Спектрограф Советский патент 1989 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано -при создании спектрографов с плоским полем с неклассическими вогнутыми нарезными дифракционными решетками с переменным шагом и непря- молинейными штрихами.

Цель изобретения - повьниение разрешающей способности путем минимизации аберрационных характеристик дифракционной решетки.

На чертеже показана оптическая схема спектрографа.

Спектрограф содержит входную щель 1, вогнутую нарезную дифракционную решетку 2 с радиусом г, криволинейными штрихами с радиусом р кривизны и переменным расстоянием 1 между штрихами, регистрирующее устройство 3 с плоской приемной поверхностью, причем

d - расстояние от вершины решетки 2 до входной щели 1, Cf - угол падения излучения на решетку 2, cf и Ср - углы дифракции на краях регистрируемой рабочей спектральной области длин волн, tfj, - угол дифракции, соответствующий средней длине волны регистрируемой рабочей спектральной области длин волн, dp - расстояние от решетки 2 до центра регистрирую1чего устройст ва 3, 1о расстояние между штрихами на вершине решетки 2, ( - угол между плоскостью приемной поверхности регистрирующего устройства 3 и расстоянием dj, , у - координата решетки 2 в направлении дисперсии.

Спектрограф работает следующим образом.

Излучение от входной щели 1 падает под углом q на вогнутую нарезную дифракционную решетку 2, находящуюся на расстоянии d от входной щели 1, Штрихи решетки выполнены с радиусом р кривизны и с переменным расстоянием 1 между штрихами решетки 2.

Дифрагированное под углами (f - Lp решеткой 2 излучение фокусируется на расстоянии d от вершины О решетки 2 в плоскости приемной поверхности ре- гистрирующего устройства 3, под углом { между плоскостью приемной поверхности регистрирующего устройства 3 и прямой О о, проходящей через вершину О решетки 2 и центр О плоско- сти приемной поверхности регистрирующего устройства 3. Фокусировка спектра на плоскости приемной поверхности регистрирующего устройства, находящейся на расстоянии d от вершины О решетки 2 и повышение разрешающей способности спектрографа по спектру достигаются за счет минимизации аберрационных характеристик вогнутой нарезной дифракционной решетки 2 и вы- полнения на решетке 2 штрихов с радиусом кривизны РИС переменными расстоянием 1 между штрихами решетки согласно рассчитанным соотношениям:

Р ilSin l

1 1(1

,а

а, . центр плоской приемной поверхности регистрирующего устройства расположен на расстоянии

do

34(3,5 а4.--а 1 а 6 )

.Д,-.. .„-.-.,-. . (3)

, аб-а,а4)+а,(,ag)

от вершины вогнутой нарезной дифракционной решетки, где а, sin2(sinf(Fsinif-2C,) - К

(Fsin(f-c, ) (

г dpSin(

„ 1ч cos(V+4 o) d- d sinCf)

(|F - S - c;,4incf);

, cosqisin C(cJ-Fsintf) - ,

1

iS(s;sin(f S);

Г ai sin(|sin/(

Uq ;)(b4sincf - с

cos((,;+(f;) c3sinif- |(F - )lj;

а , cosLf(b, F cosCp +

)+:();

а (/cos((tf +Cf|j) + н- I cfcosCC +Cf)- (ф+(;)ф+

1

4 s;)4lctcos((| +q.;);

F «(fi -Ifl ;

c cos (nq ;)-cos (nCf;);

(ntf;)-sin (n(f);

n - показатель кратности углов дифракции и(; показатель степени функций;

1 срзЧ т d

m

b, -

bg S, - .

приведем обоснование рассчетных . значений формул (1) - (З).

Условия фокусировки меридионального и сагиттального изображений в одной плоскости - в плоскости приемной поверхности, можно записать в виде V, 0, причем

„ cosf4 cos 4 costf+cosCf

+ т;-т::

-d

+ (sin(f+sinq ) ju ;

тг 1 cos(f+cosif sLn(t+sin(f ,.v ,(4)

где d - расстояние до плоскости изображения в меридианальной плоскости;

расстояние до плоскости изображения в сагиттальной плоскости ;

коэффициент изменения шага, характеризующий расстояние между штрихами решетки (1 lp(1+jUy) по координате в направлении дисперсии решетки ;

р - радиус кривизны штриха.

Расстояние до плоскости приемной

поверхности для произвольных ее точек

и произвольных углов дифракции f

f

Р

d;sin(V

(5)

5

sinCV+q i-Cf ) (при крайних значениях на концах плоской приемной поверхности Cf соответственно равен (fj и()

Дефокусировка спектрального изображения,

5

находят из условия V,0.

Л .1 d -d p, причем d находят

Для нахождения оптимальных параметров решетки и схемы ее использования необходимо минимизировать величину Ad дефокусировки, а также величину отклонения от условия фокусировки изобраволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрир щее устройство с плоской приемной верхностью, отличающийс тем, что, с целью повышения разреш щей способности путем минимизации аберрационных характеристик дифрак онной решет1 и, криволинейные штрих

жения (-V) в сагитальной плоскости.

Минимизация указанных параметров про- Q дифракционной решетки выполнены с

водится в интервале углов дифракции радиусом

tf - Ср , в виде

( г : . Р

I Е dq- О, (6)

,sin(f

9oi;

и с переменным расстоянием между 5 штрихами дифракционной решетки

где Е - оценочная функция;

oi - параметры оптимизации. Принимая во внимание, что Е - ud(dj ,ru), получаем систему уравне 1о(1

a aj-Hja

ОI 31 я Х я

,34

у).

НИИ

г

I d Ы , ; 3do

центр плоской приемной поверхности 20 регистрирующего устройства расположен на расстоянии

, а(,аб)

° ajCa,,a)+a,(a a5-ajag)

(7)

,.

Решив систему уравнений (7) получают выражение (3) и

+66

волинейными штрихами и переменным расстоянием между ними и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности путем минимизации аберрационных характеристик дифракционной решет1 и, криволинейные штрихи

,sin(f

и с переменным расстоянием между 5 штрихами дифракционной решетки

a aj-Hja

ОI 31 я Х я

,34

у).

центр плоской приемной поверхности регистрирующего устройства расположен на расстоянии

, а(,аб)

° ajCa,,a)+a,(a a5-ajag)

от вершины вогнутой нарезной дифракционной решетки, где а, sin2({ j sintf(Fsin(f-2c()+-rF 30

- I }

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Целью изобретения является повышение разрешающей способности путем минимизации аберрационных характеристик дифракционной решетки. Спектрограф состоит из трех элементов: входной щели, вогнутой нарезной дифракционной решетки и регистрирующего устройства с плоской приемной поверхностью. Величины радиуса криволинейности штрихов решетки, расстояния между штрихами, расстояния от решетки до центра регистрирующего устройства рассчитываются по формулам, приведенным в описании изобретения. В спектрографе получается улучшение качества изображения при регистрации на такие приемники, как линейки фотодиодов, передающие телевизионные трубки и ЭОПы. 1 ил.

|U

a,ag-a,a4

(8)

с учетом которого переменное расстояние 1 между штрихами решетки удовлетворяет соотношению (2),

Для определения величины радиуса о кривизны штрихов рассмотрим функцию согласно (6) в зависимости от л при

F V(p). (9)

Таким образом, имеют

7 , jv,d( О (10)

Ч-;

преобразуя (10), получают выражение (1).

Спектрограф позволяет улучшить качество изображения при использовании таких регистрирующих устройств с плоской приемной поверхностью, как линейки фотодиодов, телевизионные передающие трубки и электронно-оптические преобразователи.

формула изобретения Спектрограф, содержащий оптически связанные входную щель, вогнутую нарезную дифракционную решетку с криlo /i sin(tt+c/t).

35

a,.(Sisl«,.jS.)().

)

X (jF - 4 Sj-clsintf);

, costrsin lj Cc i-FsinLp) 40 - is iil s|sinif+|sp;

(|sin((} +(f|,)(b, c +

+со8(() 5 c3sin(- icF-|si);

()b,cos(j(b(F cpslf-f -Sj ),

.(|.рф;);

-b, sin(j)cosl| b2sin(( +CfJ,) +

+ I cjcos(((f;)- в1п6,ср;)(|г+

50

U . 1

1

)-i cjcos((-(f;) ;

V угол между плоскостью приемной поверхности регистрирующего устройства и прямой, проходящей через вершину решетки и

центр плоскости приемной поверхности регистрирующего уст ройства;

tp - угол падения;

. УЛЬ дифракции на краях регист- рируемой рабочей спектральной области длин волн;

угол дифракции, соответствующий средней длине волны регистрйру- Q емой рабочей спектральной области длин волн;

г - радиус кривизны решетки;

d - расстояние от вершины решетки

до входной щели;j,

1JJ - расстояние между штрихами на вершине решетки;

у - координата решетки в напраале- нии ее дисперсии;

F ,

сГ cos(nVt)-cos (n(;);

S; sin (,)(n(f;);

n - показатель кратности углов дифракции (f , и tf2

m - показатель степени функций sin и cos;

г

s;-isf.