АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗЛОЖЕНИЕМ В САГИТТАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ Российский патент 2017 года по МПК G01J3/16 G01J3/22 G02B17/06 

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

Известны автоколлимационные зеркальные монохроматоры Пейсахсон И.В. «Оптика спектральных приборов», изд. 2-е доп. и перераб. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 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.

Известен также зеркальный автоколлимационный спектрометр, описанный в патенте РФ №2521249, МПК G02B 17/08, G01J 3/14, опубликованном 27.06.2014 г., 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 сферического, выполненного в виде внеосевого фрагмента, вогнутого зеркала с положительной оптической силой, в 3 раза большей, чем у третьего зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели. Второго, выполненного в виде внеосевого фрагмента вытянутого эллипсоида, выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, в 4 раза большей, чем у третьего зеркала, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третьего, расположенного на оптической оси объектива, вогнутого гиперболического зеркала с положительной оптической силой примерно равной силе всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели. Причем центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены на оптической оси объектива. Диспергирующее устройство спектрометра расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели и выполнено в виде призмы с преломляющим углом 5…30 градусов из материала, с показателем преломления в пределах 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии в пределах 20…70, с нанесенным на второй по ходу луча грани отражающим покрытием. Апертурная диафрагма расположена на второй по ходу луча грани призмы. 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. Но, результатом применения призменного диспергирующего устройства является низкая угловая дисперсия.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркальный автоколлимационный спектрометр, описанный в патенте РФ №2567447, МПК G02B 17/08, G01J 3/14, опубликованном 10.11.2015 г., 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, выполненного в виде внеосевого фрагмента вогнутого зеркала с положительной оптической силой обращенного вогнутостью к входной щели и выполненного в виде сплюснутого эллипсоида с оптической силой, в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, причем второе зеркало - сферическое, расположенное на оси, с оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего зеркала, третьего вогнутого гиперболического зеркала с положительной оптической силой примерно равной силе всего объектива и выполненного в виде внеосевого фрагмента, обращенного вогнутостью к входной щели, причем оптические оси всех зеркал совмещены с оптической осью объектива, расстояние между первым и вторым зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым и третьим зеркалом, апертурная диафрагма расположена на диспергирующем устройстве, выполненном в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом от 1 до 1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка, находящемся с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели, а перед плоскостью изображения расположена плоскопараллельная пластина с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива, и все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения. Излучение от входной щели преобразуется объективом в коллимированный пучок, который затем попадает на диспергирующее устройство в виде плоской отражательной дифракционной решетки, отражается и раскладывается в спектр, а затем снова попадает в объектив, формирующий в обратном ходе разложенное в спектр изображение входной щели на приемнике изображения. Если длина разложенного в спектр изображения вместе с расстоянием от изображения до входной щели спектрометра будет сопоставима с длиной входной щели, то линейное поле объектива спектрометра будет использоваться неэффективно, кроме того, увеличиваются поперечные габариты спектрометра.

Задачей данного изобретения является создание автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - создание автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении с увеличенным линейным полем, повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, простого в юстировке, обеспечивающего высокое качество изображения во всем рабочем спектральном диапазоне.

Это достигается тем, что в автоколлимационном спектрометре со спектральным разложением в сагиттальном направлении, 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, выполненного в виде внеосевого фрагмента, вогнутого зеркала в виде сплюснутого эллипсоида с положительной оптической силой, в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала, и обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого сферического зеркала, расположенного на оптической оси объектива между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу с отрицательной оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего вогнутого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента гиперболоида с положительной оптической силой, сопоставимой с оптической силой всего объектива, и обращенного вогнутостью к входной щели, при этом оптические оси всех зеркал совмещены с оптической осью объектива, расстояние между первым и вторым зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым и третьим зеркалами, апертурная диафрагма расположена на диспергирующем устройстве, находящемся с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели, а перед плоскостью изображения расположена плоскопараллельная пластина с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива, и все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения, отличающимся тем, что входная щель и изображение входной щели ориентированы параллельно меридиональной плоскости и смещены в меридиональной и сагиттальной плоскостях относительно оптической оси объектива, при этом происходящее разложение изображения входной щели в спектр осуществлено в сагиттальном направлении, главное сечение диспергирующего устройства расположено перпендикулярно меридиональной плоскости с наклоном к оптической оси.

Кроме того, диспергирующее устройство в автоколлимационном спектрометре со спектральным разложением в сагиттальном направлении может быть выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом 1…1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка или призменной системы, состоящей из 1…4 призм из оптического стекла с отражающим покрытием, нанесенным на последнюю в прямом ходе луча поверхность призменной системы.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении с диспергирующим устройством, выполненным в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом 1…1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка.

На фиг. 2 представлена принципиальная оптическая схема автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении с диспергирующим устройством, выполненным в виде призменной системы, состоящей из 1…4 призм из оптического стекла с отражающим покрытием, нанесенным на последнюю в прямом ходе луча поверхность призменной системы.

На фиг. 3 приведена модуляционная передаточная функция автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели.

На фиг. 4 приведена модуляционная передаточная функция автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели, расположенной ближе к оптической оси.

На фиг. 5 приведена модуляционная передаточная функция автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели расположенной вдали от оптической оси

Автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении на фиг. 1 состоит из входной щели 1, первого зеркала 2, второго зеркала 3, третьего зеркала 4, отражающей дифракционной решетки 5 и плоскопараллельной пластины 6. Зеркала 2, 3 и 4, образуют объектив с эксцентрично расположенным полем изображения. Входная щель 1 расположена в фокальной плоскости объектива параллельно меридиональной плоскости и смещена относительно оптической оси объектива в меридиональной и сагиттальной плоскостях. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сплюснутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой, в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала 4, второе зеркало 3 выпуклое сферическое с отрицательной оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего зеркала 4, расположено на оптической оси между входной щелью 1 и первым зеркалом 2 и обращено выпуклостью к первому зеркалу 2, третье зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой, близкой к силе всего объектива. Оптические оси отражающих поверхностей зеркал 2, 3 и 4 совмещены с оптической осью объектива, при этом расстояние между первым 2 и вторым 3 зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым 3 и третьим 4 зеркалами, а вершины первого 2 и третьего 4 зеркал совмещены. Диспергирующее устройство расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели 1, а главное сечение диспергирующего устройства расположено перпендикулярно меридиональной плоскости с наклоном к оптической оси, разложение изображения входной щели в спектр осуществляется в сагиттальном направлении, также в плоскости диспергирующего устройства расположена апертурная диафрагма. Плоскопараллельная пластина 6 имитирует стекло защитное приемника изображения и расположена перед плоскостью изображения, выполнена из оптического материала с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива. Все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.

Диспергирующее устройство спектрометра на фиг 1 выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки 5 с шагом 1…1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка.

На фиг. 2 диспергирующее устройство спектрометра выполнено в виде призменной системы 7, состоящей из 1…4 призм из оптического стекла с отражающим покрытием, нанесенным на последнюю в прямом ходе луча поверхность призменной системы, на которой также расположена апертурная диафрагма.

Автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении 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 отражающую дифракционную решетку 5 или призменную систему 7, отразившись от одной из них, раскладывается в спектр и снова попадает на третье зеркало 4. Отразившись последовательно от третьего зеркала 4, второго зеркала 3, первого зеркала 2 и пройдя через плоскопараллельную пластину 6, излучение формирует разложенное в спектр изображение входной щели в плоскости изображения.

В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.

У данного автоколлимационного спектрометра со спектральным разложением в сагиттальном направлении главное сечение диспергирующего устройства расположено перпендикулярно, а входная щель параллельно меридиональной плоскости.

Характеристики спектрометра:

Спектральный диапазон: 1,0-2,5 мкм.

Относительное отверстие объектива: 1:3,4.

Длина входной щели: 24 мм.

Линейное поле в пространстве изображений: 23,90×6,45 мм.

Спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:

- кривизна спектральных линий не более 3,0 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;

- краевая дисторсия изображения не более 3,0 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;

- линейная дисперсия 0,232 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 автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении, работающий в диапазоне длин волн 1,0-2,5 мкм, с увеличенным линейным полем 24 мм и линейной дисперсией 0,232 нм/мкм, обеспечивающий высокое качество изображения во всем рабочем спектральном диапазоне, с повышенной технологичностью и простотой в юстировке за счет использования в объективе спектрометра асферических поверхностей не более чем второго порядка, единственное выпуклое зеркало является сферическим, причем оптические оси всех зеркал совмещены с оптической осью объектива, вершины первого и третьего зеркал совмещены.

Изобретение может быть использовано в промышленных, авиационных и космических гиперспектральных системах. Cпектрометр состоит из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, находящегося с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели. Объектив выполнен из трех зеркал: первого – положительного в виде внеосевого фрагмента вогнутого зеркала в виде сплюснутого эллипсоида, второго выпуклого сферического зеркала, третьего положительного вогнутого зеркала в виде внеосевого фрагмента гиперболоида. Входная щель и ее изображение ориентированы параллельно меридиональной плоскости и смещены в меридиональной и сагиттальной плоскостях относительно оптической оси объектива. Разложение изображения входной щели в спектр осуществлено в сагиттальном направлении. Главное сечение диспергирующего устройства расположено перпендикулярно меридиональной плоскости с наклоном к оптической оси. Технический результат – обеспечение спектрального разложения в сагиттальном направлении с увеличенным линейным полем, повышение технологичности, малые габариты и масса, простота юстировки, высокое качество изображения во всем рабочем спектральном диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении, 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 выполнен из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого, выполненного в виде внеосевого фрагмента, вогнутого зеркала в виде сплюснутого эллипсоида с положительной оптической силой, в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого сферического зеркала, расположенного на оптической оси объектива между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу с отрицательной оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего вогнутого зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента гиперболоида с положительной оптической силой, сопоставимой с оптической силой всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели, при этом оптические оси всех зеркал совмещены с оптической осью объектива, расстояние между первым и вторым зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым и третьим зеркалами, апертурная диафрагма расположена на диспергирующем устройстве, находящемся с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели, а перед плоскостью изображения расположена плоскопараллельная пластина с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива, и все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения, отличающийся тем, что входная щель и изображение входной щели ориентированы параллельно меридиональной плоскости и смещены в меридиональной и сагиттальной плоскостях относительно оптической оси объектива, при этом происходящее разложение изображения входной щели в спектр осуществлено в сагиттальном направлении, главное сечение диспергирующего устройства расположено перпендикулярно меридиональной плоскости с наклоном к оптической оси.

2. Автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении по п. 1, в котором диспергирующее устройство выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом 1…1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка

3. Автоколлимационный спектрометр со спектральным разложением в сагиттальном направлении по п. 1, в котором диспергирующее устройство выполнено в виде призменной системы, состоящей из 1…4 призм из оптического стекла с отражающим покрытием, нанесенным на последнюю в прямом ходе луча поверхность призменной системы.