CZ2014882A3 - Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření - Google Patents
Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2014882A3 CZ2014882A3 CZ2014-882A CZ2014882A CZ2014882A3 CZ 2014882 A3 CZ2014882 A3 CZ 2014882A3 CZ 2014882 A CZ2014882 A CZ 2014882A CZ 2014882 A3 CZ2014882 A3 CZ 2014882A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- lens
- air
- convex
- mirror
- focusing
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 48
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims description 17
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 title 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 43
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005139 ultra-violet Raman spectroscopy Methods 0.000 abstract 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 14
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 12
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 4
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000037351 starvation Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
- G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením, určeného pro Ramanovu spektroskopii v hluboké ultrafialové oblasti, obsahující vstupní aperturu tvořenou štěrbinou (1), za níž následuje kolimační objektiv (7), mezi nímž a následujícím fokusačním objektivem (8) je umístěn disperzní prvek (4). Za fokusačním objektivem (8) je uspořádán mnohakanálový detektor (6) záření. Kolimační objektiv (7) je tvořen alespoň hlavním zrcadlem (2), přičemž fokusační objektiv (8) je tvořen soustavou (9) čoček. Disperzní prvek je tvořen nejméně jednou difrakční mřížkou (4) a/nebo optickým hranolem (41).
Description
Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
Oblast vynálezu
Λ
Vynález se týká uspořádání optické soustavy vysoce světelného zobrazovacího spektrografu pro detekci spektra elektromagnetického záření, s vysokým rozlišením, určeného primárně pro Ramanovu spektroskopii v ultrafialové oblasti spektra, zejména pro identifikaci látek při určování jejich složení a struktury a při analýze povrchů či biologických systémů.
Dosavadní stav techniky
V současné době se pro detekci dopadajícího elektromagnetického záření ^5. rozlišeného podle vlnových délek využívají zejména spektrografy obsahující základní optické prvky, jimiž jsou: apertura pro vstupující polychromatický, obvykle divergentní, svazek záření - např. štěrbina. Dále kolimační prvek, který převádí divergentní optický svazek vycházející ze vstupní apertury na svazek kolimovaný - rovnoběžný. Dále disperzní prvek, obecně element způsobující ^0, refrakční disperzi (rozklad lomem) nebo difrakční disperzi (rozklad ohybem) polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky. Dále obsahují fokusační prvek, který vytváří obraz vstupní apertury - obvykle štěrbiny v určité fokální rovině v místě výstupní apertury, obvykle na plošném mnohakanálovém detektoru záření, tak, že záření velkého množství vlnových délek je zaznamenáváno současně. Disperzním prvkem u mnohakanálových detektorů bývá nejčastěji difrakční mřížka nebo disperzní hranol.
Poznámka kRamanově spektroskopii: Ramanova spektroskopie využívá pro studium struktury molekul Ramanova rozptylu. Ramanův rozptyl je nepružný rozptyl optického záření na molekulách zkoumané látky, při kterém je frekvence rozptýleného záření posunuta vůči frekvenci dopadajícího záření o hodnotu, která odpovídá rotačnímu nebo vibračnímu přechodu v molekule. Molekula se může X vyskytovat ve stavech, které mají energii nabývající pouze určitých přípustných hodnot - energetických hladin. Vibrační nebo rotační přechod je potom změna stavu molekuly vyznačující se skokovou změnou vibrační nebo rotační energetické hladiny molekuly. Vibrační energetická hladina je možná hodnota energie, kterou nabývá molekula při vibračním pohybu jejích atomů kolem X rovnovážné polohy. Rotační energetická hladina je hodnota energie, kterou může nabývat molekula při rotačním pohybu kolem osy procházející jejím těžištěm. Tyto energetické hladiny jsou závislé na konkrétní atomární struktuře i jejich prostorovém uspořádání, tedy na druhu zkoumané látky.
Ramanova spektroskopie se zabývá měřením neelasticky rozptýleného záření (Ramanova rozptylu) na molekulách zkoumané látky. Rozptýlené záření má tedy jinou vlnovou délku než záření dopadající, vlivem interakcí záření s vibračními a v některých případech i rotačními stavy molekul. Takto rozptýlené záření v sobě nese velké množství informace o charakteru a struktuře zkoumané n* látky. V ultrafialové oblasti spektra cca 205^270 nm je možné dosáhnout rezonančního zesílení Ramanova rozptylu biologicky zajímavých látek (proteinů, nukleových kyselin apod.) a získat tak další unikátní informace o těchto látkách.
Λ Ramanův rozptyl je relativně velmi slabý jev. Na spektrograf pro
Ramanovu spektroskopii jsou tedy kladeny vysoké nároky z hlediska jeho světelnosti, tj. množství záření přeneseného na detektor. Dále je potřeba J „ , ať dosáhnout vysokého rozlišení (0,03 x 0,06 nm) a spektrálního rozsahu desítky nanometrů.
Μ V současné době používané a komerčně dostupné spektrografy (firmy
Horiba Jobin Yvon, Princeton Instruments, Andor), použitelné i pro Ramanův rozptyl v UV oblasti, se skládají obvykle ze dvou zrcadel a reflexní difrakční mřížky. Případně je optická sestava doplněna ještě o jedno korekční zrcadlo, jak popisuje například Patent US 2013/^18^50 Al. Patent spočívá v návrhu zrcadlových zobrazovacích spektrografů, u nichž je soustava kolimační zrcadlo difrakční mřížka - fokusační zrcadlo doplněna ještě o alespoň jedno korekční asférické zrcadlo, jehož účelem je korekce mimoosých vad zobrazení (aberací), především astigmatizmu a komy. Výhodou zrcadlových systémů je jejich achromatičnost (absence barevné vady) a relativně vysoká odrazivost. Nevýhodou je naopak omezená možnost korekce ostatních optických vad, především astigmatizmu a komy. Navíc tyto spektrografy dosahují světelnosti maximálně pouze kolem f/4.
Lepší korekce optických vad, a tedy i vyšší světelnosti, je možné dosáhnout za použití čočkových objektivů. Ve viditelné spektrální oblasti jsou tyto systémy o světelnosti až f/1.8 a za použití transmisních mřížek (firma Kaiser, model Holospec f/1,8) velice dobře dostupné. Zcela jiná je ovšem situace Ý v ultrafialové spektrální oblasti, především díky limitovanému množství transparentních optických materiálů. Jsou vysoké nároky na konstrukci objektivů, roste složitost systému a jeho cena. V odborné literatuře je popsán pouze jeden spektrograf pracující v UV spektrální oblasti obsahující čočkové objektivy jako kolimačního i fokusačního prvku, který dosahuje nominální světelnosti f/2. Tento systém ale dosahuje spektrálního rozlišení pouze 12^14 cm 1 a jeho propustnost je omezena jak ztrátami na površích, tak i vinětací (stínění okrajových částí svazku) z důvodu velké vzdálenosti mezi kolimačním a fokusačním objektivem.
Úkolem vynálezu je vytvořit spektrograf, který dosahuje vyšší světelnosti (f/2), než je tomu u zrcadlových systémů, při zachování vysokého spektrálního rozlišení potřebného pro Ramanovu spektroskopii a při dosažení vyšší propustnosti, než je tomu u plně čočkového systému. Spektrograf by měl být použitelný pro mnohokanálové detektory vybavené chlazeným čipem detektoru a krycím sklem. Je požadováno využití kruhové pupily fokusačního objektivu pro difragovaný svazek záření. Systém musí umožňovat přeladitelnost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difrakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
Podstata vynálezu
Uvedený úkol do velké míry splňuje zobrazovací spektrograf s vysokým rozlišením, určený pro Ramanovu spektroskopii v hluboké ultrafialové oblasti, jehož optická soustava obsahuje vstupní aperturu tvořenou štěrbinou, za níž následuje kolimační objektiv, mezi nímž a následujícím fokusačním objektivem je umístěn disperzní prvek, a za fokusačním objektivem je umístěn mnohakanálový detektor záření. Podstata řešení spočívá v tom, že kolimační objektiv je tvořen alespoň hlavním zrcadlem, přičemž fokusační objektiv je tvořen soustavou čoček. Zároveň je disperzní prvek tvořen nejméně jednou difrakční mřížkou a/ nebo optickým hranolem.
Optická soustava zobrazovacího spektrografú může mít kolimační objektiv sestávající z asférického zrcadla a korekčního zrcadla s otvorem.
X Fokusační objektiv sestává ve výhodném provedení ze sedmi čoček, z nichž nejméně jedna má asférický povrch.
Vyšším účinkem spektrografú s optickou soustavou podle vynálezu je, že dosahuje vyšší světelnosti (f/2), než je tomu u zrcadlových systémů, při zachování vysokého spektrálního rozlišení potřebného pro Ramanovu spektroskopii. Také je dosaženo vyšší propustnosti, než je tomu u plně čočkového systému. Spektrograf lze využít s mnohokanálovými detektory vybavenými chlazeným čipem detektoru a krycím sklem. Výhodné je i využití kruhové pupily fokusačního objektivu pro difragovaný svazek záření. Vynález umožňuje přeladíteInost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difrakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
b tím <j
Vynález bude blíže vysvětlen za pomoci příkladů provedení doplněných výkresy:
obr. 1 je provedení s kolimačním objektivem tvořeným dvojicí zrcadel a s difrakční mřížkou a se sedmičočkovým fokusačním objektivem obr. 2 je jednodušší provedení s difrakční mřížkou jako disperzním prvkem, kdy fokusační objektiv je tvořen jedním zrcadlem, obr. 3 představuje příklad provedení s dvojicí zrcadel v kolimačním objektivu a soustavou pěti čoček ve fokusačním objektivu, obr. 4 znázorňuje příklad provedení, kdy rozklad polychromatického svazku je realizován disperzní soustavou sestávající z kombinace mřížky a hranolu.
uska. lačnění
Příklady/proveden/ vynálezu
Příklad 1
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 1, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního 2 a korekčního 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 takové velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek 11 vycházející ze štěrbiny 1 projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv 8 je tvořen soustavou 9 sedmi čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , 9.6 , 9.7 , přičemž jedna z nich má asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U difrakční mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku 11 na detektor 6, prochází tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 1.
cr2
Asférická plocha je definovaná vztahem z = ——---+ V A r.
l + ^-(l + K)c2r2 / kde c je křivost povrchu (převrácená hodnota poloměru), Kje kónická konstanta, r je radiální souřadnice a At jsou asférické koeficienty.
Parametry jednotlivých optických prostředí a až £ optické soustavy dle obr. 1 jsou uvedeny v následující tabulce 1, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
Tabulka 1: Parametry spektrografu dle obr. 1
| Příklad 1 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| 1 | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 1 |
| a | 401.789 | -180 | zrcadlo | Hlavní asférické zrcadlo 2 K = 0.107497, A, - -1.572858E-9, A6 = - 1.006896E-13, A, = 1.991723E-17, A10 = -1.855797E-21 |
| b | 93476.4 | 200 | zrcadlo | Korekční asférické zrcadlo 3 K = -4995714, A4 = -2.348767E-9, A6 = -2.497952E-13, A8 = 4.020043E-17, A10 = -3.148018E-21 natočeno o 20!°; v |
| c | rovina | 80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o -0.7^ (pro rozsah vlnový délek 250^272 nm) |
| úhel mezi optickými osami objektivů 7, 8 = 68° | ||||
| d | 224.497 | -6.293 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| e | 182.502 | -8.242 | vzduch | |
| f | 57.558 | -20.004 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| g | -93.609 | -0.296 | vzduch | |
| h | -63.458 | -16.898 | CaF2 | čočka 9.3 |
| i | 68.974 | -0.175 | vzduch | |
| j | 107.435 | -10.172 | CaF2 | čočka 9.4 |
| k | 97.214 | -6.266 | vzduch |
| 1 | 51.565 | -4.987 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| m | -41.336 | -0.619 | vzduch | |
| n | -42.117 | -20.034 | CaF2 | čočka 9.6 |
| 0 | 72.268 | -42.402 | vzduch | |
| P | -52.762 | -18.005 | tavený křemen | Čočka 9.7. K = -15.14056, A4 = -9.654539E-6, A6 = 2.199664E-8, A8 = -1.537923E-11 |
| q | -28.218 | -8.772 | vzduch | |
| r | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| s | rovina | -9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty |
Příklad 2
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena X na obr. 2, se na rozdíl od předchozího příkladu provedení skládá z mimoosového bikónického - asférického zrcadla 2. Fokusační objektiv 8 se skládá ze sedmi čoček 9J_, 93 , 93,9A , 9.5 , 9.6,9.7. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U difrakční mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Na kolimační objektiv 7 tvořený jedním hlavním zrcadlem 2 dopadá polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1 a odráží se na difrakční mřížku 4 . Na difrakční mřížce 4 dochází k difrakci světelného svazku - rozkladu na polychromatický svazek vlivem ohybu světla na mřížce 4 . Před dopadem světelného svazku na detektor 5, může a nemusí procházet tento svazek krycím sklem 4, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch v tomto konkrétním příkladu provedení jsou uvedeny dále v tabulce 2 .
Tabulka 2 : Parametry spektrografu podle obr.2:
| Příklad 2 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 1 |
| a | * | -190 | Zrcadlo | Zrcadlo 2 bikónický povrch *... poloměr η = -400.023; K, = -0.999427 poloměr r2 (kolmý na η) = -400.370; K2 = 0.998466 |
| b | rovina | 80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o -6.88^° (pro rozsah vlnových délek 205 χ 220 nm) |
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| c | 77.288 | 5.977 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| d | 233.929 | 7.676 | vzduch |
| e | -84.931 | 20.012 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| f | 64.985 | 1.869 | vzduch | |
| g | 54.381 | 25.005 | CaF2 | čočka 9.3 |
| h | -85.406 | 0.181 | vzduch | |
| i | 115.500 | 10.081 | CaF2 | čočka 9.4 |
| j | -93.643 | 5.606 | vzduch | |
| k | -54.296 | 15.016 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| 1 | 42.624 | 3.859 | vzduch | |
| m | 49.866 | 20.015 | CaF2 | čočka 9.6 |
| n | -76.024 | 45.024 | vzduch | |
| 0 | 34.906 | 18.024 | tavený křemen | čočka 9.7 |
| P | 26.760 | 10.022 | vzduch | |
| q | rovina | 1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| r | rovina | 9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde Kj značí konicitu |
Průřez svazku dopadající na fokusační objektiv 8 je přibližně kruhový, zatímco průřez svazku vycházející z kolimačního objektivu 7 a dopadající na difrakční mřížku 4 má průřez eliptický.
Příklad 3
Příklad provedení 3 se liší od příkladu 1 tím, že fokusační objektiv 8 se skládá z pěti čoček 9.1.9.2,9.3,9.4,9.5 .
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 3, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního zrcadla 2 a
X korekčního zrcadla 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny _1 projít a nebyl na okrajích viněto ván. Fokusační objektiv 8 se skládá z pěti čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , přičemž tři z nich mají asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního JQ objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku na detektor 6, může procházet tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 3. Asférická plocha je definovaná vztahem (A). Parametry jednotlivých optických prostředí a až o optické soustavy dle obr. 2 jsou uvedeny v následující tabulce 2, kde rozměry jsou uvedeny v mm
Tabulka 3: Parametry příkladu 3 provedení spektrografu:
| Příklad 3 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 4 |
| a | -401.79 | -180 | zrcadlo | Hlavní zrcadlo 2, * K = 0.107491, A4 = 1.572926E-9, A6 = -1.006967E-13, A8 = 1.991713E-17, A10 = -1.844422E-21 |
| b | 93664.6 | 200 | zrcadlo | Korekční zrcadlo 3 , natočeno o 20 K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A6 = -2.501973E-13, A8 = 4.018759E-17, A10 =-3.162602E-21 |
| c | rovina | -80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; Ť natočena o -2.7(,° (pro rozsah vlnový délek (2» 218x234nm) |
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| d | -72.079 | -3.000 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| e | -41.655 | -1.000 | vzduch | |
| f | -36.205 | -18.125 | tavený křemen | čočka 9.2 K = -0.011368, A4 = 3.305605E-7, A6 = 2.311898E-9, A8 = -7.310637E-13 |
| g | 70.164 | -4.099 | vzduch | |
| h | 54.186 | -3.275 | CaF2 | čočka 9.3 |
| i | -37.146 | -0.498 | vzduch | |
| j | -37.695 | -20.002 | CaF2 | čočka 9.4 |
| k | 75.983 | -39.398 | vzduch | K = -0.619901, A4 = 7.664860E-7, A6 = 2.173671E-9, A8 = -3.028988E-12 |
| 1 | -59.329 | -20.000 | tavený křemen | čočka 9.5 K = -2.313735, A4 = 4.698205E-7, A6= 1.901152E-8, A8=-2.225080E-11 |
| m | -36.803 | -10.314 | vzduch | |
| n | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| 0 | rovina | -9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 |
*Kde K značí konicitu a A, ostatní asférické koeficienty
Příklad 4
Příklad provedení č. 4, podle obr. 4, se liší oproti příkladu provedení č. 1 tím, že obsahuje navíc jeden disperzní hranol 41 v optické sestavě. Optický hranol 4j_ má dvě funkce: jednak vlivem zvýšení celkové disperze systému zvýší i spektrální rozlišení, jednak dojde ke kompenzaci rozšíření svazku (amanorfickému zmenšení) na difrakční mřížce 4, takže kolimovaný svazek dopadající a vycházející ze soustavy disperzních prvků 41,4 má přibližně kruhový průřez.
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 4, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního zrcadla 2 a
X korekčního zrcadla 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1 projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv 8 se skládá ze sedmi čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4,9.5 , 9.6 , 9.7. přičemž jedna z nich má asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů X· fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Jako disperzní element je mezi kolimačním objektivem a fokusačním objektivem umístěna kombinace hranolu 41 a difrakční mřížky 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku na detektor 7, může procházet tento svazek krycím sklem 5, X jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 4.
Asférická plocha je definovaná vztahem z =------—-------+ ΎΑγ + 71-(1 + K)c2r2 /
Parametry jednotlivých optických prostředí a až u optické soustavy dle obr. 4 jsou uvedeny v následující tabulce 4, kde rozměry jsou uvedeny v mm
Tabulka 4: Parametry příkladu provedení č. 4 spektrografu
| Příklad 4 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 4 |
| a | -401.79 | -180 | zrcadlo | Hlavní zrcadlo 2, K = 0.107491, A4 = -1.572926E-9, A6 = -1.006967E-13, A8 = 1.991713E-17, A10 = -1.844422E-21 |
| b | 93664.6 | 300 | zrcadlo | Korekční zrcadlo 3 , natočeno 0 20‘p; V K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A6 = -2.501973E-13, A8 = 4.018759E-17, A10 =-3.162602E-21 |
| c | rovina | 35 * | tavený křemen | Hranol 41 , - úhel natočení 56.38^. Vrcholový úhel 18Í°. |
| d | rovina | 169.26 | vzduch | |
| e | rovina | -90 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 0 frekvenci 3600 čar/mm; 9 natočena 0 3.5JJ (pro rozsah vlnový délek 218 ay234 nm) |
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| f | -9.511 | tavený | Čočka 9.1 |
| 224.724 | křemen | |||
| g | 182.405 | -9.187 | vzduch | |
| h | 57.466 | -18.616 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| i | -94.675 | -0.515 | vzduch | |
| j | -63.907 | -16.996 | CaF2 | čočka 9.3 |
| k | 68.392 | -0.158 | vzduch | |
| 1 | 108.433 | -10.276 | CaF2 | čočka 9.4 |
| m | 95.827 | -6.298 | vzduch | |
| n | 51.242 | -6.647 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| 0 | -41.349 | -0.977 | vzduch | |
| P | -42.500 | -20.147 | CaF2 | čočka 9.6 |
| q | 71.780 | -42.226 | vzduch | |
| r | -56.418 | -17.998 | tavený křemen | čočka 9.7 K = -15.31897, A4 = -7.803339E-6, A6= 1.732514E-8, A8 = -1.043447E-11 |
| s | -31.282 | -8.077 | vzduch | |
| t | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| u | rovina | -9 | vzduch |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde K značí konicitu a Aj ostatní asféric | cé koeficienty |
Další parametry společné pro všechny příklady provedení:
Světelnost spektrografu: min. f/2 $ Ohnisková vzdálenost fokusačního objektivu 8 : 100 mm
Rozlišení objektivů 7,8 : 40 čar/mm
Absolutní hodnota zvětšení optické sestavy: 0,5x
Spektrograf je určen pro mnohokanálové chlazené detektory 6 s těmito /φ parametry:
- velikost zobrazovaného pole min. 15^6 mm
- velikost pixelu: 13 x 13 pm až 26 χ 26 pm αχ*
- krycí sklo 5 z taveného křemene o tloušťce 0x1.5 mm
Spektrální rozlišení spektrografu je závislé na zvoleném spektrálním rozsahu (excitační vlnové délce) a například pro zmiňovaný příklad 1 provedení vynálezu je uvedeno v tabulce 5:
Tabulka 5: Spektrální rozlišení pro různé konfigurace spektrografu
| Konfig. | Exc. vlnová | Úhel | Spektrální rozlišení (cm1) |
| délka (nm) | natočení mřížky 4 (deg) | 500 cm1 | 1800 cm'1 | 3200 cm'1 | |
| 1 | 250 | -0.7 | 8.9 | 7.1 | 4.4 |
| 2 | 240 | 1.0 | 9.9 | 8.2 | 5.7 |
| 3 | 230 | 2.7 | 11.3 | 9.4 | 7.0 |
| 4 | 218 | 4.4 | 13.0 | 11.0 | 9.0 |
| 5 | 205 | 6.5 | 14.9 | 13.3 | 11.3 |
Provedení vynálezu se nemusí omezovat jen na uvedené příklady provedení. Prakticky mohou být hodnoty jednotlivých parametrů fokusačního objektivu 8 v dále uvedených rozmezích:
Tabulka 6: Možný rozsah parametrů fokusačního objektivu 8
| Rozsah parametrů fokusačního objektivu 8 (rozměry v mm) | |||
| poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| -210--230 (konvexní) | -5--10 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| 180 - 190 (konvexní) | -7--10 | vzduch | |
| 55-58 (konkávní) | -7 - -20 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| -90 - -100 (konkávní) | -0.25 - -0.5 | vzduch | |
| -60 - -65 (konvexní) | -15--20 | CaF2 | čočka 9.3 |
| 65-75 (konvexní) | -0.15-0.2 | vzduch | |
| -100--110 (konvexní) | -10--12 | CaF2 | čočka 9,4 |
| 80 + 100 (konvexní) | -4 + -7 | vzduch | |
| 50 -E 55 (konkávní) | -5--15 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| -35 -i- -45 (konkávní) | -0.5 - -2 | vzduch | |
| -40 -E -45 (konvexní) | -20 - -25 | CaF2 | čočka 9.6 |
| 70 75 (konvexní) | -35 - -45 | vzduch | |
| -50 -E -65 (konvexní) | -17 --19 | tavený křemen | čočka 9.7 K = -15 + -20 A4 = -6 + -10E-6 A6= 1.5 + 2.5E-8 A8 = -l +-1.6E-11 |
| -25 + -35 (konkávní) | -7 + -10 | vzduch | |
| Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické | coefícienty |
Funkce optické soustavy podle vynálezu, resp. funkce spektrografu podle příkladu 1 a 3, je následující:
Polychromatický divergentní světelný svazek vstupuje do soustavy spektrografu štěrbinou 1, prochází otvorem 10 v asférickém korekčním zrcadle 3 a dopadá na hlavní korekční zrcadlo 2, od kterého se odráží. Vzhledem k tvaru hlavního korekčního zrcadla 2 a faktu, že štěrbina j_ leží v blízkosti jeho ohniska, stává se z divergentního svazku po odrazu svazek téměř kolimovaný. Svazek $4 dále pokračuje k asférickému korekčnímu zrcadlu 3, od kterého se taktéž odráží, a vlivem jeho asférickému povrchu se svazek stává ještě více kolimovaným. Tento kolimovaný svazek pak dopadá na reflexní difrakční mřížku 4. Při dopadu svazku na mřížku 4 dojde k difrakci a od mřížky 4 a rozložení polychromatického svazku na jednotlivé monochromatické svazky, které se pak dále šíří pod různými úhly, odpovídajícími jejich vlnovým délkám. Tyto svazky pak procházejí sedmi-čočkovým fokusačním objektivem 8 , jehož úkolem je svazky zaostřit na detektor 6. Před dopadem na detektor 6 procházejí svazky krycím sklem 5 , které slouží jako ochrana detektoru 6 .
X
Průmyslová využitelnost
Vynález lze aplikovat v zobrazovacích spektrografech s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření. Spektrografy s aplikovaným vynálezem lze průmyslově vyrábět.
Claims (4)
- Patentové nároky1. Optická soustava zobrazovacího spektrografu, pro detekci spektra elektromagnetického záření v UV oblasti, s vysokým rozlišením, určeného pro Ramanovu spektroskopii v hluboké ultrafialové oblasti, obsahující vstupní aperturu tvořenou štěrbinou, za níž následuje kolimační optická sestava, mezi níž a následující fokusační objektiv je umístěn disperzní prvek a za fokusačním objektivem je uspořádán mnohakanálový detektor záření, vyznačující se tím, že kolimační objektiv (7) je tvořen alespoň hlavním zrcadlem (2), přičemž fokusační objektiv (8) je tvořen soustavou (9) čoček, přičemž disperzní prvek je tvořen nejméně jednou difrakční mřížkou 4 a/ nebo optickým hranolem (41).
- 2. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se , v . Ť tím, ze kolimační objektiv (8) sestává z asférického zrcadla (2) a korekčního zrcadla (3) s otvorem (10).
- 3. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se tím, že fokusační objektiv (8) sestává ze sedmi čoček (9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7), z nichž nejméně jedna má asférický povrch.
- 4. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se tím, že fokusační objektiv (8) má parametry:Poloměr (mm) Tloušťka (mm) materiál element-210 + -230 (konvexní) -5 + -10 tavený křemen čočka 9.1180 + 190 (konvexní) -7 + -10 vzduch55 + 58 (konkávní) -7 + -20 tavený křemen čočka 9.2-90 + -100 (konkávní) -0.25 + -0.5 vzduch-60 + -65 (konvexní) -15 + -20 CaF2 čočka 9.365 + 75 (konvexní) -0.15 + 0.2 vzduch-100 +-110 (konvexní) -10 + -12 CaF2 čočka 9.480 +100 (konvexní) -4 +-7 vzduch50 + 55 (konkávní) -5 + -15 tavený křemen čočka 9.5-35 + -45 (konkávní) -0.5 + -2 vzduch-40 + -45 (konvexní) -20 + -25 CaF2 čočka 9.670 + 75 (konvexní) -35 +-45 vzduch-50 + -65 (konvexní) -17 + -19 tavený křemen čočka 9.7 K = -15 + -20 A4 = -6 + -10E-6A6= 1.5 + 2.5E-8 Ag = -1 +-1.6E-11-25 + -35 (konkávní) -7 + -10 vzduchKde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-882A CZ2014882A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
| US14/962,100 US10190912B2 (en) | 2014-12-10 | 2015-12-08 | Optical system of a high-resolution imaging spectrograph for deep UV Raman spectroscopy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-882A CZ2014882A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ305559B6 CZ305559B6 (cs) | 2015-12-09 |
| CZ2014882A3 true CZ2014882A3 (cs) | 2015-12-09 |
Family
ID=54771432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-882A CZ2014882A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10190912B2 (cs) |
| CZ (1) | CZ2014882A3 (cs) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ308821B6 (cs) * | 2018-12-20 | 2021-06-16 | Meopta - Optika, S.R.O. | Fokusační objektiv pro spektrální analyzátor a spektrální analyzátor |
| CN112284538A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-01-29 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种棱栅光谱仪光学系统及设计方法 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5717518A (en) * | 1996-07-22 | 1998-02-10 | Kla Instruments Corporation | Broad spectrum ultraviolet catadioptric imaging system |
| JPH116960A (ja) * | 1997-06-16 | 1999-01-12 | Olympus Optical Co Ltd | レンズ系および撮像装置 |
| JP2000304613A (ja) * | 1999-04-21 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| JP3700464B2 (ja) * | 1999-04-26 | 2005-09-28 | 横河電機株式会社 | 分光装置 |
| GB2362460A (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-21 | William Howard Considine | Spectroscope |
| EP1260802B1 (en) * | 2001-05-25 | 2008-10-29 | Galileo Avionica S.p.A. | Wide-band spectrometer with objective comprising an aspherical corrector mirror |
| US9052494B2 (en) * | 2007-10-02 | 2015-06-09 | Kla-Tencor Technologies Corporation | Optical imaging system with catoptric objective; broadband objective with mirror; and refractive lenses and broadband optical imaging system having two or more imaging paths |
| US7936455B2 (en) * | 2007-10-05 | 2011-05-03 | Burt Jay Beardsley | Three mirror anastigmat spectrograph |
| US8125634B1 (en) * | 2009-07-30 | 2012-02-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Optical additive solc filter for deep ultraviolet applications |
| FI20106141A0 (fi) * | 2010-11-01 | 2010-11-01 | Specim Spectral Imaging Oy Ltd | Kuvantava spektrometri |
| FR2970075B1 (fr) * | 2011-01-03 | 2013-02-01 | Centre Nat Etd Spatiales | Spectrometre imageur a grand champ |
| CN102156100A (zh) * | 2011-04-06 | 2011-08-17 | 浙江大学 | 基于多光谱的多点采样多参数水质在线分析系统 |
| US9097585B2 (en) * | 2011-09-08 | 2015-08-04 | William B. Sparks | Spectrographic polarimeter and method of recording state of polarity |
| US8773659B2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-07-08 | Roper Scientific Inc. | Anastigmatic imaging spectrograph |
| WO2014078750A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Entegris - Jetalon Solutions, Inc. | Controlling mixing concentration |
| US9332201B2 (en) * | 2014-05-20 | 2016-05-03 | Google Inc. | Curved image sensor for a curved focal surface |
-
2014
- 2014-12-10 CZ CZ2014-882A patent/CZ2014882A3/cs not_active IP Right Cessation
-
2015
- 2015-12-08 US US14/962,100 patent/US10190912B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10190912B2 (en) | 2019-01-29 |
| CZ305559B6 (cs) | 2015-12-09 |
| US20160169741A1 (en) | 2016-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Systematic design of microscope objectives. Part I: System review and analysis | |
| AU2013208241B2 (en) | Anastigmatic imaging spectrograph | |
| US5644396A (en) | Spectrograph with low focal ratio | |
| EP2610662B1 (en) | Microscope optical assembly and microscope system | |
| Glaser | High-end spectroscopic diffraction gratings: design and manufacturing | |
| US8947775B2 (en) | Catadioptric optical system with total internal reflection for high numerical aperture imaging | |
| CN108351513B (zh) | 用于场成像和/或光瞳成像的光学系统 | |
| CN103430076B (zh) | 成像透镜和使用该成像透镜的显微镜装置 | |
| JP6094857B2 (ja) | 読取レンズおよび分光測定装置 | |
| Kraus et al. | Compact double-pass Echelle spectrometer employing a crossed diffraction grating | |
| CZ2014882A3 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| JP2004132781A (ja) | 分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡 | |
| CZ2014883A3 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| US5159492A (en) | Objective lens system for use within microscope | |
| Benk et al. | Upgrade to the SHARP EUV mask microscope | |
| CZ28187U1 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| JP2018537708A (ja) | 小さな中心遮蔽部を有する広帯域反射屈折顕微鏡対物レンズ | |
| CZ28186U1 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| Oliva et al. | Updated optical design and trade-off study for MOONS, the Multi-Object Optical and Near Infrared spectrometer for the VLT | |
| McClure | The Schmidt-Czerny-Turner spectrograph | |
| Roth et al. | PMAS fiber spectrograph: design, manufacture, and performance | |
| RU2415451C1 (ru) | Зеркально-линзовый объектив | |
| US7289271B2 (en) | Tube lens unit with chromatically compensating effect | |
| JP2011170074A (ja) | アタッチメントレンズ及びそれを装着した蛍光測定装置 | |
| RU2199143C1 (ru) | Телескоп с дискретным изменением увеличения для дальней ик-области спектра |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20221210 |