МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ КР-СПЕКТРОМЕТР
MULTI-CHANNEL HIGH-PERFORMANCE RAMAN SPECTROMETER

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для регистрации спектров комбинационного рассеяния света (КРС) газовых сред.
Измерение слабоинтенсивных спектров, к которым относятся спектры КРС газовых сред, является достаточно актуальной задачей. Основной трудностью при проведении газоанализа методом спектроскопии КРС является крайне малая интенсивность сигнала КРС. Решение этой проблемы достигается разработкой специализированного спектрометра, обеспечивающего высокоэффективное преобразование рассеянного света в электрический сигнал многоканального фотоприемника, при этом важнейшей характеристикой спектрометра является соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника. Кроме того, желательно, чтобы данное устройство регистрировало широкий спектральный диапазон, было компактным, недорогим и сохраняло высокое качество спектра КРС.
На сегодняшний день наиболее перспективными многоканальными фотоприемниками являются ПЗС-матрицы, которые позволяют значительно сократить время регистрации спектра, по сравнению с одноканальным фотоприемником (например, ФЭУ). К сожалению, известные спектрометры не оптимизированы на использование многоканальных фотоприемников и, соответственно, не обеспечивают максимально возможное соотношение сигнал/шум на выходе ПЗС-матрицы.
Известна оптическая схема, содержащая входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку и многоэлементный детектор (патент РФ №2375686, МПК G01J 3/00 10.07.2007 г.).
Основным недостатком данной схемы является низкий уровень полезного сигнала на выходе многоэлементного детектора, обусловленный неэффективной передачей на него изображения щели в масштабе 1:1.
Наиболее близким по принципу действия является спектральный прибор, выполненный по схеме Черни-Турнера (James J.F. On the design of Czerny-Turner charge-coupled device spectrographs // J. Mod. Opt., 1994, V.41, №10).
Устройство содержит входную щель, два вогнутых зеркала, плоскую отражательную дифракционную решетку, ПЗС-матрицу и фокальный уменьшитель (focal reducer) расположенный в фокальной плоскости выходного зеркала. Особенностью данной схемы является сжатие изображения входной щели и его фокусировка фокальным уменьшителем на плоскость ПЗС-матрицы.
Основным недостатком данного спектрального прибора является большое количество оптических элементов увеличивающих его стоимость и размеры.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, являются повышение компактности устройства, обеспечение широкого спектрального диапазона, а также улучшение соотношения сигнал/шум, за счет уменьшения изображения щели на выходе. Технический результат - повышение чувствительности спектрометра и удешевление его конструкции.
Указанный результат достигается тем, что многоканальный высокоэффективный КР-спектрометр, так же как и прототип, содержит щель, находящуюся в фокусе входного вогнутого зеркала, которое оптически связанно с плоской дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей.
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>o</mi><mi>b</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mi>l</mi><mi>i</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
mir
В предлагаемом изобретении между дифракционной решеткой и ПЗС-матрицей установлен объектив с исправленными аберрациями, фокусное расстояние которого равно
, где f - фокус зеркала, pix - площадь пикселя ПЗС, slit - площадь входной щели,
причем диаметр его входного зрачка не меньше диаметра входного вогнутого зеркала.
На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого спектрометра.
Устройство содержит входную щель 1, вогнутое зеркало 2, плоскую отражательную дифракционную решетку 3, выходной объектив 4, ПЗС-матрицу 5.
Устройство работает следующим образом.
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>o</mi><mi>b</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mi>l</mi><mi>i</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
Свет, источником которого является входная щель 1, расходящимся пучком попадает на вогнутое сферическое зеркало 2, которое отражает его в виде параллельного пучка на плоскую отражательную дифракционную решетку 3. От данной решетки, дифрагированные монохроматические пучки света из 1-го порядка дифракции попадают на расположенный вдоль направления его распространения выходной объектив 4, который фокусирует их на плоскость ПЗС-матрицы 5. Исходя из того, что, как правило, размер пикселя меньше размера щели, то в силу соотношения
размер изображения щели будет уменьшен до размера пикселя, что является идеальным вариантом для получения высокого разрешения. Кроме того, для регистрации широкого спектрального диапазона диаметр входного зрачка объектива выбран не менее диаметра входного вогнутого зеркала.
Установка выходного объектива кроме повышения компактности спектрометра влечет за собой следующие преимущества. Самой дорогой частью высокочувствительных спектрометров является ПЗС-матрица, стоимость которой, в свою очередь, зависит от размера. Уменьшение же размера изображения щели на выходе позволяет использовать ПЗС меньшего размера. Кроме того, это позволит повысить соотношение сигнал/шум, причем это увеличение, согласно формуле (1), пропорционально квадрату отношения фокусных расстояний входного зеркала и выходного объектива.
<mrow><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>N</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>N</mi><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>o</mi><mi>b</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mi>l</mi><mi>i</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>i</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>s</mi><mi>l</mi><mi>i</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>o</mi><mi>b</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1(0)
1(0)
1(0)
mir
obj
0
1
0
где SNR, S, σ - соотношение сигнал/шум, уровень сигнала, приходящийся на пиксель, уровень шума, приходящийся на пиксель для предлагаемой (общепринятой проецирующей изображение щели в масштабе 1:1) схемы соответственно, f - фокус зеркала, f - фокус объектива, pix - площадь пикселя ПЗС-матрицы, slit - площадь входной щели, P - мощность падающего излучения. В данной формуле σ≈σ, т.к. при малых величинах сигналов величина шумов определяется шумами самой ПЗС-матрицы и поэтому шумы для различных систем можно считать равными.
В качестве объектива с исправленными аберрациями в предлагаемом устройстве могут быть использованы любые фотообъективы, которые, в свою очередь, являются коммерчески доступными и отвечают предъявляемым требованиям по качеству.