透射光栅型成像光谱仪与反射光栅型成像光谱仪的对比

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北京卓立汉光仪器有限公司 ★★★内部资料★★★ 透射光栅型成像光谱仪与反射光栅型成像光谱仪的对比 众所周知，光谱仪从广义上来说，可看作是一个点对点成像的工具，成像光谱仪则可以看作是线对线成像的工具（线由无限多个点排列而成），因此像差对于光谱仪具有重要的影响，实际设计中，除了要考虑所采用光学元件（透镜、反射镜、光栅等）本身的性能，在光学光路设计上，还必须考虑到像差的修正等问题。推扫型成像光谱仪根据采用的光栅不同，主要分为透射光栅型（如PGP结构，图1）和反射光栅型（如C-T结构、offner结构，图2）两种。 图1 图2 综合考虑到光学结构和采用的核心元件（光栅），导致这两种设计上的差异主要体现在如下几个方面： 1. 成像质量——慧差消除。从光学设计角度来说，透射光栅型采用的在轴成像设计，反射光栅型采用的离轴成像技术。众所周知，在轴成像能够获得更好的成像质量，而离轴成像无法消除慧差的影响，图3中所示，红色为离轴成像光路，蓝色为在轴成像光路，很显然，离轴成像的成像点无法很好的汇聚在一点（红色），而是在空间上形成了一个明显的拖尾（像彗星的尾巴，故成为慧差），而在轴成像则很容将像点汇聚在一点（蓝色），形成完美的点对点成像，故对比慧差消除这个方面，采用在轴成像设计的透射光栅型优于采用反射光栅型； 图3 2. 成像质量——色差修正。由于晶体材料对于不同波长的光的折射率不同，故采用透射光学成像系统时，会产生色差的影响；但由于在有限的波长范围内，通常折射率的变化非常小，再加上数十年来在复合透镜成像系统研究上的突破，使得当今对于色差的修正达到了非常高的水平——这一点我们只需要联想到各大成像镜头和显微镜生产厂家，如施耐德、尼康、莱卡、奥林巴斯等，就很清楚，对于有限使用的光谱范围内，色差可以得到完全的修正。我们的系统正式得益于优良的消色差设计，因此，在这一方面，反射型光学结构也完全没有任何优势可言。 3. 成像质量——像散和畸变。轴外物点发出的光束通过光学系统后，将在两个不同位置形成两条防卫互相垂直的短交线，这种现象称为像散（图5）。根据定义我们很容易判断，采用离轴成像的反射型光路，一定无法避免这个问题，而采用在轴成像的透射型光路，则可以有效避免该问题。至于畸变，通常分为枕形畸变和梯形畸变，这是是两种光学成像系统都无法完全避免的，只能通过优良的光学设计进行合理的优化，降低畸变。比如，我们的产品V10E型成像光谱仪（透射型），其枕形畸变<1.5um，梯形畸变<1um，而市场上的一款反射型成像光谱仪，虽然产品说明上也标注已做枕形畸变和梯形畸变修正，但没有具体的指标留给了我们巨大的想象空间——是不具备检测条件？还是修正值不理想？！不得而知。 图5 4. 光栅衍射效率。由于光栅是光谱仪中的核心分光元件，故光栅的衍射效率对于系统的光学传输效率至关重要。下图6为透射光栅效率曲线，图7为反射光栅效率曲线。通过对比即可发现，透射光栅效率曲线非常平滑，没有明显的凹陷和尖锐的突起。我们知道实际测量的样品的吸收光谱，如果光栅的特性中本来就有凹陷，则可能对于测量带来较大的误差，因为难以确定光谱曲线中的凹陷到底是光栅引起还是样品的特性引起。其次从效率值来看，同样是可见光范围，透射光栅的效率在70%以上，而反射光栅效率曲线则有较大起伏，甚至低于40%；即使考虑到光栅的个体差异，反射光栅仍保持大体的趋势，因此，从衍射效率及曲线平滑性来说，无疑是透射光栅更佳。（注，所采用的光谱曲线均为进口光栅，分别为芬兰Specim公司的透射光栅和美国CVI公司的反射光栅）。 图6 图7 5. 光栅的偏振影响。在实际的光谱测试中，特别是对于有机物的定型测试，偏振光通常对于测量有较大的影响，因此我们除了要关注光栅的平均效率曲线，还需要了解s和p偏振条件下的效率曲线。从上图6和图7可以很容易判断孰优孰劣。 6. 光谱仪总的传输效率。正式由于优良的光学设计和采用性能更佳的透射光栅，使得我们的透射型成像光谱仪的系统总传输效率可达到50%以上；而市面上的反射型成像光谱仪的指标上则没有做任何说明，从核心元件光栅的效率即可判断，该系统的传输效率一定不会高于50%。 综上所述，我们认为采用基于PGP光栅的透射型的成像光谱仪具有成像质量好，体积小巧，性能优良且售价适中的特点，是目前高光谱成像技术的第一选择。