微型光纤光谱仪—交叉C-T型和M型光谱仪对比分析

　　摘要：光纤光谱仪自从上个世纪末被发明以来，其应用越来越广泛。交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner，简称C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)，是光纤光谱仪中最常见的两种分光光路，本文将详细介绍交叉C-T光路和M型光路的基础原理和各自的优缺点，交叉C-T光路结构紧凑、灵敏度较高，而M型光路分辨率较高、杂散光性能更优。

　　常见的微型光谱仪一般是基于光栅分光，光谱仪的光学光路系统主要分为反射式和透射式系统，透射式系统光学系统体积较小并且光强较强，但在远红外到远紫外的光谱范围内缺少制造透镜所需要的材料，会导致测得的光谱曲线不准，因此现代微型光谱仪很少采用这种结构;反射式系统适用的光谱范围较广，虽然相比透射式系统光强较弱，但反射镜不产生色差，利于获得平直的谱面，成像镜选用反射镜能够保证探测器系统接收光谱的质量。所以市面上主要以反射式光路的光谱仪为主。

　　反射式光路中，目前光纤光谱仪市场，比较普遍采用的光路结构形式分为：基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构(非交叉式)和交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构。基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构因其形状酷似字母“M”，因此也常被称为M型光路结构，这便是M型光路的由来。

　　图 1基本型切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构，光路看上去像字母“M”，所以也称为M型光路。

M型光路看上去也像阿拉伯数字“3”，因此奥谱天成M型光路光谱仪的名称均带有3(第三位数为3)，
如ATP5030、ATP5034、ATP3030、ATP3034

　　图 2 交叉式C-T光路结构示意图

　　光谱仪光路的光学性能，主要受数值孔径、球差、像散、慧差，及各种像差的综合性影响，从而决定了系统的光学灵敏度、杂散光和光学分辨率。

　　常见光谱仪采用球面反射镜，球差是必然存在的，球面镜无法使系统中各球差项相消，交叉式和M型光路都只能校准到一定的水平，球差是一种累加的方式。M型光谱仪可通过控制相对孔径来使球差小于像差容限，从而满足分辨率的要求，在设计中有选择的缩小M型光路的数值孔径可以比较明显的提高分辨率。如果想更进一步的消除球差影响，那么可以采用抛物面或者自由曲面的方式来进行优化设计，但是成本昂贵，加工难度大，所以目前并没有被市场接受。

　　交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构的慧差相对于M型光路来说有个相对突出的特点是，慧差可以被校准到一个比较理想的数值，并且得到的光谱斑点较为规整。具体体现在对交叉式结构分辨率的提升上。

　　M型光路在像散优化中具有明显的天然优势，可将像散校正到一个很低的水平。相反的交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路在像散的校准方面比较弱，使得该光路的光谱分辨率较低。

　　M型光路由于是一种相对对称的光学结构，杂散光会略微好于交叉对称型光路，但这并不会直接体现在两种系统的杂散光最终指标上。杂散光的抑制主要还是通过外部光学陷阱，内部采用吸光材质或者增加粗糙度来提高对漫反射光的吸收，最终达到消除杂散光效果。

　　交叉式切尼-特纳光路是由M型光路发展而来，我们通常认为交叉式光路是一种折叠式的光路，所谓折叠式就是在整体的结构尺寸和空间利用上有必然的优势，结构更紧凑合理。M型光路则是一种展开式光路，在整体的尺寸和空间利用上不及交叉式切尼-特纳光路。因交叉式光路最为紧凑，所以在微型光谱仪中通常采用的是就是这种交叉式光路。而针对于分辨率要求比较高的场合则更多的采用M型光路。

　　分辨率是光谱仪最重要的指标之一，从像差优化设计来看，M型光路像差优化效果更好，使得M型光路拥有更佳的分辨率，主要被用于高分辨率光谱仪中。而交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner)光路则用于中低分辨率光谱仪中。

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的对比

　　奥谱天成的光谱仪系列产品齐全，依据M型光路和交叉式切尼-特纳光路各自的光路特点和客户需求，设计了多款相应的仪器，各自均对应不同的应用领域：

　　ATP2000、ATP5020、ATP3040、ATP5040采用了交叉型CT光路，重点突出结构的紧凑性和高灵敏度;

　　ATP3030、ATP5030、ATP3034、ATP5034采用M型光路，重点突出高分辨率和低杂散光。

　　狭缝50μm，光谱仪范围200-1000nm两者的分辨率对比。图3可观察到，M型光路整段分辨率表现为中间最好，两边逐渐变差;交叉型光路往长波方向分辨率逐渐变好。这部分的差异主要体现在设计优化中，可从设计中去调整不同的分辨率走势来达到设计的要求。图4中可看出，在520nm处两种不同光路的点列图情况，M型光路的RMS半径值为11 μm，交叉型CT光路的RMS半径值为98 μm。M型光路实际测试FWHM=1.3nm，交叉型光路实际测试FWHM=2.5nm。M型光谱仪分辨率明显好于交叉型光谱仪。在实际的使用和光谱仪选择中，客户可根据分辨率、杂散光、灵敏度、体积等几个指标有针对性的挑选相应的光谱仪，从而使得仪器与使用需求完美匹配。

图 3 奥谱天成生成的ATP2000和ATP3030

图 4 两种光路结构的分辨率RMS spot radius对比，200-1000nm波长范围，从图中可以看出，
交叉C-T型光路的光斑尺寸为75 μm，而M型光路的光斑尺寸仅为3.5 μm，M型光路的分辨率优于交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(该光路应用于ATP2000); (b)M型光路(该光路应用于ATP3030)

　　图 5 200-1000nm光谱范围，两种光路结构在520nm处的分辨率对比，交叉C-T型光路为98.9 μm，M型光路为11 μm，可知M型光路的分辨率明显优于交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

表 2 奥谱天成采用M型光路的光纤光谱仪和采用交叉C-T光路的光纤光谱仪，型号的第三位数字为3的均为M型光路;型号首位数字为5、6的，探测器具有制冷。

　　图 6 奥谱天成的光纤光谱仪产品集