В настоящей работе приводятся результаты исследований, полученные с помощью оптической системы, предложенной для создания малогабаритных спектральных приборов с большой дисперсией [1]. Система содержит входную щель, коллиматорный и камерный объективы, диспергирующую призму и цилиндрическое зеркало. Система отличается от классической призменной системы только наличием цилиндрического зеркала, помещенного в фокальной плоскости камерного объектива.
Спектр видимого света, сформированный в фокальной поверхности камерного объектива, отражается цилиндрическим зеркалом, образующая которого расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии призмы. Размеры зеркало выбираются так, чтобы ширина и длина спектра видимого света охватывались полностью.
Спектр попадает на сферическую поверхность под разными углами, вследствие чего угол между отражёнными лучами увеличивается, спектр «растягивается». Поскольку спектральная линия является изображением щели, а спектр - совокупность этих линий, можно говорить об увеличении угловой дисперсии этих лучей. Линейная дисперсия тоже увеличивается, так как линейная и угловая дисперсии связаны [2] соотношением
, (1)
где f- фокусное расстояние камерного объектива; θ - угол между нормалью к поверхности спектра и средним лучом пучка; 
- линейная, 
- угловая дисперсия.
Исследования, посвященные созданию малогабаритных спектральных приборов с высокой дисперсией и разрешающей способностью [3], показали, что изменение линейной дисперсии оптической системы как в призменных, так и в дифракционных системах с цилиндрическим зеркалом идентично и выражается формулой
, (2)
где s´ - расстояние между диспергирующим элементом и зеркалом; 
- расстояние между зеркалом и экраном; r - радиус зеркала; 
- дисперсия диспергирующего элемента.
Следует отметить, что выражение (2) определяет линейную дисперсию системы лишь на плоской поверхности, перпендикулярной главному лучу отраженного пучка для узкого спектрального интервала длин волн (что имеет место в монохроматорах). Если же исследуется широкий спектральный интервал, то для определения линейной дисперсии необходимо решить задачу о форме поверхности экрана, при этом - расстояние от поверхности зеркала до выходной щели вдоль главного луча отраженного пучка.
Из выражения (2) следует, что линейную дисперсию предложенной системы можно увеличить уменьшением r и увеличением . Экспериментально исследована зависимость дисперсии системы от этих параметров.
Излучение спектральной лампы накаливания, направленной на вход системы, коллимируется и заполняет поверхность диспергирующий призмы. Формированный спектр фокусируется на поверхности плоского зеркала, отражается и фиксируется на поверхности экрана, расположенного на определенном расстоянии от зеркала. Измеряется длина спектра, затем плоское зеркало заменяется поочередно цилиндрическими зеркалами с разными диаметрами, и измеряется каждый раз полная длина спектра, вычисляется среднее значение.
В табл.1 приведены результаты этих измерений. На практике чаще пользуются обратной линейной дисперсией, выражая ее в нанометрах на миллиметр. Поэтому в таблице приведены и вычисленные значения обратной линейной дисперсии.
Таблица 1. Зависимоcть дисперсии от диаметра зеркала
|
Диаметр зеркало d, mm |
Длина спектра l, mm |
|
|
|
80 |
170 |
0,48 |
2,08 |
|
50 |
200 |
0,57 |
1,75 |
|
40 |
240 |
0,68 |
1,48 |
|
35 |
310 |
0,88 |
1,13 |
|
30 |
420 |
1,20 |
0,83 |
|
25 |
500 |
1,42 |
0,70 |
|
Плоское зеркало |
21 |
0,06 |
16,8 |
Видно, что после отражения от цилиндрического зеркала, линейная дисперсия системы увеличивается больше двадцати раза по сравнению с отражением от плоского зеркала при постоянном значении расстояния между зеркалом и экраном.
Для измерений зависимости линейной дисперсии от расстояния между зеркалом и экраном измеряется длина спектра, отражённая от плоского зеркала. Затем плоское зеркало заменяется поочередно цилиндрическими зеркалами разных диаметров и измеряется для каждого диаметра зеркала длина спектра в разных расстояниях от зеркала. Эти измерения приведены в табл.2.
Таблица 2. Зависимость дисперсии от растояния между зеркалом и экраном
|
d, mm |
s´, mm |
l, mm |
|
|
|
80 |
25 |
60 |
0,17 |
5,88 |
|
|
40 |
80 |
0,22 |
4,54 |
|
|
60 |
110 |
0,31 |
3,22 |
|
|
95 |
155 |
0,44 |
2,27 |
|
|
130 |
220 |
0,62 |
1,91 |
|
40 |
30 |
105 |
0,30 |
3,33 |
|
|
50 |
140 |
0,40 |
2,50 |
|
|
80 |
190 |
0,54 |
1,85 |
|
|
120 |
260 |
0,74 |
1,35 |
|
35 |
20 |
110 |
0,28 |
3,57 |
|
|
40 |
140 |
0,40 |
2,50 |
|
|
60 |
160 |
0,45 |
2,22 |
|
|
95 |
230 |
0,65 |
1,53 |
|
|
130 |
290 |
0,82 |
1,21 |
|
Плоское зеркало |
|
21 |
0,06 |
16 |
Видно, что линейная дисперсия растет с увеличением расстояния от зеркала до экрана. Линейная дисперсия увеличивается и с уменьшением диаметра зеркала.
Таким образом, исследования показывают, что пользуясь цилиндрическим зеркалом в классических спектрометрических системах, можно создавать приборы с высокой линейной дисперсией, практически не изменяя вес и габариты, не усложняя конструкцию приборов. Такие приборы могут быть полезными для повышения точности определения ультрамалых количеств вещества в абсорбционной спектроскопии.
Наличие цилиндрического зеркала в дисперсионной системе дает возможность более эффективно использовать линейную дисперсию диспергирующего элемента.
Оптическая система с цилиндрическим зеркалом может быть применена не менее эффективно и в дифракционных системах измерений. На рис. показана дифракционная система для многоканального спектрометра.
Рис. 1. Оптическая система для многоканального бортового спектрометра
1 - входная щель; 2 - дифракционная решетка; 3 - цилиндрическое зеркало; 4 - выходная щель.
Выбирая цилиндрическое зеркало с разными покрытиями, можно создавать малогабаритные спектральные приборы с высокой дисперсией также в других областях оптического диапазона.
Если учесть возможности получение высокой дисперсии, отсутствие оптических элементов, ослабляющие и искажающие полезные сигналы, простота конструкции, а также возможность изменение ширины спектрального интервала в отдельных каналах, предложенная система может оказаться полезной, особенно при создании бортовых многоканальных спектральных приборов.
Рецензенты:
- Агаев Ф.Г., д.т.н., профессор, директор Института космических исследований природных ресурсов, г. Баку.
- Аскеров К.А., д.ф.-м.н., директор оптико-механического объединения Министерства оборонной промышленности, г. Баку.
Работа получена 23.08.2011.