Фурье-спектрометр

 

Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения. Сущность изобретения состоит в том, что в Фурье-спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, два плоских зеркала, светоделитель и позиционно чувствительный линейный фотоприемник, введены внеосевые эллиптическое и параболическое зеркала. Первое размещено на входе светоделителя таким образом, что отображает входную апертуру спектрометра, находящуюся в первом фокусе эллипса, во второй его фокус, расположенный симметрично между плоскими зеркалами. Второе - на выходе светоделителя, так, что источник расположен в первой фокальной плоскости, а фотоприемник - в задней фокальной плоскости. 1 ил.

Изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения.

Известен интерференционный спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, проектирующий объектив, светоделитель и установленные после светоделителя по ходу излучения по два плоских зеркала в одном и другом каналах светодителя, выходной объектив и фотоприемник, сигнал с которого после усиления преобразуется с помощью вычислительного устройства в спектр.

Зеркала определенным образом установлены относительно светоделителя для достижения увеличения светосилы и сокращения габаритов прибора.

К недостаткам указанного спектрометра можно отнести следующие: схема, содержащая объективы, не свободна от хроматической и сферической аберраций, использование выходного объектива в описанной схеме требует выноса фотоприемника за габариты интерферометра на расстояние, равное фокусному расстоянию этого объектива.

Цель изобретения было создание прибора, который не имел бы хроматической и сферической аберраций, габариты которого не превышали бы размеров камеры интерферометра, обеспечивая простоту и виброустойчивость устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в известный спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, два плоских зеркала, светоделитель и позиционно-чувствительный линейный фотоприемник, введены два внеосевых зеркала: входное-эллиптическое, расположенное на входе светодителя и выходное-параболическое, на выходе светоделителя. Входное эллиптическое зеркало отображает входную апертуру спектрометра, находящуюся в первом фокусе эллипса, во второй свой фокус, расположенный симметрично между плоскими зеркалами.

Выходное параболическое зеркало, предназначенное для локализации интерференционной картины в плоскости фотоприемника установлено таким образом, что источник расположен в передней фокальной плоскости, а фотоприемник в задней фокальной плоскости.

Использование зеркальных объективов исключает хроматические и сферические аберрации оптической системы. Внеосевое расположение фокусирующих зеркал позволяет изменить направление распространения лучей таким образом, что для их прохождения многократно используются габариты интерферометрической камеры. Это позволяет сократить габариты и разместить все элементы прибора на одном, простом по конфигурации корпусе.

Описание схемы поясняется чертежом где: S входная апертура прибора ("источник"), 1 входное эллиптическое (или заменяющее его сферическое) зеркало, 2 светоотделитель, 3 плоское зеркало, способное перемещаться в направлении нормали к отражающей поверхности, 4 плоское зеркало, 5 - выходное параболическое (или заменяющее его сферическое) зеркало, P - позиционно-чувствительный фотоприемник. Источник и его изображение S' расположены в фокусах эллиптического зеркала 1. Плоские зеркала находятся под углом 22,5^o к плоскости светоделителя и под углом 45^o друг к другу.

Формирование интерферограммы в плоскости фотоприемника происходит следующим образом.

Изображение исследуемого источника проецируется первым эллиптическим зеркалом 1 в переднюю фокальную плоскость параболического зеркала 5, где образуется два мнимых источника и , смещенных в перпендикулярном лучу направлении на расстояние, прямо пропорциональное смещению зеркала 3 от симметричного положения. Сферические волны, испускаемые точками мнимых источников преобразуются параболическим зеркалом 5 в плоские (пространственное Фурье-преобразование). Плоские волны от соответственных точек источников интерферируют в задней фокальной плоскости зеркала 5, образуя пространственный Фурье-образ спектра источника по волновым числам (в частном случае монохроматического спектра источника интерферограмма представляет собой интерферограмму с равномерно расположенными эквидистантными полосами). Интерференционная картина регистрируется позиционно-чувствительным фотоприемником, спектр источника восстанавливается с помощью обратного Фурье-преобразования на ЭВМ.

Предлагаемый вариант с эллиптическими и параболическими зеркалами является оптимальным. 0днако, при использовании фотоприемником с невысоким пространственным разрешением, возможна замена указанных зеркал на сферические, что упрощает изготовление и снижает стоимость прибора. Появляющаяся при этом незначительная сферическая аберрация не влияет на характеристики прибора. На чертеже приведена схема конкретного варианта спектрометра со сферическими зеркалами, где: l1 оптический путь от источника S до входного зеркала 1, l2 оптический путь от входного сферического зеркала 1 до плоского зеркала 3, l3 оптический путь от плоского зеркала 3 до точки фокуса сферического зеркала 1, l4 оптический путь от точки фокуса сферического зеркала 1 до плоского зеркала 4, l5 оптический путь от плоского зеркала 4 до выходного сферического зеркала 5, l6 оптический путь от выходного зеркала 5 до приемника P, R1 радиус кривизны входного сферического зеркала (30 мм), R2 радиус кривизны выходного сферического зеркала (30 мм).

Диаметр плоских зеркал 3 и 4 равен 40 мм, диаметр сферических зеркал 1 и 5 равен 50 мм, длина светоделителя 65 мм.

Диаметр диафрагмы (источника) 20 мм.

Длина линейки фотоприемников 20 мм.

f фокусное расстояние сферических зеркал 45 + 103 148 мм l1 f 148 мм
l2 + l3 f 148 мм
l6 f 148 мм
l4 + l5 f 148 мм
l1 148 мм
l2 103 мм
l3 45 мм
l4 45 мм
l5 130 мм
l6 148 мм
Максимальные размеры прибора 120х170х50 мм.

Формула изобретения

Фурье-спектрометр, содержащий оптически связанные источник излучения, два плоских зеркала, светоделитель и позиционно-чувствительный литейный фотоприемник, отличающийся тем, что в него введены внеосевые эллиптическое и параболическое зеркала, причем первое размещено на входе светоделителя таким образом, что отображает входную апертуру спектрометра, находящуюся в первом фокусе эллипса, во второй его фокус, расположенный симметрично между плоскими зеркалами, а второе установлено на выходе светоделителя так, что источник расположен в передней фокальной плоскости, а фотоприемник в задней фокальной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1