CZ305560B6 - 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
- CZ305560B6 CZ305560B6 CZ2014-883A CZ2014883A CZ305560B6 CZ 305560 B6 CZ305560 B6 CZ 305560B6 CZ 2014883 A CZ2014883 A CZ 2014883A CZ 305560 B6 CZ305560 B6 CZ 305560B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- aspherical
- lens
- optical
- mirror
- collimating
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 58
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 title claims abstract 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 49
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 claims 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 19
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 12
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 2
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 2
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 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
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect 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
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 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
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Optická soustava vysoce světelného zobrazovacího spektrografu pro detekci spektra elektromagnetického záření, s vysokým rozlišením, určeného pro Ramanovu spektrografii, která obsahuje základní optické prvky, jimiž jsou vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky, fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury. Kolimačním prvkem je kolimační objektiv (7) tvořený dvojicí asférických zrcadel (2, 3), kde v asférickém korekčním zrcadle (3) následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou (1) je vytvořen vstupní otvor (10) a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo (2) je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu (3). Optické osy zrcadel (2, 3) jsou vůči sobě různoběžné. Disperzním prvkem je difrakční mřížka (4) umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků. Fokusačním prvkem je fokusační objektiv (8) tvořený soustavou čoček (9), z nichž alespoň jedna čočka (9.7) má asférickou optickou plochu.
Description
Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření
Oblast techniky
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 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 mnohokanálovém 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 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 jejich 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 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 mm 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 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 ko-1 CZ 305560 B6 rekční zrcadlo, jak popisuje například Patent US 2013/0 182 250 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 spektrograíy 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 kolimačního 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 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, s vysokým rozlišením, jehož optická soustava obsahuje základní optické prvky, jimiž jsou: vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky a fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury. Podstata vynálezu spočívá v tom, že kolimačním prvkem je kolimační objektiv tvořený dvojicí asférických zrcadlem, kde v asférickém korekčním zrcadle následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou je vytvořen vstupní otvor a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu. Optické osy zrcadel jsou vůči sobě různoběžné. Disperzním prvkem je difrakční mřížka, a/nebo disperzní hranol, umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků. Fokusačním prvkem je fokusační objektiv tvořený soustavou čoček, z nichž alespoň jedna má alespoň jednu asférickou optickou plochu.
Optické osy zrcadel jsou vůči sobě natočeny ve výhodném provedení o 18 až 22°, úhel mezi optickými soustavami objektivů může být s výhodou 60 až 80°. Je obvyklé, že asférické plochy cr +Jl-(1 + X)c2r2 v optické soustavě mohou být definovány vztahem kde c je křivost povrchu (převrácená hodnota poloměru), K]e kónická konstanta, rje radiální souřadnice, a Aj jsou asférické koeficienty.
Materiál fokusačního objektivu může být jednak CaF2, jednak tavený křemen.
-2CZ 305560 B6
Vyšším účinkem spektrografu 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 přeladitelnost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difřakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
Objasnění výkresů
Vynález bude blíže vysvětlen za pomoci příkladů provedení doplněných výkresy:
obr. 1 je provedení s kolimačním objektivem tvořeným dvojicí zrcadel a s difřakční mřížkou a se sedmičočkovým fokusačním objektivem obr. 2 je jednodušší provedení s difřakční 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 uskutečnění 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 i 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 difrakění mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U difřakční 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.
Asférická plocha je definovaná vztahem
Z =
kde c je křivost povrchu (převrácená hodnota poloměru), Kje kónická konstanta, r je radiální souřadnice a T, 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.
-3 CZ 305560 B6
Tabulka 1: Parametry spektrografu dle obr. 1
| Příklad 1 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| 1 | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina i |
| a | 401.789 | -180 | zrcadlo | Hlavní asférické zrcadlo 2 K = 0.107497, A = -1.572858E-9, As = - 1.006896E-13, A = 1.991723E-17, A10 = -1.855797E-21 |
| b | 93476.4 | 200 | zrcadlo | Korekční asférické zrcadlo 3 K = -4995714, A = -2.348767E-9, A6 = -2.497952E-13, A = 4.020043E-17, |
-4CZ 305560 B6
| A,o = -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 až 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 |
-5CZ 305560 B6
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, 9.2, 93, 9.4, 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 ío divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1 a odráží se na difrakční mřížku 4. Na difrakční mřížce 4 dochází k difrakcí 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.
-6CZ 305560 B6
Tabulka 2: Parametry spektrografu dle obr. 2:
| Příklad 2 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina I |
| a | * | -190 | Zrcadlo | Zrcadlo 2 bikónický povrch poloměr η = -400.023; K| = -0.999427 poloměr r2 (kolmý na rt) = -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 až 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 |
-7CZ 305560 B6
| m | 49.866 | 20.015 | CaF2 | Čočka 9.6 |
| n | -76.024 | 45.024 | vzduch | |
| o | 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 | ||
| * | <de 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, ío 92, 93, 9A, 95.
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 na svém středu otvor JO dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergent15 ní světelný svazek vycházející ze štěrbiny I projít a nebyl na okrajích vinětován. 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 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
Parametry jednotlivých optických prostředí a až o optické soustavy dle obr. 2 jsou uvedeny v následující tabulce 2, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
cr + Jl-(1 + K)c2r:
-8CZ 305560 B6
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, A,o = -3.162602E-21 |
| c | rovina | -80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; |
-9CZ 305560 B6
| natočena o -2.7° (pro rozsah vlnový délek 218 až 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 92 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 |
| o | rovina | -9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde K značí konicitu a A4 až Ai0 ostatní asférické koeficienty |
- 10CZ 305560 B6
Příklad 4
Příklad provedení č. 4, podle obr. 4, se liší od příkladu provedení č. 1 tím, že obsahuje navíc jeden disperzní hranol 41 v optické sestavě. Optický hranol 44 má dvě funkce: jednak vlivem zvý5 šení 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 ío 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 J projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv se skládá z pěti 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. Jako disperzní element je mezi kolimačním objektivem a fokusačním objektivem umístěna kombinace hranolu 44 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.
+ Vl-(l + ^)c2r2 Asférická plocha je definovaná vztahem
Parametry jednotlivých optických prostředí a až u optické soustavy dle obr. 4 jsou uvedeny v následující tabulce 4, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
- 11 CZ 305560 B6
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 o 20°; K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A6 = -2.501973E-13, A8 = 4.018759E-17, A10 = -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; |
-12CZ 305560 B6
| natočena o 3.5° (pro rozsah vlnový délek 218 až 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 9.1 |
| 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 | čočka 9.7 |
- 13 CZ 305560 B6
| křemen | K = -15.31897, A4 = -7.803339E-6, A6= 1.732514E-8,A8 = -1.043447E-ll | |||
| 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 A4 až A[0 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 čar/mm Absolutní hodnota zvětšení optické sestavy: 0,5x
Spektrograf je určen pro mnohokanálové chlazené detektory 6 s těmito parametry: ío - velikost zobrazovaného pole min. 15x6 mm
- velikost pixelu: 13x13 pm až 26 x 26 pm
- 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 vynálezu je uvedeno v tabulce 5:
- 14CZ 305560 B6
Tabulka 5: Spektrální rozlišení pro různé konfigurace spektrografu.
| 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 vynálezu se nemusí omezovat jen na uvedené příklady provedení. Prakticky mohou být hodnoty jednotlivých parametrů fokusačního objektivu 8 v dále uvedených rozmezích:
- 15 CZ 305560 B6
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 A4 = -6 = -10E-6 A6 = 1.5 = 2.5E-8 A8 = -l =-1.6E-ll |
| -25 = -35 (konkávní) | -7 = -10 | vzduch | |
| Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty |
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, io prochází otvorem JO 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 1 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
-16CZ 305560 B6 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 se 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.
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 (5)
- 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 základní optické prvky, jimiž jsou: vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky, fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury, vyznačující se tím, že kolimačním prvkem je kolimační objektiv (7) tvořený dvojicí asférických zrcadel (2, 3), kde v asférickém korekčním zrcadle (3) následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou (1) je vytvořen vstupní otvor (10) a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo (2) je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu (3), přičemž optické osy zrcadel (2, 3) jsou vůči sobě různoběžné, přičemž disperzním prvkem je difrakční mřížka (4), a/nebo disperzní hranol (41), umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků, přičemž fokusačním prvkem je fokusační objektiv (8) tvořený soustavou (9) čoček, z nichž alespoň jedna čočka (9.7) má alespoň jednu asférickou optickou plochu.
- 2. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že optické osy zrcadel (2,
- 3) jsou vůči sobě natočeny o 18 až 22°.3. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že úhel mezi optickými soustavami objektivů (7, 8) je 60 až 80°.
- 4. Optická soustava podle nároku 1, vy z n a č uj í c í se t í m , že materiál čoček (9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7) fokusačního objektivu (8) je jednak CaF2, jednak tavený křemen.
- 5. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se tím, že fokusační objektiv (8) má parametry:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ305560B6 (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 |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ305560B6 (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 |
|---|---|
| CZ2014883A3 CZ2014883A3 (cs) | 2015-12-09 |
| CZ305560B6 true CZ305560B6 (cs) | 2015-12-09 |
Family
ID=54771433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ305560B6 (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) | CZ305560B6 (cs) |
Cited By (1)
| 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 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000304614A (ja) * | 1999-04-26 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| JP2000304613A (ja) * | 1999-04-21 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| GB2362460A (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-21 | William Howard Considine | Spectroscope |
| 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 |
| FR2970075A1 (fr) * | 2011-01-03 | 2012-07-06 | Centre Nat Etd Spatiales | Spectrometre imageur a grand champ |
| US20130182250A1 (en) * | 2012-01-13 | 2013-07-18 | Roper Scientific, Inc. | Anastigmatic imaging spectrograph |
-
2014
- 2014-12-10 CZ CZ2014-883A patent/CZ305560B6/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000304613A (ja) * | 1999-04-21 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| JP2000304614A (ja) * | 1999-04-26 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| GB2362460A (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-21 | William Howard Considine | Spectroscope |
| FR2970075A1 (fr) * | 2011-01-03 | 2012-07-06 | 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 |
| US20130182250A1 (en) * | 2012-01-13 | 2013-07-18 | Roper Scientific, Inc. | Anastigmatic imaging spectrograph |
Cited By (1)
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2014883A3 (cs) | 2015-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5644396A (en) | Spectrograph with low focal ratio | |
| AU2013208241B2 (en) | Anastigmatic imaging spectrograph | |
| US5285255A (en) | Optical system for spectral analysis | |
| EP3671307B1 (en) | Optical microscope and method of spectroscopic measurement | |
| JPH04220537A (ja) | ２元分光計 | |
| EP2610662B1 (en) | Microscope optical assembly and microscope system | |
| CN108020516A (zh) | 光谱仪或成像光谱仪 | |
| Tozzi et al. | The double pyramid wavefront sensor for LBT | |
| CN113552090A (zh) | 一种基于微型扫描光栅微镜的近红外荧光光谱仪 | |
| US8947775B2 (en) | Catadioptric optical system with total internal reflection for high numerical aperture imaging | |
| Lacoursiere et al. | Large-deviation achromatic Risley prisms pointing systems | |
| Kraus et al. | Compact double-pass Echelle spectrometer employing a crossed diffraction grating | |
| TWI260427B (en) | Grating spectrograph | |
| CZ305559B6 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| CZ305560B6 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| CN210603594U (zh) | 一种光谱仪 | |
| CN108007570A (zh) | 光谱仪及光谱检测系统 | |
| WO2017074908A1 (en) | Broadband catadioptric microscope objective with small central obscuration | |
| 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 | |
| JP7246466B2 (ja) | 迷光低減を伴うモノクロメータ | |
| JPS6366423A (ja) | 分光照射装置 | |
| US20200018649A1 (en) | Imaging Spectrograph Utilizing the Zero Order of the Diffraction Grating |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20221210 |