使用施密特-车尔尼-特纳光谱仪改进光谱

概要

多年来，人们一直使用传统的 Czerny-Turner (CT) 设计色散光谱仪来测量光谱。 CT 设计中固有的光学像差可能会导致光谱分辨率差、信噪比 (SNR) 低且峰形扭曲。这些像差在焦平面边缘变得更严重，导致一些研究人员放弃了传感器的这些区域。采用Schmidt-Czerny-Turner (SCT) 设计的新型色散光谱仪大大减少了光学像差，使光谱具有更好的光谱分辨率、信噪比和峰形。该光谱仪在焦平面上的性能非常出色，因此研究人员现在可以使用整个CCD 传感器获取他们的数据。

介绍

几十年来，色散光谱一直使用传统的车尔尼-特纳 (CT)光谱仪设计进行测量，如图 1 所示。在 CT 设计中，光穿过入口狭缝，从准直镜反射，被衍射光栅色散，然后带入通过仪器焦平面上的聚焦镜进行聚焦。

光学系统(例如摄谱仪)的注量定义为撞击单位面积的光子数量，如下所示：

其中 Φ = 通量 N = 光子数 A = 面积，通常以 cm 2或米2为单位测量

图 1.传统 Czerny-Turner 摄谱仪的光学布局(未按比例)。

对于摄谱仪，该面积可以是电荷耦合器件 (CCD) 传感器上照亮的像素数。高通量摄谱仪有许多光子撞击很少的像素。这意味着光在 x 轴上的扩散程度较小，从而产生更窄的峰值和更高的光谱分辨率。这意味着每个像素的光子越多，峰值强度就会越大，从而使峰值的信噪比 (SNR) 增加，定义为：

其中 SNR = 信噪比 信号 = 峰值高度 噪声 = 信号测量位置附近的基线噪声水平

由于噪声代表y 轴测量误差，因此高 SNR 意味着信号的大小与噪声的大小相比较大，这是优选的。

CT 摄谱仪设计中固有的光学像差包括像散和慧差。场像散是由于使用透镜或镜子对离轴源进行成像而产生的，并导致图像在水平和垂直方向上被拉长。慧差是由于使用镜子对离轴光源进行成像而产生的，它为图像添加了类似彗星的尾部，并导致光谱峰不对称地展宽，如图 2 所示。

场像散和彗形像差导致光子在大像素区域上扩散，从而降低了能量密度。结果是光沿 x 轴传播，降低了光谱分辨率。此外，每像素光子数越少，峰值就会越短，信噪比也会降低。测量光谱时，优选高通量光谱仪。

图 2.在 CT 摄谱仪上测量的光谱峰，由于慧差而出现不对称展宽。

Princeton Instruments 的新型色散光谱仪设计Schmidt-Czerny-Turner (SCT)或IsoPlane® SCT 320与传统的 Czerny-Turner光谱仪相比，大大降低了光学像差水平。如下图 3 所示，IsoPlane 的焦距为 320 mm，具有三位置轴光栅转塔。使用连接到聚焦镜的千分尺优化相机对焦。

图 3. Princeton Instruments IsoPlane SCT 320 Schmidt-Czerny-Turner 摄谱仪与 PIXIS 400 CCD 相机一起显示。

得益于其光学设计，IsoPlane在整个焦平面上的所有波长上都具有零像散，并大大降低了慧差水平。因此，IsoPlane比传统 CT 摄谱仪具有更高的能量密度。下面讨论使用这种高通量光谱仪测量光谱的优点。

使用IsoPlane改进发射光谱

原子发射线具有较窄的自然带宽，因此对光学像差异常敏感。使用 Czerny-Turner 和 Schmidt-Czerny-Turner 光谱仪测量的 435 nm Hg 发射线的光谱如图 4 所示。

图 4. 435 nm 汞原子发射线。红色：用 300 mm 焦距，Czerny-Turner 摄谱仪测量。蓝色：使用 320 mm 焦距，施密特-车尔尼-特纳摄谱仪测量。 (两个光谱均使用 1200 g/mm 光栅、10 微米狭缝宽度、焦平面中心一排和背照式 CCD)。

测量谱线时，守恒量是峰面积，这意味着宽峰必须短，窄峰必须高。这也意味着无论使用什么光谱仪进行测量，峰的面积都应该相同。用CT光谱仪测量的435 nm Hg发射线的光谱如图4中红色所示。该峰很宽，其强度的32%位于翼部，因此光谱分辨率较差。

使用IsoPlane测量的同一谱线的光谱在图 4 中以蓝色显示。IsoPlane峰很窄，只有5% 的峰强度位于机翼中，并且它具有比使用 CT 摄谱仪测量的峰更高的光谱分辨率。 IsoPlane峰值也是CT峰值的两倍，这意味着IsoPlane频谱具有更好的 SNR。这些改进是光学像差减少的结果，因此与 CT 摄谱仪相比，IsoPlane的通量更大。

另请注意图 4 中的红色部分，汞发射线由于慧差而不对称加宽。通过大大减少彗差，蓝色的IsoPlane 峰是对称的。在色散光谱中，需要在信噪比和分辨率之间进行权衡。必须使用窄缝来实现高光谱分辨率，但它们不能通过太多的光。通过消除像散和减少慧差，如图 4 所示，IsoPlane通过提供具有改进的光谱分辨率和改进的信噪比的光谱克服了这种权衡。

使用IsoPlane改进拉曼光谱

IsoPlane拉曼光谱的优点在图 5 中清晰可见，该图显示了用 CT 光谱仪测量的液体环己烷的 802 cm -1拉曼峰与 IsoPlane 测量的比较。

图 5.红色：使用 Czerny-Turner 光谱仪测量的液体环己烷 802 cm-1 波段的拉曼光谱。蓝色：使用IsoPlane 测量的相同峰值。(532 nm 激发，玻璃管中的样品，180° 反向散射，背照式 CCD，1200 槽/毫米光栅，全垂直分档)。

用CT光谱仪测定的红色峰的半峰全宽(FWHM)为9.16cm -1。使用IsoPlane测量的相同蓝色峰的FWHM 为 4.95 cm -1，几乎是使用 CT 摄谱仪测量的峰窄的两倍。这意味着IsoPlane可以比 CT 摄谱仪以更高的光谱分辨率测量拉曼光谱。

使用IsoPlane测量的光谱峰高高于使用 CT 摄谱仪测量的光谱峰高，这意味着IsoPlane提供的拉曼光谱具有更高的信噪比。同样，通过减少光学像差并增加通量，IsoPlane提供的光谱具有更高的光谱分辨率和信噪比。

减少光学像差的另一个优点是能够解析靠近的光谱特征。 IsoPlane能够从拉曼光谱中梳理出以前未见过的峰，如图 6 所示。

图6中箭头所示的峰是环己烷的1465cm -1 拉曼峰。红色光谱是用CT光谱仪测量的。请注意这个峰值是如何勉强解决的。使用IsoPlane测量的同一峰的光谱在图 6 中以蓝色绘制。在此光谱中，1465 cm -1峰清晰可见。这是由于IsoPlane具有更好的光谱分辨率，并且是提高分辨率如何增加光谱信息内容的示例，使研究人员能够从数据中了解更多信息。

来自焦平面所有部分的质量数据

传统 CT 设计中固有的光学像差在焦平面中心较小，向边缘逐渐变大。这会导致传感器顶部、底部、左侧和右侧部分的数据质量下降。这可以从表1中看出，其中列出了使用CT和SCT摄谱仪在CCD焦平面上的不同点处测量的液体环己烷的802cm -1拉曼谱带的FWHM 。

表 1.使用不同的光谱仪在 CCD 焦平面的不同位置测量的 802 cm-1 液体环己烷拉曼峰的波数 FWHM 。(数据由西北大学 Sam Kleinman 博士提供)

请注意，在整个传感器上，IsoPlane的光谱分辨率优于 CT 摄谱仪，因为IsoPlane的光学像差在焦平面的所有点上都很小，而不仅仅是像 CT 摄谱仪那样在中心。这些数据表明，用户可以信任通过在 CCD 传感器的左边缘、右边缘和中心测量的IsoPlane获得的数据。

结论

本文中的数据表明，通过减少光学像差和增加注量，与 Czerny-Turner 光谱仪相比，IsoPlane提供的光谱具有更好的光谱分辨率和信噪比。更高的光谱分辨率意味着使用IsoPlane可以清楚地看到靠得太近而无法通过 CT 摄谱仪分辨的峰。

与 CT 摄谱仪不同，像差会降低远离焦平面中心测量的数据质量，而IsoPlane在整个焦平面上的光学像差可以忽略不计，使研究人员能够信任传感器上任何位置测量的数据。

审核编辑 黄宇