Conception optique du spectrophotomètre

Le système optique est la pièce maîtresse du spectrophotomètre. Sur la base des principes de base du spectromètre et de la théorie de la conception optique, avec l'objectif de conception spécifique de la portabilité, du faible coût et de la satisfaction des exigences de conception de la plage spectrale et de la résolution, quatre schémas de conception réalisables, à savoir le système Littrow, le système Albert Fastian , le système Cherney Turner et le système Cherney Turner croisé ont été comparés et analysés. Proposer une structure Czerny Turner croisée asymétrique avec un réseau de diffraction plan comme élément de dispersion comme structure de système pour cette conception.

Le système est simulé et optimisé par un logiciel optique. Les résultats de conception montrent que le système conçu a une plage spectrale de 360 ​​nm ~ 740 nm, une résolution spectrale de 10 nm, un nombre F de 5.25, une expansion spectrale de 44.1 mm et un volume de système d'environ 80 mm × 69 mm × 62 mm, répondant aux exigences de conception de haute précision, de petite taille et à faible coût.

Théorie de la conception optique :
Généralement, l'aberration d'un instrument optique peut être divisée en aberration monochromatique et aberration chromatique. Pour l'aberration monochromatique, il existe l'aberration sphérique, l'aberration cométaire, l'astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion. Les principales méthodes de correction de l'aberration comprennent l'aberration sphérique, le coma et l'aberration chromatique. Comme les composants utilisés dans le spectrophotomètre conçu sont des éléments réfléchissants, le système ne présente pas d'aberration chromatique. Par conséquent, seules l'aberration sphérique et le coma doivent être corrigés.

L'aberration sphérique est causée par l'incapacité de faisceaux parallèles d'ouvertures différentes à converger en un seul point. Au contraire, en raison de l'aberration sphérique, le collimateur ne peut pas convertir toute la lumière de n'importe quel point de la fente en un faisceau parallèle. L'aberration sphérique peut provoquer un élargissement des contours des lignes spectrales, un flou des lignes spectrales et une résolution réduite. L'aberration sphérique du collimateur et du miroir d'imagerie ne peut pas être éliminée par ajustement, elle doit donc être corrigée dans la tolérance d'aberration lors de la conception.

En raison du coma, la lumière émise à partir d'un point à la hauteur d'une fente d'axe très proche ne peut pas devenir un faisceau parallèle lors du passage à travers l'objectif de collimation, et la structure du faisceau est asymétrique. Au contraire, le miroir d'imagerie ne peut pas faire converger les faisceaux parallèles émis par le système de dispersion vers un seul point.

L'aberration cométaire a également un impact sérieux sur le contour de la raie spectrale, provoquant non seulement une diffusion unilatérale du contour de la raie spectrale, réduisant la résolution de l'instrument, mais provoquant également un déplacement de la valeur maximale du contour de la raie spectrale, et même générant un faux compagnon lignes. Par conséquent, le coma doit également être limité dans la tolérance d'aberration.

Les objectifs des systèmes de collimation et d'imagerie doivent corriger les erreurs sphériques et de coma. Basé sur l'expérience, le critère de Rayleigh est généralement utilisé comme tolérance d'aberration. Ainsi, le critère de Rayleigh est que l'aberration d'onde maximale générée par l'aberration sphérique résiduelle et le coma résiduel doit être inférieure à. Selon la relation entre les aberrations axiales et de front d'onde, les tolérances pour les aberrations sphériques et de coma peuvent être obtenues comme suit :

Différence sphérique axiale :

Écart par rapport à la condition sinusoïdale :

Dans la formule : D est l'ouverture effective de l'ouverture, qui dans l'instrument spectral est la largeur effective de l'élément de dispersion ; F' est la distance focale de l'objectif ;

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