微型光纖光譜儀—交叉C-T型和M型光譜儀對比分析

　　摘要：光纖光譜儀自從上個世紀末被發明以來，其應用越來越廣泛。交叉式切尼-特納(Czerny-Turner，簡稱C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)，是光纖光譜儀中最常見的兩種分光光路，本文將詳細介紹交叉C-T光路和M型光路的基礎原理和各自的優缺點，交叉C-T光路結構緊湊、靈敏度較高，而M型光路分辨率較高、雜散光性能更優。

　　常見的微型光譜儀一般是基于光柵分光，光譜儀的光學光路系統主要分為反射式和透射式系統，透射式系統光學系統體積較小并且光強較強，但在遠紅外到遠紫外的光譜范圍內缺少制造透鏡所需要的材料，會導致測得的光譜曲線不準，因此現代微型光譜儀很少采用這種結構;反射式系統適用的光譜范圍較廣，雖然相比透射式系統光強較弱，但反射鏡不產生色差，利于獲得平直的譜面，成像鏡選用反射鏡能夠保證探測器系統接收光譜的質量。所以市面上主要以反射式光路的光譜儀為主。

　　反射式光路中，目前光纖光譜儀市場，比較普遍采用的光路結構形式分為：基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構(非交叉式)和交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構。基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構因其形狀酷似字母“M”，因此也常被稱為M型光路結構，這便是M型光路的由來。

　　圖 1基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構，光路看上去像字母“M”，所以也稱為M型光路。
M型光路看上去也像阿拉伯數字“3”，因此奧譜天成M型光路光譜儀的名稱均帶有3(第三位數為3)，
如ATP5030、ATP5034、ATP3030、ATP3034

　　圖 2 交叉式C-T光路結構示意圖

　　光譜儀光路的光學性能，主要受數值孔徑、球差、像散、慧差，及各種像差的綜合性影響，從而決定了系統的光學靈敏度、雜散光和光學分辨率。

　　常見光譜儀采用球面反射鏡，球差是必然存在的，球面鏡無法使系統中各球差項相消，交叉式和M型光路都只能校準到一定的水平，球差是一種累加的方式。M型光譜儀可通過控制相對孔徑來使球差小于像差容限，從而滿足分辨率的要求，在設計中有選擇的縮小M型光路的數值孔徑可以比較明顯的提高分辨率。如果想更進一步的消除球差影響，那么可以采用拋物面或者自由曲面的方式來進行優化設計，但是成本昂貴，加工難度大，所以目前并沒有被市場接受。

　　交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構的慧差相對于M型光路來說有個相對突出的特點是，慧差可以被校準到一個比較理想的數值，并且得到的光譜斑點較為規整。具體體現在對交叉式結構分辨率的提升上。

　　M型光路在像散優化中具有明顯的天然優勢，可將像散校正到一個很低的水平。相反的交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路在像散的校準方面比較弱，使得該光路的光譜分辨率較低。

　　M型光路由于是一種相對對稱的光學結構，雜散光會略微好于交叉對稱型光路，但這并不會直接體現在兩種系統的雜散光最終指標上。雜散光的抑制主要還是通過外部光學陷阱，內部采用吸光材質或者增加粗糙度來提高對漫反射光的吸收，最終達到消除雜散光效果。

　　交叉式切尼-特納光路是由M型光路發展而來，我們通常認為交叉式光路是一種折疊式的光路，所謂折疊式就是在整體的結構尺寸和空間利用上有必然的優勢，結構更緊湊合理。M型光路則是一種展開式光路，在整體的尺寸和空間利用上不及交叉式切尼-特納光路。因交叉式光路最為緊湊，所以在微型光譜儀中通常采用的是就是這種交叉式光路。而針對于分辨率要求比較高的場合則更多的采用M型光路。

　　分辨率是光譜儀最重要的指標之一，從像差優化設計來看，M型光路像差優化效果更好，使得M型光路擁有更佳的分辨率，主要被用于高分辨率光譜儀中。而交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路則用于中低分辨率光譜儀中。

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的對比

　　奧譜天成的光譜儀系列產品齊全，依據M型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點和客戶需求，設計了多款相應的儀器，各自均對應不同的應用領域：

　　l ATP2000、ATP5020、ATP3040、ATP5040采用了交叉型CT光路，重點突出結構的緊湊性和高靈敏度;

　　l ATP3030、ATP5030、ATP3034、ATP5034采用M型光路，重點突出高分辨率和低雜散光。

　　狹縫50μm，光譜儀范圍200-1000nm兩者的分辨率對比。圖3可觀察到，M型光路整段分辨率表現為中間最好，兩邊逐漸變差;交叉型光路往長波方向分辨率逐漸變好。這部分的差異主要體現在設計優化中，可從設計中去調整不同的分辨率走勢來達到設計的要求。圖4中可看出，在520nm處兩種不同光路的點列圖情況，M型光路的RMS半徑值為11 μm，交叉型CT光路的RMS半徑值為98 μm。M型光路實際測試FWHM=1.3nm，交叉型光路實際測試FWHM=2.5nm。M型光譜儀分辨率明顯好于交叉型光譜儀。在實際的使用和光譜儀選擇中，客戶可根據分辨率、雜散光、靈敏度、體積等幾個指標有針對性的挑選相應的光譜儀，從而使得儀器與使用需求完美匹配。

圖 3 奧譜天成生成的ATP2000和ATP3030

圖 4 兩種光路結構的分辨率RMS spot radius對比，200-1000nm波長范圍，從圖中可以看出，
交叉C-T型光路的光斑尺寸為75 μm，而M型光路的光斑尺寸僅為3.5 μm，M型光路的分辨率優于交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(該光路應用于ATP2000); (b)M型光路(該光路應用于ATP3030)

　　圖 5 200-1000nm光譜范圍，兩種光路結構在520nm處的分辨率對比，交叉C-T型光路為98.9 μm，M型光路為11 μm，可知M型光路的分辨率明顯優于交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

表 2 奧譜天成采用M型光路的光纖光譜儀和采用交叉C-T光路的光纖光譜儀，型號的第三位數字為3的均為M型光路;型號首位數字為5、6的，探測器具有制冷。

　　圖 6 奧譜天成的光纖光譜儀產品集


光纖光譜儀產品集合