Từ kiểu M sang kiểu chéo: Sự tiến hóa hai đường dẫn của cấu hình quang phổ Czerny-Turner

Từ kiểu M sang kiểu chéo: Sự tiến hóa hai đường dẫn của cấu hình quang phổ Czerny-Turner

01 Nguồn gốc: Thiết kế cổ điển từ Đại học Berlin (1930)

Năm 1930, Giáo sư Marianus Czerny của Viện Vật lý tại Đại học Berlin, cùng với sinh viên tiến sĩ Arthur Francis Turner,đã xuất bản một bài báo mang tính bước ngoặt mà lần đầu tiên đề xuất cấu hình quang phổ Czerny-Turner (C-T), được đặt tên theo hai nhà nghiên cứu. 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, nhưng hôn mê không được loại bỏ hoàn toàn vì độ nghiêng của lưới làm gián đoạn đối xứng của đường quang.

Fastie-Ebert: bao gồm một tấm gương hình cầu lớn và một lưới nhiễu phẳng.

Sự đổi mới quan trọng của Czerny và Turner là chia một tấm gương rãnh lớn của Ebert thành hai tấm gương hình cầu riêng biệt: một chiếc làm collimator và chiếc kia làm gương máy ảnh.Thiết kế tách biệt này không chỉ loại bỏ coma mà còn cung cấp sự linh hoạt thiết kế lớn hơn ¢ hai tấm gương có thể được chế tạo với kích thước khác nhau, các bán kính cong khác nhau, và thậm chí có thể được làm thành gương hình tròn để đạt được hình ảnh không bị khuyết điểm.phát minh này phần lớn bị lãng quên trong hơn hai thập kỷ sau khi được xuất bảnChỉ đến năm 1952, khi William G. Fastie tái khám phá ra hệ thống Ebert (sau đó được gọi là hệ thống Ebert-Fastie),rằng cộng đồng học thuật dần dần nhận ra rằng thiết kế Czerny-Turner cung cấp cơ hội lớn hơn để điều chỉnh sai lệch so với hệ thống Ebert-FastiePhải mất nhiều năm nữa để những lợi thế của hệ thống CT được đánh giá đầy đủ, cuối cùng làm cho nó trở thành cấu hình thống trị trong các máy quang phổ hiện đại.

02 M-Type: Con đường quang mở rộng cổ điển

Biểu đồ đường quang C-T loại M

M-type là bố cục cổ điển nhất của cấu hình Czerny-Turner, còn được gọi là cấu trúc quang học C-T cơ bản, được đặt tên theo đường dẫn quang học của nó, khi mở ra,rất giống với chữ "M"Trong cấu hình này, khe cổng, gương collimator, lưới, gương lấy nét và máy dò được sắp xếp theo đường thẳng, tạo thành một đường quang rõ ràng.

Ưu điểm chính của M-type nằm ở sự nhất quán độ phân giải tuyệt vời của nó.Các tính toán lý thuyết và thí nghiệm cho thấy loại M cho thấy sự thay đổi độ phân giải tương đối nhỏ trên toàn bộ dải quang phổ, gần như phân bố phẳng, vượt trội hơn nhiều so với biến thể hình chữ "V" của loại chéo.M-type có thể duy trì hiệu suất độ phân giải nhất quán hơnNgoài ra, M-type có một lợi thế tự nhiên trong tối ưu hóa thái dương, có khả năng điều chỉnh thái dương đến mức rất thấp,trong khi hiệu suất ánh sáng lạc của nó cũng hơi vượt trội so với loại chéo.

Sản phẩm đại diện: Máy quang phổ sợi quang JINSP SR75C sử dụng đường quang loại M, đạt độ phân giải quang học lên đến 0,15 nm trong phạm vi 500nm ∼ 600nm.

03 Loại chéo: Cách mạng của đường quang gấp

Sơ đồ quang học C-T chéo

Loại chéo (Crossed C-T) là một thiết kế đường quang gấp phát triển từ loại M. Trong cấu hình này,hai gương rã cong được sắp xếp đối xứng trên bên trái và bên phải tương đối với lưới mặt phẳngThiết kế này cải thiện đáng kể việc sử dụng không gian, làm cho cấu trúc thiết bị nhỏ gọn hơn.

Sự ra đời của loại chéo có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của quang phổ sợi quang.nhu cầu về máy quang phổ thu nhỏ và di động tăng mạnhCác cấu hình C-T chéo, do dấu chân nhỏ gọn của nó, trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các quang phổ sợi quang nhỏ.độ phân giải của nó là cao nhất ở bước sóng trung tâm và dần dần giảm về phía các cạnhTuy nhiên, bằng cách chèn các bộ pha trộn vào đường quang, nó có thể giúp điều chỉnh sự biến dạng của mắt.loại chéo cung cấp những lợi thế độc đáo trong việc dập tắt ánh sáng lạc, điều này rất quan trọng đối với các thiết kế thu nhỏ.

Các sản phẩm đại diện: Các sản phẩm JINSP bao gồm SR50C và SR100B / Z / Q đều sử dụng cấu hình C-T không đối xứng chéo.cho phép máy đo quang phổ chuyển từ phòng thí nghiệm sang các trang web công nghiệp và các ứng dụng di động.

04 Biến đổi công nghệ: Từ đối xứng sang đối lập, từ hình cầu đến hình tự do

Vào thế kỷ 21, lý thuyết thiết kế của các cấu hình Czerny-Turner đã tiếp tục sâu sắc hơn.Shafer là người đầu tiên sử dụng cấu trúc không đối xứng để điều chỉnh trạng thái hôn mê ở các bước sóng cụ thểRosendahl và Shafer tiếp tục lý thuyết chứng minh rằng ống kính bù đắp hoặc gương hình xoắn ốc có thể được sử dụng để ức chế chứng thị giác.

Sự phát triển cấu hình CT hiện đại thể hiện hai xu hướng chính:

Sự phổ biến của các thiết kế không đối xứng
Các cấu hình CT truyền thống chủ yếu áp dụng bố cục đối xứng, nhưng các thiết kế hiện đại có xu hướng hướng đến các cấu trúc không đối xứng.và vị trí tương đối của hai gươngCác nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong các cấu hình kiểu chéo, các kết hợp có thể được sử dụng để điều chỉnh tình trạng hôn mê và chứng giác mạc.tối ưu hóa các thông số không đối xứng có thể cải thiện đáng kể sự phân bố độ phân giải hình chữ "V", và thậm chí có thể đạt được một đường cong độ phân giải gần như phẳng.

Ứng dụng công nghệ bề mặt dạng tự do
Để loại bỏ sự sai lệch hình cầu vốn có của gương hình cầu, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá ứng dụng của gương parabolic hoặc bề mặt hình tự do.Mặc dù các công nghệ này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do chi phí sản xuất cao, chúng đại diện cho hướng phát triển cấu hình CT trong tương lai.

05 Sự song song hai đường: Phân biệt và tích hợp trong các lĩnh vực ứng dụng

Sau gần một thế kỷ phát triển, các cấu hình kiểu M và kiểu chéo C-T đã hình thành một sự phân chia công việc rõ ràng ở cấp độ ứng dụng:

Cần lưu ý rằng hai cấu hình không hoàn toàn tách biệt. Một số máy quang phổ cao cấp đã bắt đầu tích hợp các lợi thế của cả hai áp dụng các đặc điểm độ phân giải cao của loại M trong khi kết hợp khái niệm gấp của loại chéo để đạt được thiết kế vừa phải nhỏ gọnHơn nữa, cho dù loại M hoặc loại chéo, các máy quang phổ CT hiện đại thường sử dụng các máy dò mảng (như CCD và CMOS) để thay thế các khe thoát quét truyền thống, cho phép nhanh chóng,đo quang phổ nhạy cao.

Kết luận

Từ bài báo cổ điển năm 1930 của Czerny và Turner tại Đại học Berlin, đến việc tái khám phá vào những năm 1950,và thông qua sự phổ biến của quang phổ sợi quang nhỏ trong thế kỷ 21, cấu hình Czerny-Turner đã trải qua gần một thế kỷ tiến hóa.tương ứng đại diện cho hai triết lý thiết kế khác nhau: "hiệu suất đầu tiên" so với "sự nhỏ gọn đầu tiên". M-type, với độ phân giải nhất quán vượt trội của nó, duy trì một pháo đài trong thị trường phòng thí nghiệm cao cấp, trong khi loại chéo,tận dụng dấu chân nhỏ gọn của nó, đã mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới nổi như thiết bị di động và giám sát trực tuyến công nghiệp.

Như được thể hiện bởi Arthur Francis Turner nhận được Huân chương Frederic Ives năm 1971,cấu hình này không chỉ đơn thuần là một thiết kế quang học mà là một cột mốc quan trọng trong lịch sử các thiết bị quang phổVới sự phát triển của công nghệ chế tạo bề mặt dạng tự do, các máy dò mới và quang học tính toán,cấu hình Czerny-Turner cho dù loại M hoặc loại chéo sẽ tiếp tục đóng một vai trò trung tâm trong các công nghệ quang phổ trong tương lai.

Địa chỉ:

[1] CZERNY M, TURNER A F. Über den Astigmatismus bei Spiegelspektrometern. Zeitschrift für Physik, 1930, 61 ((11-12): 792-797.

[2] JAMES J. F. Các nguyên tắc thiết kế quang phổ. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[3] Turner A. F. Biography[J]. Tạp chí của Hiệp hội quang học Mỹ, 1972, 62(1): 1-2.