CZ28186U1 - 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 PDF

Info

Publication number
CZ28186U1
CZ28186U1 CZ2014-30419U CZ201430419U CZ28186U1 CZ 28186 U1 CZ28186 U1 CZ 28186U1 CZ 201430419 U CZ201430419 U CZ 201430419U CZ 28186 U1 CZ28186 U1 CZ 28186U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
lens
air
convex
optical
mirror
Prior art date
Application number
CZ2014-30419U
Other languages
English (en)
Inventor
Josef Kapitán
Daniel Vacula
Zdeněk Lošťák
Vlastislav Svoboda
Original Assignee
Meopta- optika, s.r.o.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Meopta- optika, s.r.o. filed Critical Meopta- optika, s.r.o.
Priority to CZ2014-30419U priority Critical patent/CZ28186U1/cs
Publication of CZ28186U1 publication Critical patent/CZ28186U1/cs

Links

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
Oblast techniky
Technické řešení 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 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 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 nej častěji difrakční mřížka nebo disperzní hranol.
Poznámka k Ramanově 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 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 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 se 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 látky. V ultrafialové oblasti spektra cca 205 až 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.
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 dosáhnout vysokého rozlišení (0,03 až 0,06 nm) a spektrálního rozsahu desítky nanometrů.
V současné době používané a komerčně dostupné spektrografy (firmy Honba 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 2013/0182250 AI. 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
-1 CZ 28186 U1 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 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 kolimaěního i fokusačního prvku, který dosahuje nominální světelnosti f/2. Tento systém ale dosahuje spektrálního rozlišení pouze 12 až 14 cm'1 a jeho propustnost je omezena jak ztrátami na površích, tak i vinětací (stínění okrajových částí svazku) z důvodu velké vzdálenosti mezi kolimaěním a fokusačním objektivem.
Úkolem technického řešení 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 technického řešení
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 spektrografu může mít kolimační objektiv sestávající z asférického zrcadla a korekčního zrcadla s otvorem.
Fokusační objektiv sestává ve výhodném provedení ze sedmi čoček, z nichž nejméně jedna má asférický povrch.
Vyšším účinkem spektrografu s optickou soustavou podle technického řešení 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. Technické řešení umožňuje přeladitelnost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difrakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
Přehled obrázků na výkresech
Technické řešení bude blíže vysvětleno za pomoci příkladů provedení doplněných výkresy:
obr. 1 je provedení s kolimaěním objektivem tvořeným dvojicí zrcadel a s difrakční mřížkou a se sedmičočkovým fokusačním objektivem,
-2CZ 28186 Ul 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.
Příklady provedení technického řešení
Příklad 1
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 1, se skládá ze ío 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 vycházející ze štěrbiny I projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv 8 je tvořen soustavou 9 sedmi čoček 9.1, 9.2. 93, 9.4, 95, 9.6. 9/7, přičemž jedna z nich má asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombi15 nace 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 na detektor 6, prochází tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 1.
o/*
Asférická plocha j e definovaná vztahem z =-__________ + \ η + /-(1 + K)c2r2 i kde c je křivost povrchu (převrácená hodnota poloměru), K je kónická konstanta, r je radiální souřadnice a A,jsou asférické koeficienty.
Parametry jednotlivých optických prostředí a až g optické soustavy dle obr. 1 jsou uvedeny v následující tabulce 1, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
-3CZ 28186 Ul
Tabulka 1: Parametry spektrografu dle obr. 1
Příklad 1 provedení technického řešení (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, A = - 1.006896E-13, A, = 1.991723E-17, A,„ = -1.855797E-21
b 93476.4 200 zrcadlo Korekční asférické zrcadlo 3 K = -4995714, A = -2.348767E-9, A = -2.497952E-13, As = 4.020043E-17, A,„ = -3.148018E-21 natočeno o 20 °;
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
-4CZ 28186 U1
0 72.268 -42.402 vzduch
P -52.762 -18.005 tavený křemen Čočka 9.7. K = -15.14056, A, = -9.654539E-6, N = 2.199664E-8, As = -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 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 9.1, 92, 93, 9.4. 93, 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 ío divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny i 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 6, může a nemusí procházet tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch v tomto konkrétním příkladu provedení jsou uvedeny dále v tabulce 2.
-5CZ 28186 Ul
Tabulka 2: Parametry spektrografu podle obr. 2
Příklad 2 provedení technického řešeni (rozměry v mm)
plocha poloměr tloušťka materiál poznámky
předmět rovina 200 vzduch Štěrbina I
a * -190 Zrcadlo Zrcadlo 2 bikónický povrch *... poloměrr, = -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 - 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 K, značí konicitu
-6CZ 28186 Ul
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,
93,93,9A, 93.
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 3, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2, 3, hlavního zrcadla 2 a korekčního zrcadla 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny i projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační ío objektiv 8 se skládá z pěti čoček 94, 93, 93, 9.4, 93, přičemž tři z nich mají asférický povrch.
Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusacního 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 3, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
Tabulka 3: Parametry příkladu 3 provedení spektrografu
Příklad 3 provedení technického řešení (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, Aé = -1.006967E-13, Ag = 1.991713E-17, Al0 = -1.844422E-21
-7CZ 28186 U1
b 93664.6 200 zrcadlo Korekční zrcadlo 3 , natočeno o 20 °; K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, Αβ = -2.501973E-13, As = 4.018759E-17, A,o = -3.162602E-21
c rovina -80 zrcadlo difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o -2.7 ° (pro rozsah vlnový délek 218-234 nm)
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
-8CZ 28186 Ul
1 -59.329 -20.000 tavený křemen čočka 93 K = -2.313735, A, = 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 Aj 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 41 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 korekčního zrcadla 3. Asférické korekční ío 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, 93, 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. 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, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 4.
cr2 5^ .
Asférická plocha j e definovaná vztahem z --============ + 2_,A, ri + ýl — (1 + K)c r i
Parametry jednotlivých optických prostředí a až u optické soustavy dle obr. 4 jsou uvedeny v následuj ící tabulce 4, kde rozměry j sou uvedeny v mm.
-9CZ 28186 U1
Tabulka 4: Parametry příkladu provedení č. 4 spektrografu
Příklad 4 provedení technického řešení (rozměry v mm)
plocha poloměr tloušťka materiál poznámky
předmět rovina 200 vzduch Stěrbma 4
a -401.79 -180 zrcadlo Hlavní zrcadlo 2, K = 0.107491,
A4 = -1.572926E-9, A6 = -1.006967E-13, Ag = 1.991713E-17, A10 =-1.844422E-21
b 93664.6 300 zrcadlo Korekční zrcadlo 3 , natočeno o 20 °; K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A« = -2.501973E-13, Ag = 4.018759E-17, A|0 = -3.162602E-21
c rovina 35 * tavený křemen Hranol 44 , - úhel natočení 56.38 °. Vrcholový úhel 18 °.
d rovina 169.26 vzduch
e rovina -90 zrcadlo difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o 3.5 0 (pro rozsah vlnový délek 218 - 234 nm)
úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68°
f 224.724 -9.511 tavený křemen Čočka 94
g 182.405 -9.187 vzduch
h 57.466 -18.616 tavený křemen čočka 9.2
i -94.675 -0.515 vzduch
-10CZ 28186 U1
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, At = -7.803339E-6, A«= 1.732514E-8, As = -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 asférické 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 ěar/mm
Absolutní hodnota zvětšení optické sestavy: 0,5 x.
Spektrograf je určen pro mnohokanálové chlazené detektory 6 s těmito parametry:
- velikost zobrazovaného pole min. 15x6 mm
- velikost pixelu: 13x13 pm až 26 x 26 pm ío - krycí sklo 5 z taveného křemene o tloušťce 0 až 1,5 mm.
Spektrální rozlišení spektrografu je závislé na zvoleném spektrálním rozsahu (excitační vlnové délce) a například pro zmiňovaný příklad 1 provedení technického řešení je uvedeno v tabulce 5:
-11 CZ 28186 U1
Tabulka 5: Spektrální rozlišení pro různé konfigurace spektrograíu
Konfig. Exc. vlnová délka (nm) Úhel natočení mřížky 4 (deg) Spektrální rozlišení (cm'1)
500 cm'1 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 technického řešení se nemusí omezovat jen na uvedené příklady provedení. Prakticky 5 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 - 55 (konkávní) -5--15 tavený křemen čočka 9.5
-35--45 (konkávní) -0.5 - -2 vzduch
-40 - -45 (konvexní) -20 - -25 CaF2 čočka 9.6
70-75 (konvexní) -35 - -45 vzduch
-50 - -65 (konvexní) -17 --19 tavený křemen čočka 9.7 K = -15--20
-12CZ 28186 Ul
A4 =-6-i--10E-6 Aé= 1.5 + 2.5E-8 Ag = -1 - -1.6E-11
-25 + -35 (konkávní) -7--10 vzduch
Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty
Funkce optické soustavy podle technického řešení, resp. funkce spektrografu podle příkladu 1 a 3, je následující:
Polychromatický divergentní světelný svazek vstupuje do soustavy spektrografu štěrbinou i, 5 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 I leží v blízkosti jeho ohniska, stává se z divergentního svazku po odrazu svazek téměř kolimovaný. Svazek 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 ío 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 detek15 toru 6.
Průmyslová využitelnost
Technické řešení lze aplikovat v zobrazovacích spektrografech s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření. Spektrografy s aplikovaným technickým řešením lze průmyslově vyrábět.

Claims (4)

  1. 20 NÁROKY NA OCHRANU
    1. 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 fo25 kusačním 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. 2. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se
    30 tím, že kolimační objektiv (8) sestává z asférického zrcadla (2) a korekčního zrcadla (3) s otvorem (10).
  3. 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.
    35 4. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se tím, že fokusační objektiv (8) má parametry:
    -13 CZ 28186 Ul
    Poloměr (mm) Tloušťka (mm) materiál element -210 + -230 (konvexní) -5 --10 tavený křemen čočka 9.1 180-5-190 (konvexní) -7--10 vzduch 55 -:-58 (konkávni) -7 -5- -20 tavený křemen čočka 9.2 -90 -5- -100 (konkávni) -0.25 -5- -0.5 vzduch -60 -5· -65 (konvexní) -15 -5- -20 CaF2 čočka 9.3 65 -5- 75 (konvexní) -0.15-5-0.2 vzduch -100 -5- -110 (konvexní) -ÍO--12 CaF2 čočka 9.4 80-5-100 (konvexní) -4-5--7 vzduch 50 -5- 55 (konkávni) -5-5--15 tavený křemen čočka 9.5 -35-5--45 (konkávni) -0.5 -5- -2 vzduch -40 -5- -45 (konvexní) -20 -5- -25 CaF2 čočka 9.6 70 -5- 75 (konvexní) -35 -5- -45 vzduch -50 -5- -65 (konvexní) -17--19 tavený křemen čočka 9.7 K = -15-5--20 A4 = -6 -5- -10E-6 Aé= 1.5-2.5E-8 A8 = -1 -5- -1.6E-11 -25 -5--35 (konkávni) -7--10 vzduch Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty
  4. 4 výkresy
CZ2014-30419U 2014-12-10 2014-12-10 Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření CZ28186U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-30419U CZ28186U1 (cs) 2014-12-10 2014-12-10 Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014-30419U CZ28186U1 (cs) 2014-12-10 2014-12-10 Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ28186U1 true CZ28186U1 (cs) 2015-05-13

Family

ID=53266958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2014-30419U CZ28186U1 (cs) 2014-12-10 2014-12-10 Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ28186U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5644396A (en) Spectrograph with low focal ratio
AU2013208241B2 (en) Anastigmatic imaging spectrograph
US7345760B2 (en) Grating monochromator/spectrograph
CN104729708A (zh) 一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪
Kraus et al. Compact double-pass Echelle spectrometer employing a crossed diffraction grating
Mouriz et al. Schwarzschild spectrometer
Lacoursiere et al. Large-deviation achromatic Risley prisms pointing systems
Oliva et al. Concept and optical design of the cross-disperser module for CRIRES+
US10190912B2 (en) Optical system of a high-resolution imaging spectrograph for deep UV Raman spectroscopy
TWI260427B (en) Grating spectrograph
CZ305560B6 (cs) Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
Benk et al. Upgrade to the SHARP EUV mask microscope
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
CZ28187U1 (cs) Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
KR20160143969A (ko) 평면거울 및 렌즈를 이용한 성능개선 분광기
KR101523210B1 (ko) 볼록 회절 격자를 구비한 분광기를 이용한 수차 분석 장치
Chung et al. DOTIFS: Spectrograph optical and opto-mechanical design
JP7246466B2 (ja) 迷光低減を伴うモノクロメータ
EP3594642A1 (en) Imaging spectograph utilizing the zero order of the diffraction grating
Wang et al. Design of an ultraviolet Raman spectrometer optical system based on freeform surfaces
RU2611712C2 (ru) Дифракционный полихроматор со скрещенной дисперсией
CZ2018725A3 (cs) Fokusační objektiv pro spektrální analyzátor a spektrální analyzátor
Borlinghaus Splitting of Emissions

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20150513

MK1K Utility model expired

Effective date: 20181210