резко возросСкрещенная конфигурация C-T, благодаря своей компактности, стала идеальным выбором для небольших оптоволоконных спектрометров.его разрешение наиболее высокое на центральной длине волны и постепенно уменьшается к краям, имеющий "V"-образное распределение; он также относительно слабее в коррекции астигматизма.Скрещенный тип предлагает уникальные преимущества в подавлении блуждающего света, что имеет решающее значение для миниатюрных конструкций.

Репрезентативные продукты: продукты JINSP, включая SR50C и SR100B/Z/Q, используют скрещенные асимметричные конфигурации C-T,позволяет спектрометрам перейти от лаборатории к промышленным площадкам и портативным приложениям.

04 Технологическая эволюция: от симметричной к асимметричной, от сферической к свободной форме

Вступая в XXI век, теория дизайна конфигураций Черни-Тёрнера продолжает углубляться.Шейфер был первым, кто использовал асимметричные структуры для коррекции комы на определенных длинах волн.Розендал и Шефер теоретически доказали, что для подавления астигматизма можно использовать компенсационные линзы или тороидальные зеркала.

Развитие современной конфигурации C-T демонстрирует две основные тенденции:

Распространение асимметричных конструкций
Традиционные конфигурации C-T в основном принимают симметричные макеты, но современные конструкции имеют тенденцию к асимметричным структурам.и относительное положение двух зеркал, сбалансированная коррекция комы и астигматизма может быть достигнута в широком спектральном диапазоне.оптимизация асимметричных параметров может значительно улучшить распределение разрешения в форме "V", и даже может достичь почти плоской кривой разрешения.

Применение технологии свободной формы поверхности
Чтобы устранить присущую сферическую аберрацию сферических зеркал, исследователи начали изучать применение параболических зеркал или поверхностей свободной формы.Хотя эти технологии еще не широко применены из-за высоких издержек производства, они представляют собой будущее направление развития конфигурации C-T.

05 Параллелизм двух путей: дифференциация и интеграция в областях применения

После почти столетия разработки конфигурации M-типа и скрещенного типа C-T сформировали четкое разделение труда на уровне применения:

Стоит отметить, что две конфигурации не полностью отделены.Принятие характеристик высокого разрешения типа M при одновременном использовании складной концепции типа с перекрещенным корпусом для достижения умеренно компактной конструкцииКроме того, независимо от того, M-тип или перекрещенный тип, современные C-T спектрометры обычно используют детекторы массива (такие как CCD и CMOS) для замены традиционных выходной щели сканирования, позволяя быстро,спектральные измерения высокой чувствительности.

Заключение

От классической статьи 1930 года Черни и Тернера в Берлинском университете до ее повторного открытия в 1950-х годах,и через распространение миниатюрных волоконно-оптических спектрометров в 21 веке, конфигурация Черни-Тёрнера претерпела почти столетнюю эволюцию.соответственно представляют две различные философии дизайнаM-тип, с его превосходной стабильностью разрешения, сохраняет крепость на рынке высококлассных лабораторий, в то время как кросс-тип,используя свой компактный след, открыла новые области применения, такие как портативные устройства и промышленный онлайн-мониторинг.

В 1971 году Артур Фрэнсис Тернер получил медаль Фредерика Айва.Эта конфигурация не просто оптическая конструкция, но важная веха в истории спектроскопических приборов.С развитием технологий изготовления поверхности свободной формы, новых детекторов и вычислительной оптики,Конфигурация Черни-Турнера whether M-type or crossed type будет продолжать играть центральную роль в будущих спектроскопических технологиях.

Ссылки:

[1] CZERNY M, TURNER A F. Über den Astigmatismus bei Spiegelspektrometern [J].

[2] JAMES J. F. Основы проектирования спектрографа.

Журнал оптического общества Америки, 1972, 62(1): 1-2.