ПОЛИХРОМАТОР Российский патент 1996 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к спектральному приборостроению и может быть использовано в спектрометрах и квантометрах.

Известен спектральный прибор с зеркальной фокусировкой, состоящий из оптически связанных источника излучения, входной щели, коллиматорного зеркального объектива, диспергирующего элемента, камерного зеркального объектива и выходной щели [1]
Прототипом изобретения является квантометр Поливак Е 1000 фирмы Хилгер [2] спектральная часть которого содержит дифракционный полихроматор, состоящий из оптически связанных источника излучения, фокусирующей линзы, первой входной щели, первого плоского зеркала, первой дифракционной решетки и выходных щелей первой группы, расположенных в фокусной плоскости первой дифракционной решетки, а также оптически связанных второй входной щели, первого и второго перископических зеркал, второго плоского зеркала, второй дифракционной решетки и выходных щелей второй группы, расположенных в фокусной плоскости второй дифракционной решетки, причем фокусирующая линза и вторая входная щель оптически связаны между собой.

В прототипе для расширения рабочей области спектра используются разные решетки в разных областях спектра. Таким образом, в одной камере используются два полихроматора.

К недостатку всех рассмотренных устройств относится значительный астигматизм, из-за которого изображение точки входной щели вытягивается в отрезок кривой линии. Такое аберрационное искажение изображения входной щели приводит к увеличению потерь света на выходе полихроматора и к уменьшению его разрешающей способности.

Известны несколько способов компенсации астигматизма, например использование асферической подложки дифракционной решетки или применение стигматической сферической решетки, у которой штрихи искривлены с определенным радиусом, или использование торических зеркал или плоских линз, установленных за входной щелью. Все эти способы дают компенсацию астигматизма для одной длины волны, снижая остаточный астигматизм на краях рабочей области спектра. Эти способы являются приемлемыми для небольших углов падения α, когда они не превосходят 30^о. В схемах с большими углами падения эти способы компенсируют недостаточно эффективно из-за слишком большого значения остаточного астигматизма.

Задачей, на решение которой направлен разработанный прибор, является расширение рабочей области спектра без усложнения конструкции прибора и увеличения погрешностей.

Технический результат от использования полихроматора заключается в уменьшении астигматизма при больших углах падения.

Этот технический результат достигается тем, что полихроматор, состоящий из оптически связанных источника излучения, сферического зеркала, плоского зеркала, входной щели, вогнутой дифракционной стигматической решетки и выходных щелей, расположенных на фокальной поверхности вогнутой дифракционной стигматической решетки, дополнительно содержит цилиндрическую линзу, расположенную на оптической оси перед входной щелью на расстоянии
X 0,9.1,1 где R радиус кривизны заготовки решетки;
r расстояние от сагиттального фокуса до центра решетки;
α угол падения.

Максимальный технический результат достигается в том случае, если цилиндрическая линза расположена на расстоянии от входной щели, равном
X
На чертеже приведена схема полихроматора.

Полихроматор содержит оптически связанные и последовательно расположенные источник 1 излучения, сферическое зеркало 2, плоское зеркало 3, цилиндрическую линзу 4, входную щель 5, вогнутую дифракционную стигматическую решетку 6 и выходные щели 7, расположенные в фокальной поверхности (круге Роуланда) вогнутой дифракционной стигматической решетки. На чертеже N нормаль к поверхности стигматической решетки (в ее центре), α угол падения, β₁ и β₂ предельные значения углов дифракции.

Полихроматор работает следующим образом.

Излучение от источника 1 фокусируется зеркалами 2 и 3 на входную щель 5, пройдя которую оно падает на решетку 6, которая разлагает его на монохроматические составляющие и фокусирует спектр на окружности Роуланда с выходными щелями 7. Монохроматические линии, присущие каждая своему элементу, через выходные щели 7 поступают на приемники излучения (не показаны). По интенсивности линии определяют концентрацию элемента в анализируемом веществе.

Снижение астигматизма в разработанном полихроматоре обусловлено следующими причинами.

Появление астигматизма обусловлено различными величинами фокусировки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости главного сечения дифракционной решетки и в сагиттальной плоскости. Поэтому расстояние от сагиттального фокуса до центра решетки не совпадает с радиусом кривизны решетки. Причем это различие зависит от характеристик решетки и величин углов падения и дифракции. Так, например, для дифракционной решетки с радиусом кривизны R=1 м и частотой штрихов 2400 штр./мм для угла падения α 39^о и углов дифракции β₁= -8,59^о и β₂=28,34^о расстояние от сагиттального фокуса до центра решетки составит r=0,9994 м, тогда как расстояние от входной щели полихроматора до решетки равно Rcos α=777,1 мм 0,7771м. Для получения необходимого расстояния от сагиттального фокуса до решетки и служит цилиндрическая линза, выполненная из кварца, установленная по ходу луча перед входной линзой на расстоянии
X 0,9.1,1
Оптимальное значение технического результата достигается при выборе коэффициента перед соотношением равным единице.

Для каждой из решеток величина r определяется или расчетным, или экспериментальным путем.

Изобретение позволяет существенно уменьшить астигматизм при всех углах отклонения, особенно при больших.

Сущность изобретения: уменьшение астигматизма при больших углах падения за счет того, что в оптическую систему, состоящую из источника излучения, сферического зеркала, плоского зеркала, входной щели, вогнутой дифракционной стигматической решетки и выходных щелей, дополнительно устанавливают цилиндрическую линзу перед входной щелью. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОЛИХРОМАТОР, состоящий из оптически связанных источника излучения, сферического и плоского зеркал, входной щели, вогнутой дифракционной стигматической решетки и выходных щелей, расположенных на фокальной поверхности вогнутой дифракционной стигматической решетки, отличающийся тем, что дополнительно содержит цилиндрическую линзу, расположенную на оптической оси перед входной щелью на расстоянии

R - радиус кривизны заготовки дифракционной решетки;
r - расстояние от сагиттального фокуса до центра дифракционной решетки;
a - угол падения излучения на дифракционную решетку. 2. Полихроматор по п.1, отличающийся тем, что расстояние от цилиндрической линзы до входной щели составляет