Progettazione ottica dello spettrofotometro

Il sistema ottico è la parte centrale del spettrofotometro. Sulla base dei principi di base dello spettrometro e della teoria del design ottico, con l'obiettivo di progettazione specifico di portabilità, basso costo e soddisfare i requisiti di progettazione della gamma spettrale e della risoluzione, quattro schemi di progettazione fattibili, vale a dire il sistema Littrow, il sistema Albert Fastian , il sistema Cherney Turner e il sistema Cherney Turner incrociato sono stati confrontati e analizzati. Proporre una struttura Czerny Turner incrociata asimmetrica con un reticolo di diffrazione planare come elemento di dispersione come struttura del sistema per questo progetto.

Il sistema è simulato e ottimizzato dal software ottico. I risultati del progetto mostrano che il sistema progettato ha una gamma spettrale di 360 nm ~ 740 nm, una risoluzione spettrale di 10 nm, un numero F di 5.25, un'espansione spettrale di 44.1 mm e un volume del sistema di circa 80 mm × 69 mm × 62 mm, soddisfacendo i requisiti requisiti di progettazione di elevata precisione, dimensioni ridotte e basso costo.

Teoria del design ottico:
In generale, l'aberrazione dello strumento ottico può essere suddivisa in aberrazione monocromatica e aberrazione cromatica. Per l'aberrazione monocromatica, ci sono aberrazione sferica, aberrazione cometaria, astigmatismo, curvatura di campo e distorsione. I principali metodi di correzione dell'aberrazione includono l'aberrazione sferica, il coma e l'aberrazione cromatica. Poiché i componenti utilizzati nello spettrofotometro progettato sono elementi riflettenti, il sistema non presenta aberrazione cromatica. Pertanto, solo l'aberrazione sferica e il coma devono essere corretti.

L'aberrazione sferica è causata dall'incapacità di fasci paralleli di diverse aperture di convergere in un unico punto. Al contrario, a causa dell'aberrazione sferica, il collimatore non può convertire tutta la luce proveniente da qualsiasi punto della fenditura in un raggio parallelo. L'aberrazione sferica può causare l'allargamento dei contorni delle linee spettrali, l'offuscamento delle linee spettrali e una risoluzione ridotta. L'aberrazione sferica del collimatore e dello specchio di imaging non può essere eliminata mediante regolazione, quindi deve essere corretta all'interno della tolleranza di aberrazione durante la progettazione.

A causa del coma, la luce emessa da un punto all'altezza di una fenditura dell'asse molto ravvicinata non può diventare un raggio parallelo quando passa attraverso l'obiettivo di collimazione e la struttura del raggio è asimmetrica. Al contrario, lo specchio di imaging non può far convergere i fasci paralleli emessi dal sistema di dispersione in un unico punto.

L'aberrazione della cometa ha anche un grave impatto sul contorno della linea spettrale, non solo provocando la diffusione unilaterale del contorno della linea spettrale, riducendo la risoluzione dello strumento, ma provocando anche lo spostamento del valore massimo del contorno della linea spettrale e persino generando un falso compagno linee. Pertanto, anche il coma deve essere limitato all'interno della tolleranza all'aberrazione.

Le lenti dell'obiettivo di entrambi i sistemi di collimazione e imaging devono correggere gli errori sferici e di coma. Sulla base dell'esperienza, il criterio di Rayleigh viene generalmente utilizzato come tolleranza all'aberrazione. Quindi il criterio di Rayleigh è che l'aberrazione d'onda massima generata dall'aberrazione sferica residua e dal coma residuo dovrebbe essere inferiore a. In base alla relazione tra le aberrazioni assiali e del fronte d'onda, le tolleranze per le aberrazioni sferiche e coma possono essere ottenute come segue:

Differenza sferica assiale:

Deviazione dalla condizione sinusoidale:

Nella formula: D è l'apertura effettiva dell'apertura, che nello strumento spettrale è l'ampiezza effettiva dell'elemento di dispersione; F 'è la lunghezza focale della lente dell'obiettivo;

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