СПЕКТРОСКОП Российский патент 2012 года по МПК G01J3/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании спектральных приборов.

Известны спектрографы с плоскими дифракционными решетками, установленными в параллельных пучках (Беляков Ю.М., Павлычева Н.К. Спектральные приборы: Учебное пособие / Под ред. д.т.н. Н.К.Павлычевой - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. - С.39-45) - [1].

Такие спектрографы содержат последовательно расположенные щель, коллиматорный объектив, плоскую дифракционную решетку, камерный объектив, регистрирующее устройство. Однако применение коллимирующей и фокусирующей оптики ведет к уменьшению светопропускания, повышению уровня рассеянного света, увеличению габаритов и стоимости прибора.

Известны также спектральные приборы с плоской дифракционной решеткой, установленной в сходящемся пучке (Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд-е 2-е, доп. и перераб. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-е), 1975. - С.261-263) - [2]. Такие схемы просты и компактны, позволяют реализовать прямое видение, но обладают большими аберрациями и невысокой разрешающей способностью, что является их существенным недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является спектрограф, содержащий последовательно расположенные по оптической оси входную щель, вогнутую отражательную дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрирующее устройство (Авторское свидетельство №1094432 СССР, МКИ G01J 3/18. 1981. Спектрограф / Нагулин Ю.С., Павлычева Н.К.) - [3].

В данном спектрографе фокусировка спектра осуществляется на цилиндрической поверхности, что при использовании плоских фотоэлектрических приемников приведет к увеличению аберраций, кроме того, в нем невозможно реализовать прямое видение.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении качества изображения и увеличении светосилы спектрального прибора при реализации схемы прямого видения.

Технический результат достигается тем, что в спектроскопе, содержащем расположенные по оптической оси входную щель, вогнутую дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрирующее устройство, новым является то, что между входной щелью и дифракционной решеткой установлен проекционный объектив, формирующий изображение щели в центре кривизны заштрихованной поверхности дифракционной решетки, выполненной пропускающей, имеющей штрихи с радиусом кривизны ρ

ρ=ρ₀+ру,

где

ρ₀=-1699,725932-0,748378R²+0,050414(kλN)²R³+0,000125R³,

р=1,

и переменное расстояние между штрихами

e=e₀(1+µу+νу²),

где

при этом регистрирующее устройство расположено на расстоянии d'_cp от вершины решетки и ориентировано перпендикулярно лучу средней длины волны рабочего спектрального диапазона, дифрагированного в вершине решетки, причем

d'_ср=-0,1393944+0,9997699R+0,4492115(kλN)²·R-22,1294577(kλN)³,

где

R - радиус кривизны решетки,

у - координата в меридиональной плоскости,

N - частота штрихов в вершине решетки,

λ - средняя длина волны рабочего спектрального диапазона,

e₀ - расстояние между штрихами в вершине решетки,

k - порядок дифракции.

В спектроскопе подложка дифракционной решетки выполнена в виде ахроматического мениска.

Заявленный спектроскоп позволяет реализовать схему прямого видения при коррекции аберраций на плоскости, которая позволяет получить достаточно высокое разрешение при заметно большей, чем у аналогов, апертуре.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-фиг.2, где:

фиг.1 - принципиальная оптическая схема устройства для визуальной регистрации спектров пропускания, представляющего собой пример использования заявляемого схемного решения спектроскопа;

фиг.2 - вид на заштрихованную поверхность дифракционной решетки,

Здесь: 1 - источник света; 2 - осветительная система; 3 - кювета для образца; 4 - входная щель; 5 - проекционный объектив; 6 - пропускающая вогнутая дифракционная решетка; 7 - плоскость спектра; 8 - окуляр; ρ - радиус кривизны штрихов дифракционной решетки; e - шаг штрихов дифракционной решетки; d'_cp - расстояние от вершины дифракционной решетки до середины спектра.

После источника света 1 на оптической оси последовательно расположены первый компонент осветительной системы 2, кювета для образца 3 и второй компонент осветительной системы 2, например одиночные положительные линзы. После осветительной системы расположена входная щель 4 таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное заполнение входной щели световым потоком. Проекционный объектив 5 расположен после щели на расстоянии, равном переднему отрезку объектива. После проекционного объектива установлена пропускающая дифракционная решетка 6 таким образом, что изображение щели находится в центре кривизны заштрихованной поверхности решетки. Радиус кривизны штрихов решетки и их шаг являются функциями координаты в меридиональной плоскости точки на решетке (фиг.2), а также зависят от радиуса кривизны решетки, частоты штрихов в вершине решетки, средней длины волны рабочего спектрального диапазона и порядка дифракции. Плоскость спектра 7 находится на расстоянии d'_cp от вершины решетки и ориентирована перпендикулярно лучу средней длины волны рабочего спектрального диапазона, дифрагированного в вершине решетки. Плоскость спектра находится в фокальной плоскости окуляра 8 либо совпадает с плоскостью другого регистрирующего устройства.

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Излучение от источника света 1, сформированное осветительной системой 2, проходит через кювету с образцом 3 и попадает на входную щель спектроскопа 4. Далее излучение, прошедшее входную щель 4, попадает на проекционный объектив 5, формирующий сходящийся пучок таким образом, что изображение щели 4 располагается в центре кривизны заштрихованной поверхности пропускающей дифракционной решетки 6. Дифрагированный пучок света фокусируется в плоскости 7. Спектр регистрируется визуально при помощи окуляра 8 или другим способом.

Таким образом, реализуется схема прямого видения за счет применения проекционного объектива и пропускающей дифракционной решетки, а также обеспечивается достаточно высокое разрешение при заметно большей, чем у аналогов, апертуре за счет использования искривленных штрихов и переменного шага штрихов дифракционной решетки.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании спектральных приборов. Спектроскоп содержит последовательно расположенные по оптической оси входную щель, проекционный объектив, вогнутую пропускающую дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрирующее устройство. Проекционный объектив обеспечивает формирование изображения входной щели в центре кривизны заштрихованной поверхности. Радиус кривизны штрихов решетки и их шаг являются функциями координаты в меридиональной плоскости точки на решетке, а также зависят от радиуса кривизны решетки, частоты штрихов в вершине решетки, средней длины волны рабочего спектрального диапазона и порядка дифракции. В спектроскопе реализуется схема прямого видения и обеспечивается достаточно высокое разрешение при заметно большей, чем у аналогов, апертуре. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Спектроскоп, содержащий расположенные по оптической оси входную щель, вогнутую дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что между входной щелью и дифракционной решеткой установлен проекционный объектив, формирующий изображение щели в центре кривизны заштрихованной поверхности дифракционной решетки, выполненной пропускающей, имеющей штрихи с радиусом кривизны ρ:
ρ=ρ₀+ρ_y,
где ρ₀= -1699,725932-0,748378R²+0,050414(kλN)²R³+0,0001257R³;
ρ=1,
и переменное расстояние между штрихами
е=е₀(1+µy+νy²),
где

при этом регистрирующее устройство расположено на расстоянии d'_cp от вершины решетки и ориентировано перпендикулярно лучу средней длины волны рабочего спектрального диапазона, дифрагированного в вершине решетки, причем
d'_ср=-0,1393944+0,9997699R+0,4492115(kλN)²·R-22,1294577(kλN)³,
где R - радиус кривизны решетки;
у - координата в меридиональной плоскости;
N - частота штрихов в вершине решетки;
λ - средняя длина волны рабочего спектрального диапазона;
е₀ - расстояние между штрихами в вершине решетки;
k - порядок дифракции.

2. Спектроскоп по п.1, отличающийся тем, что подложка дифракционной решетки выполнена в виде ахроматического мениска.