Projeto óptico do espectrofotômetro

O sistema óptico é a parte central do espectrofotômetro. Com base nos princípios básicos do espectrômetro e da teoria do design óptico, com o objetivo de design específico de portabilidade, baixo custo e atendimento aos requisitos de design da faixa espectral e resolução, quatro esquemas de design viáveis, ou seja, o sistema Littrow, o sistema Albert Fastian , o sistema Cherney Turner e o sistema cruzado Cherney Turner foram comparados e analisados. Proponha uma estrutura cruzada assimétrica de Czerny Turner com uma grade de difração planar como elemento de dispersão como a estrutura do sistema para este projeto.

O sistema é simulado e otimizado por software óptico. Os resultados do projeto mostram que o sistema projetado tem uma faixa espectral de 360 ​​nm ~ 740 nm, uma resolução espectral de 10 nm, um número F de 5.25, uma expansão espectral de 44.1 mm e um volume de sistema de cerca de 80 mm × 69 mm × 62 mm, atendendo aos requisitos requisitos de design de alta precisão, tamanho pequeno e baixo custo.

Teoria do Design Óptico:
Geralmente, a aberração do instrumento óptico pode ser dividida em aberração monocromática e aberração cromática. Para aberração monocromática, há aberração esférica, aberração cometária, astigmatismo, curvatura de campo e distorção. Os principais métodos de correção para aberração incluem aberração esférica, coma e aberração cromática. Como os componentes utilizados no espectrofotômetro projetado são elementos refletivos, o sistema não apresenta aberração cromática. Portanto, apenas a aberração esférica e o coma precisam ser corrigidos.

A aberração esférica é causada pela incapacidade de feixes paralelos de diferentes aberturas convergirem em um único ponto. Pelo contrário, devido à aberração esférica, o colimador não pode converter toda a luz de qualquer ponto da fenda em um feixe paralelo. A aberração esférica pode causar alargamento dos contornos das linhas espectrais, desfoque das linhas espectrais e resolução reduzida. A aberração esférica do colimador e do espelho de imagem não pode ser eliminada por ajuste, portanto deve ser corrigida dentro da tolerância de aberração durante o projeto.

Devido ao coma, a luz emitida de um ponto na altura de uma fenda de eixo muito próxima não pode se tornar um feixe paralelo ao passar pela objetiva de colimação, e a estrutura do feixe é assimétrica. Pelo contrário, o espelho de imagem não pode convergir os feixes paralelos emitidos pelo sistema de dispersão para um único ponto.

A aberração do cometa também tem um sério impacto no contorno da linha espectral, não apenas causando difusão unilateral do contorno da linha espectral, reduzindo a resolução do instrumento, mas também causando deslocamento do valor máximo do contorno da linha espectral e até gerando falsas companheiras linhas. Portanto, o coma também deve ser limitado dentro da tolerância de aberração.

As lentes objetivas dos sistemas de colimação e imagem precisam corrigir erros esféricos e de coma. Com base na experiência, o critério de Rayleigh é geralmente usado como tolerância de aberração. Portanto, o critério de Rayleigh é que a aberração de onda máxima gerada pela aberração esférica residual e coma residual deve ser menor que. De acordo com a relação entre aberrações axiais e de frente de onda, as tolerâncias para aberrações esféricas e coma podem ser obtidas da seguinte forma:

Diferença esférica axial:

Desvio da condição de seno:

Na fórmula: D é a abertura efetiva da abertura, que no instrumento espectral é a largura efetiva do elemento de dispersão; F 'é a distância focal da lente objetiva;

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