RU2567447C1 - Mirror autocollimator spectrometer - Google Patents
Mirror autocollimator spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567447C1 RU2567447C1 RU2014131325/28A RU2014131325A RU2567447C1 RU 2567447 C1 RU2567447 C1 RU 2567447C1 RU 2014131325/28 A RU2014131325/28 A RU 2014131325/28A RU 2014131325 A RU2014131325 A RU 2014131325A RU 2567447 C1 RU2567447 C1 RU 2567447C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- lens
- mirrors
- optical
- entrance slit
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в промышленных, авиационных и космических гиперспектральных системах.The invention relates to optical instrumentation and can be used in industrial, aviation and space hyperspectral systems.
Известны оптические системы, предназначенные для разложения оптического излучения в спектр с целью изучения его спектрального состава. Например, в книге Пейсахсона И.В. «Оптика спектральных приборов», изд. 2-е доп. и перераб., Л., «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1975, с. 6, приведена принципиальная оптическая схема спектрального прибора. Он состоит из входной щели, коллимирующего объектива, диспергирующего устройства, фокусирующего объектива и приемника изображения. Недостатком таких схем является наличие двух линзовых объективов и, как следствие, большие габариты и масса.Optical systems are known for decomposing optical radiation into a spectrum in order to study its spectral composition. For example, in the book of Peysakhson I.V. Optics of Spectral Instruments, ed. 2nd add. and rev., L., "Mechanical Engineering", Leningrad Branch, 1975, p. 6, a schematic optical diagram of a spectral device is shown. It consists of an entrance slit, a collimating lens, a dispersing device, a focusing lens, and an image receiver. The disadvantage of such schemes is the presence of two lenses and, as a result, large dimensions and weight.
Также известны автоколлимационные зеркальные монохроматоры, Пейсахсон И.В. «Оптика спектральных приборов», изд. 2-е доп. и перераб., Л., «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1975, с. 153, имеющие более простую конструкцию. Они содержат минимальное количество оптических деталей: вогнутое зеркало в качестве коллимирующего и фокусирующего объективов и автоколлимационную призменную диспергирующую систему. Наличие только одного зеркала не позволяет исправить аберрации системы и кривизну спектральных линий даже для узкого спектрального диапазона и малых угловых полей.Also known are autocollimation mirror monochromators, Peysakhson I.V. Optics of Spectral Instruments, ed. 2nd add. and rev., L., "Mechanical Engineering", Leningrad Branch, 1975, p. 153 having a simpler design. They contain a minimum number of optical parts: a concave mirror as a collimating and focusing lens and an autocollimation prism dispersing system. The presence of only one mirror does not allow correcting the aberrations of the system and the curvature of the spectral lines even for a narrow spectral range and small angular fields.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркальный автоколлимационный спектрометр, описанный в патенте РФ №2521249, МПК G02B 17/08, G01J 3/14, опубликованном 27.06.2014 г., состоящий из входной щели, объектива и диспергирующего устройства. Входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости относительно его оптической оси. Объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал. Первого сферического, выполненного в виде внеосевого фрагмента, вогнутого зеркала с положительной оптической силой, в 3 раза большей, чем у третьего зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели. Второго, выполненного в виде внеосевого фрагмента вытянутого эллипсоида, выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, в 4 раза большей, чем у третьего зеркала, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третьего, расположенного на оптической оси объектива, вогнутого гиперболического зеркала с положительной оптической силой, примерно равной силе всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели. Причем центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены на оптической оси объектива. Диспергирующее устройство спектрометра расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели и выполнено в виде призмы с преломляющим углом 5…30 градусов из материала, с показателем преломления в пределах 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии в пределах 20…70, с нанесенным на второй по ходу луча грани отражающим покрытием. Апертурная диафрагма расположена на второй по ходу луча грани призмы. Излучение от входной щели преобразуется объективом в коллимированный пучок, который затем попадает на диспергирующий элемент, раскладывается в спектр, отражается от плоского зеркала, снова проходит через диспергирующий элемент, а затем попадает в объектив, формирующий в обратном ходе разложенное в спектр изображение входной щели на приемнике изображения. Но результатом применения призменного диспергирующего устройства является низкая угловая дисперсия.Closest to the proposed invention is a mirror autocollimation spectrometer described in RF patent No. 2521249, IPC G02B 17/08, G01J 3/14, published 06/27/2014, consisting of an entrance slit, a lens and a dispersing device. The entrance slit is located in the focal plane of the lens and is offset in the meridional plane relative to its optical axis. The lens consists of three mirrors mounted in series along the beam. The first spherical, made in the form of an off-axis fragment, is a concave mirror with positive optical power, 3 times larger than that of the third mirror, which is turned concave to the entrance slit. The second, made in the form of an off-axis fragment of an elongated ellipsoid, is a convex mirror with negative optical power, 4 times larger than that of the third mirror, located between the entrance slit and the first mirror and facing convex to the first mirror. A third, located on the optical axis of the lens, a concave hyperbolic mirror with positive optical power, approximately equal to the strength of the entire lens, facing concavity to the entrance slit. Moreover, the centers of the reflecting surfaces of all mirrors are located on the optical axis of the lens. The dispersing device of the spectrometer is located on the other side of the optical axis with respect to the entrance slit and is made in the form of a prism with a refractive angle of 5 ... 30 degrees from the material, with a refractive index in the range of 1.4 ... 1.7 and a dispersion coefficient in the range of 20 ... 70 , with a reflective coating applied to a second facet along the face of the beam. The aperture diaphragm is located on the second facet of the prism along the beam. The radiation from the entrance slit is converted by the lens into a collimated beam, which then falls onto the dispersing element, decomposes into a spectrum, is reflected from a flat mirror, passes through the dispersing element again, and then enters the lens, which forms the image of the entrance slit at the receiver in the reverse direction Images. But the result of using a prism dispersing device is a low angular dispersion.
Задачей данного изобретения является создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенными эксплуатационными характеристиками.The objective of the invention is the creation of a mirror autocollimation spectrometer with enhanced performance.
Технический результат - создание зеркального автоколлимационного спектрометра, обеспечивающего высокое качество и однородность изображения во всем рабочем спектральном диапазоне, с повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, простого в юстировке.The technical result is the creation of a mirror autocollimation spectrometer that provides high quality and uniformity of the image in the entire working spectral range, with high adaptability, small dimensions and weight, easy to align.
Это достигается тем, что в зеркальном автоколлимационном спектрометре, состоящем из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости относительно его оптической оси, объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого гиперболического зеркала с положительной оптической силой, близкой к силе всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели, причем все оптические поверхности зеркал объектива являются поверхностями не более чем второго порядка, с оптическими осями, совмещенными с оптической осью объектива, апертурная диафрагма расположена на диспергирующем устройстве, находящемся с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели, в отличие от известного, первое зеркало выполнено в виде сплюснутого эллипсоида с оптической силой, в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала, второе зеркало - сферическое, расположенное на оси, с оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента, расстояние между первым и вторым зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым и третьим зеркалом, диспергирующее устройство выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом от 1 до 1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка, кроме того, перед плоскостью изображения расположена плоскопараллельная пластина с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива, а все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.This is achieved by the fact that in a mirror autocollimation spectrometer consisting of an entrance slit, a lens, and a dispersing device, the entrance slit is located in the focal plane of the lens and is offset in the meridional plane relative to its optical axis, the lens consists of three mirrors installed in series along the beam, the first one made in the form of an off-axis fragment of a concave mirror with positive optical power, facing concavity to the entrance slit, a second convex mirror with a negative optical a sludge located between the entrance slit and the first mirror and convex to the first mirror, a third concave hyperbolic mirror with positive optical power close to the strength of the entire lens, turned concavity to the entrance slit, and all optical surfaces of the lens mirrors are surfaces of no more than second order , with optical axes aligned with the optical axis of the lens, the aperture diaphragm is located on a dispersing device located on the other side of the optical axis relative to to the entrance slit, in contrast to the known one, the first mirror is made in the form of a flattened ellipsoid with optical power 1.5 ... 2.5 times greater than that of the third mirror, the second mirror is spherical, located on the axis, with optical power, 2.5 ... 3.5 times greater than the third mirror, made in the form of an off-axis fragment, the distance between the first and second mirrors is 1.5 ... 2 times less than the focal length of the entire lens and is equal to the distance between the second and third mirrors, dispersing the device is made in the form of a flat reflective di an array of lattices in increments of 1 to 1000 μm with a brightness angle calculated for the first-order spectrum, in addition, in front of the image plane there is a plane-parallel plate with a refractive index of 1.4 ... 1.6 and a thickness of 0.005 ... 0.02 of the focal length of the lens, and all optical elements are made of materials with high radiation resistance to the effects of cosmic radiation.
На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра. На фиг. 2 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели. На фиг. 3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.In FIG. 1 is a schematic optical diagram of a mirror autocollimation spectrometer. In FIG. Figure 2 shows the modulation transfer function of a mirror autocollimation spectrometer for the average and boundary wavelengths of the working spectral range for the center point of the entrance slit. In FIG. Figure 3 shows the modulation transfer function of a mirror autocollimation spectrometer for the average and boundary wavelengths of the working spectral range for the extreme point of the entrance slit.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр на фиг.1 состоит из входной щели 1, первого зеркала 2, второго зеркала 3, третьего зеркала 4, отражающей дифракционной решетки 5 и плоскопараллельной пластины 6. Зеркала 2, 3 и 4 образуют объектив с эксцентрично расположенным полем изображения. Входная щель 1 длиной 19,2 мм расположена в фокальной плоскости объектива перпендикулярно меридиональной плоскости и смещена относительно оптической оси. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сплюснутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой примерно в 2 раза большей, чем у третьего зеркала 4. Второе зеркало 3 - выпуклое осесимметричное, выполненное сферическим с отрицательной оптической силой, примерно в 2 раза большей, чем у третьего зеркала 4, расположено между входной щелью 1 и первым зеркалом 2 и обращено выпуклостью к первому зеркалу 2. Третье зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой, близкой к силе всего объектива, при этом расстояние между первым и вторым зеркалами примерно в 1,7 раза меньше фокусного расстояния всего объектива, а вершины первого и третьего зеркал совмещены. Оптические оси отражающих поверхностей зеркал 2, 3 и 4 совмещены с оптической осью объектива. Диспергирующее устройство спектрометра выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки 5 с шагом от 1 до 1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка, и расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели 1, также в плоскости дифракционной решетки 5 расположена апертурная диафрагма. Плоскопараллельная пластина 6 имитирует защитное стекло приемника изображения, расположена перед плоскостью изображения и выполнена из оптического материала с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива. Все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.The mirror autocollimation spectrometer in Fig. 1 consists of an
На фиг. 2 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели.In FIG. Figure 2 shows the modulation transfer function of a mirror autocollimation spectrometer for the average and boundary wavelengths of the working spectral range for the center point of the entrance slit.
На фиг. 3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.In FIG. Figure 3 shows the modulation transfer function of a mirror autocollimation spectrometer for the average and boundary wavelengths of the working spectral range for the extreme point of the entrance slit.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр работает следующим образом. Излучение от входной щели 1 спектрометра попадает на первое зеркало 2, затем, отразившись от него, последовательно претерпевает отражение на втором зеркале 3 и третьем зеркале 4. После зеркала 4 коллимированный пучок излучения попадает на отражающую дифракционную решетку 5, и отразившись от нее, раскладывается в спектр и снова попадает на третье зеркало 4. Отразившись последовательно от третьего зеркала 4, второго зеркала 3, первого зеркала 2 и пройдя через плоскопараллельную пластину 6, излучение формирует разложенное в спектр изображение входной щели в плоскости изображения.Mirror autocollimation spectrometer works as follows. The radiation from the
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан зеркальный автоколлимационный спектрометр, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.In accordance with the proposed technical solution, a mirror autocollimation spectrometer was calculated, the design parameters of which are given in table 1.
Характеристики зеркального автоколлимационного спектрометра:Characteristics of a mirror autocollimation spectrometer:
Спектральный диапазон: 1,0-2,2 мкм.Spectral range: 1.0-2.2 microns.
Относительное отверстие объектива: 1:3,5.The relative aperture of the lens: 1: 3,5.
Длина входной щели: 19,2 мм.Entrance slit length: 19.2 mm.
Линейное поле в пространстве изображений: 19,32×6,35 мм.Linear field in image space: 19.32 × 6.35 mm.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:The mirror autocollimation spectrometer has the following image quality characteristics:
- кривизна спектральных линий не более 5,0 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;- the curvature of the spectral lines is not more than 5.0 μm in the entire working spectral range;
- краевая дисторсия изображения не более 5,2 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;- edge distortion of the image of not more than 5.2 microns in the entire working spectral range;
- линейная дисперсия 0,19 нм/мкм;- linear dispersion of 0.19 nm / μm;
- МПФ на пространственной частоте 30 мм-1 не менее 0,5 во всем рабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля.- MPF at a spatial frequency of 30 mm -1 not less than 0.5 in the entire working spectral range for all points of the linear field.
Таким образом, создан зеркальный автоколлимационный спектрометр, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 1,0-2,2 мкм, с входной щелью длиной 19,2 мм, относительным отверстием объектива 1:3,5, линейной дисперсией 0,19 нм/мкм, имеющий высокое качество и однородность изображения во всем рабочем спектральном диапазоне, что очень важно при использовании матричных фотоприемных устройств. Кроме того, он обладает повышенной технологичностью и простотой в юстировке за счет использования в объективе спектрометра асферических поверхностей не более чем второго порядка, единственное выпуклое зеркало является сферическим, причем центры всех отражающих поверхностей находятся на оптической оси объектива, вершины первого и третьего зеркал совмещены, а диспергирующее устройство выполнено в виде плоской отражающей дифракционной решетки.Thus, a mirror autocollimation spectrometer was created, operating in the near infrared wavelength range of 1.0–2.2 μm, with an entrance slit of 19.2 mm in length, a lens aperture of 1: 3.5, and a linear dispersion of 0.19 nm / μm having high quality and uniformity of the image in the entire working spectral range, which is very important when using matrix photodetectors. In addition, it has high adaptability and ease of adjustment due to the use of aspherical surfaces of no more than second order in the spectrometer lens, the only convex mirror is spherical, with the centers of all reflecting surfaces located on the optical axis of the lens, the vertices of the first and third mirrors are aligned, and the dispersing device is made in the form of a flat reflective diffraction grating.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014131325/28A RU2567447C1 (en) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Mirror autocollimator spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014131325/28A RU2567447C1 (en) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Mirror autocollimator spectrometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2567447C1 true RU2567447C1 (en) | 2015-11-10 |
Family
ID=54537030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014131325/28A RU2567447C1 (en) | 2014-07-30 | 2014-07-30 | Mirror autocollimator spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2567447C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621364C1 (en) * | 2016-02-04 | 2017-06-02 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Autocollimation spectrometer with spectral decomposition in sagittal direction |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2100786C1 (en) * | 1994-07-18 | 1997-12-27 | Новосибирский государственный университет | Fourier-spectrometer |
| RU2327194C2 (en) * | 2006-07-24 | 2008-06-20 | ФГУП "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" | Three-mirror optical system without screening |
| CN103293682A (en) * | 2013-05-31 | 2013-09-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Light-splitting light path structure of broad-spectrum solar spectral irradiance monitor |
-
2014
- 2014-07-30 RU RU2014131325/28A patent/RU2567447C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2100786C1 (en) * | 1994-07-18 | 1997-12-27 | Новосибирский государственный университет | Fourier-spectrometer |
| RU2327194C2 (en) * | 2006-07-24 | 2008-06-20 | ФГУП "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" | Three-mirror optical system without screening |
| CN103293682A (en) * | 2013-05-31 | 2013-09-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Light-splitting light path structure of broad-spectrum solar spectral irradiance monitor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2621364C1 (en) * | 2016-02-04 | 2017-06-02 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Autocollimation spectrometer with spectral decomposition in sagittal direction |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109739013B (en) | Large-focal-ratio wide-field off-axis three-mirror optical system with real entrance pupil | |
| JP5976765B2 (en) | Cassegrain telescope with Ross compensation for wide spectrum | |
| US9348126B2 (en) | Derived all-reflective afocal optical system with aspheric figured beam steering mirror | |
| US10288481B2 (en) | Spectrometer for generating a two dimensional spectrum | |
| JPH08240793A (en) | Refration ellipse optical face without spherical aberration | |
| JP5970129B2 (en) | A real-eye telecentric imager with total reflection | |
| CN109781257B (en) | Optical system of free-form surface prism spectrometer | |
| US8965193B1 (en) | Mirrored lens for wide field of view and wide spectrum | |
| Bowen | The Spectrographic Equipment of the 200-INCH Hale Telescope. | |
| US20120081705A1 (en) | Two material achromatic prism | |
| CN204758926U (en) | Expand and restraint collimation optical system | |
| US20120081706A1 (en) | Two material achromatic prism | |
| CN102128680A (en) | Telecentric off-axis three-mirror anastigmatic imaging system with three coaxial reflectors at angle of field of view of 10 degrees | |
| RU2621364C1 (en) | Autocollimation spectrometer with spectral decomposition in sagittal direction | |
| RU2567447C1 (en) | Mirror autocollimator spectrometer | |
| CN104406691A (en) | Imaging spectrometer optical splitting system based on single free curved surface | |
| WO2023124293A1 (en) | Catadioptric focus-free optical system | |
| RU2521249C1 (en) | Reflecting autocollimating spectrometer | |
| CN203965040U (en) | Imaging spectrometer beam splitting system based on single free form surface | |
| RU2650055C1 (en) | Catadioptric telescope | |
| Crescenzio et al. | Imaging polarimetry with the METIS coronagraph of the Solar Orbiter Mission | |
| Zavarzin et al. | System solutions for prospective hyperspectral equipment | |
| RU182711U1 (en) | OPTICAL SYSTEM OF OPTICAL ELECTRONIC COORDINATOR | |
| RU2672703C1 (en) | Two-channel mirror-lens system | |
| RU2415451C1 (en) | Reflector lens |