ЗЕРКАЛЬНЫЙ АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР
MIRROR AUTOCOLLIMATOR SPECTROMETER

Изобретение относится к оптическому приборостроению и 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 книге Пейсахсона И.В. «Оптика спектральных приборов», изд. 2-е доп. и перераб., Л., «Машиностроение», Ленинградское отделение, 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», Ленинградское отделение, 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, описанный в патенте РФ №2521249, МПК G02B 17/08, G01J 3/14, опубликованном 27.06.2014 г., состоящий 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 сферического, выполненного в виде внеосевого фрагмента, вогнутого зеркала с положительной оптической силой, в 3 раза большей, чем у третьего зеркала, обращенного вогнутостью к входной щели. Второго, выполненного в виде внеосевого фрагмента вытянутого эллипсоида, выпуклого зеркала с отрицательной оптической силой, в 4 раза большей, чем у третьего зеркала, расположенного между входной щелью и первым зеркалом и обращенного выпуклостью к первому зеркалу. Третьего, расположенного на оптической оси объектива, вогнутого гиперболического зеркала с положительной оптической силой, примерно равной силе всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели. Причем центры отражающих поверхностей всех зеркал расположены на оптической оси объектива. Диспергирующее устройство спектрометра расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели и выполнено в виде призмы с преломляющим углом 5…30 градусов из материала, с показателем преломления в пределах 1,4…1,7 и коэффициентом дисперсии в пределах 20…70, с нанесенным на второй по ходу луча грани отражающим покрытием. Апертурная диафрагма расположена на второй по ходу луча грани призмы. 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. Но результатом применения призменного диспергирующего устройства является низкая угловая дисперсия.
Задачей данного изобретения является создание зеркального автоколлимационного спектрометра с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - создание зеркального автоколлимационного спектрометра, обеспечивающего высокое качество и однородность изображения во всем рабочем спектральном диапазоне, с повышенной технологичностью, малыми габаритами и массой, простого в юстировке.
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, выполненного в виде внеосевого фрагмента 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 гиперболического зеркала с положительной оптической силой, близкой к силе всего объектива, обращенного вогнутостью к входной щели, причем все оптические поверхности зеркал объектива являются поверхностями не более чем второго порядка, с оптическими осями, совмещенными с оптической осью объектива, апертурная диафрагма расположена на диспергирующем устройстве, находящемся с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели, в отличие от известного, первое зеркало выполнено в виде сплюснутого эллипсоида с оптической силой,  в 1,5…2,5 раза большей, чем у третьего зеркала, второе зеркало - сферическое, расположенное на оси, с оптической силой, в 2,5…3,5 раза большей, чем у третьего зеркала, выполненного в виде внеосевого фрагмента, расстояние между первым и вторым зеркалами в 1,5…2 раза меньше фокусного расстояния всего объектива и равно расстоянию между вторым и третьим зеркалом, диспергирующее устройство выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки с шагом от 1 до 1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка, кроме того, перед плоскостью изображения расположена плоскопараллельная пластина с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива, а все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.
На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема зеркального автоколлимационного спектрометра. На фиг. 2 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели. На фиг. 3 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для крайней точки входной щели.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр на фиг.1 состоит из входной щели 1, первого зеркала 2, второго зеркала 3, третьего зеркала 4, отражающей дифракционной решетки 5 и плоскопараллельной пластины 6. Зеркала 2, 3 и 4 образуют объектив с эксцентрично расположенным полем изображения. Входная щель 1 длиной 19,2 мм расположена в фокальной плоскости объектива перпендикулярно меридиональной плоскости и смещена относительно оптической оси. Первое зеркало 2 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого сплюснутого эллипсоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой примерно в 2 раза большей, чем у третьего зеркала 4. Второе зеркало 3 -  выпуклое осесимметричное, выполненное сферическим с отрицательной оптической силой, примерно в 2 раза большей, чем у третьего зеркала 4, расположено между входной щелью 1 и первым зеркалом 2 и обращено выпуклостью к первому зеркалу 2. Третье зеркало 4 выполнено в виде внеосевого фрагмента вогнутого гиперболоида, обращенного вогнутостью к входной щели 1, с положительной оптической силой, близкой к силе всего объектива, при этом расстояние между первым и вторым зеркалами примерно в 1,7 раза меньше фокусного расстояния всего объектива, а вершины первого и третьего зеркал совмещены. Оптические оси отражающих поверхностей зеркал 2, 3 и 4 совмещены с оптической осью объектива. Диспергирующее устройство спектрометра выполнено в виде плоской отражательной дифракционной решетки 5 с шагом от 1 до 1000 мкм с углом блеска, рассчитанным для спектра первого порядка, и расположено с другой стороны от оптической оси по отношению к входной щели 1, также в плоскости дифракционной решетки 5 расположена апертурная диафрагма. Плоскопараллельная пластина 6 имитирует защитное стекло приемника изображения, расположена перед плоскостью изображения и выполнена из оптического материала с показателем преломления 1,4…1,6 и толщиной 0,005…0,02 от фокусного расстояния объектива. Все оптические элементы выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.
На фиг. 2 приведена модуляционная передаточная функция зеркального автоколлимационного спектрометра для средней и граничных длин волн рабочего спектрального диапазона для центральной точки входной щели.
На фиг. 3 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 отражающую дифракционную решетку 5, и отразившись от нее, раскладывается в спектр и снова попадает на третье зеркало 4. Отразившись последовательно от третьего зеркала 4, второго зеркала 3, первого зеркала 2 и пройдя через плоскопараллельную пластину 6, 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.
Характеристики зеркального автоколлимационного спектрометра:
Спектральный диапазон: 1,0-2,2 мкм.
Относительное отверстие объектива: 1:3,5.
Длина входной щели: 19,2 мм.
Линейное поле в пространстве изображений: 19,32×6,35 мм.
Зеркальный автоколлимационный спектрометр имеет следующие характеристики качества изображения:
- кривизна спектральных линий не более 5,0 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;
- краевая дисторсия изображения не более 5,2 мкм во всем рабочем спектральном диапазоне;
- линейная дисперсия 0,19 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 1,0-2,2 мкм, с входной щелью длиной 19,2 мм, относительным отверстием объектива 1:3,5, линейной дисперсией 0,19 нм/мкм, имеющий высокое качество и однородность изображения 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, единственное выпуклое зеркало является сферическим, причем центры всех отражающих поверхностей находятся на оптической оси объектива, вершины первого и третьего зеркал совмещены, а диспергирующее устройство выполнено в виде плоской отражающей дифракционной решетки.