Спектральный прибор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 3(5 ОБРЕТЕНИЯ АН АВТОРСКОМУ ЕТЕПЬСТВУ 351 229 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) (57) 1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР,содержащий оптически связанные входную диафрагму со щелями, два коллиматорных сферических зеркальных объектива, две плоские дифракционныерешетки, два Фокусирующих зеркальныхобъектива, два согласующих отражателя, промежуточную и выходную ди 901038813 А афрагмы со щелями, о т л и ч а 10щ и й с я тем, что, с целью повышения качества изображения путемустранения комы и астигматизма,дифракционные решетки установленыв плоскостях, отстоящих на двойноеФокусное расстояние от соответствующих коллиматорных и фокусирующихобъективов, а согласующие отражатели установлены на оптической осиприбора, который дополнительноснабжен двумя плоскими отражателямиРустановленными на оптический осиодин иэ которых установлен за входной диафрагмой между первым коллиматорным объективом и первой дифракционной решеткой, а второйперед выходной диафрагмой междувторой дифракцйонной решеткой и вто.рым фокусирующим объективом,Ф1038813 2. Прибор по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью постоянства кривизны линий по спектру, между коллиматорным обьективом и согласующим отражателем и глежду фокусирующим объективом и вторым согласующим отражателем установлены плоские зеркала,3, Прибор по п,2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что один иэ указан 1Изобретение относится к технической.физике и может быть использовано при создании светосильных монохрома- торов и спектрометров высокого раэре шения.Известны светосильные спектрометры с плоскими дифракционными решетками, в которых входная и выходнЬФ диафрагмы выполнены в виде одно-или, двумерного набора щелей, расположен- ных случайным или регулярным образом, например в соответствии с каким-либо кодом 1 3 и2 3.Недостатком указанных приборов, построенных по схемам Литтрова или Эберта-фасти, например растровых или матричных спектрометров, являются низкое качество изображения и высокий уровень мешающего излучения, 20 Наиболее близким к предлагаемомуявляется спектральный прибор, содержащий оптически связанные входную диафрагму со щелями, два коллиматор ных сферических зеркальных объектива две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих сферических зеркальных объектива, два согласующих отражателя, промежуточную и выход- ЗО ную диафрагмы со щелями Г 31.Известный спектральный прибор представляет собой двойной монохроматор, образованный двумя последовательно установленными одиночными 35 монохроматорами, выполненными по схеме Литтрова, поэтому функции коллиматорного и фокусирующего объективов в каждом иэ них выполняет одно сферическое зеркало; входная, промежуточная и выходная диафрагмы выполнены в виде набора иэ двух прямых щелей, а согласующие отражатели смещены относительно оптической оси.Многощелевой спектральный прибор 35 прототип, как и другие известные многощелевые спектрометры, не обеспечивает высокого качества изображения, поскольку кома и астигматизм кажлого одиночного монохроматора 50 ных отражателей выполнен в видедвойного зеркала. 4, Прибор по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он снабжен мениском и положительной линзой, установленными эа входной или перед выходной диафрагмами. по схеме Литтрова ничем не компенсируется и, следовательно, являются аддитивными. Кроме того, в известном приборе не обеспечивается постоянство кривизны спектральных линий по спектру в процессе сканирования, что приВодит к падению реальной разрешающей силы и потерям выделяемого потока излучения, т.е. к ухудшению характеристик, имеющих Особое значение для многощелевых спектральных приборов.Цель изобретения - повышение качества изображения спектра при постоянной кривизне спектральных линий по спектру во все рабочем спектральном интервале прибора путем устранения комы и астигматизма. Поставленная цель достигаетсятем, что в спектральном приборе,содержащем оптически связанные входную диафрагму со щелями, два коллиматорных сферических зеркальныхобъектива, две плоские дифракционные решетки, два фокусирующих зеркальных объектива, два согласующихотражателя, промежуточную и выходнуюдиаФрагмы со щелями, дифракционныерешетки установлены в плоскостях,5 тстоящих на двойное фокусное рас:тояние от соответствующих коллиматорных и фокусирующих объективов,а согласующие отражатели установлены на оптической оси прибора, который дополнительно снабжен двумяплоскими отражателями, установленными на оптической оси, один иэкоторых, установлен за входной диафрагмой между первым коллиматорным объективом и первой дифракционной решеткой, а второй - перед выходной диафрагмой между второй дифракционной решеткой и вторым фокусируюдим объективом,Между коллиматорным обьективом и согласующим отражателем и между фокусирующим объективом и вторым согласующим отражателем установлены плоские зеркала.Причем один из указанных отража=телей может быть выполнен в видедвойного зеркалаСпектральный прибор может бытьснабжен мениском и положительнойлинзой, установленными за входной 5или перед выходной диафрагмами,На чертеже приведена схема, состоящая из двух последовательно расположенных аналогичных оптическихсистем. 10В каждой системе имеется входнаядиафрагма 1 или 2 (для второй оптической системы функцию входной диафрагмы выполняет промежуточнаядиафрагма прибора), плоская дифракционная решетка 31 и 32, два сферических, зеркальных объектива: коллиматорный 4.1 и .4.2 и фокусирующий5.1 и 5.2, два согласующих отражателя, выполненные в виде двух плоских 20зеркал 6.1 и 6.2, установленных наоптической оси прибора, плоскиезеркала 7.1 и 7.2 и выходная,циафрагма 2 и 8 (для первой оптическойсистемы функцию выходной диафрагмывыполняет промежуточная диафрагма)и плоский отражатель 9,1 и 9.2.В первой оптической системе плоский отражатель 9.1 установлен завходной диафрагмой 1 на отрезке 04 0оптической оси прибора между первымколлиматорным объективом 4.1 и первой дифракционной решеткой 3.1 подострым углом, например 45 , к оптиоческой оси. Рабочая поверхностьотражателя 9.1 обращена к объективу З 54.1. Во второй системе плоский отражатель 9.2 установлен перед выходной диафрагмой 8 на отрезке 00.оптической оси прибора между второйдифракционной решеткой 3.2 и вторым 40фокусирующим объективом 5.2. Рабочая поверхность отражателя 9.2 обращена к обьективу 5.2. Кроме того,вторая система может быть снабженамениском 10 и положительной (желательно плосковыпуклой) линзой 11,установленными между плоским отражателем 9.2 и выходной диафрагмой 8.Если позволяют конструктивныесоображения, все объективы 4.1, 4.2,5,1 и 5.2 целесообразно выполнитьс одинаковым фокусным расстоянием Г.Дифракционные решетки 3.1 и 3.2 имеют идентичные характеристики и расположены друг под другом в однойплоскости, отстоящей на двойном фокусном расстоянии от соответствующихобъективов 4.1, 4.2 и 5,1, 5,2,уу Кт.е. Оз 04 ОЗОЬ+06 О=ООЬ+0604 =030 =2 Г.Входная 1 и выходная 8 диафрагмы 60выполнены в виде одинаковых наборов щелей, В простейшем случае каждый набор состоит из единственнойщели. Однако для увеличения полезного потокд уццццаццц пглг,тт . через спектральный прибор, рекомендуется выполнить прибор многощелевым. Например, число щелей в каждом наборе может быть равным 2;4 и т.д., причем все щели расположены в один ряд. В этом случае спектральный прибор, как и прототип, представляет собой многощелевой двойной монохроматор, в котором каждая оптическая система соответствует одиночному монохроматору. Возможно также выполнение диафрагм 1 и 8 и в виде матрицы щелей с построчно-хаотическим или регулярным расположением щелей, например в соответствии с матрицами Адамара В отличие от прототипа, все щели входной и выходной диафрагм выполнены криволинейными с радиусом кривизны Ргде ф и Р - соответственно углы падения и дифракции решеток 3.1 и 3.2. Например, при 1=500 мм и К в= 60 В 290 мм. Промежуточная диафрагма 2 в данном случае может быть выполнена в виде окна с размерами, соответствующими размерам диафрагм 1 и 8. При этом обе дифракционные решетки могут быть выполнены на общей подложке, т.е. представлять собой верх" нюю и нижнюю части одной решетки.При использовании в качестве двойного монохроматора прибор работает следующим образом.Излучение поступает в первый монохроматор через входную диафрагму 1; отражается первым плоским отражателем 9.1, коллимируется сферическим зеркальным объективом 4.1, разлагается в спектр первой дифракционной решеткой 3.1, отражается от плоского зеркала 6.1, фокусируется сферическим зеркальным объективом 5,1 в плоскости промежуточной диафрагмы 2 (после отражения от плоского зеркала 7.1). Монохроматизированное излучение, для которого угол падения равен с(, а угол дифракции /, проходит через промежуточную диафрагму 2 во второй одиночный монохроматор, направляется плоским зеркалом 7.2 на второй коллиматорный объектив 4.2, параллельным пучком падает на плоское зеркалс 6.2 г вторично разлагается в спектр второй дифракционной решеткой 3,2, затем вторым фокусирующим объективом 5.2 направляется на второй плоский отражатель 9.2, а от него - на выходную диафрагму 8. Через выходную диафрагму проходит только поток с длиной волны, для которой выполняется условиеЫ- ВС дЗаказ 6217/49 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Сканирование спектра осуществля.ет я простым синхронным поворотомдифракционных решеток 3.1 и 3.2вокруг аси, параллетьнаи направлению штрихов. Благодаря выполнениюусловия (1 ) кривизна спектральных5линий в процессе сканирования ос-.тается постоянной, что позволяетуменьшить потери излучения, т.е,работать в широком спектральном интервале без смены входной и выход Оной диафрагм, и достичь высокой разрешающей способности.,Цля того, чтобы уменьшить потери излучения наплоских зеркалах 7.1 и 7,2 и плоских отражателях 9.1 и 9.2, установленных на оптической осиих размерыследует сделать небольшими по сравнению с размерами дифракционных решеток 3.1 и 3.2; оптимальные размеры элементов 7.1, 7.2, 9.1 и 9.2 оп Оределяются иэ габаритного расчетадвойного монохроматора.Зеркала 7.1 и 7.2 обеспечиваютполучение большого угла с- Зчтов соответствии с выражением (1) 25снижает кривизну входной и выходнойдиафрагм и создает дополнительноеудобство - уменьшение габаритовприбора,Высокое качество изображенияспектра обеспечивается в предлагаемом спектральном приборе благодарятому, что дифракционные решетки 3.1и 3. установлены в плоскости, прохоДящей через центры кривизны объективов 4.1, 4.2, 5.1 и 5.2, а уголпадения на эти объективы осевых лучей всех пучков равен нулю, в результате чего кома и астигматизмотсутствуют. Меридианальное увеличение изображения входной диафрагмы, 40равное 1, обеспечивается симметрич-ностью оптической схемы.,Введениеположительной линзы 11 и мениска 10дает возможность получить плоскоеполе и уменьшить сферическую аберрацию (линза и мениск могут бытьустановлены не перед выходной диафрагмой 8, а эа входной диафрагмой 1).Таким образом, предлагаемый прибор позволяет получить более высо,кое качество изображения, чем известные многощелевые спектральныеприборы, при этом кривизна иэображения спектра при его использовании остается постоянной ва всем рабочем спектральном диапазоне. Причем предлагаемый прибор более компактен, чем известные двойные монохроматоры. Кроме того, на основе предлагаемого технического решения могутбыть созданы приборы различных типов; двойные одно-и многощелевыемонохроматоры,и спектрометры, втом числе растровые. и матричные.При этом в растровом приборе длявыделения переменной монохроматичес.кой составляющей потока излучениянеобходимо предусмотреть воэвратнопоступательное перемещение изображения входной диафрагмы в направлении, нормальном плоскости дисперсии прибора. Праще всего такоеперемещение реализовать колебательным движением одного из плоскихзеркал вокруг оси, лежащей в плоскости дисперсии. В матричных иадамар-спектраметрах, когда маскиставятся: только на места среднейщели, необходимо вычитание дисперсии дифракционных решеток, и в этомслучае установка оптических элементов схемы осуществляется в соответствии с приложенным чертежом. Врастровых спектраметрах, наоборот,необходимо сложение дисперсии и вэтом случае необходимо оборачивание спектра в одной из половин прибора. Это достигается, например,заменой плоского зеркала 6.2 двойным зеркалом (двумя плоскими зеркалами, установленными под углом45 друг к другу) или же введениемдвойного зеркала в согласующую систему 7.1-7,2,Предлагаемый прибор по своим параметрам превосходит известный. Например, двойной монохроматор, выполненный в соответствии с изобретением,при фокусном расстоянии 500 мм, относительном отверстии 1:5 и прииспользовании дифракционной решеткис 200 штрих./мм, работающей в первомпорядке, обеспечивает реальныйпредел разрешения 0,08 смна длиневолны 5 мкм (2000 см ), При этомпроходящий через монохраматар паленый поток излучения в 150-200 раз выше, чем у известных двойных монахроматоров с таким же разрешением.