RU158242U1 - Спектрограф - Google Patents

Abstract

Спектрограф, содержащий входную щель в корпусе спектрографа для прохождения излучения от исследуемого объекта, голограммную дифракционную решетку с плоским полем, зеркало и приемник излучения, регистрирующий спектры излучения исследуемого объекта, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена на асферической поверхности вращения 2-го порядка, а зеркало имеет тороидальную поверхность.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при создании спектральных приборов в качестве оптической системы спектрофотометра и спектрофлуориметра, в частности для экологического мониторинга.

Известны такие спектральные приборы как многоканальный спектрометр Hamamatsu РМА С10027-02 с рабочим спектральным диапазоном 350-1100 нм, спектральным разрешением <2,5 нм (http://www.hamamatsu.com/jp/en/C10027-02.html), и одноканальный спектрометр Солар S41 (http://solarls.by/ru/products/13/1/2/14/22.html) с рабочим спектральным диапазоном 390-780 нм, спектральным разрешением 1,7-2,5 нм. У многоканального спектрометра Hamamatsu РМА С10027-02 оптическая схема Черни-Тернера состоит из входной щели, вогнутого коллиматорного зеркала, плоской дифракционной решетки и фокусирующего зеркала. Необходимость применения в данной схеме коллиматорного и фокусирующих зеркал уменьшает светопропускание, а следовательно, и светосилу по освещенности спектрального прибора, увеличивает его габариты, повышает уровень рассеянного света, усложняет конструкцию и юстировку прибора. Одноканальный спектрометр Солар S41 выполнен на базе трехлинзовых ахроматов-анастигматов в качестве коллиматорного и камерного объективов, что ведет к снижению пропускания и увеличению габаритов прибора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является многоканальный спектрометр Carl Zeiss CGS, содержащий входную щель в корпусе спектрографа для прохождения излучения от исследуемого объекта, голограммную дифракционную решетку с плоским полем, вогнутое зеркало и приемник излучения, регистрирующий спектры излучения исследуемого объекта (http://www.zeiss.com/microscopy/en_de/products/spectrometer-modules/cgs-uv-nir.html), обладающий рабочим спектральным диапазоном 190-1000 нм и спектральным разрешением 2-2,5 нм в УФ и вид.обл., 3-4 нм в ИК.

Учитывая, что для проведения экологического мониторинга необходим спектральный диапазон от 200-1100 нм, падение спектрального разрешения в ИК области до 4 нм, в ряде случаев, является недопустимым. Кроме того весьма актуальным является улучшение пространственного разрешения спектрального прибора, что возможно лишь при коррекции астигматизма по всему спектру. В данном прототипе используется дифракционная решетка с плоским полем и вогнутое сферическое зеркало, в такой схеме астигматизм исправлен только для центра поля, следовательно, пространственное разрешение недостаточное.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении спектрального и пространственного разрешения и светосилы спектрографа при сохранении малых габаритов.

Технический результат, достигающийся тем, что в спектрографе, содержащем входную щель в корпусе спектрографа для прохождения излучения от исследуемого объекта, голограммную дифракционную решетку с плоским полем, зеркало и приемник излучения, регистрирующий спектры излучения исследуемого объекта, новым является то, что дифракционная решетка выполнена на асферической поверхности вращения 2-го порядка, а зеркало имеет тороидальную поверхность.

На фиг. 1 представлена оптическая схема спектрографа, где 1 - входная щель в корпусе спектрографа для прохождения излучения от исследуемого объекта, 2 - вогнутая голограммная дифракционная решетка с асферической поверхностью, 3 - вогнутое зеркало с тороидальной поверхностью, 4 - приемник излучения, регистрирующий спектры излучения исследуемого объекта, со следующими конструктивными параметрами:

l O₁O₂ - расстояние от центра входной щели до вершины вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью 57,5-58,5 мм,

l O₂O₃ - расстояние от вершины вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью до вершины вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью 61,5-62,5 мм,

l O₃O₄ - расстояние от вершины вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью до центра приемника излучения 55-55,5 мм,

α₁ - угол между лучом, падающим из центра входной щели на вершину вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью и нормалью к вогнутой голограммной дифракционной решетке в ее вершине 3°30′-4°30′,

α₂ - угол между лучом, падающим из вершины вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью на вершину вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью и нормалью к его вершине 25°-25°30′,

α₃ - угол между лучом, падающим из вершины вогнутого зеркала в центр приемника излучения и нормалью к плоскости приемника 36°-36°30′,

квадрат эксцентриситета e²=0,398±1%,

частота штрихов вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью 2: 251 штр/мм ±1% мм,

вершинный радиус кривизны поверхности вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью 2: 90,787 мм ±1% мм,

радиус кривизны вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью 3 в меридиональной плоскости: 287,624 мм ±1% мм,

радиус кривизны вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью 3 в сагиттальной плоскости 263,011 мм ±1% мм,

высота входной щели 1: 0,5-1 мм,

световой размер дифракционной решетки: 24 мм ±1% мм,

длина чувствительной площадки приемника излучения 4: 26,5 мм ±1% мм, светосила: 1:2,5,

рабочий спектральный диапазон: 200-1100 нм.

Спектрограф содержит входную щель 1 в корпусе спектрографа, вогнутую голограммную дифракционную решетку с асферической поверхностью 2, вогнутое зеркало с тороидальной поверхностью 3, приемник излучения 4. Таким образом, спектрограф, состоящий из входной щели 1, вогнутой голограммной дифракционной решетки с асферической поверхностью 2, вогнутого зеркала с тороидальной поверхностью 3, приемника излучения 4 образует оптический S-образный канал. Излучение, от источника света (на фиг. 1 не представлено), через входную щель 1 попадает на вогнутую голограммную дифракционную решетку с асферической поверхностью 2, дифрагированное излучение направляется на вогнутое зеркало с тороидальной поверхностью 3, далее отраженный свет попадает на плоскость регистрации 4, где регистрируется изображение спектра.

Рассмотрим основные показатели качества изображения данной оптической схемы спектрографа на фиг. 2. и на фиг. 3., где приведены графики аппаратных функций и точечные диаграммы спектрографа для средней и крайних длин волн рабочего спектрального диапазона с заявленными конструктивными параметрами.

Поскольку обратная линейная дисперсия спектрографа равна 33,96 нм/мм, спектральное разрешение практически постоянно по рабочему диапазону спектра и составляет 1,74-1,79 нм. Можно отметить, что меридиональная кома скомпенсирована на коротковолновом краю спектра и незначительно возрастает с увеличением длины волны.

Рассмотрим подробнее пространственное разрешение спектрографа и его изменение по полю. В случае использования спектрографа с повышенным пространственным разрешением в качестве изображающего спектрального прибора для оценки качества изображения удобно использовать его точечные диаграммы.

Как видно из диаграмм на фиг. 3, пятна рассеяния имеют сопоставимые размеры в меридиональном и сагиттальном сечениях. Кроме того, плотность лучей примерно одинакова по всей площади диаграмм. Максимальный поперечный размер диаграмм составляет 67,0; 56,2 и 65,8 мкм для центра и краев рабочего спектрального диапазона, соответственно при 650 нм, 200 нм и 1100 нм. Следовательно, при высоте строки около 0,067 мм (67,0 мкм) точки изображения объекта будут разрешаться на фотоприемной матрице раздельно во всем рабочем спектральном диапазоне.

Таким образом, предложенное устройство с полученными конструктивными параметрами позволяет в значительной степени повысить качество изображения спектра, при этом устройство легко реализуемо, работоспособно и компактно в своем исполнении.

Claims (1)

1. Спектрограф, содержащий входную щель в корпусе спектрографа для прохождения излучения от исследуемого объекта, голограммную дифракционную решетку с плоским полем, зеркало и приемник излучения, регистрирующий спектры излучения исследуемого объекта, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена на асферической поверхности вращения 2-го порядка, а зеркало имеет тороидальную поверхность.

   

Images