Спектрограф
Владельцы патента RU 2329476:
Общество с ограниченной ответственностью "Оптонет" (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения. Спектрограф содержит оптически связанные входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, перед которой расположен оптический элемент, выполненный в виде моноблока из оптически прозрачного материала, таким образом, что дифракционная решетка, регистрирующее устройство и входная щель расположены на поверхности моноблока. Входная щель расположена на плоскости, а дифракционная решетка и регистрирующее устройство - соответственно на сферических поверхностях с радиусами кривизны r и R, где r - радиус кривизны решетки, a R=(0,8÷1,2r). Технический результат - упрощение конструкции спектрографа при повышении качества спектрального изображения и расширении рабочего диапазона длин волн. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании спектральных приборов для различных видов спектрального анализа оптического излучения и мульти-демультиплексоров для спектрального уплотнения волоконно-оптических систем передачи.
Известен спектрограф, описанный в патенте РФ №1522046, МПК G01j 3/18, опубл. в бюлл. №20, 1994 г., содержащий входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, в котором расстояние от вершины решетки до центра плоской приемной поверхности, радиус кривизны штрихов в вершине решетки и изменение шага штрихов по поверхности решетки определяются рассчитанными соотношениями.
Наиболее близким по технической сущности является спектрограф, описанный в патенте РФ №1358538, МПК G01j 3/18, опубл. в бюлл. №16, 1997 г., содержащий входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, в котором расстояние от вершины решетки до центра плоской приемной поверхности, радиус кривизны штрихов в вершине решетки и изменение шага штрихов по поверхности решетки определяются рассчитанными соотношениями, а для компенсации остаточной дефокусировки вблизи приемной поверхности располагается оптический элемент в виде плоско-вогнутой отрицательной линзы, обращенной плоской поверхностью к регистрирующему устройству.
Задачей изобретения является создание спектрографа с повышенными характеристиками.
Технический результат - упрощение конструкции спектрографа при повышении качества спектрального изображения и расширении рабочего диапазона длин волн, повышении светосилы, надежности и технологичности.
Это достигается тем, что в спектрографе, содержащем оптически связанную входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, перед которой установлен оптический элемент, в отличие от известного, оптический элемент выполнен виде моноблока из оптически прозрачного материала таким образом, что дифракционная решетка, регистрирующее устройство и входная щель расположены на поверхности моноблока, причем входная щель расположена на плоскости, а дифракционная решетка и регистрирующее устройство - соответственно на сферических поверхностях моноблока с радиусами кривизны r и R, где r - радиус кривизны вогнутой сферической решетки, а R=(0,8÷1,2)r.
Изобретение поясняется чертежом.
Спектрограф содержит последовательно расположенные по ходу луча входную щель 1, вогнутую сферическую дифракционную решетку 2 с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью 3. Оптический элемент прибора выполнен виде моноблока 4 из оптически прозрачного материала таким образом, что все элементы оптической схемы располагаются на его поверхности: входная щель 1 крепится на плоской поверхности моноблока, дифракционная решетка 2 - на противоположной его стороне на выпуклой сферической поверхности с радиусом кривизны, равным r, а вблизи приемной поверхности 3 регистрирующего устройства моноблок 4 имеет вогнутую или выпуклую поверхность 5 с радиусом кривизны R=(0,8÷1,2)r, причем радиус кривизны г выпуклой сферической поверхности моноблока 4 равен радиусу вогнутой сферической поверхности дифракционной решетки.
Спектрограф работает следующим образом. Излучение от входной щели 1, проходя через моноблок 4, падает на сферическую дифракционную решетку 2, которая имеет на своей поверхности неравноотстоящие криволинейные штрихи. Дифрагированное излучение проходит по моноблоку 4 в обратном направлении и фокусируется на плоской поверхности 3 регистрирующего устройства. Фокусировка на кривой ближайшей к плоской приемной поверхности 3 регистрирующего устройства обеспечивается с одной стороны расположением элементов оптической схемы и параметрами переменного шага решетки, которые рассчитываются по методике, аналогичной предлагаемой в патенте РФ №1522046, МПК G01j 3/18, опубл. в бюл. №20, 1994 г., а с другой - наличием сферической выпуклой или вогнутой поверхности 5, ограничивающей моноблок со стороны регистрирующего устройства.
Возможны два варианта реализации спектрографа:
1) спектрометр с использованием в качестве регистрирующего устройства многоэлементной линейки с плоской светочувствительной поверхностью;
2) мульти-демультиплексор с использованием блока приемных волокон, торцы которых расположены в одной плоскости.
Один из вариантов предлагаемого спектрографа с многоэлементным регистрирующим устройством и вогнутой поверхностью моноблока перед ним имеет следующие характеристики:
| Спектральная область, нм | 315-1100 |
| Радиус кривизны вогнутой сферической решетки, мм | 140 |
| Размер заштрихованной поверхности решетки, мм2 | 40×40 |
| Угол падения ϕ, град | 10 |
| Угол дифракции средней длины волны диапазона ϕ′0, град | 1,6 |
| Расстояние от решетки до входной щели d, мм | 138,5 |
| Расстояние от решетки до сферической поверхности | |
| моноблока перед регистрирующим устройством d′, мм | 130,7 |
| Радиус кривизны сферической поверхности моноблока | |
| со стороны регистрирующего устройства R, мм | 130,0 |
| Расстояние от дифракционной решетки до приемной | |
| поверхности регистрирующего устройства d′0, мм | 137,2 |
В таблице приведены величины обратной линейной дисперсии , полуширины аппаратной функции спектрографа ba и спектрального разрешения Δλ. Величина спектрального разрешения находится как произведение полуширины аппаратной функции на обратную линейную дисперсию. В расчетах использовалась ширина входной щели, равная 20 мкм.
| λ, нм | ,  | ba, мм | Δλ, нм |
| 315 | 35,8 | 0,022 | 0,8 |
| 472 | 35,9 | 0,028 | 1 |
| 707,5 | 36,0 | 0,022 | 0,8 |
| 943 | 36,0 | 0,030 | 1,1 |
| 1100 | 35,9 | 0,030 | 1,1 |
Таким образом, в результате предложенного решения имеем два принципиальных отличия предлагаемого устройства: монолитная конструкция, когда все оптические элементы схемы крепятся на моноблок из оптически прозрачного материала, и наличие в моноблоке сферической поверхности, изменяющей фокусировку излучения различных длин волн.
Преимуществом того факта, что излучение распространяется в оптическом материале с показателем преломления больше единицы, является то, что падающий на моноблок сходящийся пучок после входной щели имеет меньшую апертуру, что позволяет повысить светосилу и разрешающую способность прибора.
Предлагаемая монолитная конструкция отличается температурной и вибрационной нерасстраиваемостью, позволяющей использовать прибор в технологических линиях, полевых условиях и т.д. Повышенная пыле-влагозащищенность дает возможность работы в условиях повышенной агрессивности окружающей среды.
Другим преимуществом монолитной схемы является существенное упрощение конструкции ввиду практического отсутствия механических деталей узлов входной щели, решетки и фотоприемного устройства. В результате значительно упрощается сборка и юстировка оптической схемы, кроме этого отпадает необходимость в массивном основании, фиксирующем положение элементов схемы, ввиду этого требования к корпусу значительно ослабляются. Все вышеперечисленное ведет к существенному удешевлению прибора в серийном производстве.
Наличие сферической поверхности раздела двух сред в области регистрирующего устройства позволяет уменьшить аберрации и в первую очередь аберрацию, вызванную дефокусировкой спектрального изображения, которая во многих случаях бывает доминирующей, что, в свою очередь, приводит к повышению разрешающей способности и увеличению рабочего диапазона спектральных приборов, а также уменьшению уровня перекрестных помех и увеличению количества каналов мульти-демультиплексоров.
Спектрограф, содержащий оптически связанные входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравноотстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, перед которой установлен оптический элемент, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде моноблока из оптически прозрачного материала таким образом, что дифракционная решетка, регистрирующее устройство и входная щель расположены на поверхности моноблока, причем входная щель расположена на плоскости, а дифракционная решетка и регистрирующее устройство - соответственно на сферических поверхностях моноблока с радиусами кривизны r и R, где r - радиус кривизны вогнутой сферической решетки, a R=(0,8÷1,2)r.
