摘要：光纖光譜儀自從上個(gè)世紀(jì)末被發(fā)明以來(lái)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。交叉式切尼-特納(Czerny-Turner，簡(jiǎn)稱C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)，是光纖光譜儀中常見(jiàn)的兩種分光光路，本文將詳細(xì)介紹交叉C-T光路和M型光路的基礎(chǔ)原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，交叉C-T光路結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度較高，而M型光路分辨率較高、雜散光性能更優(yōu)。

　　常見(jiàn)的微型光譜儀一般是基于光柵分光，光譜儀的光學(xué)光路系統(tǒng)主要分為反射式和透射式系統(tǒng)，透射式系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積較小并且光強(qiáng)較強(qiáng)，但在遠(yuǎn)紅外到遠(yuǎn)紫外的光譜范圍內(nèi)缺少制造透鏡所需要的材料，會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的光譜曲線不準(zhǔn)，因此現(xiàn)代微型光譜儀很少采用這種結(jié)構(gòu);反射式系統(tǒng)適用的光譜范圍較廣，雖然相比透射式系統(tǒng)光強(qiáng)較弱，但反射鏡不產(chǎn)生色差，利于獲得平直的譜面，成像鏡選用反射鏡能夠保證探測(cè)器系統(tǒng)接收光譜的質(zhì)量。所以市面上主要以反射式光路的光譜儀為主。

　　反射式光路中，目前光纖光譜儀市場(chǎng)，比較普遍采用的光路結(jié)構(gòu)形式分為：基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)(非交叉式)和交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)。基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)因其形狀酷似字母“M”，因此也常被稱為M型光路結(jié)構(gòu)，這便是M型光路的由來(lái)。

　　圖 1基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)，光路看上去像字母“M”，所以也稱為M型光路。
M型光路看上去也像阿拉伯?dāng)?shù)字“3”，因此奧譜天成M型光路光譜儀的名稱均帶有3(第三位數(shù)為3)，
如ATP5030、ATP5034、ATP3030、ATP3034

　　圖 2 交叉式C-T光路結(jié)構(gòu)示意圖

　　光譜儀光路的光學(xué)性能，主要受數(shù)值孔徑、球差、像散、慧差，及各種像差的綜合性影響，從而決定了系統(tǒng)的光學(xué)靈敏度、雜散光和光學(xué)分辨率。

　　常見(jiàn)光譜儀采用球面反射鏡，球差是必然存在的，球面鏡無(wú)法使系統(tǒng)中各球差項(xiàng)相消，交叉式和M型光路都只能校準(zhǔn)到一定的水平，球差是一種累加的方式。M型光譜儀可通過(guò)控制相對(duì)孔徑來(lái)使球差小于像差容限，從而滿足分辨率的要求，在設(shè)計(jì)中有選擇的縮小M型光路的數(shù)值孔徑可以比較明顯的提高分辨率。如果想更進(jìn)一步的消除球差影響，那么可以采用拋物面或者自由曲面的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是成本昂貴，加工難度大，所以目前并沒(méi)有被市場(chǎng)接受。

　　交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)的慧差相對(duì)于M型光路來(lái)說(shuō)有個(gè)相對(duì)突出的特點(diǎn)是，慧差可以被校準(zhǔn)到一個(gè)比較理想的數(shù)值，并且得到的光譜斑點(diǎn)較為規(guī)整。具體體現(xiàn)在對(duì)交叉式結(jié)構(gòu)分辨率的提升上。

　　M型光路在像散優(yōu)化中具有明顯的天然優(yōu)勢(shì)，可將像散校正到一個(gè)很低的水平。相反的交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路在像散的校準(zhǔn)方面比較弱，使得該光路的光譜分辨率較低。

　　M型光路由于是一種相對(duì)對(duì)稱的光學(xué)結(jié)構(gòu)，雜散光會(huì)略微好于交叉對(duì)稱型光路，但這并不會(huì)直接體現(xiàn)在兩種系統(tǒng)的雜散光終指標(biāo)上。雜散光的抑制主要還是通過(guò)外部光學(xué)陷阱，內(nèi)部采用吸光材質(zhì)或者增加粗糙度來(lái)提高對(duì)漫反射光的吸收，終達(dá)到消除雜散光效果。

　　交叉式切尼-特納光路是由M型光路發(fā)展而來(lái)，我們通常認(rèn)為交叉式光路是一種折疊式的光路，所謂折疊式就是在整體的結(jié)構(gòu)尺寸和空間利用上有必然的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)更緊湊合理。M型光路則是一種展開(kāi)式光路，在整體的尺寸和空間利用上不及交叉式切尼-特納光路。因交叉式光路為緊湊，所以在微型光譜儀中通常采用的是就是這種交叉式光路。而針對(duì)于分辨率要求比較高的場(chǎng)合則更多的采用M型光路。

　　分辨率是光譜儀重要的指標(biāo)之一，從像差優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)看，M型光路像差優(yōu)化效果更好，使得M型光路擁有更佳的分辨率，主要被用于高分辨率光譜儀中。而交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路則用于中低分辨率光譜儀中。

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的對(duì)比

　　奧譜天成的光譜儀系列產(chǎn)品齊全，依據(jù)M型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點(diǎn)和客戶需求，設(shè)計(jì)了多款相應(yīng)的儀器，各自均對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域：

　　l ATP2000、ATP5020、ATP3040、ATP5040采用了交叉型CT光路，重點(diǎn)突出結(jié)構(gòu)的緊湊性和高靈敏度;

　　l ATP3030、ATP5030、ATP3034、ATP5034采用M型光路，重點(diǎn)突出高分辨率和低雜散光。

　　狹縫50μm，光譜儀范圍200-1000nm兩者的分辨率對(duì)比。圖3可觀察到，M型光路整段分辨率表現(xiàn)為中間好，兩邊逐漸變差;交叉型光路往長(zhǎng)波方向分辨率逐漸變好。這部分的差異主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)優(yōu)化中，可從設(shè)計(jì)中去調(diào)整不同的分辨率走勢(shì)來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖4中可看出，在520nm處兩種不同光路的點(diǎn)列圖情況，M型光路的RMS半徑值為11 μm，交叉型CT光路的RMS半徑值為98 μm。M型光路實(shí)際測(cè)試FWHM=1.3nm，交叉型光路實(shí)際測(cè)試FWHM=2.5nm。M型光譜儀分辨率明顯好于交叉型光譜儀。在實(shí)際的使用和光譜儀選擇中，客戶可根據(jù)分辨率、雜散光、靈敏度、體積等幾個(gè)指標(biāo)有針對(duì)性的挑選相應(yīng)的光譜儀，從而使得儀器與使用需求匹配。

圖 3 奧譜天成生成的ATP2000和ATP3030

圖 4 兩種光路結(jié)構(gòu)的分辨率RMS spot radius對(duì)比，200-1000nm波長(zhǎng)范圍，從圖中可以看出，
交叉C-T型光路的光斑尺寸為75 μm，而M型光路的光斑尺寸僅為3.5 μm，M型光路的分辨率優(yōu)于交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(該光路應(yīng)用于ATP2000); (b)M型光路(該光路應(yīng)用于ATP3030)

　　圖 5 200-1000nm光譜范圍，兩種光路結(jié)構(gòu)在520nm處的分辨率對(duì)比，交叉C-T型光路為98.9 μm，M型光路為11 μm，可知M型光路的分辨率明顯優(yōu)于交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

表 2 奧譜天成采用M型光路的光纖光譜儀和采用交叉C-T光路的光纖光譜儀，型號(hào)的第三位數(shù)字為3的均為M型光路;型號(hào)*數(shù)字為5、6的，探測(cè)器具有制冷。

　　圖 6 奧譜天成的光纖光譜儀產(chǎn)品集