ЗЕРКАЛЬНЫЙ АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР
REFLECTING AUTOCOLLIMATING SPECTROMETER

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности может быть использовано в промышленных, авиационных и космических гиперспектральных системах.
Известны оптические системы, предназначенные для разложения оптического излучения в спектр с целью изучения его спектрального состава. Например, в [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб., Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975, с.6] приведена принципиальная оптическая схема спектрального прибора. Он состоит из входной щели, коллимирующего объектива, диспергирующего устройства, фокусирующего объектива и приемника изображения. Недостатком таких схем является наличие двух линзовых объективов и, как следствие, большие габариты и масса.
Также известны автоколлимационные зеркальные монохроматоры [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб., Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1975, с.153], имеющие более простую конструкцию. Они содержат минимальное количество оптических деталей: вогнутое зеркало в качестве коллимирующего и фокусирующего объективов и автоколлимационную призменную диспергирующую систему. Наличие только одного зеркала не позволяет исправить аберрации системы и кривизну спектральных линий даже для узкого спектрального диапазона и малых угловых полей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является зеркальный автоколлимационный спектрометр из [US, патент №6886953 В2, МКИ G02B 5/10], состоящий из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, в котором входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости от его оптической оси. Объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели, отражающие поверхности всех трех зеркал являются децентрированными по апертуре асферическими поверхностями высших порядков, также второе и третье зеркала имеют смещения и наклоны относительно оптической оси первого зеркала. Диспергирующее устройство расположено с другой относительно входной щели стороны от оптической оси и состоит из диспергирующего элемента в виде блока из двух призм из материалов с разными показателями преломления и отдельного плоского зеркала, расположенного под углом, близким 90° к падающим на него лучам. Излучение от входной щели преобразуется объективом в коллимированный пучок, который затем попадает на диспергирующий элемент, раскладывается в спектр, отражается от плоского зеркала, снова проходит через диспергирующий элемент, а затем попадает в объектив, формирующий в обратном ходе разложенное в спектр изображение входной щели на приемнике изображения. Результатом наличия в схеме децентрированных по апертуре асферических поверхностей высших порядков, имеющих децентрировки и наклоны, являются технологические сложности изготовления и повышенные требования к точности взаимного расположения оптических элементов и, как следствие, сложность механической конструкции, трудности при юстировке и контроле.
Задачей данного изобретения является создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, простого в юстировке, обеспечивающего высокое качество изображения и исправление кривизны спектральных линий во всем рабочем спектральном диапазоне.
Это достигается тем, что в зеркальном автоколлимационном спектрометре, состоящем из входной щели, объектива и диспергирующего устройства, входная щель расположена в фокальной плоскости объектива и смещена в меридиональной плоскости относительно его оптической оси, объектив состоит из трех установленных последовательно по ходу луча зеркал, первого вогнутого зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели, второго выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу, третьего вогнутого зеркала с положительной оптической силой, расположенного за вторым зеркалом и обращенного вогнутостью к входной щели, диспергирующее устройство расположено с другой стороны относительно оптической оси по отношению к входной щели и включает в себя диспергирующий элемент и плоское зеркало, расположенное под углом, находящемся в интервале 80…90° к падающим на него лучам, в отличие от известного, оптические поверхности по крайней мере двух зеркал объектива являются асферическими поверхностями не более чем второго порядка, а центры кривизны всех зеркал расположены на оптической оси объектива, причем первое и второе зеркала представляют собой внеосевые фрагменты зеркал, а третье зеркало расположено на оптической оси объектива, диспергирующий элемент выполнен в виде призмы с преломляющим углом 5…30° из материала с показателем преломления 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е 20…70, а плоское зеркало выполнено в виде отражающего покрытия, нанесенного на вторую по ходу луча грань призмы.
Кроме того, в зеркальном автоколлимационном спектрометре отражающая поверхность одного из зеркал объектива может быть выполнена сферической, а третье зеркало объектива может быть выполнено симметричным относительно оптической оси зеркалом или в виде децентрированного по апертуре фрагмента.
На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра, у которого третье зеркало объектива симметрично относительно оптической оси. На фиг.2 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра с третьим зеркалом объектива, выполненным в виде децентрированного по апертуре фрагмента. На фиг.3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели. На фиг.4 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр (фиг.1) состоит из входной щели 1, первого зеркала 2, второго зеркала 3, третьего зеркала 4 и призмы 5 с отражающим покрытием 6. Входная щель 1 длиной 20 мм расположена в фокальной плоскости объектива перпендикулярно меридиональной плоскости и смещена относительно оптической оси. Зеркала 2, 3 и 4 образуют объектив с эксцентрично расположенным полем изображения. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сферического зеркала с положительной оптической силой, обращенного вогнутостью к входной щели 1, второе зеркало 3 выполнено в виде внеосевого фрагмента выпуклого эллипсоида с отрицательной оптической силой, расположенного между входной щелью 1 и первым зеркалом 2, и обращено выпуклостью к первому зеркалу 2, третье зеркало 4 выполнено в виде вогнутого гиперболоида, отражающая поверхность которого симметрична относительно оптической оси, расположенного за вторым зеркалом 3 и обращенного вогнутостью к входной щели 1. Диспергирующее устройство спектрометра расположено с другой стороны относительно оптической оси по отношению к входной щели 1 и состоит из диспергирующего элемента в виде призмы 5 с преломляющим углом 5…30° из материала с показателем преломления в пределах 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии для линии е в пределах 20…70, и плоского зеркала виде нанесенного на вторую по ходу луча грань призмы 5 отражающего покрытия 6, плоское зеркало, расположенное под углом, находящимся в интервале 80…90° к падающим на него лучам.
Также в зеркальном автоколлимационном спектрометре третье зеркало 4 может быть выполнено в виде децентрированного по апертуре фрагмента вогнутого гиперболоида (фиг.2).
На фиг.3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели.
На фиг.4 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр работает следующим образом. Излучение от входной щели 1 спектрометра попадает на первое зеркало 2, затем, отразившись от него, последовательно претерпевает отражение на втором зеркале 3 и третьем зеркале 4. После зеркала 4 коллимированный пучок излучения попадает на призму 5, преломившись на первой грани, отразившись от отражающего покрытия 6 на второй грани и вновь преломившись на первой грани которой, раскладывается в спектр и снова попадает на третье зеркало 4. Отразившись последовательно от третьего зеркала 4, второго зеркала 3 и первого зеркала 2, излучение формирует разложенное в спектр изображение входной щели в плоскости изображения.
В соответствии с предложенным техническим решением рассчитан зеркальный автоколлимационный спектрометр, конструктивные параметры которого приведены в таблице 1.
Таблица 1
Описание
Радиус, мм
Толщина, мм
Показатель преломления
Наклон в меридиональной плоскости относительно оптической оси, град.
Плоскость входной щели
r<sub>1</sub>=∞
21,042
d<sub>1</sub>=126,775
1
Первое зеркало
r<sub>2</sub>=-206,617
0
d<sub>2</sub>=-89,197
-1
Второе зеркало
r<sub>3</sub>=-147,803∗<sup>1</sup>
0
d<sub>3</sub>=179,934
1
Третье зеркало
r<sub>4</sub>=571,703∗<sup>2</sup>
0
d<sub>4</sub>=-329,934
-1
Передняя грань призмы
r<sub>5</sub>=∞
31,412
d<sub>5</sub>=-40
TK20
Задняя грань призмы с зеркальным покрытием
r<sub>6</sub>=∞
18,946
d<sub>6</sub>=40
TK20
Передняя грань призмы
r<sub>7</sub>=∞
31,412
d<sub>7</sub>=329,934
1
Третье зеркало
r<sub>8</sub>=571,703∗<sup>2</sup>
0
d<sub>8</sub>=-179,934
-1
Второе зеркало
r<sub>9</sub>=-147,803∗<sup>1</sup>
0
d<sub>9</sub>=89,197
1
Первое зеркало
r<sub>10</sub>=-206,617
0
d<sub>10</sub>=-126,775
-1
Плоскость изображения
r<sub>11</sub>=∞
0,9
∗<sup>1</sup>) параметр е<sup>2</sup>=0,966
∗<sup>2</sup>) параметр е<sup>2</sup>=1,853
е<sup>2</sup> - квадрат эксцентриситета поверхности 2-го порядка.
Характеристики спектрометра:
Спектральный диапазон: 1,0-2,325 мкм. Относительное отверстие объектива: 1:3. Длина входной щели: 20 мм.
Линейное поле в пространстве изображений: 2,56×20,38 мм.
Спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:
- кривизна спектральных линий исправлена во всем рабочем спектральном диапазоне;
- линейная дисперсия для коротковолновой границы спектрального диапазона 0,418 нм/мкм;
- линейная дисперсия для длинноволновой границы спектрального диапазона 0,446 нм/мкм;
-1
- МПФ на пространственной частоте 30 мм не менее 0,5 во всем рабочем спектральном диапазоне для всех точек линейного поля.
Таким образом, создан зеркальный автоколлимационный спектрометр работающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 1,0-2,325 мкм, с входной щелью длиной 20 мм, относительным отверстием объектива 1:3, имеющий высокое качество изображения и исправленную кривизну спектральных линий во всем рабочем спектральном диапазоне, что очень важно при использовании матричных фотоприемных устройств. Кроме того, он обладает повышенной технологичностью и простотой в юстировке за счет использования в объективе спектрометра асферических поверхностей не более чем второго порядка., а диспергирующее устройство, выполнено в виде одиночной призмы с нанесенным на ее вторую по ходу луча грань отражающим покрытием.