光谱仪器的光学系统
拉曼光谱仪器的构成及各部分的作用
拉曼光谱仪器的构成及各部分的作用
拉曼光谱仪是一种用于研究物质的分子结构和化学成分的仪器。
它主要由以下几个部分组成：
1. 激光源：激光源产生单色、单频、高亮度的激光光束，通常使用氩离子激光器、二极管激光器等。
2. 光学系统：光学系统包括透镜、反射镜和光栅等元件，用于对激光光束进行聚焦、衍射和分光，以及将样品上的散射光收集并传送到探测器上。
3. 样品室：样品室是放置待测样品的区域，通常有一个可调节的样品台，用于固定和定位样品。
4. 探测器：探测器用于接收样品产生的散射光，并转换为电信号。
常用的探测器包括光电二极管 (PD)、多道光电二极管阵列 (PDA) 和电荷耦合器件 (CCD) 等。
5. 分光光学系统：分光光学系统通过光栅或其他衍射元件将散射光按波长进行分离和选择，以便进行光谱分析。
6. 数据处理系统：数据处理系统包括计算机和相关的软件，用于控制光谱仪的操作、采集和处理光谱数据，并提供可视化的结果和分析报告。
拉曼光谱仪的工作原理是基于拉曼散射现象，当激光光束通过样品时，部分光子与样品中的分子相互作用，发生能量转移，产生了拉曼散射光。
通过测量和分析这些散射光的强度和频率变化，可以得到样品的拉曼光谱，从而了解样品的分子结构和化学成分。
总之，拉曼光谱仪器的各部分在整个测量过程中起着不同的作用，从激光源的产生到探测器的信号接收，再到数据处理与分析，每个部分都是不可或缺的，共同完成对样品的拉曼光谱分析。
光谱仪的分光(色散)系统
闪耀光栅的主要好处在于可使光能量集中在第 一光谱级次（m=1）的λb 与第二光谱级次（m=2）的λb/2 附近。 a) 在“自准”条件下（α=β=ε），闪耀波长与闪耀角的关系为 2dSinε=m·λbm，可根据
需要的闪耀波长λbm 来设计相应的闪耀角ε。 b) 光栅的闪耀并非只限于闪耀波长，而是在该闪耀波长附近的一定范围内也有相当程
度的闪耀。 c) 如图表示为闪耀光栅的特性。这种光栅的一
级闪耀波长λb1=560nm，有 86%的光强集中在 一级，而其余 14%被分配在零级和其他各级 中。从该图可以看出，该光栅的二级光栅光 谱的闪耀波长λb2=560/2=280nm，实际上， 光强的分布难与理论值完全相符，因为光栅 刻线形状不可能精确地控制使其完全一致， 图中表现了两条曲线的差别。 总之，闪耀光栅可将某一波长的 75-85%的光 强集中到某一级次上，从而消除了一般光栅 把光强集中在零级，而使其他级次的谱线变得很弱的缺点。
浙江师范大学分析化学2 NhomakorabeaRayleigh 原则，指一条谱线的强度极大值恰好落在另一条强度相近的谱线的强 度极小值处，若此时这两条谱线刚能被分开，则这两条谱线的平均波长λ与波 长差Δλ之比值，称为仪器的理论分辨率 R，即 R=λ/Δλ。对于平面光栅，理 论分辨率 R=λ/Δλ=m·N，由此表明光栅的分辨率为光谱级次 m 与总刻线 N 的乘 积，不随波长改变而改变。 当级次 m 增加时，角色散率、线色散率及分辨率均随之增加。这时光栅偏转的 角度也越大，它在衍射方向的投影也越少，因而光栅的有效孔径也随之越小， 因此，光谱强度也相应减弱。 实际分辨率由于受许多客观误差因素的影响，总是比理论分辨率差，一台单色 仪的分辨率是它能分辩的最小波长间距，这个波长间距不但有赖于仪器的分辩 本领，而且也与狭缝的宽度、狭缝的高度及光学系统的完善性有关。在扫描式 单色仪中，分辨率通常用半强度带宽值报出（如图）。 谱线是狭缝的单色像，虽然采用窄狭缝对提高分辨率有利，但是，如果用太窄 的狭缝就会使光强度明显地减弱，在平面光栅的 ICP 光谱仪中用的狭缝宽度一 般为 20um 左右。
原子吸收光谱仪参数
原子吸收光谱仪配置及参数指标（约66万）厂家：美国PE公司型号：900T1. 系统描述火焰、石墨炉一体机原子吸收光谱仪,无须切换。
2. 光学系统和检测器2.1实时双光束系统，全光纤光路；自动选择波长和峰值定位；2.2波长范围：190-900nm ；2.3光栅刻线密度：≥1800条/mm ；*2.4双闪耀波长：236nm及597nm;在整个紫外/可见区都有高的光强度；*2.5光栅有效刻线面积：≥60mm×60mm；2.6光谱带宽：0.2、0.7、2.0nm，软件控制狭缝宽度和高度均可自动选择；2.7灯架数：≥8灯灯架，无需转动灯，可连接空心阴极灯、无极放电灯，自动选灯，自动准直，自动识别灯名称和设定灯电流推荐值；*2.8检测器：阵列式多象素点固态检测器，在紫外区和可见区都有最大的灵敏度，样品光束和参比光束同时检测。
3. 火焰系统3.1气体控制：三路气体控制，全计算机控制和监视燃气、助燃气；3.2安全保护：燃烧头识别,燃烧头安装,端盖安装,雾化器安装,水封,水位监控,火焰监控,高温监控,突然断电仪器会从任何操作方式按预设程序自动关机；3.3燃烧器系统：全钛燃烧头，火焰在光路中自动准直，燃烧器的垂直、水平位置自动调节，任意角度转动，自动位置最佳化。
3.4燃烧系统：可调式通用型雾化器，耐腐蚀，带宝石喷嘴，Ryton材料预混室；3.5点火方式：计算机控制自动点火；3.6排液系统：排液系统前置以利于随时检测，确保安全。
4. 石墨炉系统4.1气体控制：内、外气流由计算机单独控制，绝对分开，氩气消耗量＜0.7L/min；4.2电源：石墨炉电源内置，直流电加热。
*4.3温度控制：TTC真实温度控制，实时功率补偿；石墨炉温度准确度≤±10℃；4.4石墨管：一体化弧型平台石墨管，可50uL大体积进样。
*4.5石墨炉采用纵向塞曼背景校正，同时石墨炉采用全包式横向加热方式。
*4.6石墨炉配备全彩色摄像装置，以便实时监测石墨炉进样针的位置、样品溶液的干燥、灰化等过程。
原子吸收分光光度计 aa-7020技术参数
原子吸收分光光度计（AA-7020）是一种广泛应用于化学分析和实验室检测的仪器。
它通过测量样品中吸收特定波长的光线来确定样品中的元素含量，具有高灵敏度、高精度和高分辨率的特点。
本文将围绕原子吸收分光光度计（AA-7020）的技术参数进行全面解读，以便更好地了解和使用这一先进的分析仪器。
一、光学系统1.1 双通道光谱仪AA-7020采用双通道光谱仪，能够同时测量样品和参比溶液的吸收值，提高测量的准确性和稳定性。
1.2 光源该仪器配备有钨灯和锗灯两种不同的光源，可满足不同元素的测量需求。
1.3 色散元件AA-7020采用高性能的色散元件，能够有效地分离吸收线，提高光谱分辨率。
二、控制系统2.1 气路系统AA-7020的气路系统采用精密的气动阀门和流量控制装置，确保进样、清洗等操作的精确控制。
2.2 加热系统仪器配备先进的加热系统，能够对样品溶液进行恒温加热，提高分析的稳定性和精确度。
2.3 控制软件AA-7020配备了功能强大的控制软件，能够实现自动化测量、数据处理和结果输出，大大提高了实验效率和数据可靠性。
三、性能指标3.1 灵敏度AA-7020的灵敏度达到了ppb（10-6）甚至ppt（10-9）量级，可以满足对微量元素的分析要求。
3.2 精确度仪器在大范围内均能保持较高的分析精确度，可靠地反映样品中元素的含量和分布情况。
3.3 线性范围AA-7020具有宽广的线性范围，能够满足不同浓度样品的分析需求，无需稀释。
3.4 检测限仪器的检测限较低，可以对微量元素进行准确检测，满足质量控制和环境监测的需要。
四、其他特点4.1 自动化程度高AA-7020具有自动进样、自动清洗、自动测量等功能，操作简便，提高了实验的效率和可重复性。
4.2 多种分析模式该仪器支持快速扫描、标准曲线法、比对法等多种分析模式，灵活适用于不同类型的实验需求。
4.3 多元素分析AA-7020能够分析多种元素，包括金属元素、非金属元素等，适用范围广泛。
光谱仪器的光学系统
{ 2nuTA S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
2 S ) z III IV
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W nuTAz z
单色光与高斯象面交点离高斯象点的坐标为：
{ 2nuTA (初级) S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy (初级) SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
光线与高斯象点的距离
2 2 3 r (2nuTAy ) (2nuTAz ) SI
{ 2nuTA S z(y z ) S (2yz) (S
2 2 z I II
2nuTAy SI y(y2 z 2 ) SII (3y2 z 2 ) (3SIII SIV ) 2 y SV 3
a 2 (3S III SIV ) b 2 (S III SIV )
4、畸变：
下脚标为V的象差系数项
3 2nuTA S y V
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弯曲小，所以不考虑
（2）视场 (视场角为 2 w ) 准直物镜的视场 子午面内 弧矢面内
2a1 2tgw1 0 f1 2b1 2tgw1 f1
成象（暗箱）物镜的视场 l 子午面内 2tgw2 (l为一次摄取的谱面长度) f2 l cos 谱面倾斜时 2tgw2 f2 对于单色仪或分光光度计，子午面视场角很小
直读光谱仪原理
直读光谱仪原理直读光谱仪是一种用于分析样品光谱特性的仪器，它能够将样品产生的光谱信号转化为数字信号，通过计算机进行处理和分析。
直读光谱仪的原理主要包括光学分析、光谱仪构造和光谱数据处理三个方面。
首先，光学分析是直读光谱仪的核心原理之一。
光学分析是利用光学元件对样品产生的光谱信号进行分析和处理的过程。
光学元件包括光源、入射光束整形器、样品室、光栅和检测器等。
光源产生的光线经过入射光束整形器后，进入样品室与样品发生作用，产生特定的光谱信号。
然后，经过光栅的色散作用，将光谱信号分解成不同波长的光线，最后被检测器检测并转化为电信号。
其次，光谱仪的构造也是直读光谱仪原理的关键部分。
光谱仪的构造主要包括光学系统、光电检测系统和数据处理系统。
光学系统是由光源、入射光束整形器、样品室、光栅等光学元件组成，它们共同完成对样品产生的光谱信号的分析和处理。
光电检测系统包括检测器和信号放大器等部件，用于将光学系统产生的光谱信号转化为电信号。
数据处理系统则是利用计算机对电信号进行处理和分析，最终得到样品的光谱特性信息。
最后，光谱数据处理是直读光谱仪原理的重要环节。
光谱数据处理主要包括信号采集、信号处理和数据分析等步骤。
信号采集是指将光学系统产生的光谱信号转化为电信号，并通过检测器进行采集。
信号处理是指通过信号放大器对采集到的电信号进行放大和滤波处理，以提高信噪比和准确度。
数据分析则是利用计算机对处理后的信号进行分析和处理，得到样品的光谱特性参数。
总之，直读光谱仪原理主要包括光学分析、光谱仪构造和光谱数据处理三个方面。
通过对这些原理的深入理解，可以更好地掌握直读光谱仪的工作原理和应用方法，为科研和实验工作提供更精准的光谱分析数据。
太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计
太 阳极 紫外 成像 光 谱 仪光 学 系统 设计
刘 壮 ，巩 岩
１ ．中国科 学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学 国家重点实验室 ，吉林 长春 ２ ．中国科学院研究生 院，北京 １ ０ ４ ００９ １ ０ ３ ３０３
摘
要
在极紫外波段对太 阳进行超光谱成像观测是研究 太 阳上层 大气 ，日冕 中等离子物 理特性 的重要手
ｐｘｌ ｉｅ ，系统 总长度 约为 ２８ｔ。 － ． ｎ
关键词
光学设计 ； 成像 光谱仪 ； 极紫外 ；离轴抛物 面反 射镜 ；超环面光栅
文献标识码 ： Ａ Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ —５３ ２ １ ）３０ ３—５ ＯＩ １ ． ９ ４ｊｉｓ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—８ ４０
低。
１４ 光 栅 选 择 ．
光栅所 对应的线分辨率公式为
ｄ ｄ ｏｆ Ａ ｃｓｘ Ｘ ｃ ｓ（ ）ｏ（ ） ｌ
（） ２
探 测器 可分辨的最小波长差为
ｄ 一 ８ 一 Ｑ￡ ｅ
ｄｃｓ（）ｏ （ ） ｏｆＡ ｃ ｓｘ ｌ
７ ７
（） ３
狭缝像 的几 何宽度对应的光谱带宽为
一ａ
根据所设 的像元空 间分辨 率与象元 尺寸 可得系 统焦距 ：
Ｆ＝２５ ８ ３ ７ ． １ｍｍ。系统焦距与望远镜焦距 的关 系
Ｆ ： ｆ（＇ｒ ｒ／ ） （） ５
其 中： ，为望远镜 焦距 ， ｒ 光栅放 大率 。为 确定 望远 镜 ｒ／ 为
焦距与光栅 的参数 ，先将 ｒ确定为 １２ ０ｉｎ，入射孔径直径 ０ ｌ Ｙ２ 设为 １５１ｎ， ０ Ｉ 偏心量设 为 １０ｒｌ ， Ｔ２ ０ Ｔ 分别取 ｌ 组 不同的 ／／ ｎｌ ８ ｒ
红外光谱仪的内部结构
红外光谱仪的内部结构
红外光谱仪通常由以下几个主要部分组成：
1. 光源：用于产生红外辐射的光源。
常用的光源包括黑体辐射源、钨灯和高频驱动的红外激光器等。
2. 光路系统：用于引导光线进入和离开光谱仪的光学组件。
光线从光源经过反射镜、透镜、棱镜等光学元件，最终聚焦在样品上，然后再经过一系列光学元件被引导至检测器。
3. 样品室：用于容纳待测样品的空间。
样品室通常由一个透明的窗口和适当的样品支架组成，以保证样品能够与光线有效地相互作用。
4. 检测器：用于测量样品吸收、散射或反射红外辐射的器件。
最常用的检测器是红外光谱仪常见的光电探测器，如热电偶探测器（Thermocouple Detector，TCD）、铟锑(Indium Antimonide,InSb)、碲镉汞(Tellurium Cadmium Mercury,TCD)
和硅(PIN)探测器等。
5. 数据采集与处理系统：用于采集、处理和分析检测器所测量到的信号。
这部分系统通常由一台计算机和相应的数据采集卡、信号放大器、滤波器、放大器、数模转换器等组成。
这些部分在一个封闭的外壳中进行组装，以保障光路系统的稳定性和免受外界干扰。
整个仪器的内部结构精密而复杂，旨在确保准确的光学测量和信号处理。
紫外可见近红外光谱仪结构
紫外可见近红外光谱仪结构紫外可见近红外光谱仪（UV-Vis-NIR光谱仪）是一种广泛应用于光学分析领域的仪器，用于测量材料在紫外（UV）、可见（Vis）、近红外（NIR）区域的光谱特性。
下面是UV-Vis-NIR光谱仪的一般结构和组成部分：1.光源：光谱仪通常配备了一个光源，用于产生光束以照射样品。
光源一般采用氘灯或钨灯，来提供紫外和可见光谱范围的光线，同时一些仪器也配备了近红外光源。
2.光学系统：光谱仪的光学系统包括多个光学元件，如反射镜、光栅、滤光片等。
这些元件用于分散和选择不同波长的光，使其通过样品和到达检测器。
光栅是一种常见的光分散元件，用于将光按波长进行分光处理。
3.样品室：样品室是放置样品的装置，以接收光线进行测量。
样品室通常是一个透明的容器，内部装有样品架或样品池。
在紫外可见光谱仪中，样品室通常是光密封的，以防止外界光线的干扰。
4.检测器：用于测量样品室中经过的光线的强度的检测器位于样品室的另一侧。
常用的检测器包括光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），它们能够将光信号转化为电信号。
近红外光谱仪通常配备更敏感的探测器，如InGaAs探测器。
5.信号处理和数据分析部分：光谱仪配备了相应的电路和软件，用于信号放大、滤波、数据记录和分析。
它可以对接收到的光信号进行处理和展示，在计算机上生成光谱图像，并提供相关的分析结果。
这些部分组合在一起，构成了UV-Vis-NIR光谱仪的基本结构，它们协同工作，使光谱仪能够测量不同波长范围内的光谱特性，应用于物质分析、化学研究和材料科学等领域。
成像光谱仪
成像光谱仪成像光谱仪是一种重要的仪器，用于分析物体的光谱特征。
它将物体反射、辐射或透射的光通过光学系统进行收集和分析，从而得到物体的光谱图像。
成像光谱仪的出现极大地推动了光学领域的发展，并在许多领域得到了广泛的应用。
成像光谱仪的工作原理是利用光的分光特性和光的成像特性相结合。
它利用光具有不同波长的特点，将物体反射、辐射或透射的光分解成不同波长的光信号，然后通过光学系统将这些光信号成像在感光面上，最后得到物体的光谱图像。
成像光谱仪的光学系统通常由光学透镜、光栅、光纤等组成，光谱成像采用的是分光成像技术。
成像光谱仪的应用十分广泛，尤其在遥感、地质勘探、农业生态、环境监测等领域被广泛使用。
在遥感中，成像光谱仪可以获取地表的光谱信息，对地表特性进行分析和研究，如土地覆盖、植被状况、水质等。
在地质勘探中，成像光谱仪可以探测地下物体的光谱反射和发射特性，为地下矿藏的检测和勘探提供了有效的手段。
在农业生态中，成像光谱仪可以对植物的光合作用进行监测，评估植物的生长状态和营养状况，为农业生产提供科学依据。
在环境监测中，成像光谱仪可以对环境中的污染物进行监测和分析，为环境保护和治理提供参考。
成像光谱仪的优势主要在于其高精度、高灵敏度和高分辨率等特点。
通过成像光谱仪，可以实现高精度的光谱分析和成像，以及对物体的光谱特性进行精确的定量和定性分析。
其高灵敏度能够对微弱光信号进行捕捉和分析，对于光纤光源、低强度光源等的探测具有较好的效果。
同时，成像光谱仪的高分辨率可以实现对物体的高清晰度成像，提供更精确的光谱信息。
然而，成像光谱仪也存在一些挑战和限制。
首先，成像光谱仪在数据处理和解析方面需要强大的计算能力和高效的算法支持。
其次，成像光谱仪的制造和维护成本较高，需要专业的技术人才进行操作和维修。
此外，成像光谱仪的使用环境对其性能和稳定性也有一定要求，特殊的工作环境可能会对仪器的准确性和精度产生一定影响。
总的来说，成像光谱仪是一种非常重要的仪器，能够在许多领域为科学研究和应用提供有力支持。
光谱分析仪使用方法说明书
光谱分析仪使用方法说明书一、引言光谱分析仪是一种用于测量物质吸收、发射或散射光谱的仪器，广泛应用于化学、生物、材料科学等领域。
本说明书旨在详细介绍光谱分析仪的使用方法，帮助用户正确、高效地操作该仪器。
二、仪器概述光谱分析仪采用先进的光学系统和检测器件，可实现高精度的光谱测量。
仪器包含以下主要部件：1. 光源：用于发射特定波长的光线，常见的光源包括白炽灯、氘灯、氙灯等。
2. 光栅：通过光栅的衍射效应，将入射光线分解成不同波长的光谱。
3. 样品室：放置待测样品的空间，保证样品与光线的正常相互作用。
4. 检测器：用于接收、测量样品发射或吸收的光信号，并将其转换为电信号。
5. 控制系统：包括光学系统、电子系统以及数据处理和显示系统等，用于操作和控制整个仪器。
三、仪器准备在使用光谱分析仪之前，请按照以下步骤进行仪器准备：1. 安装：将光谱分析仪稳定地安装在干净、稳定的工作台上，并保证充足的通风和周围环境的干净。
2. 电源连接：将仪器的电源线连接到稳定的电源插座，并确保电压符合仪器要求。
3. 光源检查：检查光源的正常工作情况，确保光线稳定且光谱范围符合实验要求。
4. 校准：根据仪器要求，进行必要的校准步骤，以确保测量结果的准确性。
四、样品准备在进行光谱分析之前，需要准备好样品，并按照以下步骤进行处理：1. 样品选择：根据实验要求，选择合适的样品进行分析，并清洁样品以确保无杂质影响分析结果。
2. 样品装载：将清洁的样品放置于样品室中，并调整样品位置以保证光线能够正常照射和接收。
3. 样品数量：根据实验要求，确定需要分析的样品数量，并按照仪器的容量进行样品装载。
五、测量操作完成仪器准备和样品处理后，可以按照以下步骤进行测量操作：1. 仪器启动：打开仪器电源，并按照操作面板上的指示启动仪器。
2. 光谱选取：选择合适的光谱范围和分辨率，并进行相应的设置。
3. 扫描模式：根据实验要求，选择适当的扫描模式，例如连续扫描或单次扫描。
第3章 光谱仪器系统-3.3 色散系统
艾里分布
相邻光束光程差
2nl cos
相邻光束相位差 2 4nl cos 4nl cos c 叠加振幅
S st 1 r e r e
2
2 i
4 i 2
r e
6 i 3
透射光强（艾里分布）
2 2
s 1 r 2 1 r 2ei
1
4R s 1 r 2 IS I 0 1 sin 2 2 4 1 2 cosr r 1 R 2
2 2
自由光谱范围、半宽度和锐度
自由光谱范围
fsr
半宽度
c 2nl cos
自由光谱范围
1 d sin 1 d sin k k 1 k k 1
光栅光谱级次重叠问题（Cont.）
级次重叠问题：光谱范围为290~870 nm，290~435 nm的2 级次光会叠加在1级次光的580~870 nm位置上 解决方法：在1级次光的580~870 nm位置上，放置435 nm 的高通滤光片，即阻止波长435 nm以下光通过
第3章 光谱仪器系统
3.1 光谱仪器概论
3.2 光源
3.3 色散系统
3.4 探测器 3.5 光谱信息化处理
3.3 色散系统
3.3.1 棱镜
3.3.2 光栅
3.3.3 法布里-帕罗干涉仪
3.3.4 傅立叶变换干涉仪
3.3.5 其它
概述
基本功能：将复色光分解为单色光
色散系统是光谱仪器的核心部件
光栅的光谱分辨本领
光栅方程 角色散率
d sin sin k
光谱仪器的光学系统-像差
子午光线对交点离开主光线的垂直距离K 用来 子午光线对交点离开主光线的垂直距离 T’用来 表示此光线对交点偏离主光线的程度
像面 入瞳 KT’
而弧矢光线对的交点离开主光线的垂直距离 Ks’用来表示此光线对交点偏离主光线的程度。 用来表示此光线对交点偏离主光线的程度。 用来表示此光线对交点偏离主光线的程度
1、球差： 球面像差的简称 球差：
以孔径角U 入射光线的高度为h 对应的球差称为 以孔径角 max入射光线的高度为 max，对应的球差称为 全孔径（边光） 全孔径（边光）球差 以孔径角U入射光线的高度为 以孔径角 入射光线的高度为h 入射光线的高度为 孔径或 带光 带光（ 若h/hmax=0.7，则称为 孔径或0.7带光（相应的球差 ，则称为0.7孔径 为带光球差） 为带光球差）
光学系统中对某一给定孔径的光线达到 δL’ =0的系统称为消球差系统 的系统称为消球差系统 的系统称为 单透镜的球差与焦距、 单透镜的球差与焦距、相 对孔径、 对孔径、透镜的形状及折 射率有关。 射率有关。 对于给定孔径焦距和折射率 的透镜， 的透镜，通过改变其形状可 使球差达到最小。 使球差达到最小。
彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大
彗差的大小与光束宽度、物体大小、光阑位置、 彗差的大小与光束宽度、物体大小、光阑位置、 光组内部结构（折射率、曲率、孔径） 光组内部结构（折射率、曲率、孔径）有关 对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜）， 对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜）， 常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。 常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。 正弦差等于彗差与像高的比值，用符号 正弦差等于彗差与像高的比值，用符号SC’表示 表示
折射后的成像光束与主光束 OBY’失去了对称性。 失去了对称性。 失去了对称性 在折射前主光线是光束的轴线， 在折射前主光线是光束的轴线， 折射后主光线就不再是光束轴线。 折射后主光线就不再是光束轴线。 不同孔径的光线在像平面上形 成半径不同的相互错开的圆斑。 成半径不同的相互错开的圆斑。
光谱仪光路设计
光谱仪光路设计
光谱仪光路设计是指设计一套适合进行光谱测量的光学系统，包括光源、样品、检测器和光学元件的选择和安排。
一般来说，光谱仪光路设计可以分为以下几个步骤：
1.选择合适的光源：根据需要测量的光谱范围和光谱强度要求，选择合适的光源。
常用的光源包括白炽灯、氘灯、钨丝灯、氙灯等。
2.选择合适的样品舱：根据需要测量的样品类型（固体、液体、气体）选择合适的样品舱。
样品舱有时需要具备温控功能，以确保测量的稳定性。
3.选择合适的光学元件：根据需要测量的光谱范围和分辨率要求，选择合适的光学元件，如色散棱镜、光栅等。
光学元件的选择关系到光谱仪的分辨率和准确性。
4.设计光路布局：根据光学元件的选择和样品舱的位置，设计
光学系统的具体布局。
通常包括光源、样品舱和检测器之间的光路传输路径。
5.考虑光学元件的调整和对准：在搭建光学系统时，需要注意
光学元件的调整和对准，以确保光路的稳定性和准确性。
6.选择合适的检测器：根据需要测量的光谱范围和灵敏度要求，选择合适的检测器。
常用的检测器包括光电二极管、光电倍增
管、光电探测器等。
7.测试和校准：在设计完成后，对光谱仪进行测试和校准，以确保测量结果的准确性和稳定性。
总结起来，光谱仪光路设计需要考虑光源选择、样品舱设计、光学元件选择和布局、光学元件对准、检测器选择以及测试和校准等方面的因素。
这些因素的选择和安排将直接影响到光谱仪的分辨率、准确性和稳定性。
便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制
便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制一、本文概述拉曼光谱学作为一种重要的无损检测技术，已在化学、物理、生物、材料科学等领域展现出广泛的应用前景。
便携式拉曼光谱仪，作为一种新型的、可随身携带的分析工具，其便携性、快速性和准确性使得现场实时分析成为可能，对于现场检测、环境监测、食品安全等领域具有重要的应用价值。
本文旨在探讨便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制，通过对光学系统的深入研究与优化，以期提升便携式拉曼光谱仪的性能和实用性。
文章首先概述了拉曼光谱学的基本原理和便携式拉曼光谱仪的发展背景，阐述了便携式拉曼光谱仪在各个领域的应用价值。
接着，文章详细分析了便携式拉曼光谱仪光学系统的设计原则和技术要求，包括激光光源的选择、光学元件的匹配、光路的布局与优化等方面。
在研制过程中，我们注重光学系统的紧凑性和稳定性，通过合理的光路设计和精确的元件选型，实现了光学系统的高效、稳定运行。
文章还介绍了便携式拉曼光谱仪的实验验证与性能测试，包括光谱分辨率、信号稳定性、测量速度等关键指标的评价。
实验结果表明，本文设计的便携式拉曼光谱仪光学系统具有良好的性能表现，能够满足现场快速检测的需求。
文章总结了便携式拉曼光谱仪光学系统设计与研制的主要成果和经验，并对未来的发展方向进行了展望。
我们相信，随着光学技术和制造工艺的不断进步，便携式拉曼光谱仪将在更多领域发挥重要作用，为现场检测和实时监测提供有力支持。
二、拉曼光谱仪的基本原理拉曼光谱学是一种散射光谱学，其基本原理基于拉曼散射现象，这是一种非弹性散射过程，涉及到光与物质分子的相互作用。
当入射光照射到物质表面时，大部分光会被反射或折射，但还有一小部分光会与物质分子发生相互作用，导致光子的能量和方向发生改变，这种改变就是拉曼散射。
拉曼散射过程中，光子与物质分子发生能量交换，使得散射光的频率发生变化。
如果散射光的频率小于入射光的频率，那么这个过程被称为斯托克斯拉曼散射；反之，如果散射光的频率大于入射光的频率，那么这个过程被称为反斯托克斯拉曼散射。
光谱仪的分光原理
光谱仪的分光原理光谱仪是一种将复合光分解为光谱线的仪器，广泛应用于各个领域，如化学分析、生物医学和天文研究等。
光谱仪的核心部件是分光系统，它可以将复合光分解为单色光。
下面将详细介绍光谱仪的分光原理。
一、分光原理概述光谱仪的分光原理基于光的干涉和衍射。
当一束复合光通过某种介质时，不同波长的光将发生干涉和衍射，产生不同的相移和振幅变化。
这些变化可以通过某些特定的光学元件（如棱镜、光栅等）来分析和分解，从而得到单色光。
二、棱镜分光原理棱镜是一种常用的分光元件，其分光原理基于光的折射和反射。
当一束复合光照射到棱镜上时，不同波长的光将发生不同的折射角度。
通过调整棱镜的角度，可以将不同波长的光分散到不同的方向，从而实现光的分光。
棱镜分光具有简单、直观的优点，但也有一些缺点。
例如，棱镜的透射率和分辨率受限于材料的物理特性，且其色散系数（即不同波长光的折射率差异）通常不是常数，导致光谱分布不均匀。
三、光栅分光原理光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其分光原理基于光的衍射和干涉。
当一束复合光照射到光栅上时，不同波长的光将发生不同的衍射角度。
通过调整光栅的周期和入射角度，可以将不同波长的光分散到不同的方向，从而实现光的分光。
光栅分光的优点在于其具有较高的分辨率和较宽的波长范围，且其色散系数通常为常数，使得光谱分布更加均匀。
此外，光栅还具有较高的透射率和较低的噪声等优点。
然而，光栅的制作工艺较为复杂，成本较高。
四、其他分光原理除了棱镜和光栅外，还有一些其他的分光原理和光学元件也被应用于光谱仪中，如凹面镜、聚焦透镜等。
这些元件可以根据特定的需求和条件进行选择和使用。
五、总结光谱仪的分光原理是实现复合光分解为单色光的关键步骤。
棱镜和光栅是两种最常用的分光元件，它们分别基于光的折射和衍射来实现光的分光。
了解光谱仪的分光原理有助于更好地理解和应用光谱仪的性能和特点，从而更好地应用于各个领域的研究和分析中。
光谱系统硬件设计方案
光谱系统硬件设计方案
光谱系统是一种用于检测物质的光谱特征的设备，其硬件设计方案主要包括光源、光学系统、光谱传感器和信号处理模块等几个关键部分。
首先，光源是光谱系统中最重要的组成部分之一。
在硬件设计中，可以选择合适的光源类型，如白炽灯、氘灯或者LED等。
对于不同应用场景，选择合适的光源能够提供光谱检测所需的波长范围和光强度。
其次，光学系统是光谱系统的关键部分，主要用于收集样品反射或透射的光信号，并将其导向光谱传感器。
光学系统由凹透镜、凸透镜、反射镜等组成，其设计需要考虑光学元件的焦距、孔径和波长分辨率等参数。
然后，光谱传感器是光谱系统的核心模块，负责将光信号转换为电信号，并提供给信号处理模块进行进一步处理。
常见的光谱传感器有线阵CCD和CMOS传感器。
在硬件设计中，需要
根据应用场景选择合适的传感器类型和像素数量，以获得所需的光谱分辨率和灵敏度。
最后，信号处理模块用于对光谱传感器采集到的电信号进行处理和分析。
信号处理主要包括放大、滤波、采样和数学计算等步骤，可以使用模拟电路或数字信号处理技术来实现。
此外，信号处理模块还需要提供接口，使得用户可以方便地控制和获取光谱数据。
总的来说，光谱系统的硬件设计方案需要综合考虑光源、光学系统、光谱传感器和信号处理模块等多个方面的因素。
通过合理的硬件设计，可以提高光谱系统的性能和可靠性，满足不同应用场景的需求。
吸收光谱仪的基本构造
吸收光谱仪的基本构造吸收光谱仪（Absorption Spectrophotometer）是一种用于分析、检测和测量样品中物质吸收光谱的仪器。
它的基本构造如下：1. 光源系统吸收光谱仪的光源系统通常使用氙灯或钨丝灯，产生可见光、紫外光或近红外光等不同波长的光线。
灯的亮度可以通过光强调节器（调节灯丝电流）进行控制，以使光线的强度达到最佳状态，并可以进行波长扫描，以实现对复杂样品的分析。
2. 光学系统吸收光谱仪的光学系统包括凹面反射镜、入射狭缝、光栅、出射狭缝、检测器等组件。
其中，凹面反射镜用于把来自光源的光线聚焦在入射狭缝上，光栅用于将光分散成不同波长的光线，出射狭缝则用于选择特定波长的光线通过，进入检测器进行检测和测量。
3. 检测系统吸收光谱仪的检测系统通常使用光电二极管（Photodiode）或光电倍增管（Photomultiplier Tube）等检测器来测量样品中吸收的光谱。
当光线穿过样品时，吸收部分光谱的能量，检测器可以测量被吸收光线的能量，然后转换为电信号，通过放大电路和转换电路，最终输出为一个光谱图。
4. 电子控制系统吸收光谱仪的电子控制系统主要控制光源和检测器的工作状态，以及波长扫描、零校准、样品测量等操作。
通常使用微处理器或计算机控制仪器的自动化操作，提高操作效率和精度。
5. 样品室吸收光谱仪的样品室通常采用双光束设计，即样品和基准溶液（或空气）分别通过两条光路测量，在波长扫描时, 通过自动转盘更换不同离子的样品溶液、标准溶液和空白溶液, 每个波长都记录吸光度，以绘制出整个波长范围的吸收光谱曲线。
6. 数据处理系统吸收光谱仪的数据处理系统通常使用计算机进行数据的处理和分析，可以进行光谱图像的数字化和储存、峰识别和积分、定量分析等操作。
同时, 可以应用多种化学分析技术, 如光度法、比色法、荧光法、色谱法、电化学法等, 从而实现更加精确的定量及定性分析。
吸收光谱仪在物质分析领域有着广泛的应用，如医学、农业、生物、环境等领域，可以对不同类型的物质进行快速、准确的检测和测量，对于研究物质的性质和结构、探究物质的变化过程和反应机理等方面都有着重要的作用。
光谱仪的工作原理
光谱仪的工作原理光谱仪是一种用于测量光谱的仪器，它能够将光信号分解为不同波长的光谱成分，并对其进行分析和测量。
光谱仪的工作原理主要包括光源、光栅、光学系统和探测器等几个关键部分。
1. 光源：光谱仪的光源通常采用氘灯、钨灯或激光器等。
这些光源能够发出连续的光谱，或者特定波长的单色光，提供给光谱仪进行分析。
2. 光栅：光栅是光谱仪中的核心部件，它能够将入射光线按照不同波长进行衍射。
光栅通常由一系列平行的凹槽或凸起构成，通过改变光栅的参数，如凹槽间距和角度等，可以实现对不同波长光的衍射。
3. 光学系统：光学系统包括透镜、棱镜、光纤等光学元件，用于对入射光进行聚焦、分离和收集。
透镜能够将光线聚焦到光栅上，使得光线能够被光栅衍射。
棱镜可以用于分离不同波长的光，使得光谱仪能够同时测量多个波长的光谱。
光纤则可以将光线从光源传输到光学系统中的其他部件。
4. 探测器：探测器用于测量经过光栅衍射后的光信号。
常见的探测器包括光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（Photomultiplier）和CCD（Charge-Coupled Device）等。
这些探测器能够将光信号转化为电信号，并通过放大和转换等处理，最终得到光谱数据。
光谱仪的工作过程如下：首先，光源发出连续的光谱或特定波长的单色光。
这些光线经过透镜聚焦到光栅上，光栅将不同波长的光进行衍射。
衍射后的光线经过光学系统的分离和收集，最终到达探测器。
探测器将光信号转化为电信号，并经过放大和转换等处理。
这些处理过程可以增强信号的强度，并将其转化为数字信号。
最终，光谱仪将得到的光谱数据输出给用户进行分析和测量。
光谱仪的应用非常广泛。
在化学分析中，光谱仪可以用于测量物质的吸收光谱，从而确定物质的组成和浓度。
在物理学和天文学中，光谱仪可以用于研究天体的光谱，揭示物质的性质和演化过程。
在生物医学领域，光谱仪可以用于检测生物体内的荧光信号，实现药物分析和疾病诊断。
总结起来，光谱仪是一种能够将光信号分解为不同波长的光谱成分，并进行分析和测量的仪器。
光谱仪分光原理
光谱仪分光原理
光谱仪是用于分析光的成分和性质的仪器。
其分光原理基于光的色散和干涉效应。
下面将详细介绍光谱仪的分光原理。
光谱仪的基本构成包括光源、入口狭缝、衍射光栅和光探测器。
首先，光源发出的光通过入口狭缝限制光束的宽度，以确保光束的单色性和方向性。
然后，光束进入光谱仪的主要部件——衍射光栅。
衍射光栅由一些平行的凹槽构成，这些凹槽可以将光束分散成不同波长的光谱线。
当光束通过衍射光栅时，栅面上的凹槽会产生衍射效应，使不同波长的光被分散到不同的方向。
这就实现了光谱的分离。
接下来，分散后的光谱经过一个透镜进行聚焦，然后把光谱投射到光探测器上。
光探测器通常是光电二极管或光敏电阻等，它们会将光信号转化成电信号。
最后，光探测器接收到的电信号经过放大、滤波等处理，然后通过显示器或计算机进行显示和记录，从而得到光的光谱分布。
总的来说，光谱仪的分光原理是利用衍射光栅将光束中的不同波长的光分散开来，然后通过光探测器将分散后的光谱进行接收和分析。
这个原理使得我们可以通过观察光谱来研究物质的组成和性质。
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2nuTAz SII(2yz)
2nuTAz SII 2 sin 2
设a 2SII 2,r SII 2
( X a)2 Y 2 r2
是圆心离坐标原点（高斯象点）距离 为a，半径为 r 的圆方程
{ 2nuTAy SIy(y2 z2 ) SII(3y2 z2 ) (3SIII SIV) 2 y SV 3 2nuTAz SIz(y2 z2 ) SII(2yz) (SIII SIV) 2 z
2 f1
2 f2
角放大率
子午面内线放大率
V1
a2 a1
f2 A f1 A
f2
f1
一般地，色散元件处于对称的最小偏向位置，
1
则
V1 V2
f2 f1
（2）视场 (视场角为 2w)
准直物镜的视场
子午面内
2tgw1
2a1 f1
0
弧矢面内
2tgw1
2b1 f1
成象（暗箱）物镜的视场
子午面内
2tgw2
设光栏为圆形，用极坐标表述 y sin, z cos
{ 2nuTAy SI 3 sin
2nuTAz SI 3 cos
光线与高斯象点的距离
r (2nuTAy )2 (2nuTAz )2 SI 3
{ 2nuTAy SIy(y2 z2 ) SII(3y2 z2 ) (3SIII SIV) 2 y SV 3 2nuTAz SIz(y2 z2 ) SII(2yz) (SIII SIV) 2 z
3）可以用非球面反射镜消除球差。
反射镜作为物镜的缺点：
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 点都变成了轴外点，像差因而 增大，特别是彗差和像散。
l f2
(l为一次摄取的谱面长度)
谱面倾斜时
2tgw2
l
cos
f2
对于单色仪或分光光度计，子午面视场角很小
2tgw2
a2
cos
f2
弧矢面内
2tgw1
2b2 f2
a2 f2
（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’
当r / a 1/ 2
所有圆有公切线，切线通过高斯象点且与子午 面夹角为30º
慧差与光栏孔径的平方成正比
a与 2成正比 慧差还与物点离轴距离η有关
慧差点列图解
a 2SII 2,r SII 2 ( X a)2 Y 2 r2
慧差的特点：不对称
子午慧差KT（z=0）,弧矢慧差KS（y=0）
2
(5
y
2
3y2z)
SIIV 2 y( y2 z 2 ) SIIIII 3 (5 y2 z 2 )
SIIVI 3 (3y 2
z2)
1 2
(5SIIIIII
SIIVV ) 4
y
SVV 5
2nuTAz
(二级)
SIIz(y2
z2 )2
SIIII (4
yz)(y2
z2
)
S
III
I
2
(z3
3y2z)
{ KT
TAy
TAy 2
TAy0
KS
TAz
TAz 2
TAz0
子午慧差
视场不大时，可用OSC’表述慧差，OSC SII 2j
（j为拉格朗日-赫姆霍茨不变量）
OSC 1 usinU1(l lp ) u1 sinU (L lp )
表示光学系统对 正弦条件的偏离
慧差（光阑孔径，离轴距离有关）对光谱线的影响：
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。
Lc
M b b为孔径光阑到曲率中心 的距离 2f
M~0.5
3、像散
与物点离光轴距离（η2）或视场及孔径光阑的大小 （ρ）位置有关。 轴外物点在像面上形成的子午像散的长度为:
LA M 2D sin 2
(2nuTAy )2 a2
(2nuTAz )2 b2
1
式中
a 2(3SIII SIV) b 2(SIII SIV)
上式是半径为a和b的椭圆方程
{ 2nuTAy SIy(y2 z2 ) SII(3y2 z2 ) (3SIII SIV) 2 y SV 3 2nuTAz SIz(y2 z2 ) SII(2yz) (SIII SIV) 2 z
准直物镜的光瞳为 HA D12
4
成象物镜的光瞳为
HA
D2 2 4
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
1
D1 f1
2
HA
f1
成象物镜的相对孔径为
2
D2 f2
2
HA
f2
1 A f2 f2
2
A f1
f1
二、象差及其在光谱仪器成象系统中的影响
波象差W与几何象差 TAy和TAy的关系为：
光谱仪器的成象系统
§4.1 光谱仪器光学系统的象差
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 （2）色散元件仅分光不参与成象 （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
O1为准直物镜,高H,宽A O2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
{ nuTAy
W y
W
nuTAz z
单色光与高斯象面交点离高斯象点的坐标为：
{ 2nuTAy (初级) SIy(y2 z2 ) SII(3y2 z2 ) (3SIII SIV) 2 y SV 3 2nuTAz (初级) SIz(y2 z2 ) SII(2yz) (SIII SIV) 2 z
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
TAy
TAy 1
f 2 f1
TAy
2
TAz TAz 1
f 2 f1
T
Az
2
准直物镜的反向 光学系统 成象物镜的 光路垂轴象差 放大率 垂轴象差
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:
WFC
1 2
CI
(
y
2
z2 ) CII y
CI为轴上色差系数， CII为倍率色差系数
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
但光谱仪器中往往用色散元件作为孔径光阑，而通 常色散元件放置在距离准直镜 0.8~1.2f ’ 的位置， M约为0.5，因此，单个球面镜不能消除彗差
Lc 3MD2 /16 f
Wc
MD2
/
8
f
2 3
Lc
M b b为孔径光阑到曲率中心 的距离 2f
Lc 3MD2 /16 f
Wc
MD2
/
8
f
2 3
式中 SI ,SII,SIII,SIV, SV
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。
二级象差表示为：
2nuTAy
(二级)
SII y(y2
z2 )2
SIIII (5y2
z2)
S
III
I
SIIV
2z(
y2
z2
)
SIII 3 II
(2
yz)
SIIVI 3 (2
yz)
1 2
(SIIIIII
SIV III
)
4z
式中：
SII
,
SIIII
,
S
III I
,
S
III II
,
SIIVI
,
SIIIIII,
SIV III
,
SVV
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
2zyL
SII
z(3l 2
L2 ) l2
2 ylL
SIII
z(l 2 l2
L2 )
SIV
z(l 2 l2
L2 )
SV
【参考文献】
王之江，光学设计理论基础，科学出 版社，1965
1、球差：下脚标为I的象差系数项
{ 2nuTAy SIy(y2 z2 ) 2nuTAz SIz(y2 z2 )
drs
1 64
D3 f 2
（式中：D为反射镜 的直径，f’为焦距）
如经过两个相同球面反射，则球差叠加，弥散圆斑
半径为：
drs
2 64
D3 f 2
2、彗差
与轴外物点离光轴距离（η）或视场角及孔径光阑的 大小（ρ2）位置有关，在光谱仪器光学系统中，通 常用以下公式计算高斯象面上彗差弥散斑的大小
Lc 3MD2 /16 f