曲面光栅Vs平面光栅的性能优势

曲面光栅Vs 平面光栅的性能优势

光栅是光谱仪的心脏。在1950年之前，光谱仪使用棱镜来进行分光。从50年代开始平面刻画光栅代替棱镜开始大量的被使用在光谱仪中。现在随着全息技术的发展，另一种全新的功能卓越的分光器件——全息光栅登上了历史舞台。这种新型的光栅有着刻画光栅无可比拟的优势。利用全息技术可以根据不同要求在玻璃衬底上刻画出各种形状排列的光栅。全息光栅由于其刻画形状可控制技术使其可以对象差进行修正。由此产生出了像差修正的全息型曲面光栅光谱仪的全新设计。

图3. 曲面光栅光谱仪的结构

像差修正的全息型曲面光栅对比与普通的平面光栅，主要优势在于：

1，曲面光栅和平面光栅的比较：普通平面光栅光谱仪的光路一般都需要两片曲面反射镜，和一片平面光栅来组成。这样不可避免的由两片镜片引进很多杂散光。杂散光打到CCD 上会形成背景噪声，使系统信噪比降低。而且光学部件越多，引入的像差就越严重。

2，全息型光栅和刻画型光栅的对比：刻画光栅最大的问题在于其刻画面的粗糙度会导致比较大的散射光。全息光栅可以把这种散射将到一个很低的水平。

3，像差修正光栅和普通光栅的对比：像差会给CCD 相邻像素之间带来串扰，并且会对理论分辨率值造成很大的损失，尤其是非傍轴光。像差修正光栅则可以将像差对系统的影响降到很低的水平。

下边我们分别从系统的收光能力，系统杂散光，和系统像差三个方面来对平面刻画光栅和全息曲面光栅进行一下比较：

一, f-number （光圈）

系统收光能力由光栅的f-number 来表征，它定义为光栅焦距除以光栅数值孔径。像差修正曲面光栅可以允许更高f-number 。曲面光栅可以达到f/2，而一般的平面光栅光谱仪只能做到f/3到f/10。所以曲面光栅光谱仪相对于平面光栅光谱仪有着更高的收集光能力。以f/2的曲面光栅和f/5的平面光栅为例，其的收光能力之比为5^2 : 2^2 = 25:4, 可见f/2的曲面光栅的收光能力是f/5的平面光栅的6倍。

二, 系统杂散光，

表面粗糙度是造成杂散光的主要原因。刻画光栅的表面比较粗糙，而全息光栅则表面光洁度则高的多。此外在杂散光方面，曲面光栅还有两个设计上的优势：

图1. 标准的Czerny Turner光谱仪 图2. 标准的Fastie Ebert光谱仪

1，现在平面光栅光谱仪用的最多的两种结构是Czerny Turner 和 Fastie Ebert。在这两种设计中，由于光经平面光栅反射后，还要经过一个曲面反射镜进行聚焦，杂散光会被曲面反射镜收集并聚焦到输出口处。而曲面光栅则没有这个问题，曲面光栅本身集光栅和反射镜于一体，所以不需要再附加任何反射镜，所以聚焦杂散光到焦平面

2， 杂散光的另一个来源是二次衍射光，二次衍射光是指光栅衍射出来的光经聚焦镜面反射，又回到光栅的那部分光。而曲面光栅光谱仪则可以完全不受这方面因素的影响。

三, 像差修正功能

像差修正功能是全息曲面光谱仪最重要的优点之一。要了解像差修正的作用，我们先来了解一下光谱仪中像差的引入和其对系统性能的影响。

图4-a 像差对输出图像的影响 图4-b ，像差修正曲面光栅所成的像

图4是200um*1000um狭缝在焦平面上所称的像，我们现在考虑这个像投射在一个1mm 高的探测器像素上。从图4-a 我们可以很清楚的看出彗差，像散，球差所造成的影响。像散使像的高度变成7mm 。彗差使像变得比较宽，而且像得一边光强分布比较强，另一边比较弱。图形很模糊是因为球差引起的散焦所造成的。更重要的一点，像场弯曲使得像变成弯曲状。所有这些是如何造成的呢？

1，彗差（Coma ）：彗差是由非共轴光学件所引入的。彗差使光谱线非对称展宽，这种展宽直接导致了分辨率的下降和杂光的产生。对于探测器而言，这种现象不可避免的使探测器相邻像素之间产生串扰，从而影响光谱仪的分辨率。平面光栅，对于某个固定波长，可以通过调整光学器件的位置来消除像差。而具有像差修正功能的曲面光栅光谱仪则可以修正整个波段的像差。

2，像散（AST ）：也是由非共轴光学件所引入的。它可以使400um 光纤输入的光在焦平面上放大到2mm 。如果光谱仪使用的是0.5mm 高的探测器，那实际探测器接受到的光信号只有输入的25%左右。所以像散会使光谱仪的探测能力大幅下降。对于平面光栅光谱仪，可以利用非球面透镜消

除像散（Toroidal mirrors）。而带像差修正功能的曲面光栅无需要借助任何附加不见，便可以在很宽的光谱中修正像散。

3，球差（SA ）：球差是由于球面镜或球面反射镜所引入的：远离轴线的平行光线会聚焦在离球面较近的点上。所以一个球面镜不可能精确的将一个点的像成到另一个点上。球差会导致成像的模糊。如果不用非球面器件，球差是很难消除的。球差的直接后果是相邻像素之间的串扰。随着F-number 的增加，球差会相应增加。所以具有大通光口径的光谱仪系统（f/1.7），假如不进行球差修正是无法使用的。减小球差可以允许系统使用较小的狭缝以提高系统的分辨率。在一般平面光栅光谱仪设计中必须应用抛物面反射镜来修正球差。有像差修正功能的光栅可以对球差进行修正。

图5.a 慧差 图5.a 球差

4，像场弯曲（FC ）：图6是像平面的形状（或称为Petzel Field），像场的形状决定所成像的形状，像场弯曲会导致标度的错误和探测器相邻像素的串扰。也就是远离光轴的点在探测器平面

上会形成较大的光斑，这样有一部分光会落在旁边两个相邻像素上，导致测量结果失真。具有像差修正功能的光栅可以改变输出焦平面的场，所以这种光栅通常被称为平场光栅。没有像差修正功能的光栅系统设计对于远轴的光线总是会遇到空间分辨率和光谱分辨率下降的问题。

图6. 像场弯曲

综上所述，彗差，球差，像场弯曲等像差对每个像素接受到的光信号均会产生不同程度的杂光，这样会导致信噪比，光波长准确率的下降和串扰问题。

结论

考虑到系统收集光能力，杂散光和像差修正功能，具有像差修正功能的全息曲面光栅对比于普通平面光栅有着明显的优势。加之曲面光栅光谱仪简单的光路设计可以使光谱仪性能大大提高。