分光光度計の光学設計

光学系はその核となる部分です。 分光光度計. 分光計と光学設計理論の基本原則に基づいて、携帯性、低コスト、およびスペクトル範囲と解像度の設計要件を満たすという特定の設計目標を備えた、XNUMX つの実現可能な設計スキーム、すなわち Littrow システム、Albert Fastian システム、チャーニーターナーシステム、および交差チャーニーターナーシステムを比較分析し、この設計のためのシステム構造として、分散素子として平面回折格子を有する非対称交差チェルニーターナー構造を提案する.

システムは、光学ソフトウェアによってシミュレートおよび最適化されます。 設計結果は、設計されたシステムが 360nm ~ 740nm のスペクトル範囲、10nm のスペクトル分解能、5.25 の F 番号、44.1mm のスペクトル拡張、および約 80mm × 69mm × 62mm のシステム体積を持ち、以下を満たしていることを示しています。高精度、小型、低コストの設計要件。

光学設計理論:
一般に、光学機器の収差は単色収差と色収差に分けられます。 単色収差には、球面収差、彗星収差、非点収差、像面湾曲、ディストーションがあります。 収差の主な補正方法には、球面収差、コマ収差、色収差があります。 設計された分光光度計で使用されるコンポーネントは反射素子であるため、システムには色収差がありません。 したがって、球面収差とコマ収差のみを補正する必要があります。

球面収差は、異なるアパーチャの平行ビームが XNUMX 点に収束できないために発生します。 逆に、球面収差のため、コリメータはスリット上の任意の点からのすべての光を平行ビームに変換することはできません。 球面収差は、スペクトル線の輪郭の広がり、スペクトル線のぼやけ、および解像度の低下を引き起こす可能性があります。 コリメータや結像ミラーの球面収差は調整でなくすことができないため、設計時に収差公差内で補正する必要があります。

コマ収差が原因で、非常に近い軸スリットの高さにある点から放射された光は、コリメート対物レンズを通過するときに平行ビームになることができず、ビーム構造は非対称になります。 逆に、結像ミラーは、分散システムから出射された平行ビームを一点に収束させることはできません。

彗星収差もスペクトル線の輪郭に深刻な影響を与え、スペクトル線の輪郭の一方的な拡散を引き起こし、装置の分解能を低下させるだけでなく、スペクトル線の輪郭の最大値の変位を引き起こし、さらには偽のコンパニオンを生成します。行。 したがって、コマ収差も収差許容範囲内に抑える必要があります。

コリメーション システムとイメージング システムの両方の対物レンズは、球面誤差とコマ誤差を補正する必要があります。 経験に基づいて、一般にレイリー基準が収差の許容範囲として使用されます。 したがって、レイリーの基準は、残留球面収差と残留コマ収差によって生成される最大波面収差が 未満であることです。 軸上収差と波面収差の関係から、球面収差とコマ収差の許容値は次のようになります。

軸球面差:

正弦条件からの偏差:

式中: D は開口部の有効開口部であり、スペクトル機器では分散要素の有効幅です。 F 'は対物レンズの焦点距離です。

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