Спектральный прибор

 

1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР, содержащий оптически связанные входную диафрагму со щелями, два коллиматорных сферических зеркальных объектива , две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих зеркальных объектива, два согласующих отражателя , промежуточную и выходную диафрагмы со щелями, отличаЪщ и йс я тем, что, с целью повышения качества изображения путем устранения комы -и астигматизма, дифракционные решетки установлены в плоскостях, отстоящих на двойное фокусное расстояние от соответствующих коллима.торных и фокусирующих объективов, а согласующие отражатели установлены на оптической оси прибора, который дополнительно снабжен двумя плоскими отражателями установленными на оптический оси, один из которых установлен за входной диафрагмой между первым коллиматорным объективом и первой дио фракционной решеткой, а второй перед выходной диафрагмой между второй дифракционной решеткой и вторым фокусирующим объективом. С 00 оо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5 ) С 01 J 3/12 списочник изоьгет ния

Н ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3329139/18-25 (22) 14.08.81 (4б) 30.08.83. Бюл. Р 32 (72) О.Б. Александров, О.A. Куимов, E.È. Лебедев и К.И. Тарасов (53) 535.853(088.8) (56) 1. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л., "Машиностроение", 1977, с. 331-342.

2. Там же, с. 347-351.

3. Там же, с. 227-229, рис. 29.5 (прототип), (54) (57) 1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР, содержащий оптически связанные входную диафрагму со щелями, два колли маторных сферических зеркальных объектива, две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих зеркальных объектива, два согласующих отражателя, промежуточную и выходную ди„„Я0„„1038813 А афрагмы со щелями, о т л и ч а 1о шийся тем, что, с целью повышения качества изображения путем устранения комы .и астигматизма, дифракционные решетки установлены в плоскостях, отстоящих на двойное фокусное расстояние от соответствую. щих коллиматорных и фокусирующих объективов, а согласующие отражатели установлены на оптической оси прибора, который дополнительно снабжен двумя плоскими отражателями и установленными на оптический оси„ один иэ которых установлен за входной диафрагмой между первым коллиматорным объективом и первой дифракционной решеткой, а второй — е

О перед выходной диафрагмой между второй дирракцйоииой решеткой и вто- Q) рым Фокусирующим объективом. и

1038813

2. Прибор по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью постоянства кривизны линий по спектру, между коллиматорным объективом и согласующим отражателем и глежду фскусирующим объективом и вторым согласующим отражателем установлены плоские зеркала, 3. Прибор по п.2, о т л и ч а ю шийся тем, что один иэ указан1

Изобретение относится к технической.физике и может быть использовано при создании светосильных монохроматоров и спектрометров высокого раэре- 5 шения.

Известны светосильные спектрометры с плоскими дифракционными решетками, в которых входная и выходнйФ диафрагмы выполнены в виде одно-или, двумерного набора щелей, расположен- ных случайным или регулярным образом, например в соответствии с каким-либо кодом 1 j u j 2> ° .Недостатком указанных приборов, построенных по схемам Литтрова или

Эберта-lacòè, например растровых или матричных спектрометров, являются низкое качество изображения и высокий уровень мешающего излучения. 20

Наиболее близким к предлагаемому является спектральный прибор, содержащий оптически связанные входную диафрагму со щелями, два коллиматор- 25 ных сферических зеркальных объектива, две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих сферических зеркальных объектива, два согласующих отражателя, промежуточную и выход- ЗО ную диафрагмы со щелями 33.

Известный спектральный прибор представляет собой двойной монохроматор, образованный двумя последовательно установленными одиночными 35 монохроматорами, выполненными по схеме Литтрова, поэтому функции коллиматорного и фокусирующего объективов в каждом иэ них выполняет с>дно сферическое зеркало; входная, промежуточная и выходная диафрагмы выполнены в виде набора иэ двух прямых щелей, а согласующие отражатели смещены относительно оптической оси.

Многощелевой спектральный прибор- >5 прототип, как и другие известные многощелевые спектрометры, не обеспечивает высокого качества изображения, поскольку кома и астигматизм кажлого одиночного монохроматора 50 ных отражателей выполнен в виде двойного зеркала.

4. Прибор по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что он снабжен мениском и положительной линзой, установленными эа входной или перед выходной диафрагмами. по схеме Литтрова ничем не компенсируется и, следовательно, являются аддитивными. Кроме того, в известном приборе не обеспечивается постоянство кривизны спектральных линий по спектру в процессе сканирования, что приВодит к падению реальной разрешающей силы и потерям выделяемого потока излучения, т.е. к ухудшению характеристик, имеющих

Особое значение для многощелевых спектральных приборов.

Цель изобретения — повышение качества изображения спектра при постоянной кривизне спектральных линий по спектру во все рабочем спектральном интервале прибора путем устранения комы и астигматизма.

Пос ".àâëåííàÿ цель достигается тем, что в спектральном приборе, содержащем оптически связанные вход„ную диафрагму со щелями, два коллиматорных сферических зеркальных объектива, две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих зеркальных объектива, два согласующих отражателя, промежуточную и выходную диафрагмы со щелями, дифракционные решетки установлены в плоскостях, 5тстоящих на двойное фокусное рас=тояние от соответствующих коллиматорных и фокусирующих объективов, а согласующие отражатели установлены на оптической оси прибора, который дополнительно снабжен двумя плоскими отражателями, установленными на оптической оси, один иэ которых, установлен за входной диафрагмой между первым коллиматорным объективом и первой дифракционной решеткой, а второй — перед выходной диафрагмой между второй дифракционной решеткой и вторым фокусируюдим объективом.

Между коллиматорным обьективом и согласующим отражателем и между фокусирующим объективом и вторым согласующим отражателем установлены плоские зеркала.

1038813

Причем один из указанных отража= телей может быть выполнен в виде двойного зеркала.

Спектральный прибор может быть снабжен мениском и положительной линзой, установленными за входной 5 или перед выходной диафрагмами.

На чертеже приведена схема, состоящая из двух последовательно расположенных аналогичных оптических систем. 10

B каждой системе имеется входная диафрагма 1 или 2 (для второй оптической системы функцию входной диафрагмы выполняет промежуточная диафрагма прибора), плоская дифрак- 15 ционная решетка 31 и 32, два сферических, зеркальных объектива: коллиматорный 4.1 и .4.2 и фокусирующий

5.1 и 5.2, два согласующих отражателя, выполненные в виде двух плоских20 зеркал 6.1 и 6.2, установленных на оптической оси прибора, плоские зеркала 7.1 и 7.2 и выходная,циафрагма 2 и 8 (для первой оптической системы функцию выходной диафрагмь| выполняет промежуточная диафрагма) и плоский отражатель 9.1 и 9.2.

В первой оптической системе плоский отражатель 9.1 установлен за входной диафрагмой 1 на отрезке 04 0> оптической оси прибора между первым коллиматорным объективом 4.1 и первой дифракционной решеткой 3.1 под острым углом, например 45, к оптио ческой оси. Рабочая поверхность отражателя 9.1 обращена к объективу

4.1. Во второй системе плоский отражатель 9.2 установлен перед выходной диафрагмой 8 на отрезке 0 0 оптической оси прибора между второй дифракционной решеткой 3.2 и вторым 40 фокусирующим объективом 5.2. Рабочая поверхность отражателя 9.2 обращена к обьективу 5.2. Кроме того, вторая система может быть снабжена мениском 10 и положительной (жела- 45 тельно плосковыпуклой) линзой 11, установленными между плоским отражателем 9.2 и выходной диафрагмой 8.

Если позволяют конструктивные соображения, все объективы 4.1, 4.2, 5.1 и 5.2 целесообразно выполнить с одинаковым фокусным расстоянием

Дифракционные решетки 3.1 и 3.2 имеют идентичные характеристики и расположены друг под другом в одной плоскости, отстоящей на двойном фокусном расстоянии от соответствующих объективов 4.1, 4.2 и 5.1, 5.2, 1 r t i r т.е. Оз04=0306+0 0 =0 06+06 04 =0 0 =

2f.

Входная 1 и выходная 8 диафрагмы 60 выполнены в виде одинаковых наборов щелей. В простейшем случае каждый набор состоит иэ единственной щели. Однако для увеличения полезного по т Окл ма ттотха и1уО гтлл, через спектральный прибор, рекомендуется выполнить прибор многощелевым. Например, число щелей в каждом наборе может быть равным 2;4 и т.д., причем все щели расположены в один ряд. В этом случае спектральный прибор, как и прототип, представляет

1 собой многощелевой двойной монохроматор, в котором каждая оптическая система соответствует одиночному монохроматору. Возможно также выполнение диафрагм 1 и 8 и в виде матрицы щелей с построчно-хаотическим или регулярным расположением щелей, например в соответствии с матрицами Адамара-. В отличие от прототипа, все щели входной и выходной диафрагм выполнены криволинейными с радиусом кривизны R

a(-Pr

R = tg (--- )

2 где и Р— соответственно углы падения и дифракции решеток 3.1 и 3.2.

Например, при f=500 мм и c(— Pi = 60

R 290 мм. Промежуточная диафрагма 2 в данном случае может быть выполнена в виде окна с размерами, соответствующими размерам диафрагм 1 и 8.

При этом обе дифракционные решетки могут быть выполнены на общей подложке, т.е. представлять собой верх-нюю и нижнюю части одной решетки.

При использовании в качестве двойного монохроматора прибор работает следующим образом.

Излучение поступает в первый монохроматор через входную диафрагму 1; отражается первым плоским отражателем 9.1, коллимируется сферическим зеркальным объективом 4.1, разлагается в спектр первой дифракционной решеткой 3.1, отражается от плоского зеркала 6.1, фокусируется сферическим зеркальным объективом 5.1 в плоскости промежуточной диафрагмы

2 (после отражения от плоского зеркала 7.1). Монохроматизированное излучение, для которого угол падения равен (., а угол дифракции /, проходит через промежуточную диафрагму

2 во второй одиночный монохроматор, направляется плоским зеркалом 7.2 на второй коллиматорный объектив 4.2, параллельным пучком падает на плоское зеркалс 6.2 вторично разлагается в спектр второй дифракционной решеткой 3.2, затем вторым фокусирующим объективом 5.2 направляется на второй плоский отражатель 9.2, а от него — на выходную диафрагму 8.

Через выходную диафрагму проходит только поток с длиной волны, для которой выполняется условие

t g (----) = --- .

1038813

Составитель JI. Гойхман

Редактор В. Петраш Техред М.Тепер Корректор A. Ильин

Заказ 6217/49 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Сканирование спектра осуществляет я простым синхронным поворотом дифракционных решеток 3.1 и 3.2 вокруг аси, параллельнаи направлению штрихов. Благодаря выполнению условия (1 ) кривизна спектральных

5 линий в процессе сканирования ос-. тается постоянной, что позволяет уменьшить потери излучения, т.е. работать в широком спектральном интервале без смены входной и выходной диафрагм, и достичь высокой разрешающей способности.,Цля того, чтобы уменьшить потери излучения на плоских зеркалах 7.1 и 7.2 и плоских отражателях 9.1 и 9.2, установ- i5 ленных на оптической оси„их размеры следует сделать небольшими по сравнению с размерами дифракционных решеток 3.1 и 3.2; оптимальные размеры элементов 7.1, 7.2, 9.1 и 9.2 оп- 2() ределяются иэ габаритного расчета двойного монохроматора.

Зеркала 7.1 и 7.2 обеспечивают получение большого угла с — 3, что в соответствии с выражением (1) 25 снижает кривизну входной и выходной диафрагм и создает дополнительное удобство — уменьшение габаритов прибора.

Высокое качество изображения спектра обеспечивается в предлагаемом спектральном приборе благодаря тому, что дифракционные решетки 3.1 и 3.? установлены в плоскости, проходящей через центры кривизны объективов 4.1, 4.2, 5.1 и 5.2, а угол падения на эти объективы осевых лучей всех пучков равен нулю, в результате чего кома и астигматизм отсутствуют. Меридианальное увеличение изображения входной диафрагмы, 40 равное 1, обеспечивается симметричностью оптической схемы.,Введение положительной линзы 11 и мениска 10 дает возможность получить плоское поле и уменьшить сферическую аберрацию (линза и мениск могут быть установлены не перед выходной диафрагмой 8, а эа входной диафрагмой 1).

Таким образом, предлагаемый при. бор позволяет получить более высо,кое качество изображения, чем известные многощелевые спектральные приборы, при этом кривизна иэображения спектра при его использовании остается постоянной ва всем рабочем спектральном диапазоне.

Причем предлагаемый прибор более компактен, чем известные двойные монохроматоры.

Кроме того, на основе предлагаемого технического решения могут быть созданы приборы различных типов: двойные одно-и многощелевые монохроматоры,и спектрометры, в том числе растровые. и матричные.

При этом в растровом приборе для выделения переменной монохроматической составляющей потока излучения необходимо предусмотреть воэвратнопоступательное перемещение изображения входной диафрагмы в направлении, нормальном плоскости дисперсии прибора. Праще всего такое перемещение реализовать колебательным движением одного из плоских зеркал вокруг оси, лежащей в плоскости дисперсии. В матричных и адамар-спектраметрах, когда маски ставятся: только на места средней щели, необходимо вычитание дисперсии дифракционных решеток, и в этом случае установка оптических элементов схемы осуществляется в соответствии с приложенным чертежом. B растровых спектраметрах, наоборот, необходимо сложение дисперсии и в этом случае необходимо оборачивание спектра в одной из половин прибора. Это достигается, например, заменой плоского зеркала 6.2 двойным зеркалом (двумя плоскими зеркалами, установленными под углом

45 друг к другу) или же введением двойного зеркала B согласующую систему 7.1-7.2.

Предлагаемый прибор по своим napa метрам превосходит известный. Например, двойной монохроматор, выполненный в соответствии с изобретением, при фокусном расстоянии 500 мм, относительном отверстии 1:5 и при использовании дифракционной решетки с 200 штрих./мм, работающей в первом порядке, обеспечивает реальный предел разрешения 0,08 см на длине волны 5 мкм (2000 см ). При этом проходящий через монохраматар пале ный поток излучения в 150-200 раз выше, чем у известных двойных монахроматоров с таким же разрешением.