Например, Бобцов

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