Спектрограф со скрещенной дисперсией Советский патент 1992 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению и может быть использовано при создании высокоинформативной спектральной аппаратуры.

Известны спектрографы с диспергирующей системой, содержащей дифракционную решетку типа эшелле, работающую в высоких порядках спектра, и дополнительный диспергирующий элемент с направлением дисперсии, перпендикулярным направлению дисперсии эшелле, обеспечивающий пространственное разделение строчек спектров разных порядков. При этом может одновременно регистрироваться одна или несколько строчек спектра. В качестве дополнительного диспергирующего элемента используется призма или дифракционная решетка.

Недостатком оптических систем спектрографов со скрещенной дисперсией является их повышенная сложность, обусловленная наличием не менее двух последовательно установленных диспергирующих элементов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым за прототип является спектрограф СТЭ-1, построенный по схеме скрещенной дисперсии и предназначенный для одновременной регистрации нескольких строчек спектра. Спектрограф содержит входную щель, колпимирующий и фокусирующий объективы, дифракционную решетку типа эшелле, дополнительный диспергирующий элемент в виде призмы с направлениVI

Ј

СЛ GJ

ем дисперсии, перпендикулярным направлению дисперсии эшелле, и многоэлементный фотоприемник в виде фотопластинки и фотопленки.

Наличие дополнительного диспергирующего элемента приводит к усложнению конструкции спектрографа, а также вызывает дополнительные потери излучения и аберрационные искажения изображения.

Цель изобретения - упрощение конструкции спектрографа.

Поставленная цель достигается тем, что в спектрографе со скрещенной дисперсией, содержащем оптически связанные входную щель, объектив, диспергирующую систему с дифракционной решеткой и двумерный фотоприемник, дифракционная решетка снабжена дополнительным штрихом, нанесенным на ее рабочую поверхность и перпендикулярным основным штрихам, причем расстояние ch между основными штрихами удовлетворяет соотношению

сИ

- + tg2Ј cosV

а расстояние d2 между дополнительными штрихами - соотношению

Я У С05Гк + cos2 р sir fc 2 ( 1 + sin к) где Я - длина волны дифрагированного излучения;

к - рабочий порядок спектра для длины волны Я ;

е - угол наклона оси оптической оси, соединяющей объектив и дифракционную решетку, к плоскости, перпендикулярной основным штрихам решетки;

р - угол между нормалью к решетке и проекцией оптической оси, соединяющей объектив и дифракционную решетку, на плоскость, перпендикулярную основным штрихам решетки.

На чертеже показан вариант схемы спектрографа.

Спектрограф со скрещенной дисперсией содержит входную щель 1, совмещенный коллиматорно-камерный зеркальный объектив 2, дифракционную решетку 3 и многоканальный двумерный фотоприемник 4.

Спектрограф со скрещенной дисперсией работает следующим образом.

Исследуемое излучение поступает через входную щель 1 на коллиматорную часть объектива 2 и параллельным пучком освещает дифракционную решетку 3, на отражающей стороне которой нанесены основные vi дополнительные штрихи. Дифрагировавшее на решетке излучение поступает на камерную часть объектива 2, который строите

0

5

0

5

плоскости многоканального фотоприемника 4 ряд строчек спектра, соответствующих разным порядкам спектра, обусловленного действием основных штрихов решетки. Расстоянние между строчками спектра, необходимое для их пространственого разделения, будет обусловлено действием дополнительных штрихов решетки.

Расстояния di и d2 соответственно между основными и дополнительными штрихами дифракционной решетки определяют из обобщенного уравнения дифракции в случае, когда ось падающего на решетку парал- лельного пучка лучей не лежит ни- в плоскости XOY, перпендикулярной основным штрихам решетки (ось X - нормаль к поверхности решетки, ось Y перпендикулярна основным штрихам решетки, ось Z параллельна основным штрихам решетки), ни в плоскости XOZ, перпендикулярной дополнительным штрихам, (ось Z перпендикулярна дополнительным штрихам, ось Y параллельна дополнительным штрихам), а составляет с этими плоскостями соответственно углы у и v.

Для дифракции на основных штрихах решетки в случае автоколлимации и дифракции на дополнительных штрихах справедливы соответственно соотношения

30

2sin pi

kЯ

di cos у

0)

sin Ј+ sin ей -д--(2)

702 COS V

где - проекция угла дифракции на плоскость, перпендикулярную основным штрихам (плоскость XOY);

k - рабочий порядок спектра;

Я -длина волны в центре спектрограммы;

Ј - угол наклона оси падающего пучка лучей к плоскости, перпендикулярной основным штрихам решетки;

pl - проекция угла дифракции на плоскость, перпендикулярную дополнительным штрихам (плоскость XOZ).

Очевидно, что значения и sin #и не могут быть больше единицы, поэтому из соотношений (1) и (2) следует

di о iA ..-(3)

2 cosy

d2

(4)

cos у (1 + sin Ј) Используя аппарат векторной алгебры можно показать, что для вычисления углов у и v справедливы соотношения

cosy -COSЈ5- (5)

V COS Ј + COS ф Sin F.

cosv

cos Ј

E + COS2 f} Sin2 Ј

(6)

При подстановке выражений (5) и (6) в (3) и (4) получим соотношения для выбора di и J2 в виде

КЯ 1Л . 22/у

di - /1+tg2 cos2

d2 2:

Я Ј + COS2 y Sin2 Ј

(8)

( 1 + sin Ј)

Таким образом, данная дифракционная решетка совмещает в себе функции основного и дополнительного диспергирующего элемента спектрографа, что и обеспечивает упрощение его конструкции.

Предлагаемый спектрограф со скре- щенной дисперсией может найти применение при создании высокоинформативной и простой по конструкции спектральной аппаратуры, предназначенной для широкого использования при контроле загрязнений природной среды.

Формула изобретения

Спектрограф со скрещенной дисперсией, содержащий оптически связанные входную щель, объектив, диспергирующую систему с дифракционной решеткой и дв у- мерный фотоприемник, отличающийся

1 Q

20

25

тем, что, с целью упрощения конструкции, дифракционная решетка снабжена дополнительными штрихами, нанесенными на ее рабочую поверхность и перпендикулярными основным штрихам, причем расстояние di между основными штрихами удовлетворяет соотношению

di + tgz E cos2 p

а расстояние d2 между дополнительными штрихами - соотношению

Я Ј + cos2 р sin2 g

cos p( 1 + sin e) где Я - средняя длина волны рабочего диапазона спектрографа;

k - рабочий порядок спектра для длины волны Я ;

Ј- угол наклона оптической оси, соединяющий объектив и дифракционную решетку, к плоскости, перпендикулярной основным штрихам решетки;

р - угол между норма лью к решетке и проекцией оптической оси, соединяющей объектив и дифракционную решетку, на плоскость, перпендикулярную основным штрихам решетки.

d2

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Цель изобретения - упрощение конструкции. В спектрографе со скрещенной дисперсией вместо использования дополнительного диспергирующего элемента выполняют на рабочей поверхности дифракционной решетки di + tg2 fc cos (p , а расстояние d2 дополнительные штрихи, Эти штрихи перпендикулярны основным штрихам. Расстояние di между основными штрихами удовлетворяют соотношению К/ 2 между дополнительными штрихами - соотношению da Я + . sin2 e/cos y (i + sin e) ), где А- длина волны дифрагированного излучения, к - рабочий порядок спектра, Ј - угол наклона оптической оси падающего на решетку пучка к плоскости, перпендикулярной основным штрихам, р - угол между нор- малью к решетке и проекцией оптической оси падающего на решетку пучка на плоскость, перпендикулярную основным штрихам. В спектрографе дифракционная решетка совмещает в себе функции основного и дополнительного диспергирующих элементов и таким образом уменьшается число оптических элементов 1 ил. Ј