Призмовий спектрометр

Спектрометр, що складається з оптично зв'язаних вхідної щілини, апертурної діафрагми, коліматора, призмового диспергуючого елемента, автоколімаційного ввігнутого сферичного дзеркала, бленди, фокусуючого пристрою та пристрою реєстрації спектрального сигналу, який відрізняється тим, що автоколімаційне дзеркало виконано опуклим сферичним та децентрованим відносно оптичної осі, а пристрій реєстрації спектрального сигналу нахилений відносно площини зображення на 4°-7°. Корисна модель належить до галузі спектрального приладобудування приладів з одновимірною дисперсією для визначення спектральних характеристик оптичного випромінювання і може бути використаним в різних областях науки і техніки: наукові дослідження, якісний і кількісний аналіз мінералів, атмосфери, контроль якості та інше. Відомі спектрометри з одновимірною дисперсією - диспергуюча система такого приладу відхиляє паралельні пучки різних довжин хвиль так, що вони лежать в одній загальній для всіх довжин хвиль площині. Такі прилади для просторового розділення досліджуваного випромінювання використовують дифракційну ґратку, призму чи систему призм з одним або багаторазовим проходженням випромінювання через неї [1]. Призма дає тільки один спектр, а дифракційна ґратка - багато спектрів різних порядків, що накладаються один на одний і для розділу цих спектрів необхідно застосувати світлофільтри або додаткові диспергуючі елементи. Все це знижує пропускання приладів з дифракційними ґратками. Коефіцієнти пропускання призмових і дифракційних приладів у середньому приблизно однакові, але в області прозорості призми її пропускання практично постійне, тоді як у диференційній ґратці в межах спектра одного порядку коефіцієнт відбивання може змінюватися більш, ніж удвічі. Діапазон довжин хвиль ефективного використання ґратки при роботі в одному порядку дифракційного спектра завжди невеликий, а наявність в дифракційному спектрі помилкових ліній («духів») може привести до помилок при аналізі досліджуваних спектрів. Тому застосування дифракційних ґраток вимагає завжди більш складної техніки експерименту. Призмові спектрометри на противагу спектрометрам з дифракційною ґраткою мають більший корисний спектральний діапазон [1]. Відомий спектрометр з одномірною дисперсією показано на кресленні додатку [2]. Він складається з таких частин: 1 - вхідна щілина, 2 - лінзовий коліматор - пристрій, який перетворює вхідний пучок променів на паралельний пучок променів, 3 диспергуючий елемент, 4 - лінзовий фокусуючий пристрій, 5 - фотоприймальний пристрій. Жирними стрілками показано напрямок ходу променів у приладі. Щілина 1 розташовується на оптичній осі об'єктива коліматора 2 в його фокальній площині і повинна бути орієнтована певним чином відносно до диспергуючого елемента. При освітленні щілини світлом від досліджуваного джерела з об'єктива коліматора 2 виходять паралельні пучки світла від (19) UA (11) 67041 (13) U (21) u201109386 (22) 26.07.2011 (24) 25.01.2012 (46) 25.01.2012, Бюл.№ 2, 2012 р. (72) КИСЛИЙ ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ, ЛЕВАШ ЛЕОНІД ВАСИЛЬОВИЧ, ЛІПТУГА АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, ПРОХОРОВИЧ АНАТОЛІЙ ВІКТОРОВИЧ, ТЯГУР ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ (73) КИСЛИЙ ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ, ЛЕВАШ ЛЕОНІД ВАСИЛЬОВИЧ, ЛІПТУГА АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, ПРОХОРОВИЧ АНАТОЛІЙ ВІКТОРОВИЧ, ТЯГУР ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ 3 кожної точки щілини. Ці пучки спектрально не розкладеного випромінювання направляються в диспергуючий елемент 3. Диспергуючий елемент має ту властивість, що він перетворює паралельний пучок спектрально не розкладеного випромінювання, що падає на нього, в сукупність паралельних пучків монохроматичного випромінювання, відхилених на різні кути  в залежності від довжини хвилі. У результаті дії диспергуючої системи з неї виходить набір паралельних пучків, число яких визначається набором довжин хвиль, що входять до складу досліджуваного випромінювання. Множина монохроматичних паралельних пучків променів, що виходить із диспергуючого елемента, потрапляє далі на об'єктив 4, який фокусує окремі паралельні пучки променів на фотоприймальний пристрій 5, розміщений в фокальній площині об'єктива. Оскільки кут відхилення  кожного монохроматичного пучка променів залежить від довжини хвилі, то положення зображення вхідної щілини на фотоприймальному пристрої змінюється в залежності від довжини хвилі, що пройшла через вхідну щілину. За положенням зображення вхідної щілини визначають, з яких довжин хвиль складається досліджуване випромінювання. Недоліки такого спектрометра - недостатнє просторове розділення спектрального випромінювання та аберації в оптичній системі, тобто відхилення реального ходу променів від ходу розрахованого за формулами ідеальної оптичної системи. Аберація призводить до розмиття зображення, яке формується оптичною системою. Вона виникає, коли світло від однієї точки об'єкта після проходження через оптичну систему не сходиться в одній точці. До аберацій, що впливають на спектральні виміри, належать: сферична аберація, хроматична аберація, кома, астигматизм, кривизна поля зображення, дисторсія. Найбільш близьким до корисної моделі є призмовий спектрометр з подвійним проходом променів через призмовий диспергуючий пристрій, і який складається з вхідної щілини, коліматора, призмового диспергуючого елемента, лінзового коригуючого пристрою, автоколімаційного плоского дзеркала, фокусуючого пристрою та приймального пристрою [3]. Такий спектрометр має широкий спектральний діапазон та компактну конструкцію. Недоліком цього спектрометра є наявність хроматичних аберацій, які в кінцевому результаті впливають на точність вимірів. Ці хроматичні аберації виникають із-за використання лінзового коригуючого пристрою. Навіть ахроматичні та суперахроматичні об'єктиви, якими і є лінзові коригуючі пристрої, мають залишковий хроматизм положення, тобто залежність положення фокальної площини від довжини хвилі. Це призводить до дефокусування монохроматичного зображення вхідної щілини на площині зображення. Крім того, виготовлення суперахроматичних об'єктивів пов'язане з певними труднощами: необхідно використовувати дорогі та рідкісні матеріали, які, крім того, можуть суттєво відрізнятися за своїми властивостями від одного зразка до іншого. Тобто для зменшення хроматичних аберацій у такому призмовому спектрометрі необхідно використовувати дорогі лінзові 67041 4 коригуючі пристрої. Задачею даної корисної моделі є підвищення точності вимірів та спрощення конструкції призмового спектрометра, який має широкий спектральний діапазон, невеликі розміри та побудований з більш дешевих оптичних елементів. Поставлена задача вирішується тим, що у призмовому спектрометрі, який складається з оптично зв'язаних вхідної щілини, апертурної діафрагми, коліматора, призмового диспергуючого елемента, автоколімаційного ввігнутого сферичного дзеркала, бленди, фокусуючого пристрою та пристрою реєстрації спектрального сигналу, завдяки тому що автоколімаційне дзеркало виконано опуклим сферичним та децентрованим відносно оптичної осі і воно одночасно виконує роль коригуючого пристрою, а пристрій реєстрації спектрального сигналу нахилений відносно площини зображення на 4°-7°, всі аберації оптичної системи приладу зводяться до мінімуму. Сферична аберація та астигматизм, які виникають у досліджуваного пучка променів, компенсуються за допомогою опуклого дзеркала, яке одночасно виконує роль коригуючого елемента та автоколімаційного дзеркала; хроматичні аберації досліджуваного оптичного випромінювання не виникають завдяки відсутності у пропонованому спектрометрі лінзових елементів. Спрощення конструкції призмового спектрометра полягає у тому, що автоколімаційне дзеркало одночасно є також і коригуючим пристроєм для компенсації аберацій, і тому не виникає потреба у використанні додаткового коригуючого пристрою, для виготовлення якого треба використовувати дорогі оптичні матеріали та трудомістку та дорогу технологію. Діюча модель спектрометра у відповідності з Фіг. 1 реалізована з використанням таких деталей: 1. - вхідна щілина. 2. - апертурна діафрагма. 3. - частина ввігнутого сферичного дзеркала, яка виконує роль коліматора. 4. - бленда. 5. - диспергуючий елемент (призма або система призм). 6. - автоколімаційне дзеркало. 7. - апертурна діафрагма. 8. - частина ввігнутого сферичного дзеркала, яка виконує роль фокусуючого елемента. 9. - фотоприймальна матриця. Стрілками на Фіг. 1 показано напрямок ходу променів у спектрометрі. Пристрій працює таким чином. Випромінювання, що досліджується, потрапляє до пристрою через вхідну щілину 1. Через апертурну діафрагму 2, яка розташована перед ввігнутим сферичним дзеркалом, пучки променів потрапляють на частину ввігнутого сферичного дзеркала 3, яка виконує роль коліматора і робить пучки променів паралельними. Відбившись від ввігнутого сферичного дзеркала колімоване випромінювання потрапляє на вхідну грань диспергуючого елемента - 5, який може складатися з однієї призми чи системи призм. Центр диспергуючого елемента знаходиться на оптичній осі ввігнутого сферичного дзеркала 5 і він розташований так, що при своєму першому проході через нього промені проходять поблизу мінімуму відхилення. Після заломлення на вихідній грані призмового диспергуючого елемента промені потрапляють на сферичне опукле автоколімаційне дзеркало 6, яке відбиває їх і направляє знову на призмовий диспергуючий елемент 5. Після другого проходу через призмовий диспергуючий елемент пучок променів, пройшовши апертурну діафрагму 7, потрапляє на другу частину ввігнутого сферичного дзеркала 8, яка фокусує розкладений в спектр пучок променів на фотоприймальній матриці, площина якої нахилена до фокальної площини так, щоб отримати найменші кружки розсіяння для всього спектрального діапазону. Нахил площини фотоприймальної матриці складає 4°-7°. Цей нахил слугує для компенсації кривизни зображення сферичного дзеркала (позиції 3 та 8 на Фіг. 1) у залежності від величини кута нахилу падаючого на нього пучка променів. Апертурні діафрагми 2, 7 та бленда 4 захищають світловий тракт від потрапляння до нього випадкових променів. Для колімації та фокусування досліджуваного пучка променів використовуються симетричні половини ввігнутого дзеркала, розташованого таким чином, що кути падіння на дзеркало головних променів пучка є однаковими. При такому проході променів кома та дисторсія компенсуються. Компенсація сферичної аберації та астигматизму, що виникають при відбиттях від ввігнутого дзеркала, відбувається при відбитті пучка від автоколімаційного дзеркала 6, яке виконане опуклим. Радіус та положення автоколімаційного дзеркала, тобто його децентрування відносно оптичної осі сферичного ввігнутого дзеркала, що слугує коліматором та фокусуючим елементом, розраховується так, щоб сферичні аберації та астигматизм у пристрої були скомпенсованими. Для визначення положення та радіус кривизни сферичного автоколімаційного дзеркала проводиться розрахунок значень аберацій у оптичній системі. На аберації насамперед впливають геометричні розміри оптичної системи: розміри вхідної щілини - 1, відстань від вхідної щілини до коліматора - 3, радіус ввігнутого сферичного дзеркала - 3, 8, геометричні розміри диспергуючого елемента - 5 та матеріал з якого виготовлено диспергуючий елемент. Точні значення аберацій визначаються при комп'ютерному розрахунку ходу променів через усю оптичну систему. Значення аберацій отримують як різницю координат точок перетину з площиною зображення реальних променів, які розраховують за формулами Федера, та координат точок перетину променів ідеальної системи, які розраховують за формулами оптики нульових променів [4]. Розрахунок проводиться за допомогою спеціальної програми, яка розраховує хід променів в оптичній системі, послідовними ітераціями так, щоб отримати на фотоприймальній матриці найменші кружки розсіяння для всього спектрального діапазону. Зокрема для такого розрахунку можна скористатися відомими комерційними програмами для розрахунку та оптимізації оптичних систем: ZEMAX, Lens View, Light Tools та 67041 6 іншими, або провести розрахунки за допомогою математичних програм. Приклад. Як фотоприймальна матриця була використана матриця TC247SPD-B0, 658 496 пікселів розміром 0,01 0,01мм , спектральний досліджуваний діапазон -   0,5 11мкм , диспергуючий при, стрій – призма, зроблена зі скла ТФ-1, довжина вхідної щілини 5 мм, апертурна діафрагма - 38 мм, радіус ввігнутого сферичного дзеркала, яке слугує коліматором та фокусуючим пристроєм - 470 мм. У результаті абераційного розрахунку оптичної схеми спектрометра було отримано: радіус автоколімаційного дзеркала - 4325 мм, його зміщення відносно вхідної щілини (децентралізація) - 27,1 мм, а площина фотоприймального пристрою нахилена відносно площини зображення на 5,5°. Оскільки в спектрометрі з ПЗЗ-матрицею важливі як спектральна роздільна здатність (по осі Y), так і просторова роздільна здатність (по осі X), то аналіз якості зображення спектрометра треба провести по цих двох напрямках. Просторову роздільну здатність зазвичай оцінюють величиною модуляційної передавальної функції (МПФ) на частоті Найквіста N  1 2p максимальна просторова частота, яку може відтворити матриця, де p - розмір пікселя матриці. Для даної матриці N  50 мкм1 . Для впевненого розділення двох об'єктів необхідно, щоб результуюча МПФ системи була М N   0,1 . Результуюча МПФ системи складається з двох складових: MO  - МПФ оптики і МПФ ПЗЗ-матриці MПЗС і дорівнює їх добутку M    MО  MПЗС . МПФ ПЗЗ-матриці визначається її дискретною структуsinp  рою і дорівнює MПЗС    , що для частоти p Найквіста становить MПЗС  0,6337 . Проведені розрахунки функції розсіяння точки в просторовому напрямку вздовж щілини для довжин хвиль в діапазоні 0,5-1,1 мкм та МПФ в цьому ж діапазоні показали, що просторова роздільна здатність такого призмового спектрометра дуже висока і близька до дифракційної межі. Спектральну роздільну здатність можна оцінювати за величиною розміру кружка розсіяння і відповідною відстанню між кружками розсіювання для двох сусідніх довжин хвиль. На Фіг. 2а показана розрахована спектральна роздільна здатність оптичної системи призмового спектрометра. Вона менше величини відстані між сусідніми пікселями в матриці і таким чином, спектральна роздільна здатність всього спектрометра буде визначатися величиною спектрального інтервалу, який фіксує матриця, і кількістю пікселів на одиницю інтервалу (Фіг. 2б). Розраховане викривлення спектрального зображення вхідної щілини склало 9 мкм, що майже дорівнює розміру одного пікселя матриці - 10 мкм. Джерела інформації: 1. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных при 7 боров. Л.: Машиностроение, 1975. - 312 с. 2. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М. Наука, 1979. - 480 с. 3. SCHMIDT ELKE. Prismenspectrometer. Publication number: EP0656531 (A1) Publication 67041 8 date: 1995-06-07. 4. Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1992. - 447 с. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 67041 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601