ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
80 Т. Г. Дилбазов, Н. Я. Ягубзаде, Е. А. Гусейнова
УДК 535. 32: 681.785.55
Т. Г. ДИЛБАЗОВ, Н. Я. ЯГУБЗАДЕ, Е. А. ГУСЕЙНОВА
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
Предложена дифракционная система для спектрометрических приборов, в которой на плоскости формирования спектра установлено цилиндрическое зеркало. С помощью такой системы удается значительно повысить спектральное разрешение, не увеличивая массогабаритных параметров системы. Экспериментальные исследования показали появление элементов тонкой структуры зеленой и синей линий в спектре ртутной лампы при использовании предложенной системы.
Ключевые слова: диспергируюший элемент, дифракционная решетка, разрешающая сила, сканирование.
Серьезное индустриальное воздействие на природную среду привело к тому, что требуется постоянный контроль экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению уровня загрязнений окружающей среды в допустимых пределах.
К дистанционным методам контроля относятся оптические вследствие их высокой информативности. Они являются единственно возможным инструментом для наблюдения глобальных и долговременных антропогенных изменений состава атмосферы.
Наряду с общими тенденциями развития для всего оптического приборостроения можно отметить некоторые специфические направления в создании спектральных приборов. К таким тенденциям относится дальнейшее совершенствование конструкций классических щелевых дифракционных приборов, а также разработка специализированных спектральных приборов и оптимизация их параметров.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности создания оптической системы для малогабаритных спектральных приборов с высокой разрешающей способностью. Приборы с такими характеристиками разрабатываются для оценки состояния окружающей среды и для природно-ресурсных исследований при дистанционном зондировании Земли.
Разрешающая способность и линейная дисперсия спектрального прибора влияют как на качественные его характеристики, так и на конструктивные особенности. Поэтому исследованию этих характеристик посвящено достаточно много работ [1—4]. Из этих работ следует, что повышение разрешающей способности и дисперсии оптических систем достигается введением дополнительных оптических элементов, что приводит к увеличению размеров, усложнению кинематических механизмов согласования движений отдельных оптических элементов при сканировании спектра, дополнительным потерям в светосиле и усложнению оптических деталей, что делает их значительно дороже.
В работе [5] предложен способ эффективного повышения линейной дисперсии оптических систем. Для разработки систем малогабаритного монохроматора и повышения практической разрешающей способности в настоящей работе выбран этот способ. Предлагается классическая система спектрального прибора, объектив которого выполнен в виде выпуклого цилиндрического зеркала (рис. 1, 1 — входная щель; 2 — вогнутая дифракционная решетка; 3 — цилиндрическое зеркало; 4 — выходная щель). Образующая цилиндрическая поверхность этого зеркала расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии дис-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Оптическая система с высокой разрешающей способностью для спектрального прибора 81
пергирующего элемента. Спектральный прибор с высокой разрешающей способностью мо-
жет использоваться в полевых условиях и применяться в бортовых системах.
Излучение ртутной лампы через входную щель заполняет дифракционную решетку, ко-
торая формирует спектр на поверхности цилиндрического зеркала.
На поверхности зеркала невозможно фик-
сировать в виде отдельных линии (с длиной волны λ+∆λ и λ−∆λ ), разрeшенные решеткой. Это связано с реальным пределом разрешения,
3
4
обусловленным искажениями волнового фронта,
проходящего через прибор. Чтобы фиксировать полосы излучения в отдельности, принадлежа-
1
щие этим лучам, требуется увеличение расстоя-
ния между решеткой и зеркалом, что приводит к
росту массогабаритных параметров прибора.
3
При отражении от сферической поверхно-
сти лучей угол между ними увеличивается,
спектр „растягивается“ и становится возможным
Рис. 1
фиксировать по отдельности полосы излучения линий с длиной волны λ+∆λ , λ−∆λ . По-
скольку спектральная линия является изображением щели, а спектр — совокупностью этих
линий, можно говорить об увеличении угловой дисперсии этих лучей. В дифракционных сис-
темах с вогнутой дифракционной решеткой разрешающая способность определяется угловой
дисперсией. Поэтому наличие цилиндрического зеркала в классической дифракционной сис-
теме с вогнутой решеткой увеличивает ее разрешающую способность.
В работе [6] получено выражение для разрешающей способности таких систем:
λ δλ
=
D
⎡⎣⎢3−
2
S′ r
⎤ ⎦⎥
⎛ ⎝⎜
d d
ϕ λ
⎞ ⎠⎟
р
=
ADS ′′ cos θ
⎣⎡⎢3−
2
S′ r
⎤ ⎦⎥
⎛ ⎝⎜
d d
ϕ λ
⎞ ⎠⎟
р
…,
где
dϕ dλ
— дисперсия решетки,
A
=
D f
— относительное отверстие выходного объектива,
D — ширина диафрагмы, f — фокусное расстояние выходного объектива, S′ и S′′ — рас-
стояние между решеткой и зеркалом, зеркалом и выходной щелью соответственно, r — ра-
диус цилиндрического зеркала, θ — угол между средней линией светового потока (интерва-
ла) и нормалью к поверхности спектра.
Из выражения следует, что разрешающую способность системы (при D и A=const )
можно повысить увеличением расстояний S ′ , S ′′ и уменьшением радиуса r цилиндрического
зеркала. Более эффективным является уменьшение r, так как в этом случае не увеличиваются
массогабаритные параметры прибора.
Исследованы изменения спектра излучения ртутной лампы ДРШ-250 в видимой области
спектра после отражения от плоского и цилиндрического зеркал, помещенных на фокальной
плоскости дифракционной решетки. Отраженные лучи проходят через выходную щель и
фиксируются приемно-регистрирующим устройством. Сканирование спектра осуществляется
поворотом дифракционной решетки вокруг оси, проходящей через ее вершину. Приемником
излучения является ФЭУ-85, спектр регистрируется автоматически одноточечным потенцио-
метром.
В спектре, сформированном плоской решеткой и отраженном от плоского зеркала
(рис. 2, а), определяется положение полосы излучений только синей ( λmax = 404—410; 435,8 нм)
и зеленой ( λmax =546,1 нм) линий. В спектре, сформированном вогнутой решеткой и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
82 Т. Г. Дилбазов, Н. Я. Ягубзаде, Е. А. Гусейнова
отраженном от цилиндрического зеркала появляется несимметричность этих полос (рис. 2, б).
С уменьшением диаметра зеркал в отраженном спектре появляются „новые“ полосы с хоро-
шо выраженными максимумами.
а) I, о.е.
б) I, о.е.
400 500 600 λ, нм
400 500 600 λ, нм
Рис. 2
Хорошо изученная [7] зеленая линия ртути возникает в результате перехода 63 P2 −73 S1 и насчитывает 14 компонентов, 4 из которых более интенсивные и принадлежат изотопам
Hg198 , Hg200 , Hg202 , Hg204 . Можно полагать, что наблюдаемые после отражения от цилин-
дрического зеркала новые полосы излучения принадлежат этим изотопам. Новые полосы излучения, появляющиеся в спектре после отражения от цилиндрического зеркала в синей области, также принадлежат изотопам.
Результаты ряда исследований (например, [7, 8]) показывают, что наличие цилиндрического зеркала в дифракционной оптической системе с вогнутой решеткой позволяет использовать высокую разрешающую способность самой решетки. При этом не увеличиваются массогабаритные параметры системы. С помощью таких систем можно создавать спектральные приборы для дистанционных исследований.
Оптическая система с цилиндрическим зеркалом может быть применена с аналогичным эффектом также в дисперсионных системах измерений.
Следует отметить, что выбирая диспергирующий элемент с высокой разрешающей способностью и цилиндрические зеркала с разными покрытиями, можно создавать малогабаритные спектральные приборы с высокой разрешающей способностью также в других областях оптического диапазона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. М.: Машиностроение, 1984. 135 с. 2. Hindblom P., Stenman F. // Appl. Opt. 1989. Vol. 28, N 13. P. 254. 3. Mazzacurati V., Ruokko G., Signarelli G. // Opt. Commun. 1988. Vol. 67, N 6. P. 399. 4. Савушкин Н. В., Соколова А. В., Старцев Г. П. // ОМП. 1989. № 1. C. 34. 5. А. с. № 1453187. СССР / Т. Г. Дилбазов. 1989. БИ № 3. 6. Дилбазов Т. Щ., Йагубзаде Н. Й. // Физика. 2006. Т. 12, № 4. С. 71. 7. Королев Ф. А., Одинцов В. И. // Опт. и спектр. 1956. Т. 1, вып. 1. С. 17. 8. Yaqubzade N. Y., Abbasova R. B., Süleymanova S. A., Dilbazov T. H. // AMAKA xеbеrlеri. 2006. N 2. S. 117.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Оптическая система с высокой разрешающей способностью для спектрального прибора 83
Тариел Гаджи оглы Дилбазов Наиля Ягуб кызы Ягубзаде Ельвира Али кызы Гусейнова
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Институт аэрокосмической информатики На-
ционального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку — Институт аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку; E-mail: naile_yaqub@mail.ru — Институт аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку
Рекомендована институтом
Поступила в редакцию 06.07.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
УДК 535. 32: 681.785.55
Т. Г. ДИЛБАЗОВ, Н. Я. ЯГУБЗАДЕ, Е. А. ГУСЕЙНОВА
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
Предложена дифракционная система для спектрометрических приборов, в которой на плоскости формирования спектра установлено цилиндрическое зеркало. С помощью такой системы удается значительно повысить спектральное разрешение, не увеличивая массогабаритных параметров системы. Экспериментальные исследования показали появление элементов тонкой структуры зеленой и синей линий в спектре ртутной лампы при использовании предложенной системы.
Ключевые слова: диспергируюший элемент, дифракционная решетка, разрешающая сила, сканирование.
Серьезное индустриальное воздействие на природную среду привело к тому, что требуется постоянный контроль экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению уровня загрязнений окружающей среды в допустимых пределах.
К дистанционным методам контроля относятся оптические вследствие их высокой информативности. Они являются единственно возможным инструментом для наблюдения глобальных и долговременных антропогенных изменений состава атмосферы.
Наряду с общими тенденциями развития для всего оптического приборостроения можно отметить некоторые специфические направления в создании спектральных приборов. К таким тенденциям относится дальнейшее совершенствование конструкций классических щелевых дифракционных приборов, а также разработка специализированных спектральных приборов и оптимизация их параметров.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности создания оптической системы для малогабаритных спектральных приборов с высокой разрешающей способностью. Приборы с такими характеристиками разрабатываются для оценки состояния окружающей среды и для природно-ресурсных исследований при дистанционном зондировании Земли.
Разрешающая способность и линейная дисперсия спектрального прибора влияют как на качественные его характеристики, так и на конструктивные особенности. Поэтому исследованию этих характеристик посвящено достаточно много работ [1—4]. Из этих работ следует, что повышение разрешающей способности и дисперсии оптических систем достигается введением дополнительных оптических элементов, что приводит к увеличению размеров, усложнению кинематических механизмов согласования движений отдельных оптических элементов при сканировании спектра, дополнительным потерям в светосиле и усложнению оптических деталей, что делает их значительно дороже.
В работе [5] предложен способ эффективного повышения линейной дисперсии оптических систем. Для разработки систем малогабаритного монохроматора и повышения практической разрешающей способности в настоящей работе выбран этот способ. Предлагается классическая система спектрального прибора, объектив которого выполнен в виде выпуклого цилиндрического зеркала (рис. 1, 1 — входная щель; 2 — вогнутая дифракционная решетка; 3 — цилиндрическое зеркало; 4 — выходная щель). Образующая цилиндрическая поверхность этого зеркала расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии дис-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Оптическая система с высокой разрешающей способностью для спектрального прибора 81
пергирующего элемента. Спектральный прибор с высокой разрешающей способностью мо-
жет использоваться в полевых условиях и применяться в бортовых системах.
Излучение ртутной лампы через входную щель заполняет дифракционную решетку, ко-
торая формирует спектр на поверхности цилиндрического зеркала.
На поверхности зеркала невозможно фик-
сировать в виде отдельных линии (с длиной волны λ+∆λ и λ−∆λ ), разрeшенные решеткой. Это связано с реальным пределом разрешения,
3
4
обусловленным искажениями волнового фронта,
проходящего через прибор. Чтобы фиксировать полосы излучения в отдельности, принадлежа-
1
щие этим лучам, требуется увеличение расстоя-
ния между решеткой и зеркалом, что приводит к
росту массогабаритных параметров прибора.
3
При отражении от сферической поверхно-
сти лучей угол между ними увеличивается,
спектр „растягивается“ и становится возможным
Рис. 1
фиксировать по отдельности полосы излучения линий с длиной волны λ+∆λ , λ−∆λ . По-
скольку спектральная линия является изображением щели, а спектр — совокупностью этих
линий, можно говорить об увеличении угловой дисперсии этих лучей. В дифракционных сис-
темах с вогнутой дифракционной решеткой разрешающая способность определяется угловой
дисперсией. Поэтому наличие цилиндрического зеркала в классической дифракционной сис-
теме с вогнутой решеткой увеличивает ее разрешающую способность.
В работе [6] получено выражение для разрешающей способности таких систем:
λ δλ
=
D
⎡⎣⎢3−
2
S′ r
⎤ ⎦⎥
⎛ ⎝⎜
d d
ϕ λ
⎞ ⎠⎟
р
=
ADS ′′ cos θ
⎣⎡⎢3−
2
S′ r
⎤ ⎦⎥
⎛ ⎝⎜
d d
ϕ λ
⎞ ⎠⎟
р
…,
где
dϕ dλ
— дисперсия решетки,
A
=
D f
— относительное отверстие выходного объектива,
D — ширина диафрагмы, f — фокусное расстояние выходного объектива, S′ и S′′ — рас-
стояние между решеткой и зеркалом, зеркалом и выходной щелью соответственно, r — ра-
диус цилиндрического зеркала, θ — угол между средней линией светового потока (интерва-
ла) и нормалью к поверхности спектра.
Из выражения следует, что разрешающую способность системы (при D и A=const )
можно повысить увеличением расстояний S ′ , S ′′ и уменьшением радиуса r цилиндрического
зеркала. Более эффективным является уменьшение r, так как в этом случае не увеличиваются
массогабаритные параметры прибора.
Исследованы изменения спектра излучения ртутной лампы ДРШ-250 в видимой области
спектра после отражения от плоского и цилиндрического зеркал, помещенных на фокальной
плоскости дифракционной решетки. Отраженные лучи проходят через выходную щель и
фиксируются приемно-регистрирующим устройством. Сканирование спектра осуществляется
поворотом дифракционной решетки вокруг оси, проходящей через ее вершину. Приемником
излучения является ФЭУ-85, спектр регистрируется автоматически одноточечным потенцио-
метром.
В спектре, сформированном плоской решеткой и отраженном от плоского зеркала
(рис. 2, а), определяется положение полосы излучений только синей ( λmax = 404—410; 435,8 нм)
и зеленой ( λmax =546,1 нм) линий. В спектре, сформированном вогнутой решеткой и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
82 Т. Г. Дилбазов, Н. Я. Ягубзаде, Е. А. Гусейнова
отраженном от цилиндрического зеркала появляется несимметричность этих полос (рис. 2, б).
С уменьшением диаметра зеркал в отраженном спектре появляются „новые“ полосы с хоро-
шо выраженными максимумами.
а) I, о.е.
б) I, о.е.
400 500 600 λ, нм
400 500 600 λ, нм
Рис. 2
Хорошо изученная [7] зеленая линия ртути возникает в результате перехода 63 P2 −73 S1 и насчитывает 14 компонентов, 4 из которых более интенсивные и принадлежат изотопам
Hg198 , Hg200 , Hg202 , Hg204 . Можно полагать, что наблюдаемые после отражения от цилин-
дрического зеркала новые полосы излучения принадлежат этим изотопам. Новые полосы излучения, появляющиеся в спектре после отражения от цилиндрического зеркала в синей области, также принадлежат изотопам.
Результаты ряда исследований (например, [7, 8]) показывают, что наличие цилиндрического зеркала в дифракционной оптической системе с вогнутой решеткой позволяет использовать высокую разрешающую способность самой решетки. При этом не увеличиваются массогабаритные параметры системы. С помощью таких систем можно создавать спектральные приборы для дистанционных исследований.
Оптическая система с цилиндрическим зеркалом может быть применена с аналогичным эффектом также в дисперсионных системах измерений.
Следует отметить, что выбирая диспергирующий элемент с высокой разрешающей способностью и цилиндрические зеркала с разными покрытиями, можно создавать малогабаритные спектральные приборы с высокой разрешающей способностью также в других областях оптического диапазона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. М.: Машиностроение, 1984. 135 с. 2. Hindblom P., Stenman F. // Appl. Opt. 1989. Vol. 28, N 13. P. 254. 3. Mazzacurati V., Ruokko G., Signarelli G. // Opt. Commun. 1988. Vol. 67, N 6. P. 399. 4. Савушкин Н. В., Соколова А. В., Старцев Г. П. // ОМП. 1989. № 1. C. 34. 5. А. с. № 1453187. СССР / Т. Г. Дилбазов. 1989. БИ № 3. 6. Дилбазов Т. Щ., Йагубзаде Н. Й. // Физика. 2006. Т. 12, № 4. С. 71. 7. Королев Ф. А., Одинцов В. И. // Опт. и спектр. 1956. Т. 1, вып. 1. С. 17. 8. Yaqubzade N. Y., Abbasova R. B., Süleymanova S. A., Dilbazov T. H. // AMAKA xеbеrlеri. 2006. N 2. S. 117.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10
Оптическая система с высокой разрешающей способностью для спектрального прибора 83
Тариел Гаджи оглы Дилбазов Наиля Ягуб кызы Ягубзаде Ельвира Али кызы Гусейнова
Сведения об авторах — канд. физ.-мат. наук; Институт аэрокосмической информатики На-
ционального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку — Институт аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку; E-mail: naile_yaqub@mail.ru — Институт аэрокосмической информатики Национального аэрокосмического агентства республики Азербайджан, отдел исследования и разработки оптико-электронных устройств, старший научный сотрудник, Баку
Рекомендована институтом
Поступила в редакцию 06.07.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 10