Diseño óptico de espectrofotómetro.

El sistema óptico es la parte central del espectrofotómetro. Sobre la base de los principios básicos del espectrómetro y la teoría del diseño óptico, con el objetivo de diseño específico de portabilidad, bajo costo y cumplimiento de los requisitos de diseño del rango espectral y la resolución, cuatro esquemas de diseño factibles, a saber, el sistema Littrow, el sistema Albert Fastian , el sistema Cherney Turner y el sistema Cherney Turner cruzado fueron comparados y analizados. Proponga una estructura Czerny Turner cruzada asimétrica con una rejilla de difracción plana como elemento de dispersión como estructura del sistema para este diseño.

El sistema es simulado y optimizado por software óptico. Los resultados del diseño muestran que el sistema diseñado tiene un rango espectral de 360 ​​nm~740 nm, una resolución espectral de 10 nm, un número F de 5.25, una expansión espectral de 44.1 mm y un volumen del sistema de aproximadamente 80 mm × 69 mm × 62 mm, lo que cumple con los requisitos de diseño de alta precisión, tamaño pequeño y bajo costo.

Teoría del diseño óptico:
En general, la aberración del instrumento óptico se puede dividir en aberración monocromática y aberración cromática. Para la aberración monocromática, hay aberración esférica, aberración cometaria, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión. Los principales métodos de corrección de la aberración incluyen la aberración esférica, la coma y la aberración cromática. Como los componentes utilizados en el espectrofotómetro diseñado son elementos reflectantes, el sistema no presenta aberración cromática. Por lo tanto, solo es necesario corregir la aberración esférica y el coma.

La aberración esférica es causada por la incapacidad de haces paralelos de diferentes aperturas para converger en un solo punto. Por el contrario, debido a la aberración esférica, el colimador no puede convertir toda la luz de cualquier punto de la rendija en un haz paralelo. La aberración esférica puede provocar el ensanchamiento de los contornos de las líneas espectrales, el desenfoque de las líneas espectrales y una resolución reducida. La aberración esférica del colimador y el espejo de imágenes no se puede eliminar mediante el ajuste, por lo que debe corregirse dentro de la tolerancia de aberración durante el diseño.

Debido al coma, la luz emitida desde un punto a la altura de una rendija de eje muy cercana no puede convertirse en un haz paralelo al atravesar el objetivo colimador, y la estructura del haz es asimétrica. Por el contrario, el espejo de formación de imágenes no puede hacer converger los haces paralelos emitidos desde el sistema de dispersión en un solo punto.

La aberración del cometa también tiene un impacto serio en el contorno de la línea espectral, no solo provocando la difusión unilateral del contorno de la línea espectral, reduciendo la resolución del instrumento, sino también provocando el desplazamiento del valor máximo del contorno de la línea espectral, e incluso generando falsos compañeros. líneas. Por lo tanto, el coma también debe limitarse dentro de la tolerancia de aberración.

Las lentes del objetivo de los sistemas de imágenes y de colimación deben corregir los errores esféricos y de coma. Basado en la experiencia, el criterio de Rayleigh se usa generalmente como tolerancia a la aberración. Entonces, el criterio de Rayleigh es que la aberración de onda máxima generada por la aberración esférica residual y la coma residual debe ser menor que. De acuerdo con la relación entre las aberraciones axiales y de frente de onda, las tolerancias para las aberraciones esféricas y de coma se pueden obtener de la siguiente manera:

Diferencia esférica axial:

Desviación de la condición sinusoidal:

En la fórmula: D es la apertura efectiva de la apertura, que en el instrumento espectral es el ancho efectivo del elemento de dispersión; F' es la distancia focal de la lente del objetivo;

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