Многоканальный высокоэффективный кр-спектрометр



Многоканальный высокоэффективный кр-спектрометр
Многоканальный высокоэффективный кр-спектрометр

 


Владельцы патента RU 2492434:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для регистрации спектров комбинационного рассеяния (КР) света газовых сред. Многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр содержит входную щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей. При этом между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения чувствительности спектрометра. 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для регистрации спектров комбинационного рассеяния света (КРС) газовых сред.

Измерение слабоинтенсивных спектров, к которым относятся спектры КРС газовых сред, является достаточно актуальной задачей. Основной трудностью при проведении газоанализа методом спектроскопии КРС является крайне малая интенсивность сигнала КРС. Решение этой проблемы достигается разработкой специализированного спектрометра, обеспечивающего высокоэффективное преобразование рассеянного света в электрический сигнал многоканального фотоприемника, при этом важнейшей характеристикой спектрометра является соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника. Кроме того, желательно, чтобы данное устройство регистрировало широкий спектральный диапазон, было компактным, недорогим и сохраняло высокое качество спектра КРС.

На сегодняшний день наиболее перспективными многоканальными фотоприемниками являются ПЗС-матрицы, которые позволяют значительно сократить время регистрации спектра, по сравнению с одноканальным фотоприемником (например, ФЭУ). К сожалению, известные спектрометры не оптимизированы на использование многоканальных фотоприемников и, соответственно, не обеспечивают максимально возможное соотношение сигнал/шум на выходе ПЗС-матрицы.

Известна оптическая схема, содержащая входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку и многоэлементный детектор (патент РФ №2375686, МПК G01J 3/00 10.07.2007 г.).

Основным недостатком данной схемы является низкий уровень полезного сигнала на выходе многоэлементного детектора, обусловленный неэффективной передачей на него изображения щели в масштабе 1:1.

Наиболее близким по принципу действия является спектральный прибор, выполненный по схеме Черни-Турнера (James J.F. On the design of Czerny-Turner charge-coupled device spectrographs // J. Mod. Opt., 1994, V.41, №10).

Устройство содержит входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку, ПЗС-матрицу и фокальный уменьшитель (focal reducer) расположенный в фокальной плоскости выходного зеркала. Особенностью данной схемы является сжатие изображения входной щели и его фокусировка фокальным уменьшителем на плоскость ПЗС-матрицы.

Основным недостатком данного спектрального прибора является большое количество оптических элементов увеличивающих его стоимость и размеры.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, являются повышение компактности устройства, обеспечение широкого спектрального диапазона, а также улучшение соотношения сигнал/шум, за счет уменьшения изображения щели на выходе. Технический результат - повышение чувствительности спектрометра и удешевление его конструкции.

Указанный результат достигается тем, что многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр, так же как и прототип, содержит щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, которое оптически связанно с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей.

В предлагаемом изобретении между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, фокусное расстояние которого равно f o b j = f m i r p i x s l i t , где fmir - фокус зеркала, pix - площадь пикселя ПЗС, slit - площадь входной щели,

причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого спектрометра.

Устройство содержит входную щель 1, вогнутое зеркало 2, плоскую отражательную дифракционную решетку 3, выходной объектив 4, ПЗС-матрицу 5.

Устройство работает следующим образом.

Свет, источником которого является входная щель 1, расходящимся пучком попадает на вогнутое сферическое зеркало 2, которое отражает его в виде параллельного пучка на плоскую отражательную дифракционную решетку 3. От данной решетки, дифрагированные монохроматические пучки света из 1-го порядка дифракции попадают на расположенный вдоль направления его распространения выходной объектив 4, который фокусирует их на плоскость ПЗС-матрицы 5. Исходя из того, что, как правило, размер пикселя меньше размера щели, то в силу соотношения f o b j = f m i r p i x s l i t размер изображения щели будет уменьшен до размера пикселя, что является идеальным вариантом для получения высокого разрешения. Кроме того, для регистрации широкого спектрального диапазона диаметр входного зрачка объектива выбран не менее диаметра входного вогнутого зеркала.

Установка выходного объектива кроме повышения компактности спектрометра влечет за собой следующие преимущества. Самой дорогой частью высокочувствительных спектрометров является ПЗС-матрица, стоимость которой, в свою очередь, зависит от размера. Уменьшение же размера изображения щели на выходе позволяет использовать ПЗС меньшего размера. Кроме того, это позволит повысить соотношение сигнал/шум, причем это увеличение, согласно формуле (1), пропорционально квадрату отношения фокусных расстояний входного зеркала и выходного объектива.

S N R 1 S N R 0 = S 1 σ 1 S 0 σ 0 S 1 S 0 = ( f m i r f o b j ) 2 P 0 p i x s l i t P 0 p i x s l i t = ( f m i r f o b j ) 2 , ( 1 )

где SNR1(0), S1(0), σ1(0) - соотношение сигнал/шум, уровень сигнала, приходящийся на пиксель, уровень шума, приходящийся на пиксель для предлагаемой (общепринятой проецирующей изображение щели в масштабе 1:1) схемы соответственно, fmir - фокус зеркала, fobj - фокус объектива, pix - площадь пикселя ПЗС-матрицы, slit - площадь входной щели, P0 - мощность падающего излучения. В данной формуле σ1≈σ0, т.к. при малых величинах сигналов величина шумов определяется шумами самой ПЗС-матрицы и поэтому шумы для различных систем можно считать равными.

В качестве объектива с исправленными аберрациями в предлагаемом устройстве могут быть использованы любые фотообъективы, которые, в свою очередь, являются коммерчески доступными и отвечают предъявляемым требованиям по качеству.

Многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр, содержащий входную щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей, отличающийся тем, что между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, фокусное расстояние которого равно f o b j = f m i r p i x s l i t fmir - фокус зеркала, pix - площадь пикселя ПЗС, slit - площадь входной щели), причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике спектрального анализа и может найти применение при эмиссионных и атомно-абсорбционных измерениях в спектроанализаторах с дифракционными решетками и многоэлементными фотоприемниками.

Изобретение относится к спектральным приборам, а именно дифракционным полихроматорам, и предназначено для анализа спектров излучения исследуемых объектов. .

Изобретение относится к устройствам для исследования источников света оптическими методами и может быть использовано для определения качества спектра электрических ламп.

Изобретение относится к оптической спектрометрии (спектроскопии) и может быть использовано для создания линейных по оптической частоте спектрометров. .

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции. .

Изобретение относится к спектральному анализу химического состава веществ, а именно к средствам формирования оптического спектра, и может быть использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрофотометрических устройствах.

Изобретение относится к области технической физики. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к спектральному приборостроению и предназначено для получения спектров излучения с модуляцией экспозиций по определенному закону. .

Способ включает регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн при различных значениях взаимной задержки, выделение модулирующих функций, соответствующих взаимным задержкам, определение нелинейности распределения их фазы, вычисление корректирующей таблицы, регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн с неизвестными взаимными задержками, применение корректирующей таблицы к оптическому спектру. Рассчитывают сегментированную корректирующую таблицу с уменьшенным числом определяемых отсчетов регистрируемых оптических частот, разбивают зарегистрированный массив на соответствующие сегменты, вычисляют пространственные распределения для каждого сегмента с применением преобразования Фурье, домножают каждое распределение на значения сегментированной корректирующей таблицы, вычисляют восстановленные значения амплитуды оптического спектра с применением обратного преобразования Фурье и комбинируют путем сложения восстановленные значения для получения спектральных отсчетов, эквидистантных по оптической частоте. Технический результат - исключение искажений формы аппаратной функции при использовании Фурье-обработки регистрируемых значений оптических спектров. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и касается зеркального спектрометра. Спектрометр состоит из входной щели, первого зеркала, дифракционной решетки, второго зеркала, фотоприемного устройства. Входная щель смещена относительно оптической оси. Первое и второе зеркала выполнены в виде внеосевых фрагментов вогнутых сферических зеркал, обращенных вогнутостью к входной щели. Дифракционная решетка является выпуклой сферической и расположена осесимметрично на оптической оси. Штрихи дифракционной решетки параллельны длинной стороне входной щели. Фотоприемное устройство смещено с оптической оси и расположено со стороны, противоположной входной щели. Входная щель и фотоприемное устройство наклонены в меридиональном сечении на небольшие углы. Центры кривизны сферических поверхностей лежат на одной общей оси, являющейся оптической осью спектрометра. Технический результат заключается в увеличении относительного отверстия, улучшении качества изображения, уменьшении размеров и массы и упрощении юстировки спектрометра. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области спектрометрии и касается искрового оптико-эмиссионного спектрометра. Спектрометр содержит искровой источник, входную щель, тороидальное зеркало для направления света через входную щель, несколько дифракционных решеток и матричный приемник. Тороидальное зеркало предназначено для направления света через входную щель таким образом, чтобы свет из разных областей в искровом источнике был пространственно разделен на отображении света на дифракционных решетках. При этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из первой области искрового источника и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из второй области искрового источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области спектрометрии и касается акустооптического анализатора спектра оптических сигналов. Анализатор включает в себя акустооптический фильтр, фотоприемное устройство, радиочастотный анализатор спектра и цепь обратной связи. Акустооптический фильтр включает в себя анизотропный кристалл, поляризатор и анализатор. Анизотропный кристалл вырезан таким образом, чтобы обеспечивать коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. Поляризатор и анализатор ориентированы таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Радиочастотный анализатор спектра электрически связан с выходом фотоприемного устройства и обеспечивает регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства. Цепь электрической обратной связи связывает выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается акустооптического перестраиваемого фильтра. Фильтр включает в себя поляризатор, акустооптическую ячейку, анализатор, светоделитель, фотоприемное устройство, цепь электрической обратной связи и радиочастотный генератор. Акустооптическая ячейка обеспечивает коллинеарный режим дифракции с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. На выходе из анализатора осуществляется интерференция +1, -1 и 0 дифракционных максимумов. Цепь обратной связи связывает фотоприемное устройство и пьезоэлектрический преобразователь ячейки. Радиочастотный генератор выполнен с возможностью управления амплитудой и частотой сигнала генерации и предназначен для управления положением и шириной полосы пропускания фильтра. Технический результат заключается в уменьшении полосы пропускания и обеспечении возможности управления шириной и положением полосы пропускания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Сканирующий дифракционный полихроматор содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку, вогнутое сферическое зеркало и многоэлементный приемник излучения. При этом дифракционная решетка выполнена с переменным шагом, коэффициент которого связан с начальным и конечным значениями углов падения на решетку. Технический результат - повышение спектрального разрешения полихроматора. 1 ил., 1 пр.
Наверх