光谱仪器的光学系统

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1、光谱仪器的成象系统一、光谱仪器理想成象系统的特点理想成象的特点：（1）准直物镜给出的光束绝对平行（3）成象物镜（或暗箱物镜）焦面所获得的单色象是狭缝的几何放大或缩小象，无变形（2）色散元件仅分光不参与成象§4.1光谱仪器光学系统的象差O1为准直物镜,高H,宽AO2为成象物镜,高H’,宽Aλ’S1为狭缝,高b1,宽a1,狭缝象高b2,象宽a2子午面为色散面光束截面在色散面发生缩放光谱仪器的理想成象系统光束截面在子午面和弧矢面的缩放不一样（1）线放大率弧矢面内线放大率据拉格朗日－赫尔姆霍茨定律，子午面内分别为物、象空间的光束半孔径角子午面内线

2、放大率角放大率几个相关的概念一般地，色散元件处于对称的最小偏向位置，（2）视场准直物镜的视场子午面内弧矢面内(视场角为)则成象（暗箱）物镜的视场子午面内弧矢面内(l为一次摄取的谱面长度)谱面倾斜时对于单色仪或分光光度计，子午面视场角很小（3）光瞳和相对孔径以棱镜的方光瞳限制物镜的圆光瞳，方光瞳的高由棱镜厚度H确定，光瞳宽度:对于准直物镜为A，对于成象物镜为Aλ’准直物镜的光瞳为成象物镜的光瞳为D1和D2分别为准直物镜和成象物镜的约化光瞳直径准直物镜的相对孔径为成象物镜的相对孔径为波象差W与几何象差TAy和TAy的关系为：{单色光与高斯象面

3、交点离高斯象点的坐标为：{二、象差及其在光谱仪器成象系统中的影响分别为：初级球差、慧差、象散、场曲、畸变光谱仪器中，光学系统的相对孔径较小(<1/5)，视场角较小(<15º)，二级以上象差较小，以初级像差为主。式中二级象差表示为：分别表示二级球差，二级慧差，第一轴外球差，第二轴外慧差，第一轴外慧差，二级象散，二级场曲，二级畸变式中：采用图(b)坐标，光谱仪器物镜的象差一般公式【参考文献】王之江，光学设计理论基础，科学出版社，19651、球差：设光栏为圆形，用极坐标表述光线与高斯象点的距离{{{轴外球差的点列图轴上球差的点列图初级球差的特点

4、：（1）球差使物点扩散（2）象点的直径与光栏（阑）孔径的三次方成正比球差对谱线轮廓的影响：轮廓扩散谱线增宽2、慧差：是圆心离坐标原点（高斯象点）距离为a，半径为的圆方程极坐标{{{所有圆有公切线，切线通过高斯象点且与子午面夹角为30º慧差点列图解慧差与光栏孔径的平方成正比慧差还与物点离轴距离η有关子午慧差慧差的特点：不对称子午慧差KT（z=0）,弧矢慧差KS（y=0）{视场不大时，可用OSC’表述慧差，（j为拉格朗日-赫姆霍茨不变量）慧差（光阑孔径，离轴距离有关）对光谱线的影响：慧差打破了对称，使物点成彗星状斑点，使谱线单边扩散，一边清晰

5、一边模糊，峰移动，假峰等表示光学系统对正弦条件的偏离3、象散和象面弯曲：极坐标上式是半径为a和b的椭圆方程式中{{{象散焦面变化象散与场曲纠正象散不一定能消除场曲纠正场曲不一定能消除象散象散：不同高度H的细光束聚焦于不同位置子午焦线和弧矢焦线的折中结果是圆焦线，它的弯曲就是象面弯曲或视场弯曲，简称场曲象散对光谱线的影响：（1）象散影响沿谱线高度分布的强度的均匀性，两端渐渐变弱。（2）象散会使谱线轮廓扩散。4、畸变：畸变与视场孔径三次方成正比畸变不破坏象面的清晰度，只改变象的相似性因狭缝很窄，畸变造成的谱线在象面内的弯曲比其他原因造成的谱线

6、弯曲小，所以不考虑{总结：5、色差：从波动光学的角度看，不同波长将有各自的波面，且其高斯象面和理想的倍率均不相同C，F两种色光的波差为:各种单色象差系数也随波长改变，产生色差，称各种象差的色差别，如色球差CSI，色慧差CSII在忽略色散系统象差时，光谱仪器的总象差由准直物镜和成象物镜共同决定。准直物镜的象差类似于成象物镜可由反向光路求得，考虑到色散系统的横向放大率Γ和整个光学系统的放大率，总的垂轴象差在两个方向的分量为光学系统放大率准直物镜的反向光路垂轴象差成象物镜的垂轴象差§4.2反射式准直和成像系统在光谱仪器中，反射镜作为物镜的优点：

7、1）适用于从远紫外到远红外的整个光学光谱范围，在远红外和远紫外区没有合适的光学材料制造透镜；在可见光和红外区，物镜口径较大时，反射镜比透镜工艺性和经济性好。2）反射镜不产生色差，用于摄谱仪和多色仪便于获得平直的光谱面；用在单色仪和分光光度计可以简化仪器结构，因为在进行波长扫描时不需要同时进行调焦的操作。3）可以用非球面反射镜消除球差。反射镜作为物镜的缺点：离轴角1）遮光问题近轴区域的光束被遮挡，造成光能损失；2）离轴问题，为避免遮光造成的光能损失，必须采用倾斜入射的光路，使入射光束与反射光束之间形成一个角度。虽然避免了光能损失，但原来轴上

8、点都变成了轴外点，像差因而增大，特别是彗差和像散。由初级象差理论，易得凹球面反射式准光物镜倒光路的象差，设l=0,求得初级象差系数为若同时考虑子午面和弧矢面的象差时，则球面反射镜的球差和慧差所