close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13450

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.08.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01J 3/00
СПЕКТРОМЕТР С КОРРЕКЦИЕЙ АСТИГМАТИЗМА
(21) Номер заявки: a 20081172
(22) 2008.09.12
(43) 2009.04.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Воропай Евгений Семенович; Гулис Игорь Михайлович;
Купреев Александр Геннадьевич
(BY)
BY 13450 C1 2010.08.30
BY (11) 13450
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) JP 4335122 A, 1992.
RU 92003973 A, 1996.
US 5880834 A, 1999.
US 4175864, 1979.
WO 01/69190 A1.
(57)
1. Спектрометр с коррекцией астигматизма, содержащий блок ввода светового излучения, оптический элемент для коррекции астигматизма, коллиматорный и камерный зеркальные объективы, диспергирующий элемент, блок детектора светового излучения,
отличающийся тем, что оптический элемент для коррекции астигматизма выполнен, по
меньшей мере, из одной плоскопараллельной пластины из материала, прозрачного в оптическом диапазоне работы спектрометра, расположенной между блоком ввода светового
излучения и коллиматорным зеркальным объективом наклонно к оптической оси прибора.
2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что коллиматорный зеркальный объектив
выполнен в форме, ограничивающей апертуру пучка светового излучения в направлении,
в котором ее величина критична для возникновения астигматизма, и расширяющей - в
направлениях, менее критичных к ее величине.
3. Спектрометр по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что камерный зеркальный
объектив выполнен в форме, ограничивающей апертуру пучка светового излучения в
направлении, в котором ее величина критична для возникновения астигматизма, и расширяющей – в направлениях, менее критичных к ее величине.
4. Спектрометр по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что не менее чем одна
плоскопараллельная пластина выполнена с просветляющими покрытиями.
Фиг. 2
BY 13450 C1 2010.08.30
5. Спектрометр по п. 3, отличающийся тем, что не менее чем одна плоскопараллельная пластина выполнена с просветляющими покрытиями.
Настоящее изобретение относится к области спектрометрического оптического оборудования, более конкретно к дисперсионным спектрометрам с зеркальными объективами, и может быть использовано, в частности, для спектрометрических измерений в
различных отраслях науки и производства.
Оптические спектрометры широко применяются в науке, промышленности, медицине,
экологии и других отраслях человеческой деятельности для осуществления спектрального
анализа. Благодаря простоте и универсальности, в настоящее время наиболее широко распространены дисперсионные спектрометры. Дисперсионные спектрометры с зеркальными
объективами обладают рядом преимуществ по сравнению с дисперсионными спектрометрами с линзовыми объективами: они могут работать в широком спектральном диапазоне,
в них отсутствуют хроматические аберрации, зачастую они технологичнее в изготовлении
и дешевле спектрометров с линзовыми объективами.
Однако при конструировании дисперсионных спектрометров с зеркальными объективами возникает ряд проблем. Наиболее существенная - значительно возрастающие при
увеличении светосилы прибора внеосевые аберрации, прежде всего астигматизм и кома,
приводящие к искажениям аппаратной функции и ухудшению разрешающей способности
прибора по всему полю изображения и уменьшению чувствительности.
Из уровня развития техники известны различные дисперсионные зеркальные спектрометры с коррекцией астигматизма. В большинстве из них коррекция осуществляется за
счет дополнительных оптических элементов либо геометрических модификаций оптических элементов.
Известно устройство [1], содержащее два сферических зеркальных объектива, входную щель, детектор и дифракционную решетку в качестве диспергирующего элемента,
причем для уменьшения астигматизма дифракционная решетка выполнена на цилиндрической поверхности малой кривизны. Элементы расположены по схеме Черни-Тернера.
Благодаря цилиндричности решетки происходит деформация волнового фронта светового
пучка, необходимая для компенсации кривизны фронта вследствие астигматизма собственно оптической схемы.
Однако по причине сложности изготовления дифракционных решеток с асферической
поверхностью малой кривизны, сложности расчета и сборки подобных схем данное
устройство оказывается сложным и дорогостоящим в изготовлении.
Известно устройство [2], включающее блок ввода светового излучения, плоскую дифракционную решетку в качестве диспергирующего элемента, осесимметричный асферический отражатель, используемый как в качестве коллиматорного, так и в качестве
камерного объектива, блок фотодетектора и процессор для обработки полученных данных. Существенное снижение аберраций в системе достигается за счет симметричности и
асферической формы зеркала. Для компенсации остаточного астигматизма может быть
осуществлен дополнительный поворот плоскости детектора. Использование одного аксиально-симметричного асферического зеркала вместо двух (как в схеме Черни-Тернера)
позволяет удешевить производство и облегчить сборку устройства.
Однако по причине присутствия в устройстве асферического зеркала большого размера изготовление его достаточно сложное и дорогостоящее. Кроме того, для спектрометров
средней и высокой светосилы сложно рассчитать зеркало, обеспечивающее достаточно
малые аберрационные искажения светового пучка.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство [3], состоящее из блока ввода светового излучения (входная щель), коллиматорного зеркального
2
BY 13450 C1 2010.08.30
объектива, дифракционной решетки, камерного зеркального объектива, детектора, перед
которым расположен элемент, корректирующий астигматизм, - цилиндрическая линза.
Данная цилиндрическая линза не имеет оптической силы в меридиональной плоскости,
поэтому может осуществлять коррекцию астигматически искаженного волнового фронта.
Однако поскольку корректирующая цилиндрическая линза расположена после камерного зеркала, создаются неэквивалентные условия прохождения через нее диспергированных световых пучков (различные хроматические пучки падают на нее под разными
углами), в особенности для светосильных схем, вследствие чего возможны искажения аппаратной функции прибора и ухудшение спектрального разрешения по полю. Кроме того,
по причине сложности изготовления цилиндрических линз, в особенности для ультрафиолетового спектрального диапазона, стоимость прибора может быть достаточно велика, что
делает его малопригодным для решения широкого класса рутинных задач прикладной
спектроскопии.
Задачей настоящего изобретения является создание дисперсионного спектрометра с
зеркальными объективами, обеспечивающего уменьшение астигматизма и удешевление
прибора.
Поставленная задача решается тем, что спектрометр с коррекцией астигматизма, содержащий блок ввода светового излучения, оптический элемент для коррекции астигматизма, коллиматорный и камерный зеркальные объективы, диспергирующий элемент,
блок детектора светового излучения, оптический элемент для коррекции астигматизма,
выполнен, по меньшей мере, из одной плоскопараллельной пластины из материала, прозрачного в оптическом диапазоне работы спектрометра, расположенной между блоком
ввода светового излучения и коллиматорным зеркальным объективом наклонно к оптической оси прибора; а также коллиматорный зеркальный объектив выполнен в форме, ограничивающей апертуру пучка светового излучения в направлении, в котором ее величина
критична для возникновения астигматизма, и расширяющей - в направлениях, менее критичных к ее величине; камерный зеркальный объектив выполнен в форме, ограничивающей апертуру пучка светового излучения в направлении, в котором ее величина критична
для возникновения астигматизма, и расширяющей - в направлениях, менее критичных к ее
величине; не менее чем одна плоскопараллельная пластина выполнена с просветляющими
покрытиями.
Сущность изобретения заключается в том, что коррекция астигматизма в устройстве
достигается за счет взаимной компенсации астигматизмом расположенной наклонно к оси
проходящего светового пучка плоскопараллельной пластины астигматических искажений
светового пучка, обусловленных его наклонным падением на зеркальные объективы. За
счет того что корректирующая плоскопараллельная пластина проста в изготовлении (в отличие от прототипа), конструкция может быть существенно упрощена и удешевлена. За
счет размещения корректирующей пластины после блока ввода светового излучения до
диспергирования светового пучка (в отличие от прототипа) удается избежать дополнительных хроматических искажений аппаратной функции спектрометра вследствие разных
условий прохождения диспергированных пучков через оптический элемент для коррекции
астигматизма.
Угол наклона и толщина корректирующей пластины, при которых достигается оптимальная коррекция астигматизма, могут быть рассчитаны для конкретного расположения
элементов устройства. Общая взаимосвязь толщины пластины и угла ее наклона к оси
светового пучка такова, что при прочих равных условиях более тонкая пластина для компенсации астигматизма зеркальных объективов должна быть наклонена к оси пучка под
большим углом, чем более толстая пластина. Расчет конфигурации оптической схемы и, в
частности, расчет толщины и угла наклона пластины к оптической оси системы при заданном расположении остальных элементов устройства, для которых максимально исправляется астигматизм, проще всего проводить численно. В качестве начального
3
BY 13450 C1 2010.08.30
приближения для задания параметров пластины в спектрометре, например, с расположением элементов по схеме Черни-Тернера, можно воспользоваться следующей формулой,
отражающей зависимость толщины пластины d от угла ее наклона u к оптической оси:
2t 2 cos i(1 − cos 2 i)
n 2 − sin 2 u
⋅
.
n 2 cos 2 u
f cos 2 i − 2t cos i(1 − cos 2 i)
1- 2
(n − sin 2 u )
Здесь n - показатель преломления материала пластины, i - угол падения центрального
луча на зеркала (полагается одинаковым для камерного и коллиматорного зеркальных
объективов), t - расстояние от фокуса меридиональных лучей (виртуального либо реального) до точки падения пучка на зеркало, f - фокусное расстояние зеркал.
Для осуществления коррекции, особенно при сложной структуре астигматизма, могут
применяться несколько пластин, наклоненных по отношению к оси светового пучка под
определяемыми расчетом углами. Расстояние от блока ввода светового излучения до корректирующей пластины (пластин) определяется удобством компоновки и не влияет на
коррекцию астигматизма. Материал пластины выбирается из соображений адекватности
решаемой спектроскопической задаче (к примеру, для работы в ближнем ультрафиолетовом диапазоне пластинка может быть выполнена из кварца).
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображено устройство - прототип изобретения [3]. Спектрометр содержит
входную щель 1, коллиматорный зеркальный объектив 2, диспергирующий элемент 3, камерный зеркальный объектив 4, блок регистрации светового излучения 5 и оптический
элемент для коррекции астигматизма (цилиндрическую линзу) 6.
На фиг. 2 приведен заявляемый спектрометр. Устройство содержит блок ввода светового излучения 1, коллиматорный зеркальный объектив 2, диспергирующий элемент 3,
камерный зеркальный объектив 4, блок регистрации светового излучения 5 и оптический
элемент для коррекции астигматизма (прозрачную плоскопараллельную пластину) 7.
На фиг. 3 показан вариант заявляемого спектрометра. Устройство содержит блок ввода светового излучения 1, коллиматорный зеркальный объектив 2, диспергирующий элемент 3, камерный зеркальный объектив 4, блок регистрации светового излучения 5 и
оптические элементы для коррекции астигматизма (две прозрачные плоскопараллельные
пластины) 7.
Блок ввода светового излучения 1 предназначен для ввода светового пучка в прибор, а
также для повышения эффективности светосбора и светосилы прибора.
Коллиматорный зеркальный объектив 2 предназначен для трансформации светового
пучка в конфигурацию, оптимальную для работы диспергирующего элемента, чаще всего в квазипараллельный пучок. Объектив может быть сферическим зеркалом (наиболее прост
в изготовлении) либо асферическим зеркалом. Поскольку астигматизм системы возрастает
при больших углах падения световых пучков на зеркальные объективы, последние, в
частности объектив 2, могут иметь форму, ограничивающую апертуру светового пучка в
одном направлении (в котором ее величина критична для возникновения астигматизма) и
расширяющую ее в других направлениях (менее критичных к величине апертуры), таким
образом, что светосила прибора не уменьшается либо уменьшается незначительно. Такая
форма зеркального объектива позволяет, уменьшив общий астигматизм, создать более
благоприятные условия для работы корректирующей пластины.
Диспергирующий элемент 3 представляет собой оптический элемент, обеспечивающий пространственное разделение светового излучения различной частоты. В простейшем
случае это может быть плоская отражающая или пропускающая дифракционная решетка
либо дисперсионная призма. В качестве диспергирующего элемента могут использоваться
гибридные системы "призма-решетка", "призма-решетка-призма" и подобные, улучшающие аналитические характеристики прибора или позволяющие упростить компоновку.
d=
4
BY 13450 C1 2010.08.30
Также возможно использование в качестве диспергирующего элемента дифракционных
решеток со сложным профилем штриха, неплоских дифракционных решеток и других модификаций дифракционных решеток и призм, предназначенных для уменьшения аберраций, в том числе астигматизма.
Камерный зеркальный объектив 4 предназначен для фокусирования пространственно
диспергированного по длинам волн светового излучения на блок детектора светового излучения. Объектив 4 может быть сферическим зеркалом либо асферическим зеркалом.
Камерный объектив 4 также может иметь форму, ограничивающую апертуру светового
пучка в одном направлении (в котором ее величина критична для возникновения астигматизма) и расширяющую ее в других направлениях (менее критичных к величине апертуры), таким образом, что светосила прибора не уменьшается либо уменьшается незначительно. Такая форма зеркального объектива позволяет, уменьшив общий астигматизм
схемы, создать более благоприятные условия для работы корректирующей пластины.
Блок регистрации светового излучения 5 предназначен для регистрации пространственного распределения интенсивности светового пучка после диспергирующего элемента. Он
представляет собой фотодетектор, способный зарегистрировать исследуемое излучение, и
может включать систему вывода полученных данных, а также систему их обработки. Фотодетектор может представлять собой одну или несколько многоэлементных фоточувствительных матриц или линеек (например, многоэлементных ПЗС-матриц, КМОП-матриц).
Для некоторых приложений (например, выборочного детектирования спектральных компонент) фотодетектор может представлять собой один или несколько фоточувствительных
одноэлементных детекторов. Для исправления кривизны поля изображения блок может
включать линзу, расположенную непосредственно перед детектором.
Корректирующая пластина 7 представляет собой пластину из материала, пропускающего световое излучение в диапазоне длин волн, соответствующем рабочему спектральному диапазону спектрометра, у которой взаимно параллельны, по меньшей мере, две
грани, пропускающие основной световой поток от блока ввода светового излучения на
коллиматорный зеркальный объектив. Пластина размещается между блоком ввода светового излучения и коллиматорным зеркальным объективом наклонно по отношению к оси
светового пучка. Она предназначена для внесения в световой пучок астигматизма, противоположного астигматизму, вносимому другими оптическими элементами данной оптической системы (например, зеркальными объективами), что приводит к уменьшению общего
астигматизма системы. Положение и угол наклона пластины рассчитываются в зависимости от требований, предъявляемых к компоновке и характеристикам конкретной оптической схемы. Поскольку угол наклона пластины по отношению к оси падающего на нее
светового пучка может превышать 50-60°, френелевское отражение от нее может достигать заметной величины (порядка 10 %), еще более значительным оно будет для периферии пучка, который падает на пластину под несколько большим углом. Поэтому в целях
увеличения светопропускания устройства на пластину могут быть нанесены просветляющие покрытия, уменьшающие френелевское отражение. Также вместо одной корректирующей пластины 7 могут использоваться несколько пластин, расположенных как
параллельно, так и наклонно по отношению друг к другу (фиг. 3). Использование нескольких пластин обладает кумулятивным эффектом, то есть эффекты коррекции астигматизма всех пластин суммируются. Оно может быть обусловлено как компоновочными
соображениями, когда одну пластину большей толщины сложнее разместить в конкретной
оптической системе, чем несколько более тонких, так и улучшением формы аппаратной
функции при исправления астигматизма несколькими пластинами.
Возможная конфигурация описанных оптических элементов устройства не ограничивается схемой Черни-Тернера. Например, роль коллиматорного и камерного зеркал может
исполнять одно зеркало (так называемая схема Эберта-Фасти), что позволяет в некоторых
случаях улучшить аберрационные характеристики схемы. Возможны иные варианты вза-
5
BY 13450 C1 2010.08.30
имного расположения коллиматорного и камерного объективов, диспергирующего блока,
блока ввода и блока регистрации информации, соответствующие классическим схемам,
например дельтаобразной схеме, z-схеме (Черни-Тернера), вертикальной схеме, схемам
Тарасова, Литтрова, Уолша, Пфунда и другим, например [4]. В то же время расположение
корректирующей пластины в этих вариантах должно оставаться неизменным непосредственно после блока ввода светового излучения перед коллиматорным объективом.
Устройство работает следующим образом. Свет, подлежащий спектральному анализу,
собирается блоком ввода светового излучения 1 и вводится в спектрометр. После прохождения корректирующей пластины 7, которая смещает виртуальные источники меридиональных и сагиттальных лучей и тем самым вносит астигматизм, световой пучок падает
на коллиматорный объектив 2, который вносит астигматические искажения противоположного знака по сравнению с пластиной. Далее коллимированный пучок направляется на
диспергирующий элемент 3 и после дисперсии фокусируется камерным объективом 4
(также вносящим астигматические искажения в световой пучок) на блок регистрации светового излучения 5. За счет компенсации астигматизма зеркальных объективов астигматизмом наклонной пластины итоговый астигматизм системы уменьшается.
В качестве примера был рассчитан вариант устройства (фиг. 2) в котором зеркальные
объективы выполнены сферическими с фокусным расстоянием 105 мм, в качестве диспергирующего элемента использована плоская дифракционная решетка, 600 штрихов на миллиметр с параллельными штрихами, корректирующая плоскопараллельная пластина
выполнена из кварца. Численное моделирование дало для компенсации астигматизма при
угле наклона по отношению к оси светового пучка порядка 60° необходимую толщину
пластины порядка 14 мм. Относительное отверстие спектрометра выбрано равным 1:3,3.
Расчеты проводились для длины диспергированного спектра 28 мм. Заданием ориентации
дифракционной решетки определялся диапазон спектра, отвечающий этой длине (300700 нм). Расчеты проводились для оптимальных по критерию спектрального разрешения
фокусировок квазимонохроматических изображений точечной входной щели в фокальной
плоскости камерного объектива, обеспечивался размер пятна рассеяния в направлении
дисперсии около 10 мкм. Параллельно проводились расчеты для референтной схемы, в
которой пластина отсутствовала. Сравнение результатов для указанных схем показало,
что за счет компенсации астигматизма системы удается существенно уменьшить астигматизм, следовательно, высоту астигматических фокалей без потери спектрального разрешения (до величины менее 500 мкм на краях регистрируемой области спектра и до 3040 мкм в области оптимальной компенсации, в то время как для референтной схемы высота фокалей монотонно возрастает от 1100 до 2600 мкм). При использовании в качестве
фотоприемника ПЗС-линейки либо диодной линейки с малой высотой пикселя такое
уменьшение высоты фокалей приводит к соответствующему увеличению чувствительности прибора, а при использовании двумерной ПЗС- либо КМОП-матрицы делает возможной многоканальную регистрацию спектров. Существенным является достижение такого
результата в оптической схеме с использованием недорогих сферических зеркал при высокой светосиле и большой относительной длине спектра (составляющей 25 % от величины фокусного расстояния камерного объектива), что открывает возможности использования предложенной схемы в компактных многоканальных спектрометрах для эмиссионной
спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния.
Дополнительные потери света за счет френелевского отражения на пластине составляют порядка 14 %, следовательно, использование корректирующей пластины оправдано,
поскольку уменьшение чувствительности вследствие астигматизма значительно больше
этой величины. В реальном приборе присутствует кривизна поля изображения, которая
может быть компенсирована установкой непосредственно перед детектором плосковыпуклой сферической линзы специально подобранного радиуса (расчетное значение для
6
BY 13450 C1 2010.08.30
анализировавшейся схемы R = 85 мм, материал - кварц). Как показывают расчеты, введение такой линзы не ухудшает аппаратной функции спектрометра.
Изготовлен макет зеркального спектрометра в соответствии с предложенной схемой и
характеристиками, максимально приближенными к использовавшимся в ходе численного
моделирования: радиус кривизны зеркал 210 мм, относительное отверстие 1:3,3. В качестве корригирующего элемента использовалась кварцевая пластина толщиной 10,5 мм.
Сигнал детектировался на КМОП-матрице MT9V403 фирмы Micron Technology, INC формата 659×494 пикселя с размером пикселя 9,9 мкм. Входное отверстие имело диаметр
около 25 мкм, в качестве источника излучения использовалась ртутная лампа ПРК-4. В
ходе эксперимента регистрировались пятна рассеяния для дублета ртути 577/579 нм. Референтное измерение проводилось без корректирующей пластины. Производилась острая
фокусировка с минимизацией полуширин пятен рассеяния в направлении дисперсии.
Для референтной схемы получена полуширина пятна в направлении дисперсии 3 пикселя (порядка 30 мкм, что соответствует спектральному разрешению 0,2 нм), высота пятна
230 пикселей (порядка 2300 мкм). Для спектрометра с пластиной на детекторе регистрировались пятна рассеяния с полушириной порядка 4 пикселей (40 мкм) как в направлении
дисперсии, так и по высоте. Итак, высота астигматической фокали для данной области поля изображения была уменьшена более чем в 50 раз, что примерно соответствует расчетным результатам для области оптимальной компенсации астигматизма.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет получать спектральное изображение
с уменьшенным астигматизмом, причем оптический элемент для коррекции астигматизма
(плоскопараллельная пластина), в отличие от прототипа, дешев в изготовлении и не вносит дополнительных хроматических искажений в аппаратную функцию.
Источники информации:
1. Патент JP 57060232, МПК G 01J 3/18; G 01J 3/12, 1982.
2. Патент US 6744505 B1, МПК G 01J 3/14; G 01J 3/18; G 01J 3/28, 2004.
3. Патент JP 4335122, МПК G 01J 3/18; G 01J 3/12, 1992.
4. Тарасов К.И. Спектральные приборы. - Л.: Машиностроение, 1977. - С. 116-121,
185-192.
Фиг. 1
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
128 Кб
Теги
by13450, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа