Спектрограф Советский патент 1992 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, и может быть использовано при создании спектральных приборов.

Известны спектрографы, единственными оптическими элементами которых являются голографическая дифракционная решетка и полевая линза. Такие спектрографы содержат последовательно расположен- ные по ходу луча входную щель, голографическую дифракционную решетку, полевую линзу и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью. Параметры записи голографической решетки (IV тип по классификации looin-Yvon) подобраны так, чтобы при работе в схеме монохро- матора минимизированы астигматизм и меридиональная кома.

Недостатком данного технического решения является то, что при работе решетки в схеме спектрографа астигматизм и меридиональная кома коррегируются в узком центральном участке спектрального диапазона. Поскольку современныэ многоканальные приемники, применяемые в спектральных приборах, имеют, в основном, небольшой размер по высоте линии (например, высота фотодиодной линейки не превышает 0,5 мм), астигматизм, увеличива Ю

о

со

ющийся к краям спектра, значительно уменьшает светосилу спектрографа. Светосилу спектрографа ограничивает также сагиттальная кома, значение которой возрастает с увеличением относительного отверстия, что приводит к необходимости уменьшения рабочей заштрихованной поверхности в сагиттальном сечении, а отсутствие минимизации дефокусировки и меридиональной комы для всего рабочего спектрального диапазона значительно ухудшает качество изображения спектра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является спектрограф. Такой спектрограф содержит оптически связанные входную щель, сферическую дифракционную решетку с криволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними, полевую линзу и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, дифракционная решетка расположена на расстоянии d г (1,01056-0,0393 k A N) от входной щели и на расстоянии d ,0037-0,014 k Я N+0,058 (k A N)(di ) от регистрирующего устройства, угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормально к решетке (f -0,016+0,748 , криволинейные штрихи дифракционной решетки

3.34 выполнены с радиусом р - -jTTTT r

-(0,93+0,72 k/lN) y, а переменное расстояние между штрихами удовлетворяет соотношению е -jq- 1+(0,12+2,7 k Я N) x

(3,7-16,3 kAN)10 Vl. где г- радиус кривизны решетки;

N - частота штрихов в вершине решетки;

Я - средняя длина волны диапазона;

di - толщина полевой линзы;

п - показатель преломления полевой линзы;

у - координата в меридиональном сечении решетки;

k - рабочий порядок спектра.

Конструктивные параметры схемы спектрографа и решетки обеспечивают минимизацию дефокусировки, коррекцию астигматизма и меридиональной комы для длин волн

з . Ят-Яг Я±-4-

где Я- средняя длина волны диапазона;

Ят,Я2 - крайние длины волн, и коррекцию в центре спектрального диапазона сагиттальной комы. Реальная фокаль представляет из себя дугу окружности более пологую, чем круг Роуланда, с нормалью, совпадающей с направлением нулевого луча средней длины волны диапазона. Установленная перед фокальной плоскостью линза компенсирует остаточную дефокусировку благодаря тому, что длины волн, удаленные от центра спектрограммы, проходят большой путь в стекле.

К недостаткам спектрографа следует отнести то, что указанные соотношения обеспечивают высокое качество изображения, большую светосилу в широком спектральном диапазоне лишь для дифракционных

решеток с радиусами кривизны, близкими к 1000 мм, что значительно сужает функциональные возможности прибора, не позволяет получать высокое качество изображения для более компактных схем, а также не дает

возможность получить более высокую дисперсию при высоком качестве изображения спектра за счет увеличения радиуса кривизны решетки,

Кроме того, при использовании в качестве приемников излучения коорди- натно-чувствительных приемников нет необходимости в установке полевой линзы, так как приемники могут быть установлены и на криволинейной поверхности, что упрощает оптическую схему прибора.

Цель изобретения - увеличение дисперсии и повышение разрешения в широком спектральном диапазоне,

Указанная цель достигается тем, что в

спектрографе, содержащем оптически связанные входную щель, сферическую дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка расположена на расстоянии d г (1,01056-0,0393 k Я N)

от входной щели, угол р между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке р -0,016+0,748 k Я N, а штрихи решетки

выполнены криволинейными с радиусом т чд

р - r -(0,93+0,72 k Я N) -у и с переменным расстоянием е, удовлетворяющим

19

условию e -jq-(1+jwy +vy ), где г-радиус

кривизны решетки; N - частота штрихов в вершине решетки; Я-средняя длина волны спектрального диапазона; k - рабочий порядок спектра; у - координата в меридио- нальном сечении решетки; fi,vкоэффициенты неравномерности шага решетки, коэффициенты //, г неравномерности шага решетки удов,- .:т80ряют условиям /и, (0,012+ 0,27 k Я N) /r+v (0,037-0,163 kAN) /r2, s расстояние d1 от

решетки до регистрирующего устройства - условию

о ,0037-0,014 kA N+0,058(kAN)2.

На фиг. 1 изображена оптическая схема спектрографа; на фиг. 2 - сферическая дифракционная решетка.

Спектрограф содержит последовательно расположенные по ходу луча входную щель 1, сферическую дифракционную решетку 2, имеющую радиус кривизны г и находящуюся на расстоянии d г (1,01056-0,0393 kA N) от входной щели 1, поверхность 3 регистрирующего устройства 4, расположенного на расстоянии d ,0037-0,014 k A N+0,058 (k AN)2 от дифракционной решетки 2 для длины волны А. Угол р между отрезком, соединяющим центр входной щели 1 с вершиной решетки 2, и нормалью к решетке 2 р- -0,016+0,748 k A N. Штрихи решетки 2 имеют радиус кривизны, определяемый из выражения/э -3,34 r/k A N-(0,93+0,72 kA N)y, а расстояние между штрихами переменное и удовлетворяющее соотношению

e--jq- 0,012 + 0.27 k AN) y/r+(0,037- О 163 k ANjyVr2.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от входной щели 1 падает на сферическую дифракционную решетку 2 под углом р -0,016+0,748 k AN. Решетка 2 имеет в общем случае штрихи радиуса р ро -Ру и переменное расстояние между штрихами

e -jq-(1+yuy + vy2),

где/Оо - радиус кривизны штриха в вершине решетки;

Р - коэффициент, определяющий сагиттальную кому;

/г - коэффициент, определяющий фокусировку в меридиональной плоскости;

v - коэффициент, характеризующий меридиональную кому.

Дифрагированное излучение фокусируется на поверхности регистрирующего устройства 3.

Аберрации сферической дифракционной решетки с криволинейными штрихами характеризуются функцией оптического пути, имеющей вид

v (у, z) -yFo + Fi +

F2 +

JL 2

F3 +

yz

F4

(1)

(2)

F,-Mi-kANGi, где у - координата в меридиональном сечении решетки;

z - координата в сагиттальном сечении решетки;

Mi - содержит параметры схемы спектрографа, a GI - параметры нарезки решетки;

01 (3)

G2 1

Ро Сз 2 (ы2 - v)/3 ;

С4 фр0-Р)//Эо2 .

(4)

(5) (6)

Равенство нулю FI выражает условие фокусировки в меридиональной плоскости, равенство нулю FZ - условие фокусировки в сагиттальной плоскости, Рз - характеризует меридиональную кому a F4 - сагиттальную кому. Налагая условие минимизации дефо кусировки на плоскости, перпендикулярной нулевому лучу средней длины волны диапазона А для заданных значений, d - рас- стояния от центра входной щели до вершины решетки угла падения лучей на решетку, получаем соответствующие значения d и ц,

II1 л.2

0,где1 Ш

из

0

dA. (7)

ad Ui дц

В общем случае, получая р0. v и Р

условий равенства нулю Fa, Fa, и , можно скорректировать аберрации спектрографа лишь для одной длины волны. Проведенные исследования показали, что при определенных значениях конструктивных параметров схемы спектрографа одновременно выполняются условия минимизации (7) и условия равенства нулю Fa и РЗ для двух длин волн расположенных симметрично относитеть- но центра спектрального диапазона (Д± Ai -Аз

-). где А

. ,, средняя длина волны

диапазона a AI и Аг - крайние значения длин волн диапазона, что гарантирует небольшие значения этих аберраций во всем рабочем спектральном диапазоне. Эти условия с учс(0м выражений для Mi имеют вид sin (pcos ip / 1 cos d rd

sin p cos p

d

55

2(-v)kJj +AlJL).o;(8)

1,1, cos p + cos p

Т + d +r

kN PO

()

О)

где р - угол дифракции длин волн (A + ):

г- радиус кривизны решетки, N - частота штрихов в вершине решетки.

С увеличением относительного отверстия спектрографа возрастает влияние сагиттальной комы на качество изображения, даваемого спектрографом. Коррекция сагиттальной комы в спектрографе обеспечивается тем, что характеризующий эту аберрацию коэффициент Р определен из условия равенства нулю этой аберрации для центра диапазона

0.

(10)

РО г Ро

Таким образом, в спектрографе конструктивные параметры схемы и решетки выбраны такими, что спектр фокусируется на плоскости с минимумом дефокусировки и коррекцией астигматизма, меридиональной и сагиттальной комы в рабочем спектральном диапазоне.

При использовании в качестве приемников излучения координатно-чувствитель- ных приемников остаточная дефокусировка устраняется установкой этих приемников на расстояниях df, соответствующих фокусировке в меридиональном сечении любых длин волнА( рабочего спектрального диапазона, Расстояние df от вершины решетки до поверхности фокусировки для длины волны AI определяется из условия фокусировки лучей в меридиональной плоскости

9 , cos2yV cos р + cos р

+ df r

cos d

- k AI N /,

гдеде -угол дифракции длины волны А). Для длины волны Аэто расстояние определяется соотношением

d1 ,0037-0,014 ,058(kAN)2,

При установке в спектрографе сферических дифракционных решеток с радиусами кривизны 500 и 2000 мм аберрации уменьшилось более чем в 100 раз.

5Таким образом, расширились возможности спектрографа за счет возможности использования в нем сферических дифракционных решеток с любыми радиусами кривизны. Отсюда вытекают следующие

10 преимущества; спектрограф с решеткой с радиусом кривизны 2000 мм обеспечивает вдвое большую дисперсию, значительно улучшается разрешение для любого значения радиуса кривизны дифракционной ре15 шетки.

Формула изобретения Спектрограф, содержащий оптически связанные входную щель, сферическую 20 дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка расположена на расстоянии

d r(1,01056-0,0393kAN) от входной щели и нормаль к ней образует 25 угол

р -0,016+0,748 kAN

по отношению к отрезку, соединяющему центр входной щели с вершиной решетки, а штрихи решетки выполнены криволинейны- 30 ми с радиусом

р -3,34 г (kAN) -(0,93+0,72 kAN) у

и с переменным расстоянием е -тт- (1 +

+/и у+ у2), где г- радиус кривизны решетки;

35 N - частота штрихов в вершине решетки; А-средняя длина волны спектрального диапазона; k - рабочий порядок спектра; у - координата в меридиональном сечении решетки;/г, V- коэффициенты неравномерно40 сти шага решетки, отличающийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и повышения разрешения, сферическая дифракционная решетка выполнена с коэффициентами неравномерности шага, удов45 летворяющими условию

// (0,012 + 0,27kAN)/r; v (0,037-0,163 kAN)/r2,

50

а расстояние d от решетки до регистрирующего устройства - условию

d1 ,0037-0,014 k A N+0,058(k A N)2.

55

Фие.1

Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения: спектрограф содержит последовательно расположенные входную щель, сферическую дифракционную решетку и регистрирующее устройство, причем решетка установлена на расстоянии d г (1,01056-0,0393 k Я N) от входной щели и на расстоянии d гх х 1,0037-0,014 k A N + 0,058 (k AN)2 от регистрирующего устройства; угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке (р -0,016+0,748 k A N; штрихи решетки выполнены криволинейными с радиусом р -3,34 г (k AN) -(0,93+0,72 k AN) у, с переменным расстоянием между ними

У