ЗЕРКАЛЬНЫЙ АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2014 года по МПК G01J3/16 G02B17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности может быть использовано в промышленных, авиационных и космических гиперспектральных системах.

Известны оптические системы, предназначенные для разложения оптического излучения в спектр с целью изучения его спектрального состава. Например, в [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб., Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975, с.6] приведена принципиальная оптическая схема спектрального прибора. Он состоит из входной щели, коллимирующего объектива, диспергирующего устройства, фокусирующего объектива и приемника изображения. Недостатком таких схем является наличие двух линзовых объективов и, как следствие, большие габариты и масса.

Также известны автоколлимационные зеркальные монохроматоры [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб., Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975, с.153], имеющие более простую конструкцию. Они содержат минимальное количество оптических деталей: вогнутое зеркало в качестве коллимирующего и фокусирующего объективов и автоколлимационную призменную диспергирующую систему. Наличие только одного зеркала не позволяет исправить аберрации системы и кривизну спектральных линий даже для узкого спектрального диапазона и малых угловых полей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркальный автоколлимационный спектрометр из [US, патент №6886953 В2, МКИ G02B 5/10], состоящий из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, в котором входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости от его оптической оси. Объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели, отражающие поверхности всех трех зеркал являются децентрированными по апертуре асферическими поверхностями высших порядков, также второе и третье зеркала имеют смещения и наклоны относительно оптической оси первого зеркала. Диспергирующее устройство расположено с другой относительно входной щели стороны от оптической оси и состоит из диспергирующего элемента в виде блока из двух призм из материалов с разными показателями преломления и отдельного плоского зеркала, расположенного под углом, близким 90° к падающим на него лучам. Излучение от входной щели преобразуется объективом в коллимированный пучок, который затем попадает на диспергирующий элемент, раскладывается в спектр, отражается от плоского зеркала, снова проходит через диспергирующий элемент, а затем попадает в объектив, формирующий в обратном ходе разложенное в спектр изображение входной щели на приемнике изображения. Результатом наличия в схеме децентрированных по апертуре асферических поверхностей высших порядков, имеющих децентрировки и наклоны, являются технологические сложности изготовления и повышенные требования к точности взаимного расположения оптических элементов и, как следствие, сложность механической конструкции, трудности при юстировке и контроле.

Задачей данного изобретения является создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, простого в юстировке, обеспечивающего высокое качество изображения и исправление кривизны спектральных линий во всем рабочем спектральном диапазоне.

Это достигается тем, что в зеркальном автоколлимационном спектрометре, состоящем из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости относительно его оптической оси, объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели, диспергирующее устройство расположено с другой стороны относительно оптической оси по отношению к входной щели и включает в себя диспергирующий элемент и плоское зеркало, расположенное под углом, находящемся в интервале 80…90° к падающим на него лучам, в отличие от известного, оптические поверхности по крайней мере двух зеркал объектива являются асферическими поверхностями не более чем второго порядка, а центры кривизны всех зеркал расположены на оптической оси объектива, причем первое и второе зеркала представляют собой внеосевые фрагменты зеркал, а третье зеркало расположено на оптической оси объектива, диспергирующий элемент выполнен в виде призмы с преломляющим углом 5…30° из материала с показателем преломления 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е 20…70, а плоское зеркало выполнено в виде отражающего покрытия, нанесенного на вторую по ходу луча грань призмы.

Кроме того, в зеркальном автоколлимационном спектрометре отражающая поверхность одного из зеркал объектива может быть выполнена сферической, а третье зеркало объектива может быть выполнено симметричным относительно оптической оси зеркалом или в виде децентрированного по апертуре фрагмента.

На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра, у которого третье зеркало объектива симметрично относительно оптической оси. На фиг.2 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра с третьим зеркалом объектива, выполненным в виде децентрированного по апертуре фрагмента. На фиг.3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели. На фиг.4 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.

Зеркальный автоколлимационный спектрометр (фиг.1) состоит из входной щели 1, первого зеркала 2, второго зеркала 3, третьего зеркала 4 и призмы 5 с отражающим покрытием 6. Входная щель 1 длиной 20 мм расположена в фокальной плоскости объектива перпендикулярно меридиональной плоскости и смещена относительно оптической оси. Зеркала 2, 3 и 4 образуют объектив с эксцентрично расположенным полем изображения. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели 1, второе зеркало 3 выполнено в виде внеосевого фрагмента выпуклого эллипсоида с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью 1 и первым зеркалом 2, и обращено выпуклостью к первому зеркалу 2, третье зеркало 4 выполнено в виде вогнутого гиперболоида, отражающая поверхность которого симметрична относительно оптической оси, расположенного за вторым зеркалом 3 и обращенного вогнутостью к входной щели 1. Диспергирующее устройство спектрометра расположено с другой стороны относительно оптической оси по отношению к входной щели 1 и состоит из диспергирующего элемента в виде призмы 5 с преломляющим углом 5…30° из материала с показателем преломления в пределах 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е в пределах 20…70, и плоского зеркала виде нанесенного на вторую по ходу луча грань призмы 5 отражающего покрытия 6, плоское зеркало, расположенное под углом, находящимся в интервале 80…90° к падающим на него лучам.

Также в зеркальном автоколлимационном спектрометре третье зеркало 4 может быть выполнено в виде децентрированного по апертуре фрагмента вогнутого гиперболоида (фиг.2).

На фиг.3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели.

На фиг.4 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.

Зеркальный автоколлимационный спектрометр работает следующим образом. Излучение от входной щели 1 спектрометра попадает на первое зеркало 2, затем, отразившись от него, последовательно претерпевает отражение на втором зеркале 3 и третьем зеркале 4. После зеркала 4 коллимированный пучок излучения попадает на призму 5, преломившись на первой грани, отразившись от отражающего покрытия 6 на второй грани и вновь преломившись на первой грани которой, раскладывается в спектр и снова попадает на третье зеркало 4. Отразившись последовательно от третьего зеркала 4, второго зеркала 3 и первого зеркала 2, излучение формирует разложенное в спектр изображение входной щели в плоскости изображения.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан зеркальный автоколлимационный спектрометр, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Описание Радиус, мм Толщина, мм Показатель преломления Наклон в меридиональной плоскости относительно оптической оси, град. Плоскость входной щели r₁=∞     21,042 d₁=126,775 1 Первое зеркало r₂=-206,617 0 d₂=-89,197 -1 Второе зеркало r₃=-147,803∗¹ 0 d₃=179,934 1 Третье зеркало r₄=571,703∗² 0 d₄=-329,934 -1 Передняя грань призмы r₅=∞ 31,412 d₅=-40 TK20 Задняя грань призмы с зеркальным покрытием r₆=∞ 18,946 d₆=40 TK20 Передняя грань призмы r₇=∞ 31,412 d₇=329,934 1 Третье зеркало r₈=571,703∗² 0 d₈=-179,934 -1 Второе зеркало r₉=-147,803∗¹ 0 d₉=89,197 1 Первое зеркало r₁₀=-206,617 0 d₁₀=-126,775 -1 Плоскость изображения r₁₁=∞ 0,9    

∗¹) параметр е²=0,966   ∗²) параметр е²=1,853   е² - квадрат эксцентриситета поверхности 2-го порядка.  

Характеристики спектрометра:

Спектральный диапазон: 1,0-2,325 мкм. Относительное отверстие объектива: 1:3. Длина входной щели: 20 мм.

Линейное поле в пространстве изображений: 2,56×20,38 мм.

Спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:

- кривизна спектральных линий исправлена во всем рабочем спектральном диапазоне;

- линейная дисперсия для коротковолновой границы спектрального диапазона 0,418 нм/мкм;

- линейная дисперсия для длинноволновой границы спектрального диапазона 0,446 нм/мкм;

- МПФ на пространственной частоте 30 мм^-1 не менее 0,5 во всем рабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля.

Таким образом, создан зеркальный автоколлимационный спектрометр работающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 1,0-2,325 мкм, с входной щелью длиной 20 мм, относительным отверстием объектива 1:3, имеющий высокое качество изображения и исправленную кривизну спектральных линий во всем рабочем спектральном диапазоне, что очень важно при использовании матричных фотоприемных устройств. Кроме того, он обладает повышенной технологичностью и простотой в юстировке за счет использования в объективе спектрометра асферических поверхностей не более чем второго порядка., а диспергирующее устройство, выполнено в виде одиночной призмы с нанесенным на ее вторую по ходу луча грань отражающим покрытием.

Спектрометр состоит из входной щели, расположенной в фокальной плоскости объектива и смещенной в меридиональной плоскости относительно его оптической оси, объектива и диспергирующего устройства. Объектив состоит из первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели. Диспергирующее устройство включает диспергирующий элемент и плоское зеркало, расположенное под углом 80…90° к падающим на него лучам. Оптические поверхности по крайней мере двух зеркал являются асферическими. Центры кривизны всех зеркал расположены на оптической оси объектива. Первое и второе зеркала - внеосевые фрагменты зеркал. Третье зеркало расположено на оптической оси. Диспергирующий элемент - призма с преломляющим углом 5…30° из материала с показателем преломления 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е, равным 20…70. Плоское зеркало выполнено в виде отражающего покрытия на второй по ходу луча грани призмы. Технический результат - повышение технологичности, уменьшение габаритов и массы, упрощение юстировки, повышение качества изображения и исправление кривизны спектральных линий. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Зеркальный автоколлимационный спектрометр, состоящий из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости относительно его оптической оси, объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели, диспергирующее устройство расположено с другой стороны относительно оптической оси по отношению к входной щели и включает в себя диспергирующий элемент и плоское зеркало, расположенное под углом, находящимся в интервале 80…90° к падающим на него лучам, отличающийся тем, что оптические поверхности по крайней мере двух зеркал объектива являются асферическими поверхностями не более чем второго порядка, а центры кривизны всех зеркал расположены на оптической оси объектива, причем первое и второе зеркала представляют собой внеосевые фрагменты зеркал, а третье зеркало расположено на оптической оси объектива, диспергирующий элемент выполнен в виде призмы с преломляющим углом 5…30°из материала с показателем преломления 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е, равным 20…70, а плоское зеркало выполнено в виде отражающего покрытия, нанесенного на вторую по ходу луча грань призмы.

2. Зеркальный автоколлимационный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что отражающая поверхность одного из зеркал объектива выполнена сферической.

3. Зеркальный автоколлимационный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что третье зеркало выполнено симметричным относительно оптической оси объектива.

4. Зеркальный автоколлимационный спектрометр по п.1, отличающийся тем, что третье зеркало выполнено в виде децентрированного по апертуре фрагмента.