Спектрограф

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 174263 133/ ТЕНИ Б Е ПИ в схеме монохростигматизм и мены ма 3 )е вай ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Государственный институт прикладнойоптики(57) Использование: оптическое приборостроение. Сущность изобретения:спектрограф содержит последовательнорасположенные входную щель, сферическуюдифракционную решетку и регистрирующееустройство, причем решетка установлена нарасстоРнии б = г (1,01056 - 0,0393 К Л М)от входной щели и на расстоянии.б = гхх (1,0037 - 0,014 К Л М + 0,058 (К Л й)1 от 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 расположенные по ходу луча входную щель, голографическую дифракционную решетку, полевую линзу и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью. Параметры записи голографической решетки (1/ тип по классификации оои-Учоп) подобрарегистрирующего устройства; угол между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке р = - 0,016+0,748 К Л М; штрихи решетки выполнены криволинейными с радиусом р = - 3,34 г (К Л й) - (0,93+0,72 К Л ч) у, с переменным расстоянием между ними е = 1 Щ 1+(0,012+0,27 Зс Л, й) у/г+(0,037 - -0,163 К Л й) у /г 21, Регистрирующее устройство выполнено с возможностью установки расстояния от решетки с = =(1,0037 - 0,014 КЛ й+ 0,058 (КЛИ) 1, где г - радиус кривизны решетки; Й - частота штрихов в вершине решетки; Л - средняя длина волны спектрального диапазона; К - рабочий порядок спектра; у - координата в меридиональном сечении решетки, Возможно использование сферических дифракционных решеток с любыми радиусами кривизны, 2 ил. так, чтобы при работетора минимизированы а ридионал ьная кома.Недостатком данного шения является то, что пр в схеме спектрографа аст диональная кома коррег центральном участке спе пазона. Поскольку совр канальные приемники, спектральных приборах, ном, небольшой размер (нап ример, высота фотоди превышает 0,5 мм), астигм технического реи работе решетки игматизм и мериируются в узком ктрального диаеменнье много- применяемые в имеют, в основ- по высоте линии одной линейки не атизм, увеличива 1742634ющийся к краям спектра, значительноуменьшает светосилу спектрографа. Светосилу спектрографа ограничивает также сагиттальная кома, значение которойвозрастает с увеличением относительногоотверстия, что приводит к необходимостиуменьшения рабочей заштрихованной поверхности в сагиттальном сечении, а отсутствие минимизации дефокусировки имеридиональной комы для всего рабочегоспектрального диапазона значительноухудшает качество изображения спектра,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству являетсяспектрограф. Такой спектрограф содержитоптически связанные входную щель, сферическую дифракционную решетку скриволинейными штрихами и переменным расстоянием между ними, полевуюлинзу и регистрирующее устройство сплоской приемной поверхностью, дифракционная решетка расположена нарасстоянии б = г(1,01056 - 0,0393 КЛК) отвходной щели и на расстоянии б= г 1,0037 --0,014 (Л К+0,058 (3 с Л К) )+(б 1 ) от региПстрирующего устройства, угол междуотрезком, соединяющим центр входнойщели с вершиной решетки,. и нормальнок решетке р = - 0,016+0,748 к Л К, криволинейные штрихи дифракционной решетки3,34выполнены с радиусом р = -- 4 - г -КАИ- (0,93+0,72 К Л К) у, а переменное расстояние между штрихами удовлетворяет соотношению е = 1+(0,12+2,7 К Л К) х1х 10 у+3,7 - 16,3 1 Л К)10 у ,где г - радиус кривизны решетки;К - частота штрихов в вершине решетки;Л - средняя длина волны диапазона;б 1 - толщина полевой линзы;и - показатель преломления полевойлинзы;у - координата в меридиональном сечении решетки;1 - рабочий порядок спектра,Конструктивные параметры схемыспектрографа и решетки обеспечивают минимизацию дефокусировки, коррекцию астигматизма и меридиональной комы длядлин волнЛ Л 1 Л 24где Л - средняя длина волны диапазона;Л 1, Л 2 - крайние длины волн, и коррекцию в центре спектрального диапазонасагиттальной комы, Реальная фокаль пред 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ставляет 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 координатно-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 б = г (1,01056 - 0,0393 К Л К) от входной щели, угол ср между отрезком, соединяющим центр входной щели с вершиной решетки, и нормалью к решетке р= - 0,016+0,748 К Л К, а штрихи решетки выполнены криволинейными с радиусом р = - -д --- г - (0,93+0,72 3(Л К) у и с пере 3,34менным расстоянием е, удовлетворяющим1условию е= (1+,иу+иу ), где г - радиус кривизны решетки; К - частота штрихов в вершине решетки; Л - средняя длина волны спектрального диапазона; К - рабочий порядок спектра, у - координата в меридиональном сечении решетки;,и,и - коэффициенты неравномерности шага решетки, коэффициенты,и, м неравномерности шага решетки удовл творяют условиям,и = (0,012+ 0,27 К Л К) г+и =0,037 - 0,163 К Л К) /г, а расстояние б отрешетки до регистрирующего устройства -условиюб = г 1,0037 - 0,014 к Л й+0,058 (3( Л ИЦ,На фиг. 1 изображена оптическая схемаспектрографа; на фиг. 2 - сферическая дифракционная решетка.Спектрограф содержит последовательно расположенные по ходу лучавходную щель 1, сферическую дифракционную решетку 2, имеющую радиус 10кривизны г и находящуюся на расстоянии б = г (1,01056 - 0,0393 К Л й) от входнойщели 1, поверхность 3 регистрирующего устройства 4, расположенного на расстоянииб = г(1,0037 - 0,014 к Л И+0,058 (к ЛИЦ от 15дифракционной решетки 2 для длины волны Л, Угол у между отрезком, соединяющим центр входной щели 1 с вершинойрешетки 2, и нормалью к решетке 2 р=.= - 0,016+0,748 к Л К, Штрихи решетки 2 20имеют радиус кри виан ы, оп редел яемый извыраженияр= - 3,34 гйЛ М-(0,93+0,72 О й) у,а расстояние между штрихами переменное и удовлетворяющее соотношениюе = (О, 012+0,27 К Л й) у/ г+(О, 037 -1 25- 0.,163 1 Л К)у /гг).Устройство работает следующим обра-зом,Излучение отвходной щели 1 падает на 30сферическую дифракционную решетку 2под углом р= - 0,016+0,748 К Л М. Решетка 2 имеет в общем случае штрихи радиуса р =ро - Ру и переменное расстояниемежду штрихами35(1+ у+уу )1гдеро - радиус кривизны штриха в вершинерешетки;Р - коэффициент, определяющий сагиттальную кому;,и - коэффициент, определяющий фокусировку в меридиональной плоскости;и - коэффициент, характеризующий меридиональную кому,Дифрагированное излучение фокусируется на поверхности регистрирующего устройства 3.Аберрации сферической дифракционной решетки с криволинейными штрихамихарактеризуются функцией оптического пути, имеющей виду(у г)уЕ + Е 1+ Ег+55(5) бз = 2 (р - ю)/3;Ь и р Р)/ро,(6) . Равенство нулю Е 1 выражает условие фокусировки в меридианальной плоскости, равенство нулю Ег - условие фокусировки в сагиттал ьной плоскости, Ез - характеризует меридиональную кому. ,а Е 4 - сагиттальную кому, Налагая условие минимизации дефокусировки на плоскости, перпендикулярной "нулевому" лучу средней длины волны диапазона Л для заданных значений, б - расстояния от центра входной щели до вершины решетки и о - угла падения лучей на решетку, получаем соответствующие значения б и,цЛг=О;=О,где =Е 1 бЛ, (7)ФВ общем случае, получая ро, ю и Р из условий равенства нулю Ег, Ез, и Е 4, 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) иусловия равенства нулю Ег и Ез для двух длин волн, расположен н ых симметрично относител ьно центра спектрального диапазонаЛ 1 - Лг(Л + -), где Л - средняя длина волны диапазона, а Л 1 и Лг - крайние значения длин волн диапазона, что гарантирует небольшие значения этих аберраций во всем рабочем спектральном диапазоне, Эти условия с учетом выражений для М; имеют видыпрсову 1 соврб г б 1 соз б(1 )=О;(8) 1 1 сов у + соьу б б к - координата в сагиттальном сечении решетки;М - содержит параметры схемы спектрографа, а 6 - параметры нарезки решетки:61= -,и;(9) где ф - угол дифракции длин волн г - радиус кривизны решетки, К - 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 иэ условия равенства нулю этой аберрации для центра диапазона в 1 пу 1 сову 1 гв 1 п вв 1 сов у 1 сГг сГ- 0 (10)Таким образом, в спектрографе констсоввр сову б б-Л К,и,где р - угол дифракции длины волны Ь, Длядлины волны Лэто расстояние определяетсясоотношениемб = 41 0037 0 014 К Л К+О 058(К Р К) руктивные параметры схемы и решетки выбраны такими, что спектр фокусируется на плоскости с минимумом дефокусировки и коррекцией астигматизма, меридианальной и сагиттальной комы в рабочем спектральном диапазоне.При использовании в качестве приемников излучения координатно-чувствительных приемников остаточная дефокусировка устраняется установкой этих приемников на расстояниях б, соответствующих фокусировке в меридиональном сечении любых длин волн Ь рабочего спектрального диапазона, Расстояние б 1 от вершины решетки до поверхности фокусировки для длины волны Л, определяется из условия фокусировки лучей в меридиональной плоскости При установке в спектрографе сферических дифракционных решеток с радиусами кривизны 500 и 2000 мм аберрации уменьшилось более чем в 100 раз.5 Таким 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 срадиусом кривизны 2000 мм обеспечивает вдвое большую дисперсию, значительно улучшается разрешение для любого значения радиуса кривизны дифракционной ре шетки,Формула изобретения Спектрограф, содержащий оптическисвязанные входную щель, сферическую 20 дифракционную решетку и регистрирующееустройство, причем решетка расположена на рассоянииб = г (1,01056 - 0,0393 3 с Л К)от входной щели и нормаль к ней образует 25 уголср = - 0,016+0,748 с Л Кпо отношению к отрезку, соединяющему центр входной щели с вершиной решетки, а штрихи решетки выполнены криволинейны ми с радиусомр= - 3,34 г(ЕЛ К) - (0,93+0,72 ЕЛ К) уи с переменным расстоянием е = (1+1+,и у+ у), где г - радиус кривизны решетки;35 К - частота штрихов в вершине решетки;Л - средняя длина волны спектрального диапазона; К - рабочий порядок спектра; у - координата в меридиональном сечении решетки;,и,и - коэффициенты неравномерно сти шага решетквл, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью увеличения дисперсии и повышения разрешения, сферическая дифракционная решетка выполнена с коэффициентами неравномерности шага, удов летворяющими условию,и = (0,012 + 0,27 кЛ К)/г; и=-(0,037 - 0,163 КЛ К)/г 2,50а расстояние б от решетки до регистрирующего устройства - условиюб = ф,0037 - 0,014 К Л К+0,058(К Л К,1742634 Составитель С, ИваТехред М.Моргент Корректор О цова трушева акт Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина Заказ 2277 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5