光谱仪器的光学系统.ppt

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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AS1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,子午面内线放大率,角放大率,几个相关的概念,

2、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A,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：,单色光与高斯象面交点离高斯象点的坐标为：,二、象差及其在光谱仪器

3、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(15)，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，1965,1、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：,（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

4、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30,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

5、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

6、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：,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

7、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形成的最小弥散圆直径为,一

8、、球面反射镜的像差,1、球差,反射式光谱仪器的光路为非共轴系统，像差计算比较复杂。定性介绍反射镜的像差，以分析不同装置特点。,球面反射镜不能使无限远的物点在像面上成理想象，而是形成有一定半径的弥散圆斑，半径为：,如经过两个相同球面反射，则球差叠加，弥散圆斑半径为：,（式中：D为反射镜的直径，f为焦距）,与轴外物点离光轴距离（）或视场角及孔径光阑的大小（2）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,式中：Lc是在子午面（色散方向）内的彗差，称为子午彗差；Wc是在弧矢面（狭缝高度方向）的，称为弧矢彗差，D为反射镜的直径，f为焦距，为视场角，即轴外点对物镜中心的张

9、角；M为表征光阑与反射镜曲率中心距离的参数,2、彗差,从公式可知，若将孔径光阑放置在反射镜的曲率中心，b=0，可以使彗差为0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 0.81.2f 的位置，M约为0.5，因此，单个球面镜不能消除彗差,M0.5,3、像散,轴外物点在像面上形成的子午像散的长度为:,可见若把孔径光阑放置在曲率中心M0，可消除象散,为校正像差，也常用抛物面物镜，其特点是：,对平行光束不产生球差；,初级彗差比球面镜大，并且彗差的大小与孔径光阑的位置无关。,与物点离光轴距离（2）或视场及孔径光阑的大小（）位置有关。,二、两种“等效”的装置形式,对于平面光栅光

10、谱仪器，大多采用凹面反射镜作为准直和成像系统的物镜，常被应用的几种装置都可以展开、简化为两种等效的装置形式,具体方法：将系统根据光线进行的方向，对光栅处于零级时的位置展开，从而略去光栅,a)C-T型装置单色仪系统b)等效的“Z”字型装置,1、Z字型装置,将准直物镜、光栅、成像物镜三者中心连线作为系统光轴，Z字型装置的特点是物（入射狭缝）和象（出射狭缝）分别处于光轴的两边。,如果采用两个相同的球面物镜，当两个狭缝中点都处在系统的主截面上，两个球面镜所产生的彗差符号相反，总彗差是每个球面镜个别彗差之差。,如果采用两个相同的抛物面镜，两个抛物面镜所产生的彗差符号相同，总彗差是每个抛物面反射镜彗差之和

11、，且比用球面镜所产生的彗差大很多。,因此，Z字型装置应采用两个球面镜作为物镜。,2、U字型装置,物（入射狭缝）象（出射狭缝）都处于光轴的同一边，如果采用两个相同的球面物镜，狭缝中点位于主截面上时，总彗差是单个物镜的个别彗差之和；,用两个相同的抛物面物镜时，总彗差是彗差相减。,因此在U字型装置中，用两个抛物面镜作为物镜。,三、二次衍射的避免,反射镜作为准直和成像物镜时，除了必须解决像差的校正问题，还需要避免二次衍射和多次衍射,二次衍射或多次衍射会使其他波长的光重叠到仪器设定的要出射的波长的光束上去，增大仪器的杂散光，使输出光束的纯度变差，为了避免多次衍射的产生，可以增大离轴角度，但也同时会增加彗

12、差和像散,二次衍射问题,使光栅转动的轨迹始终处于物镜外缘法线的外侧，这时光栅出射的任何一条衍射光线投射到物镜后都不可能再返回到光栅上，因而不会产生二次衍射和多次衍射。,最小离轴角为,凯利（Cary）最小离轴角原理,一、艾伯特-法斯梯(Ebert-Fastie),4.3 反射式平面光栅系统,根据入射狭缝和它几何象的中心是位于水平面或垂直面内可以分为水平对称式和垂直对称式,水平面：包含主轴，处于水平的主截面（色散面）,垂直面：包含主轴，垂直于主截面的平面,使用一个大的凹面反射镜兼作准直和成像物镜，光栅中心与反射镜曲率中心的连线作为系统的主轴,1889年首次提出，1952年实际应用制成高分辨率的红外

13、光谱仪，并研究了消除像散方法，采用弯曲的入射和出射狭缝,光栅、反射镜、入射狭缝和它几何象的中心位于水平面内，并且入射狭缝和它几何象的中心位于光栅两侧而对于主轴对称,水平对称式艾伯特-法斯梯系统简图,1、水平对称式艾伯特-法斯梯系统,球差，用球面反射镜作为物镜存在球差，只能通过控制相对孔径的方法使球差小于象差容限以满足分辨率的要求,彗差，水平式系统的优点之一是剩余彗差很小，将系统展开可以看出是属于Z字型装置，用球面做物镜时入射光束、衍射光束的彗差是相消的,对于零级光谱，彗差为零；对其它级光谱不为零,1）球差与彗差,对于其它级次光谱，彗差虽然相消但不为零，因为除零级光谱外，其它波长衍射后光束孔径都

14、与入射光束口径不相等，而且随衍射角 变化。,设光栅宽度为w,入射光束口径,衍射光束孔径,也可以写成,则剩余彗差所造成的弥散斑长度为,2）消除像散影响,法斯梯提出用弯曲的入射和出射狭缝消除由像散引起的狭缝象增宽，使仪器能够在保持高分辨率的条件下应用长狭缝，从而使q=h/f可取得很大，提高仪器效率,a）采用直狭缝时像散的影响,如图，狭缝端点投射到光栅上的入射光束相对光栅主截面是倾斜的，因而引起狭缝象的弯曲,将入射狭缝及其象、光栅投影在物镜所在平面，转90度,（为狭缝及其象端点与中点对主轴O点张角）,根据文献推导，入射狭缝端点发出的光束经过球面两次反射后产生的焦线长度为,狭缝很靠近光栅时,狭缝端点的

15、焦线在缝宽度方向（色散方向）的分量（图中红色线段）为：,h为狭缝高度，一般设计sin0w/2f，0为狭缝中点对物镜中心的张角（视场角）,为保持仪器分辨率，使狭缝象增宽不大于狭缝的正常宽度a0（即衍射半宽度），,得到狭缝的允许高度为,例：,一般仪器M=0.40.5，,可见光区，,近红外区，,可见光区，,近红外区，,由于象散的影响使得可用的狭缝高度很小，仪器q值很小。,结论：,b)采用弯曲的入射狭缝,将弯曲狭缝的曲率中心设置在主轴，曲率半径为 这时狭缝上任意一点发出的光束投射到光栅上入射角相同，对应的衍射角也相等，因而对应的焦线分布在曲率半径相同的同一圆周上,由于各点的焦线和圆相切，在色散方向引起

16、的缝象增宽，近似为,可证，在色散方向引起的狭缝象的增宽为,当把出射狭缝做成与入射狭缝同样曲率半径的圆弧状时，象散对分辨率的影响可以忽略不计，而狭缝的长度不再受象散的限制。,仍将前面直狭缝例子的数据代入,结论：,c)弯曲狭缝曲率半径的计算,由于存在谱线弯曲和横向放大率，狭缝象弯曲并不完全由象散引起，并且谱线弯曲与横向放大率都随波长而改变，因此当选定狭缝的曲率半径使其对某波长入射狭缝和它的象完全符合，但对其他波长仍然不符合时仍然引起狭缝象的增宽,艾伯特-法斯梯系统的优点之一是物镜的象差不使狭缝产生附加弯曲，狭缝象的弯曲完全由光栅产生，因而可以求得一个特解使入射狭缝和它的象对任何波长都完全符合，从而

17、消除像散和弯曲引起的增宽,由,光谱面上谱线弯曲的矢高为,将光栅方程,由两狭缝的弯曲矢高求狭缝曲率半径,入射狭缝象矢高,入射狭缝矢高,出射狭缝矢高,直入射狭缝时光栅引起的狭缝象弯曲矢高,代入上式，得,得,可以求得狭缝的曲率半径为,又,即狭缝象或谱线弯曲的曲率半径与波长无关。,（R为反射物镜的曲率半径）,水平式艾伯特-法斯梯装置的优点和缺点:,优点：,剩余彗差很小,狭缝像和谱线弯曲不随使用波长改变，可以完全消除像散和狭缝像弯曲的影响,采用圆弧状入射、出射狭缝，象散不引起象的增宽，可以用长狭缝而保持高的分辨率,很适合于用在单色仪和分光光度计的光学系统,缺点：,存在二次衍射和多次衍射，经过光栅后投射到

18、物镜的光束又返回到光栅上，再次受到衍射后经物镜汇聚到出射狭缝或者底片上，无法通过凯利原理进行避免。因而具有杂散光和较强的背景光，只能在物镜中部加一块挡板来减小,当光栅尺寸较大（大于50mm50mm）时，需要更大的凹面反射镜，尺寸太大，加工困难,2、垂直对称艾伯特-法斯梯系统,光栅、反射镜、入射狭缝和它几何象的中心位于垂直面内，并且入射狭缝和它几何象的中心位于光栅两侧而对于主轴对称，展开后可简化成在垂直平面内的Z字型装置，需采用球面作为物镜,若使用这种垂直对称配置构成单色仪,优点：,由于入射狭缝和出射狭缝始终上下对称于主轴，准直光束和衍射光束的孔径相等，因此，彗差可以完全抵消,没有二次衍射，没有

19、由此带来的杂散光和背景光,缺点：,入射狭缝的象在谱面内不仅弯曲，而且倾斜，由于同时存在象散和场曲，使狭缝象增宽,这时光栅的位置如果从物镜顶点计算为,如果让谱面平直，需要令，有,垂直对称式或水平对称式系统，其子午焦面（光谱面）都是弯曲的，用作摄谱仪或多色仪时，均须使谱面平直,根据推导，谱面弯曲的曲率半径为,R为物镜的曲率半径，b为光栅到物镜曲率中心的距离,得到平直谱面的 位置！,在水平对称装置中,用大球面镜的不同部分做准直物镜和成像物镜,在垂直对称装置中,由于子午焦面并不是像质最佳的平面，并且光栅位置还决定着谱面到主轴的距离，因此光栅位置的确定需要综合考虑谱线成像质量和仪器结构，进行反复计算,W

20、s成象部分所需宽度，Wc准直部分所需宽度,根据下图容易计算，为谱面宽度,从总体成像质量看，水平对称式比垂直对称式更好，单色仪器多用水平对称式，摄谱仪多用垂直对称式,二、切尔尼-特纳(Czerny-Turner简称C-T),由艾伯特-法斯梯装置演变而来，把大的凹面反射镜分成两个曲率半径相同的小凹面反射镜，但其曲率中心重合，光学性质与艾伯特-法斯梯系统一样。,优点：可避免二次或多次衍射，工艺性和经济性更好。,凹面球面镜作为物镜时须控制球差在像差容限以内，按照瑞利准则，要求球差所产生的波像差小于,（R为球面镜的曲率半径）,可以计算物镜焦距和许可F数(F=f/D)之间的关系为：,球面镜的波像差可表示为

21、：,按照瑞利准则，有：,1、球差,2、彗差,该装置等效为Z字型，当两个凹球面反射镜的半径相同并且入射狭缝和象都对称于主轴排列时，彗差消除，与水平式艾伯特-法斯梯系统相同。,彗差的波像差为：,式中，H为狭缝或象与光轴的距离，y为光束孔径的一半,由图，H与离轴角度的关系为,入射光束最大孔径记为，衍射光束最大孔径记为，R为球面镜曲率半径，准直镜记为R1，成像物镜记为R2,当满足下面条件时，整个系统彗差为零,即,非对称排列，这时如果满足下面条件，可以对选定波长使彗差相消为零。,对称排列，时，当满足 时彗差相消为零，这是在 的零级光谱的情形，在其他光谱级次和其他波长位置，系统彗差随波长的增加而逐渐增加,

22、1）,2）,讨论：,由法斯梯提出，入射狭缝及象距离反射镜主轴不等，如果选定彗差为零的波长是仪器工作光谱范围的中间波长，则光谱范围两端波长的剩余彗差都比同类的对称装置小。这时任意波长彗差值为,此由里奥（Leo）提出，这时任意波长的垂轴彗差为,对称排列，时，当满足下面条件时，也可以做到对某选定波长完全消除彗差,3）,当参数相同时，对于同样的波长，用焦距（R1,R2）不等的物镜可以使彗差减小一个因子。,可见，里奥装置比法斯梯的修正装置略好一些。,3、狭缝象的弯曲,对称式切尔尼-特纳装置狭缝象弯曲的情况与水平对称式艾伯特-法斯梯装置一样，在保证分辨率要求下尽量利用长狭缝，可以采用弯曲的入射和出射狭缝非

23、对称或焦距不等的对称式切尔尼-特纳装置,由于,在采用弯曲狭缝时只能对一个波长得到象散和谱线弯曲的补偿，选择消除象散影响的波长时需要考虑整个工作光谱区，使其他象散补偿不完全的波长的残余增宽满足分辨率或者单色性的要求,三、李特洛（Littrow）装置,为自准直装置，棱镜或光栅光谱仪都可采用这种结构。优点：结构简单，紧凑。,狭缝、凹面反射镜、光栅三者中心位于系统主截面上，入射狭缝和象位于色散系统一侧，等效为U字型装置，宜使用抛物镜作为物镜，要求不高时也可以使用球面镜。,可使用弯曲狭缝消除象散和谱线弯曲引起的光谱增宽，可推导入射狭缝、出射狭缝弯曲部分的矢高为,单色仪器进行扫描时，角不断变化，因此只能对

24、某波长求出狭缝的半径达到对特定波长补偿谱线弯曲和象散，对于其他波长不能完全消除,缺点：杂散光比较大，因为不仅存在二次衍射和多次衍射，且由于入射狭缝与出射狭缝距离很近，入射光束在反射镜位置产生的散射光可以直接到达出射狭缝。,垂直李特洛装置的另一个缺点是采用直的入射狭缝时谱线不仅弯曲而且倾斜，因此实际中很少仪器使用垂直李特洛结构,运用垂直的李特洛装置可以避免二次衍射，但狭缝距离近的因素仍然存在；,四、夏帕-格兰茨（Chupp-Grantz）装置,李特洛装置存在谱线弯曲随波长改变和杂散光的问题,夏帕-格兰茨装置提出用两个抛物镜分别作为准直和成像物镜，并且使两个物镜的离轴角度相同，这样彗差可以完全消除

25、,与艾伯特-法斯梯系统一样，狭缝的像完全不随波长而变，这样对整个工作光谱的波长都不会产生由于狭缝像不匹配而使光谱带宽增加，分辨率显著提高，使用两个反射镜，可以按照凯利原理安排光路，消除了二次衍射和多次衍射,缺点：抛物面加工困难，安装工艺要求高，成本高。,夏帕-格兰茨系统是前述四种系统中，在成像面上形成的弥散斑宽度最小的，适合用于高分辨率、高输出光通量、低杂散光的单色仪。,入射光束与衍射光束间夹角较大，可将出射狭缝放在不同方向，避免准直物镜的散射光直接到达出射狭缝。,罗兰圆装置的主要特点：入射狭缝中点、光栅顶点和出射狭缝中点三者都位于以光栅的曲率半径为直径的罗兰圆上，光栅法线与罗兰圆的直径重合，

26、光栅面在顶点处与罗兰圆相切。,同属于罗兰圆装置有罗兰、艾伯尼、伊格尔、帕邢琅支、径向和掠入射等成像系统。,满足该式的解有：罗兰圆、瓦茨沃斯、濑谷-波冈装置,罗兰圆装置的聚焦条件：,凹面光栅的聚焦条件：,4.4 凹面光栅成像系统,更换摄取波长范围时，要求光栅和暗盒沿相互垂直的直线移动并绕各自中心适当转动，谱面中心波长位于光栅法线。,罗兰成像系统,缺点：,一次摄谱范围窄,更换摄谱区时机构运动复杂,一、罗兰成像系统,二、帕邢-琅支（Paschen-Runge）装置,按罗兰圆关系安排固定光栅、入射狭缝和暗盒位置，可将一个或者多个（如S1和S1）入射狭缝放在工作光谱范围所要求的入射角的位置，光谱聚焦在罗

27、兰圆周上FF位置,在罗兰圆导轨上放置一系列暗盒，可以同时摄取各个波长范围和不同级次的光谱；,光学零件少、色散率大；,优点：,适用于大曲率半径的凹面光栅。,该装置产生的光谱中，有一个波段范围像散比较小，这个波段与入射狭缝的角位置有关，当狭缝固定以使某个波段的光谱像散最小后，其它波段的像散就较大,使用时选取对两个不同波段像散为最小的入射角，放置两个入射狭缝，在拍摄不同波段光谱时，选用来自不同狭缝的入射光束,属于自准直装置，入射角等于衍射角。,三、伊格尔（Eagle）装置,水平伊格尔光栅和暗盒放置在罗兰圆上，入射狭缝放在侧面，入射光束通过小直角棱镜反射到光栅后聚焦于谱面。,因暗盒不放在光谱的法向方向

28、，光谱色散率不是常数，而是随波长增加而增大。,对于同一波长，该装置的像散比帕邢-琅支装置的最小像散稍大。,从一个光谱区转换到另一个光谱区时，需改变：暗盒的角度、光栅的角度以及二者的距离。,需要同时进行三个动作：光栅沿入射狭缝与光栅中心的连线SG转动，光栅和暗盒均绕垂直主截面的轴线转动。,三个动作需精确同步，还要保证入射狭缝、光栅、暗盒始终位于罗兰圆上。,两支臂长等于罗兰圆半径的杠杆在C点连接，入射狭缝S1固定不动，S1C的转轴在入射狭缝处与暗盒支架固定；当S1C绕S1转动时带动暗盒相应转动，同时C点绕S1的转动带动GC在S1G的滑轨内移动，光栅支架与GC杆相连可以使光栅沿S1G连线移动并做相应

29、的转动，转换光谱时三个元件的位置变化，同时入射狭缝固定，光源和照明装置不变，使用方便，该装置的优点是结构紧凑，体积小。,四、掠入射装置,真空紫外区通常指波长小于195nm的远紫外光谱范围，由于空气中的氧、氮、水蒸气对该波段辐射的吸收很强烈，因此，用于该波段的光谱仪须抽真空。,也属于罗兰圆装置，入射角大于 80，入射光线掠入射光栅，使用于波长小于50nm的真空紫外光谱区,因此，要求该波段光谱仪器具有大的色散率，从而减小光程，使仪器体积尽量缩小。,入射狭缝与成像暗盒分别位于光栅两侧；,该装置通过增大入射角来增加线色散率；,垂直入射时光栅反射率较低（18），若采用掠入射（入射角大于85时），在波长小

30、于100nm的波段，反射率可提高到 80左右。,缺点：随着入射角增大，像散较大。,因此，光栅宽度不能太大，一般小于10mm,五、瓦茨沃斯（Wadsworth）,满足凹面光栅聚焦条件的另一个特解对应的装置，即用平行光束照明光栅，照相底片或探测器放在光栅的正对面（法线方向）,这时,得到,由,该装置特点：在光栅法线周围的谱线是消像散的,因为，根据弧矢光束的聚焦条件:,当 时,可见，弧矢焦点与子午焦点重合，说明没有像散。而法线两侧虽然有像散但比较小，用球面镜作为物镜会有一定的彗差，由于狭缝与光栅靠近，像差不大。用离轴抛物面反射镜时可以改善谱线成像质量。,六、濑谷-波冈（Seya-Namioka谢亚那米

31、奥卡）,根据罗兰圆外装置解而发展的装置类型,用凹面光栅构成单色仪时，前面各种形式的罗兰圆装置都不能做到入射狭缝和暗盒不动，仅仅靠转动光栅实现光谱扫描,单色仪需要从连续光源中分出所需波长，希望单色仪只要转动光栅便能进行波长扫描，而出射狭缝、入射狭缝可以固定不动,为此目的，要求：,这时r不变或r 最小，根据凹面光栅的聚焦条件：,将上式改写之后得,为入射光线与衍射光线的夹角,用 和光栅法线转角 代换式中的,得,利用上式，计算在不同 值，不同 值时，随转角 的变化情况，找到 不随 的变化而变化的 值，也就是找到 r 基本不变的范围和条件。,如图，对于不同的 值，时，随转角 的关系曲线，最合适的值是 左右，这时，而且在很大范围内基本保持不变。典型的濑谷波冈装置就采用这个数值,该装置的优点：结构简单，只转动光栅就能进行光谱扫描。,随着全息凹面光栅的发展，可以根据濑谷-波冈装置类型单色仪的参数专门设计用于这种装置的全息凹面光栅，使象散较大的缺点可以克服。,缺点：象散较大，因为入射光线和衍射光线间的角度较大，狭缝象的增高约为光栅刻槽长度的2/3,