Спектрограф

 

Использование: оптическое приборостроение . Сущность изобретения: спектрограф содержит последовательно расположенные входную щель, сферическую дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка установлена на расстоянии d г (1,01056-0,0393 k Я N) от входной щели и на расстоянии d гх х 1,0037-0,014 k A N + 0,058 (k AN)2 от регистрирующего устройства; угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке (р -0,016+0,748 k A N; штрихи решетки выполнены криволинейными с радиусом р -3,34 г (k AN) -(0,93+0,72 k AN) у, с переменным расстоянием между ними

союз соВетских социАлистических

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 J 3/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ I

|р

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4789516/25 (22) 08.02.90 (46) 23.06.92. Бюл. N. 23 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) Н,К. Павлычева и И,Е. Кит (53) 535.853(088.8) (56) D Orazlo М., Hirshberger K„Opt. Eng., 1983, ч. 22, N. 33, р. 308 — 313, Авторское свидетельство СССР

N 1358538, кл, G 01 J 3/18, 1985. (54) СПЕКТРОГРАФ (57) Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: спектрограф содержит последовательно расположенные входную щель, сферическую дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка установлена на расстоРнии d = r (1,01056 — 0,0393 k Л N) от входной щели и на расстоянии.d = rx х (1,0037 — 0,014 k Л N + 0,058 (k Л й) ) от

Изобретение относится к оптическому приборостроению, и может быть использовано при создании спектральных приборов.

Известны спектрографы, единственными оптическими элементами которых являются голографическая дифракционная решетка и полевая линза, Такие спектрографы содержат последовательно расположенные по ходу луча входную щель, голографическую дифракционную решетку, полевую линзу и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью. Параметры записи голографической решетки {IV тип по классификации looin Yvon) подобрарегистрирующего устройства; угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке p = — 0,016+0,748 k it N; штрихи решетки выполнены криволинейными с радиycoM p = — 3,34 г (К Л И) — (0,93+0,72 k A. N) у, с переменным расстоянием между ними е = 1/N(1+(0,012+0,27 k Л N) у/г+(0,037—

-0,163 k Л N) у /r ), Регистрирующее устройство выполнено с возможностью установки расстояния от решетки d =

=r(1,0037 — 0,014 k Л N+ 0,058 (kil, N) ), где r— радиус кривизны решетки; N — частота штрихов в вершине решетки; Л вЂ” средняя длина волны спектрального диапазона; k—

- рабочий порядок спектра; у — координата в меридиональном сечении решетки, Воз. можно использование сферических дифракционных решеток с любыми радиусами кривизны. 2 ил. ны так, чтобы при работе в схеме монохроматора минимизированы астигматизм и меридианальная кома.

Недостатком данного технического решения является то, что при работе решетки в схеме спектрографа астигматизм и меридиональная кома коррегируются в узком центральном участке спектрального диапазона. Пос,o„:ьку современнь е многоканальные приемники, применяемые в спектральных приборах, имеют, в основном, небольшой размер .по высоте линии (нап ример, высота фотодиодной линейки не превышает 0,5 мм), астигматизм, увеличива1742634 ющийся к краям спектра, значительно уменьшает светосилу спектрографа. Светосилу спектрографа ограничивает также сагиттэльная кома, значение которой возрастает с увеличением относительного отверстия, что приводит к необходимости уменьшения рабочей заштрихованной поверхности в сагиттальном сечении, а отсутствие минимизации дефокусировки и меридиональной комы для всего рабочего спектрального диапазона значительно ухудшает качество изображения спектра, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является спектрограф. Такой спектрограф содержит оптически связанные входную щель, сферическую дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними, полевую линзу и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, дифракционная решетка расположена на расстоянии d = r (1,01056 — 0,0393 k А N) от входной щели и на расстоянии d = r (1,0037—

-0,014 k Л N+0,058 (k Л N) )+(d1 „) от региI стрирующего устройства, угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки,. и нормально к решетке p = — 0,016+0,748 k AN, криволинейные штрихи дифракционной решетки

3 34 выполнены с радиусом р = — r—

k N — (0,93+0,72 К А N) у, а переменное расстояние между штрихами удовлетворяет соотношению е = (1+(0,12+2,7 kil N) х

1 х10 у+(3,7 — 16,3 k iL N)10 у ), где r — радиус кривизны решетки;

N — частота штрихов в вершине решетки;

Л вЂ” средняя длина волны диапазона;

d< — толщина полевой линзы; и — показатель преломления полевой линзы; у — координата в меридиональном сечении решетки;

k — рабочий порядок спектра.

Конструктивные параметры схемы спектрографа и решетки обеспечивают минимизацию дефокусировки, коррекцию астигматизма и меридиональной комы для длин волн

Л Л1 Л2

4 где А — средняя длина волны диапазона;

Л,А2 — крайние длины волн, и коррекцию в центре спектрального диапазона сагиттальной комы, Реальная фокаль пред5

55 ставляет из себя дугу окружности более rioлогую, чем круг Роуланда, с нормалью, совпадающей с направлением "нулевого" луча средней длины волны диапазона, Установленная перед фокальной плоскостью линза компенсирует остаточную дефокусировку благодаря тому, что длины волн, удаленные от центра спектрограммы, проходят большой путь в стекле.

К недостаткам спектрографа следует отнести то, что указанные соотношения обеспечивают высокое качество изображения, большую светосилу в широком спектральном диапазоне лишь для дифракционных решеток с радиусами кривизны, близкими к

1000 мм,.что значительно сужает функциональные возможности прибора, не позволяет получать высокое качество изображения для более компактных схем, а также не дает возможность получить более высокую дисперсию при высоком качестве изображения спектра за счет увеличения радиуса кривизны решетки, Кроме того, при использовании в качестве приемников излучения координатно-чувствительных приемников нет необходимости в установке полевой линзы, так как приемники могут быть установлены и на криволинейной поверхности, что упрощает оптическую схему прибора, Цель изобретения — увеличение дисперсии и повышение разрешения в широком спектральном диапазоне, Указанная цель достигается тем, что в спектрографе, содержащем оптически связанные входную щель, сферическую дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка расположена на расстоянии d = r (1,01056 — 0,0393 k il N) от входной щели, угол <р между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке

p= — 0,016+0,748 k А N, а штрихи решетки выполнены криволинейными с радиусом р = — „ „r — (0,93+0,72 kit N) у и с пере3,34 менным расстоянием е, удовлетворяющим

1 условию е= (1+,и y+vy ), где r — радиус кривизны решетки; N — частота штрихов в вершине решетки; А — средняя длина волны спектрального диапазона; k — рабочий порядок спектра, у — координата в меридиональном сечении решетки;,и, v— коэффициенты неравномерности шага решетки, коэффициенты,и, м неравномерности шага решетки удовл творяют условиям,и = (0,012+ 0,27 k A, N) !r+v

=(0,037 — 0,163 k Л К) /г, а расстояние d от

1742634 решетки до регистрирующего устройства— условию сГ = rf1,0037 — 0,014 k Л N+0,058 (k Л N) ), На фиг. 1 изображена оптическая схема спектрографа; на фиг. 2 — сферическая диф- 5 ракционная решетка.

Спектрограф содержит последовательно расположенные по ходу луча входную щель 1, сферическую дифракционную решетку 2, имеющую радиус 10 кривизны г и находящуюся на расстоянии d = r (1,01056 — 0,0393 k Л N) от входной щели 1, поверхность 3 регистрирующего устройства 4, расположенного на расстоянии

d = r(1,0037 — 0,014 k Л N+0,058 (k ЛN) ) от 15 дифракционной решетки 2 для длины волны Л. Угол р между отрезком, соединяющим центр входной щели 1 с вершиной решетки 2, и нормалью к решетке 2 p=

=- — 0,016+0,748 k il N, Штрихи решетки 2 20 имеют радиус кри виан ы, on редел яемый из в ыражения р = — 3,34 г/О М вЂ” (0,93+0,72 И N) у, а расстояние между штрихами переменное и удовлетворяющее соотношению е = „„(0,012+0,27 k Л N) у/г+(0,037—

1 25 — 0.,163 k il N)y /гг).

Устройство работает следующим обра- зом, Излучение от входной щели 1 падает на сферическую дифракционную решетку 2 под углом р= — 0,016+0,748 kil. N. Решетка 2 имеет в общем случае штрихи радиусаp =ро -Py и переменное расстояние между штрихами

e = М (1+@ y + v yг)

1 гдеро — радиус кривизны штриха в вершине решетки;

Р— коэффициент, определяющий сагит- 40 тальную кому; ,и — коэффициент, определяющий фокусировку в меридиональной плоскости;

v — коэффициент, характеризующий меридиональную кому.

Дифрагированное излучение фокусируется на поверхности регистрирующего устройства 3.

Аберрации сферической дифракционной решетки с криволинейными штрихами характеризуются функцией оптического пути, имеющей вид у

v (у, z) =-уЕо+ F> Ег+

+ — Fa+ F4;

2 2 (1)

F;=M; — kkNG;, (2) где у — координата в меридиональном сечении решетки;

z — координата в сагиттальном сечении решетки;

М вЂ” содержит параметры схемы спектрографа, а Gt — параметры нарезки решетки:

G1=-и;

Ог=— ро (4) 6з = 2 (p — v)/3;

6 =(uР, — Р) Рог, (5) (6) .

Равенство нулю F< выражает условие фокусировки в меридианальной плоскости, равенство нулю Рг — условие фокусировки в сагиттал ьной плоскости, Рз — характеризует меридиональную кому.,à F4 — сагиттальную кому. Налагая условие минимизации дефокусировки на плоскости, перпендикулярной

"нулевому" лучу средней длины волны диапазона Л для заданных значений, d — расстояния от центра входной щели до вершины решетки и о — угла падения лучей на решетку, получаем соответствующие значения d и,и

Лг

=0; о =0 где! = 1-1 diL, (7)

Л1

В общем случае, получая ро, v u P из условий равенства нулю F2, Рз, и F4, можно скорректировать аберрации спектрографа лишь для одной длины волны. Проведенные исследования показали, что при определенных значениях конструктивных параметров схемы спектрографа одновременно выполняются условия минимизации (7) и условия равенства нулю Рг и Рз для двух длин волн, расположен н ых симметрично относител ьно центра спектрального диапазона

Л) --Ag (Л + -), где Л вЂ” средняя длина волны

4 диапазона, а Л1 и Лг — крайние значения длин волн диапазона, что гарантирует небольшие значения этих аберраций во всем рабочем спектральном диапазоне, Эти условия с учетом выражений для Мвимеют вид в1о щ сов 1О (1 ccs р б г d

1 cos о (в в . )= О; (8) 1 1 сову+сову о d

1742634

k N (А Л1 -Л2) (9) где ф — угол дифракции длин волн

r — радиус кривизны решетки, N — частота штрихов в вершине решетки

С увеличением относительного отверстия спектрографа возрастает влияние сагиттальной комы на качество изображения, даваемого спектрографом. Коррекция сагиттальной комы в спектрографе обеспечивается тем, что характеризующий эту аберрацию коэффициент Р определен иэ условия равенства нулю этой аберрации для центра диапазона в п у (con 1

sin ri f cos 1

r dÃ

Л («)

Таким образом, в спектрографе констСРБ Р СОВ У б б!

r — kk й,и, где р — угол дифракции длины волны k, Для длины волны Лэто расстояние определяется соотношением

d = г) 1,0037 — 0,014 k Л N+0,058(k Л N) ), руктивные параметры схемы и решетки выбраны такими, что спектр фокусируется на плоскости с минимумом дефокусировки и коррекцией астигматизма, меридианальной и сагиттальной комы в рабочем спектральном диапазоне.

При использовании в качестве приемников излучения координатно-чувствительных приемников остаточная дефокусировка устраняется установкой этих приемников на расстояниях d, соответствующих фокусировке в меридиональном сечении любых длин волн Л рабочего спектрального диапазона, Расстояние di от вершины решетки до поверхности фокусировки для длины волны

Л; определяется из условия фокусировки лучей в меридиональной плоскости

При установке в спектрографе сферических дифракционных решеток с радиусами кривизны 500 и 2000 мм аберрации уменьшилось более чем в 100 раз.

5 Таким образом, расширились возможности спектрографа за счет возможности использования в нем сферических дифракционных решеток с любыми радиусами кривизны. Отсюда вытекают следующие

10 преимущества; спектрограф с решеткой с радиусом кривизны 2000 мм обеспечивает вдвое большую дисперсию, значительно улучшается разрешение для любого значения радиуса кривизны дифракционной ре15 шетки, Формула изобретения

Спектрограф, содержащий оптически связанные входную щель, сферическую

20 дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка расположена на расс оянии

d =; (1,01056 — 0,0393 k Л N) от входной щели и нормаль к ней образует

25 угол

p= — 0,016+0,748 КЛ N по отношению к отрезку, соединяющему центр входной щели с вершиной решетки, а штрихи решетки выполнены криволинейны30 ми с радиусом

p= — 3,34 r(kA N) — (0,93+0,72 kA N) у и с переменным расстоянием е = „(1+

+,и у+ у ), где г — радиус кривизны решетки;

35 N — частота штрихов в вершине решетки;

Л вЂ” средняя длина волны спектрального диапазона; k — рабочий порядок спектра; у— координата в меридиональном сечении решетки;,и, v — коэффициенты неравномерно40 сти шага решетки, отличающийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и повышения разрешения, сферическая дифракционная решетка выполнена с коэффициентами неравномерности шага, удов45 летворяющими условию ,и = (0,012 + 0,27 кЛ N)/г;

v =- (0,037 — 0,163 k Л К)/r

50 а расстояние d от решетки до регистрирующего устройства — условию

d = ф,0037 — 0,014 k Л N+0,058(k Л К) j.

1742634

Составитель С, Иванов

Редактор С, Патрушева Техред M.Mîðãåíòàë Корректор О, Кравцова

Заказ 2277 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101