光谱仪原理与色彩学理论.PDFVIP

第二章 光譜儀原理與色彩學理論 當我們對一個入射光源作波長及功率的分析，將入射光依照不同 波長作選擇及分離的動作，在分離後即為特定波長的光波，這時就需 要一個光偵測器(Photo Detector)將光源依照功率的大小轉換成電流 的訊號，而後我們要將電流訊號經過阻抗轉換放大器(Transimpedance Amplifier)轉換成電壓模式，再經過數位轉換將光功率的大小依刻度 解調出來，顯示在螢幕的垂直軸上。同時，掃描紀錄器(Sweep Generator) 記錄了當濾波器移動時相對應的波長位置，如此就可以將整個波形的 軌跡顯示在二維直角座標系統中的螢幕上。下面分別對於一般光譜儀 元件作簡單之敘述 2-1 反射型光柵分光的基本原理 當一道光波照射到此光柵時，因為光柵的有限大小，會使的反射 的光波受到兩種作用的壘加，分別為光柵”孔徑的繞射”以及光柵” 不同孔徑間反射光的干涉”，讓我們可以看到疏密等間隔的週期性亮 暗變化的光分佈，而繞射的結果，則使的干涉條紋會受到一 sin c 函數 強弱變化的調制，由於 sin c 平方函數為一類似周期性變化，一般將其 9 不同週期，稱為不同的繞射階，因此兩者相乘的結果，可以得到如圖 2-1所示的典型反射光柵之反射光波光強度分佈的圖形。圖中可以看到 由於 sin 2 c 函數在靠近第零階(zero order)的位置亮度最大，我們在靠 近繞射第零階，得到一較亮的區域，而且在這區域中，還可以看到具 有周期性干涉條紋亮暗的變化，對一傳統的平面光柵而言，第零階的 位置，通常位於反射角(折射角)等於入射角所成像的位置。 對於這樣的光柵 ，若是入射光源內含有許多不同波長的成分，則 反射光波會因干涉的結果，而讓不同波長的光波反射到不同角度上， 就能產生分光的效果，而作為許多不同的應用，如單頻儀、光通訊分 光元件…等等各項應用。 圖 2-1 經由光柵分光光強度對角度的分佈圖 10 2-1-1 傾斜式光柵(Blazed Grating)分光原理 海更斯原理(Huygens’principle)說，從一點光源發出的一波前 (wavefront)上的每一點，又可視為另外一個點光源，而下一個波前， 可以看做是上一各波前上的所有點光源的壘加，按照海更斯原理，我 們可以將光柵分光視為光柵面上光波前的所有點光源，在輸出平面壘 加所得之結果。其效應分成光柵條紋間的干涉和個別光柵孔徑繞射的 效應。 ◎ 繞射效應 傾斜式光柵的橫剖面以及入射平面波與繞射平面波之結構圖，如 圖 2-2 所示，從繞射的現象說起，此時所考慮的光柵反射平面為一斜 ′ 面，因此當平面光波以 θI 的角度入射時，則相對於斜面的法線方向， ′ 繞射光會反射至θM 的角度上，整個光柵平面可視為平面光波入射後 產生的新波前，繞射可視為這新波前上的所有點光源在輸出平面干涉 ′ ′ 的結果。從圖 2-2 中，可以進一步看到， θ θ 發生在斜面鏡的反 I M 0 射關係上，因此可以利用調整斜面的傾斜角 θ ，而將第零階繞射反射 b 到不同角度上，這樣的光柵一般稱為傾斜式光柵(blazed grating)， 傾斜角 θ 稱之為此光柵的傾角 (blazed angle)。 b 11