Многоканальный высокоэффективный кр-спектрометр

Авторы патента:

G01J3/18 - с помощью дифракционных элементов, например решеток (решетки как таковые G02B)

Владельцы патента RU 2492434:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для регистрации спектров комбинационного рассеяния (КР) света газовых сред. Многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр содержит входную щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей. При этом между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения чувствительности спектрометра. 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для регистрации спектров комбинационного рассеяния света (КРС) газовых сред.

Измерение слабоинтенсивных спектров, к которым относятся спектры КРС газовых сред, является достаточно актуальной задачей. Основной трудностью при проведении газоанализа методом спектроскопии КРС является крайне малая интенсивность сигнала КРС. Решение этой проблемы достигается разработкой специализированного спектрометра, обеспечивающего высокоэффективное преобразование рассеянного света в электрический сигнал многоканального фотоприемника, при этом важнейшей характеристикой спектрометра является соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника. Кроме того, желательно, чтобы данное устройство регистрировало широкий спектральный диапазон, было компактным, недорогим и сохраняло высокое качество спектра КРС.

На сегодняшний день наиболее перспективными многоканальными фотоприемниками являются ПЗС-матрицы, которые позволяют значительно сократить время регистрации спектра, по сравнению с одноканальным фотоприемником (например, ФЭУ). К сожалению, известные спектрометры не оптимизированы на использование многоканальных фотоприемников и, соответственно, не обеспечивают максимально возможное соотношение сигнал/шум на выходе ПЗС-матрицы.

Известна оптическая схема, содержащая входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку и многоэлементный детектор (патент РФ №2375686, МПК G01J 3/00 10.07.2007 г.).

Основным недостатком данной схемы является низкий уровень полезного сигнала на выходе многоэлементного детектора, обусловленный неэффективной передачей на него изображения щели в масштабе 1:1.

Наиболее близким по принципу действия является спектральный прибор, выполненный по схеме Черни-Турнера (James J.F. On the design of Czerny-Turner charge-coupled device spectrographs // J. Mod. Opt., 1994, V.41, №10).

Устройство содержит входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку, ПЗС-матрицу и фокальный уменьшитель (focal reducer) расположенный в фокальной плоскости выходного зеркала. Особенностью данной схемы является сжатие изображения входной щели и его фокусировка фокальным уменьшителем на плоскость ПЗС-матрицы.

Основным недостатком данного спектрального прибора является большое количество оптических элементов увеличивающих его стоимость и размеры.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, являются повышение компактности устройства, обеспечение широкого спектрального диапазона, а также улучшение соотношения сигнал/шум, за счет уменьшения изображения щели на выходе. Технический результат - повышение чувствительности спектрометра и удешевление его конструкции.

Указанный результат достигается тем, что многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр, так же как и прототип, содержит щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, которое оптически связанно с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей.

В предлагаемом изобретении между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, фокусное расстояние которого равно $f_{o b j} = f_{m i r} \cdot \sqrt{\frac{p i x}{s l i t}}$ , где f_mir - фокус зеркала, pix - площадь пикселя ПЗС, slit - площадь входной щели,

причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого спектрометра.

Устройство содержит входную щель 1, вогнутое зеркало 2, плоскую отражательную дифракционную решетку 3, выходной объектив 4, ПЗС-матрицу 5.

Устройство работает следующим образом.

Свет, источником которого является входная щель 1, расходящимся пучком попадает на вогнутое сферическое зеркало 2, которое отражает его в виде параллельного пучка на плоскую отражательную дифракционную решетку 3. От данной решетки, дифрагированные монохроматические пучки света из 1-го порядка дифракции попадают на расположенный вдоль направления его распространения выходной объектив 4, который фокусирует их на плоскость ПЗС-матрицы 5. Исходя из того, что, как правило, размер пикселя меньше размера щели, то в силу соотношения $f_{o b j} = f_{m i r} \cdot \sqrt{\frac{p i x}{s l i t}}$ размер изображения щели будет уменьшен до размера пикселя, что является идеальным вариантом для получения высокого разрешения. Кроме того, для регистрации широкого спектрального диапазона диаметр входного зрачка объектива выбран не менее диаметра входного вогнутого зеркала.

Установка выходного объектива кроме повышения компактности спектрометра влечет за собой следующие преимущества. Самой дорогой частью высокочувствительных спектрометров является ПЗС-матрица, стоимость которой, в свою очередь, зависит от размера. Уменьшение же размера изображения щели на выходе позволяет использовать ПЗС меньшего размера. Кроме того, это позволит повысить соотношение сигнал/шум, причем это увеличение, согласно формуле (1), пропорционально квадрату отношения фокусных расстояний входного зеркала и выходного объектива.

$\frac{S N R_{1}}{S N R_{0}} = \frac{\frac{S_{1}}{σ_{1}}}{\frac{S_{0}}{σ_{0}}} \approx \frac{S_{1}}{S_{0}} = \frac{{(\frac{f_{m i r}}{f_{o b j}})}^{2} \cdot P_{0} \cdot \frac{p i x}{s l i t}}{P_{0} \cdot \frac{p i x}{s l i t}} = {(\frac{f_{m i r}}{f_{o b j}})}^{2}, (1)$

где SNR₁₍₀₎, S₁₍₀₎, σ₁₍₀₎ - соотношение сигнал/шум, уровень сигнала, приходящийся на пиксель, уровень шума, приходящийся на пиксель для предлагаемой (общепринятой проецирующей изображение щели в масштабе 1:1) схемы соответственно, f_mir - фокус зеркала, f_obj - фокус объектива, pix - площадь пикселя ПЗС-матрицы, slit - площадь входной щели, P₀ - мощность падающего излучения. В данной формуле σ₁≈σ₀, т.к. при малых величинах сигналов величина шумов определяется шумами самой ПЗС-матрицы и поэтому шумы для различных систем можно считать равными.

В качестве объектива с исправленными аберрациями в предлагаемом устройстве могут быть использованы любые фотообъективы, которые, в свою очередь, являются коммерчески доступными и отвечают предъявляемым требованиям по качеству.

Многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр, содержащий входную щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей, отличающийся тем, что между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, фокусное расстояние которого равно $f_{o b j} = f_{m i r} \cdot \sqrt{\frac{p i x}{s l i t}}$ f_mir - фокус зеркала, pix - площадь пикселя ПЗС, slit - площадь входной щели), причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала.

Изобретение относится к технике спектрального анализа и может найти применение при эмиссионных и атомно-абсорбционных измерениях в спектроанализаторах с дифракционными решетками и многоэлементными фотоприемниками.

Дифракционный полихроматор // 2476834

Изобретение относится к спектральным приборам, а именно дифракционным полихроматорам, и предназначено для анализа спектров излучения исследуемых объектов. .

Прибор спектрального разложения света и измерения длин волн // 2472117

Изобретение относится к устройствам для исследования источников света оптическими методами и может быть использовано для определения качества спектра электрических ламп.

Дисперсионный оптический элемент для получения линейного оптического спектра // 2398193

Изобретение относится к оптической спектрометрии (спектроскопии) и может быть использовано для создания линейных по оптической частоте спектрометров. .

Устройство для управления шаговым двигателем монохроматора // 2373629

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции. .

Способ формирования оптического спектра // 2349885

Изобретение относится к спектральному анализу химического состава веществ, а именно к средствам формирования оптического спектра, и может быть использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрофотометрических устройствах.

Минигабаритный гиперспектрометр на базе дифракционного полихроматора // 2332645

Изобретение относится к области технической физики. .

Спектрограф // 2329476

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Монохроматор для спектрофотометров // 2248536

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Способ модуляции интенсивности излучения и устройство для его реализации // 2168155

Изобретение относится к спектральному приборостроению и предназначено для получения спектров излучения с модуляцией экспозиций по определенному закону. .

Способ формирования эквидистантных по оптической частоте отсчетов при спектральном интерференционном приеме рассеянного назад сверхширокополосного излучения // 2531764

Способ включает регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн при различных значениях взаимной задержки, выделение модулирующих функций, соответствующих взаимным задержкам, определение нелинейности распределения их фазы, вычисление корректирующей таблицы, регистрацию оптического спектра суммы интерферирующих волн с неизвестными взаимными задержками, применение корректирующей таблицы к оптическому спектру. Рассчитывают сегментированную корректирующую таблицу с уменьшенным числом определяемых отсчетов регистрируемых оптических частот, разбивают зарегистрированный массив на соответствующие сегменты, вычисляют пространственные распределения для каждого сегмента с применением преобразования Фурье, домножают каждое распределение на значения сегментированной корректирующей таблицы, вычисляют восстановленные значения амплитуды оптического спектра с применением обратного преобразования Фурье и комбинируют путем сложения восстановленные значения для получения спектральных отсчетов, эквидистантных по оптической частоте. Технический результат - исключение искажений формы аппаратной функции при использовании Фурье-обработки регистрируемых значений оптических спектров. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Зеркальный спектрометр // 2567448

Изобретение относится к оптическому приборостроению и касается зеркального спектрометра. Спектрометр состоит из входной щели, первого зеркала, дифракционной решетки, второго зеркала, фотоприемного устройства. Входная щель смещена относительно оптической оси. Первое и второе зеркала выполнены в виде внеосевых фрагментов вогнутых сферических зеркал, обращенных вогнутостью к входной щели. Дифракционная решетка является выпуклой сферической и расположена осесимметрично на оптической оси. Штрихи дифракционной решетки параллельны длинной стороне входной щели. Фотоприемное устройство смещено с оптической оси и расположено со стороны, противоположной входной щели. Входная щель и фотоприемное устройство наклонены в меридиональном сечении на небольшие углы. Центры кривизны сферических поверхностей лежат на одной общей оси, являющейся оптической осью спектрометра. Технический результат заключается в увеличении относительного отверстия, улучшении качества изображения, уменьшении размеров и массы и упрощении юстировки спектрометра. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Спектрометр и способ спектроскопии // 2571440

Изобретение относится к области спектрометрии и касается искрового оптико-эмиссионного спектрометра. Спектрометр содержит искровой источник, входную щель, тороидальное зеркало для направления света через входную щель, несколько дифракционных решеток и матричный приемник. Тороидальное зеркало предназначено для направления света через входную щель таким образом, чтобы свет из разных областей в искровом источнике был пространственно разделен на отображении света на дифракционных решетках. При этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из первой области искрового источника и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из второй области искрового источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Акустооптический анализатор спектра // 2575500

Изобретение относится к области спектрометрии и касается акустооптического анализатора спектра оптических сигналов. Анализатор включает в себя акустооптический фильтр, фотоприемное устройство, радиочастотный анализатор спектра и цепь обратной связи. Акустооптический фильтр включает в себя анизотропный кристалл, поляризатор и анализатор. Анизотропный кристалл вырезан таким образом, чтобы обеспечивать коллинеарный режим дифракции света на ультразвуке с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. Поляризатор и анализатор ориентированы таким образом, чтобы на выходе акустооптического фильтра существовали +1-й, -1-й и 0-й дифракционные максимумы. Радиочастотный анализатор спектра электрически связан с выходом фотоприемного устройства и обеспечивает регистрацию спектра электрического сигнала фотоприемного устройства. Цепь электрической обратной связи связывает выход фотоприемного устройства с входом пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Акустооптический перестраиваемый фильтр // 2585802

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается акустооптического перестраиваемого фильтра. Фильтр включает в себя поляризатор, акустооптическую ячейку, анализатор, светоделитель, фотоприемное устройство, цепь электрической обратной связи и радиочастотный генератор. Акустооптическая ячейка обеспечивает коллинеарный режим дифракции с рассеянием излучения одновременно в несколько дифракционных порядков. На выходе из анализатора осуществляется интерференция +1, -1 и 0 дифракционных максимумов. Цепь обратной связи связывает фотоприемное устройство и пьезоэлектрический преобразователь ячейки. Радиочастотный генератор выполнен с возможностью управления амплитудой и частотой сигнала генерации и предназначен для управления положением и шириной полосы пропускания фильтра. Технический результат заключается в уменьшении полосы пропускания и обеспечении возможности управления шириной и положением полосы пропускания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Сканирующий дифракционный полихроматор // 2589748

Сканирующий дифракционный полихроматор содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку, вогнутое сферическое зеркало и многоэлементный приемник излучения. При этом дифракционная решетка выполнена с переменным шагом, коэффициент которого связан с начальным и конечным значениями углов падения на решетку. Технический результат - повышение спектрального разрешения полихроматора. 1 ил., 1 пр.

Спектрометр для мягкого рентгеновского и вуф диапазона // 2593423

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и касается спектрометра для вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) и мягкого рентгеновского (MP) диапазона. Спектрометр включает в себя входную щель, вогнутую дифракционную решетку скользящего падения, регистратор изображения со стробируемым МКП детектором, люминесцентный экран, внешний электрод и импульсный генератор. МКП детектор включает в себя микроканальную пластину, на входной стороне которой формируется спектр отраженного от вогнутой дифракционной решетки излучения. Внешний электрод установлен напротив входной стороны микроканальной пластины. Люминесцентный экран установлен напротив выходной стороны МКП. Импульсный генератор вырабатывает стробирующие импульсы электрического напряжения между электродом входной стороны МКП и электродом люминесцентного экрана, а также импульсы напряжения между внешним электродом и электродом входной стороны МКП. Технический результат заключается в повышении чувствительности, снижении уровня шума, расширении динамического диапазона измерений и увеличении временного и спектрального разрешения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Внероуландовский спектрометр для мягкого рентгеновского и вуф диапазона // 2599923

Использование: для спектрометрии вакуумного ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что спектрометр содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку (ВДР) скользящего падения и регистратор изображения, на входной поверхности которого формируется спектр, входная щель расположена внутри окружности Роуланда, а входная поверхность регистратора изображения дважды пересекает поверхность фокусировки спектральных линий, соответствующую положению входной щели, смещенной с окружности Роуланда, вблизи расположенного на двойной окружности Роуланда минимума удаленности указанной поверхности от центра ВДР. В предпочтительном варианте изобретения регистратор изображения содержит МКП-детектор с люминесцентным экраном, оптически сопряженным с ПЗС камерой. Технический результат: расширение рабочей области спектра и увеличение в ней спектрального разрешения при обеспечении надежности прибора и удобства его эксплуатации, в том числе в режимах регистрации спектров с высоким временным разрешением. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ контроля спектральных параметров волоконной брэгговской решетки // 2602998

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа контроля спектральных параметров волоконной брэгговской решетки (ВБР). Способ включает в себя облучение ВБР излучением перестраиваемого поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL), измерение отраженного от ВБР излучения, преобразование измеренного излучения в спектр ВБР. Облучение ВБР осуществляют при подаче на VCSEL прямоугольных токовых импульсов с постоянной длительностью от 1 до 500 мкс и величиной до 12 мА. Преобразование временного сигнала в спектр ВБР производят с помощью предварительно построенной нормировочной кривой, характеризующей временную динамику изменения центральной длины волны VCSEL в течение одного прямоугольного токового импульса. Для построения нормировочной кривой используют узкополосный спектральный фильтр (УСФ). УСФ облучают импульсами излучения VCSEL и измеряют отраженное излучение. По полученным данным определяют зависимость длины волны от мощности отраженного от УСФ излучения и зависимость мощности от времени, прошедшего от начала токового импульса. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Устройство с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере // 2629886

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается устройства с многолучевым спектральным фильтром для обнаружения метана в атмосфере. Устройство включает в себя размещенные в общем корпусе и оптически связанные излучатель расходящегося светового пучка со сплошным спектром, дифракционный элемент, формирующие параллельный пучок излучения оптические элементы, прозрачную кювету, оптические элементы, передающие прошедший параллельный пучок на объектив, фотоприемник, систему регистрации и обработки полученного электрического сигнала, устройство электропитания и управления. Дифракционный элемент выполнен в виде линзы Френеля с переменной шириной концентрических кольцевых софокусных линз, число которых определяется отношением ширины спектрального интервала между линиями колебательно-вращательного спектра метана к ширине этих линий. Между дифракционным элементом и формирующими параллельный пучок излучения оптическими элементами размещено оптическое устройство управления амплитудами световых сигналов, выполненное в виде пространственно-неоднородного фильтра с пропусканием, различным для каждого из кольцевых элементов линзы Френеля. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности измерений. 14 ил.