ЗЕРКАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2015 года по МПК G01J3/18 G01J3/22 G01J3/24 G02B17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в наземных, авиационных и космических видеоспектрометрах.

Известны проекционные системы с единичным увеличением, например, изображающая система Оффнера с увеличением 1^×, описанная в патенте США №3748015, МПК G02B17/00, G02B 17/06, опубликованном 24.06.1973. Она состоит из вогнутого и выпуклого сферических зеркал, установленных таким образом, что центры кривизны отражающих поверхностей находятся в одной точке. Оба зеркала расположены так, чтобы организовать две внеосевые области, оптически сопряженные друг с другом с единичным увеличением и находящиеся в плоскости, содержащей общий центр кривизны зеркал. Оптической осью системы является ось, перпендикулярная к данной плоскости и проходящая через указанную точку (общий центр кривизны зеркал). Предмет расположен вне оптической оси в плоскости, ей перпендикулярной и проходящей через общий центр кривизны зеркал. Излучение от предмета проходит через зеркала, последовательно отражаясь от первого вогнутого сферического зеркала, от второго выпуклого сферического зеркала, снова от первого вогнутого сферического зеркала и фокусируется в некоторой области, расположенной в той же самой плоскости, перпендикулярной оптической оси и проходящей через общий центр кривизны зеркал, в которой расположен предмет, но с противоположной от него стороны относительно оптической оси. Тем самым оптическая система формирует внеосевое изображение предмета, имеющее единичное увеличение. Полученная в результате оптическая система свободна от сферической аберрации, комы и дисторсии, имеет дифракционное качество изображения при средних апертурах и угловых полях, но не позволяет получать разложенное в спектр изображение предмета.

Известен спектрометр с дифракционной решеткой в соответствии с публикацией Deborah Kwo, George Lawrence, Michael Chrisp «Design Of A Grating Spectrometer From A 1:1 Offner Mirror System», SPIE, 818, 275-9, 1987 г., основанный на изображающей системе Оффнера с увеличением 1^× для предмета, расположенного вне оптической оси. Данный спектрометр состоит из первичного большого вогнутого сферического зеркала, перед которым концентрично установлено выпуклое вторичное зеркало, причем совпадающие центры кривизны зеркал расположены в плоскости, которая содержит предмет (щель) с одной стороны от выпуклого вторичного зеркала и приемник с другой стороны, напротив щели. Вторичное выпуклое зеркало представляет собой отражательную дифракционную решетку с прямолинейными штрихами, перпендикулярными плоскости симметрии и параллельными входной щели, что позволяет получать на приемнике разложенное в спектр изображение предмета. В данном спектрометре для исправления астигматизма штрихи дифракционной решетки выполняются с небольшими отклонениями от прямолинейности, что создает технологические сложности при изготовлении дифракционной решетки, кроме того, выпуклая дифракционная решетка наклоняется на небольшой угол, что нарушает симметрию системы и вносит кому в изображение входной щели, и тем самым ухудшает качество изображения, а также создает технологические трудности при сборке и юстировке спектрометра.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изображающий спектрометр на основе выпуклой дифракционной решетки, описанный в патенте США №5880834, МПК G01J 3/18, опубликованном 09.03.1999 г. Он работает в спектральном диапазоне 0,4-1,4 мкм и состоит из входной щели, первого и второго зеркал, отражательной выпуклой сферической дифракционной решетки и фотоприемного устройства. Входная щель имеет прямоугольную форму, т.е. ее размер в одном направлении больше, чем в другом, длинная сторона входной щели перпендикулярна меридиональному сечению спектрометра, и в этом сечении входная щель смещена относительно оптической оси, причем короткая сторона входной щели перпендикулярна оптической оси. Первое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, в меридиональном сечении спектрометра смещенного относительно оптической оси и расположенного с той же стороны, что и входная щель. Дифракционная решетка является отражательной, сферической, выпуклой, с отрицательной оптической силой, и в меридиональном сечении спектрометра симметрично расположена на оптической оси, имеет равномерно расположенные на выпуклой поверхности штрихи параллельные длинной стороне входной щели. Второе зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического положительного зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, в меридиональном сечении спектрометра смещенного с оптической оси и расположенного со стороны, противоположной входной щели и первому зеркалу. Радиусы кривизны первого и второго зеркал отличаются друг от друга, а расстояние между первым зеркалом и дифракционной решеткой меньше расстояния между вторым зеркалом и дифракционной решеткой. Угол между падающим на первое зеркало главным лучом пучка лучей, выходящих из центра входной щели, и отраженным от первого зеркала тем же самым главным лучом больше угла между падающим на второе зеркало тем же самым главным лучом и отраженным от второго зеркала тем же самым главным лучом. Разложенное в спектр изображение входной щели расположено в плоскости, перпендикулярной оптической оси, в меридиональном сечении спектрометра смещено относительно оптической оси и расположено со стороны противоположной входной щели и первому зеркалу. Центры кривизны всех сферических поверхностей лежат на одной общей оси, являющейся оптической осью спектрометра, и совпадают друг с другом. Данный спектрометр работает в спектральном диапазоне 0,4-1,4 мкм, в то время как потребителей гиперспектральной информации все больше интересует диапазон 0,8-2,5 мкм. Также спектрометр имеет малую длину входной щели 10 мм и большую для современных гиперспектральных систем кривизну спектрального изображения входной щели 2 мкм.

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

Технический результат - создание зеркального спектрометра с повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, имеющего относительное отверстие 1:3,8, при сохранении высокого качества изображения в расширенном спектральном диапазоне 0,8-2,5 мкм и исправления кривизны спектрального изображения входной щели длиной 30 мм.

Это достигается тем, что в зеркальном спектрометре, состоящем из последовательно по ходу луча установленных входной щели, первого зеркала, дифракционной решетки, второго зеркала и фотоприемного устройства, в котором входная щель прямоугольная, длинная сторона которой перпендикулярна плоскости меридионального сечения зеркального спектрометра, первое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, дифракционная решетка выполнена выпуклой сферической, с отрицательной оптической силой, имеющей равномерно расположенные на выпуклой поверхности штрихи параллельные длинной стороне входной щели, второе зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, фотоприемное устройство расположено в фокальной плоскости зеркального спектрометра, причем в меридиональном сечении зеркального спектрометра входная щель и первое зеркало смещены относительно оптической оси и расположены по одну сторону от нее, дифракционная решетка расположена осесимметрично на оптической оси, второе зеркало и фотоприемное устройство смещены относительно оптической оси и расположены со стороны, противоположной входной щели и первому зеркалу, причем центры кривизны всех сферических поверхностей расположены в одной точке на одной общей оси, являющейся оптической осью зеркального спектрометра, в отличие от известного, входная щель в меридиональном сечении наклонена на угол α, значение которого удовлетворяет неравенству

-1°≤α≤1°,

абсолютное значение расстояния от первого зеркала до дифракционной решетки больше абсолютного значения расстояния от второго зеркала до дифракционной решетки, апертурная диафрагма совпадает с оправой выпуклой поверхности дифракционной решетки, фотоприемное устройство в меридиональном сечении наклонено на угол β, значение которого удовлетворяет неравенству

-0,5°≤β≤0,5°,

при этом рабочий диапазон длин волн составляет 0,8-2,5 мкм.

Кроме того, абсолютное значение радиуса кривизны первого зеркала может быть больше абсолютного значения радиуса кривизны второго зеркала, а в меридиональном сечении угол между линией, проходящей через геометрические центры входной щели и первого зеркала, и линией, проходящей через геометрические центры первого зеркала и дифракционной решетки, может быть меньше угла между линией, проходящей через геометрические центры дифракционной решетки и второго зеркала, и линией, проходящей через геометрические центры второго зеркала и фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства.

Кроме того, зеркальный спектрометр может быть дополнен установленной за входной щелью плоскопараллельной пластиной, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству

0,005|R1|≤d·n≤0,01|R1|,

где R1 - радиус кривизны первого зеркала.

Кроме того, перед зеркальным спектрометром может быть установлен входной изображающий объектив, плоскость изображения которого совпадает со входной щелью зеркального спектрометра.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема зеркального спектрометра. На фиг. 2 представлена принципиальная схема зеркального спектрометра с входным изображающим объективом. На фиг. 3 представлены точечные диаграммы зеркального спектрометра для трех длин волн для центра и края входной щели. На фиг. 4 представлены графики монохроматической модуляционной передаточной функции (МПФ) для трех длин волн для центра и края входной щели. На фиг. 5 представлены графики, характеризующие кривизну разложенного в спектр изображения входной щели.

Зеркальный спектрометр (фиг. 1) состоит из последовательно, по ходу луча установленных входной щели 1, первого зеркала 2, дифракционной решетки 3, второго зеркала 4, фотоприемного устройства 5 установленного в плоскости изображения зеркального спектрометра. На дифракционной решетке 3 установлена апертурная диафрагма 6. Входная щель 1 имеет прямоугольную форму, т.е. ее размер в одном направлении существенно больше, чем в другом. Длинная сторона входной щели 1 имеющая размер 30 мм, перпендикулярна меридиональному сечению зеркального спектрометра, и в меридиональном же сечении входная щель 1 смещена относительно оптической оси и расположена, выше или, например, ниже оптической оси, как показано на фиг. 1. Короткая сторона входной щели 1 для получения лучшего качества изображения не перпендикулярна оптической оси спектрометра, а наклонена на угол α, значение которого удовлетворяет неравенству -1°≤α≤1°. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели 1, в меридиональном сечении смещенного с оптической оси и расположенного с той же стороны, что и входная щель 1, например, ниже оптической оси, как показано на фиг. 1. Дифракционная решетка 3 является выпуклой сферической, имеет отрицательную оптическую силу, в меридиональном сечении зеркального спектрометра расположена осесимметрично на оптической оси и имеет равномерно (на одинаковом расстоянии друг от друга) расположенные на выпуклой поверхности штрихи параллельные длинной стороне входной щели 1. С оправой выпуклой поверхности дифракционной решетки 3 совпадает апертурная диафрагма 6, выполненная, например, круглой. Второе зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели 1, в меридиональном сечении смещенного относительно оптической оси и расположенного со стороны противоположной входной щели 1 и первому зеркалу 2, например, выше оптической оси, как показано на фиг. 1. Причем абсолютное значение расстояния от первого зеркала 2 до дифракционной решетки 3 больше абсолютного значения расстояния от второго зеркала 4 до дифракционной решетки 3. Для обеспечения регистрации и последующей обработки разложенного в спектр изображения входной щели 1 в плоскости изображения зеркального спектрометра устанавливается фотоприемное устройство 5. Фотоприемное устройство 5 в меридиональном сечении спектрометра смещено относительно оптической оси, расположено со стороны противоположной входной щели 1 и первому зеркалу 2, например, выше оптической оси, как показано на фиг. 1. Для получения лучшего качества разложенного в спектр изображения входной щели 1 фотоприемное устройство 5 наклонено на угол β, значение которого удовлетворяет неравенству -0,5°≤β≤0,5°. Центры кривизны сферических поверхностей первого зеркала 2, дифракционной решетки 3, второго зеркала 4 лежат на одной общей оси, являющейся оптической осью спектрометра, и совпадают друг с другом. Спектрометр обеспечивает получение разложенного в спектр изображения входной щели 1 в спектральном диапазоне 0,8-2,5 мкм на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства 5. Также в зеркальном спектрометре абсолютное значение радиуса кривизны первого зеркала 2 может быть больше абсолютного значения радиуса кривизны второго зеркала 4, а в меридиональном сечении угол между линией, проходящей через геометрические центры входной щели 1 и первого зеркала 2, и линией, проходящей через геометрические центры первого зеркала 2 и дифракционной решетки 3, меньше угла между линией, проходящей через геометрические центры дифракционной решетки 3 и второго зеркала 4, и линией, проходящей через геометрические центры второго зеркала 4 и фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства 5. Кроме того, зеркальный спектрометр с целью учета одного из возможных вариантов изготовления входной щели 1, когда она изготавливается фотолитографическим путем на одной стеклянной подложке, а затем заклеивается другой стеклянной подложкой, может быть дополнен установленной за входной щелью 1 плоскопараллельной пластиной 7, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству 0,005|R1|≤d·n≤0,01|R1|, где R1 - радиус кривизны первого зеркала 2. Также перед зеркальным спектрометром может быть установлен входной изображающий объектив 8 (фиг. 2), плоскость изображения которого совпадает с входной щелью 1 зеркального спектрометра, обеспечивая тем самым получение изображения объектов во входной щели 1 зеркального спектрометра.

Зеркальный спектрометр работает следующим образом (фиг. 1). Свет от источника излучения попадает на входную щель 1 проходит через нее и плоскопараллельную пластину 7, попадает на первое зеркало 2, отражается от него и попадает на дифракционную решетку 3, где претерпевает разложение в спектр. Разложенное в спектр излучение отражается от дифракционной решетки 3 и попадает на второе зеркало 4, которое фокусирует излучение на фотоприемном устройстве 5, где получается разложенное в спектр изображение входной щели.

Зеркальный спектрометр, дополненный входным изображающим объективом, работает следующим образом (фиг. 2). Свет от источника излучения попадает во входной изображающий объектив 8, который строит изображение источника на входной щели 1 спектрометра. Излучение проходит через входную щель 1, плоскопараллельную пластину 7, попадает на первое зеркало 2, отражается от него и попадает на дифракционную решетку 3, где претерпевает разложение в спектр. Разложенное в спектр излучение отражается от дифракционной решетки 3 и попадает на второе зеркало 4, которое фокусирует излучение на фотоприемном устройстве 5, где получается разложенное в спектр изображение источника излучения.

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

Таблица 1 Описание Радиус, мм Толщина, мм Показатель преломления Угол наклона, град. Входная щель r1=∞ -2 N-BK7 -0,58 d0=413,52 -1 Первое зеркало r2=-414,84 - d1=-209,50 1 Дифракционная решетка r3=-205,35 - d2=188,08 -1 Второе зеркало r4=-393,43 - d3=-394,35 1 Плоскость изображения r5=∞ -0,2 - -

Зеркальный спектрометр имеет следующие характеристики. Рабочий спектральный диапазон: 0,8-2,5 мкм. Относительное отверстие объектива: 1:3,8.

Длина входной щели (линейное поле в пространстве предметов): 30 мм.

Линейное поле в пространстве изображений: 7,7×30 мм.

Спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:

- максимальный диаметр точечной диаграммы 17 мкм;

- МПФ на пространственной частоте 17 мм^-1 не менее 0,75 во всем рабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля в пространстве предметов;

- кривизна спектральных линий во всем рабочем спектральном диапазоне менее 0,2 мкм;

- линейная дисперсия 0,221 нм/мкм.

Таким образом, создан зеркальный спектрометр с относительным отверстием 1:3,8, имеющий близкое к дифракционному качество изображения входной щели длиной 30 мм в пределах широкого спектрального диапазона 0,8-2,5 мкм с минимизированной кривизной спектральных линий. Схемное решение зеркального спектрометра позволяет минимизировать его габариты и массу за счет использования не более чем трех зеркальных элементов, причем один из зеркальных элементов выполняет одновременно функции дисперсионного устройства. Использование в зеркальном спектрометре не более чем трех сферических зеркальных элементов повышает его технологичность и значительно упрощает его сборку, юстировку и контроль.

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.

1. Зеркальный спектрометр, состоящий из последовательно по ходу луча установленных входной щели, первого зеркала, дифракционной решетки, второго зеркала и фотоприемного устройства, в котором входная щель прямоугольная, длинная сторона которой перпендикулярна плоскости меридионального сечения зеркального спектрометра, первое зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, дифракционная решетка выполнена выпуклой сферической, с отрицательной оптической силой, имеющей равномерно расположенные на выпуклой поверхности штрихи, параллельные длинной стороне входной щели, второе зеркало выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого положительного сферического зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, фотоприемное устройство расположено в фокальной плоскости зеркального спектрометра, причем в меридиональном сечении зеркального спектрометра входная щель и первое зеркало смещены относительно оптической оси и расположены по одну сторону от нее, дифракционная решетка расположена осесимметрично на оптической оси, второе зеркало и фотоприемное устройство смещены относительно оптической оси и расположены со стороны, противоположной входной щели и первому зеркалу, причем центры кривизны всех сферических поверхностей расположены в одной точке на одной общей оси, являющейся оптической осью зеркального спектрометра, отличающийся тем, что входная щель в меридиональном сечении наклонена на угол α, значение которого удовлетворяет неравенству
-1°≤α≤1°,
абсолютное значение расстояния от первого зеркала до дифракционной решетки больше абсолютного значения расстояния от второго зеркала до дифракционной решетки, апертурная диафрагма совпадает с оправой выпуклой поверхности дифракционной решетки, фотоприемное устройство в меридиональном сечении наклонено на угол β, значение которого удовлетворяет неравенству
-0,5°≤β≤0,5°,
при этом рабочий диапазон длин волн составляет 0,8-2,5 мкм.

2. Зеркальный спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что абсолютное значение радиуса кривизны первого зеркала больше абсолютного значения радиуса кривизны второго зеркала.

3. Зеркальный спектрометр по п. 2, отличающийся тем, что в меридиональном сечении угол между линией, проходящей через геометрические центры входной щели и первого зеркала, и линией, проходящей через геометрические центры первого зеркала и дифракционной решетки, меньше угла между линией, проходящей через геометрические центры дифракционной решетки и второго зеркала, и линией, проходящей через геометрические центры второго зеркала и фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства.

4. Зеркальный спектрометр по п. 1, отличающийся тем что, за входной щелью установлена плоскопараллельная пластина, толщина d и показатель преломления n которой удовлетворяют неравенству
0,005|R1|≤d·n≤0,01|R1|,
где R1 - радиус кривизны первого зеркала.

5. Зеркальный спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что перед зеркальным спектрометром установлен входной изображающий объектив, плоскость изображения которого совпадает со входной щелью зеркального спектрометра.