Компактный спектрометр для видимого и ближнего ИК диапазонов

Э.Р. Муслимов, Р.Р. Ахметгалеева

ФБГОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ»

Разработана оптическая схема компактного спектрометра для диапазона 430-1100 нм на основе вогнутой голограммной дифракционной решетки и проекционного сферического зеркала. Проведено компьютерное моделирование и макетирование спектрометра. Показаны функциональные и эксплуатационные преимущества схемы.

В настоящее время компактные спектральные приборы для видимой и ближней инфракрасной (БИК) областей спектра чрезвычайно широко востребованы. Они применяются для технологического контроля в таких областях как легкая и пищевая промышленность, сельское хозяйство, производство источников излучения, изготовление тонких пленок, при сортировке отходов и проведении экологического мониторинга. Как правило, приборы данного класса обладают невысоким спектральным разрешением (порядка единиц нанометров). Однако к ним предъявляется ряд специфических требований, таких как минимальные размеры, простота и надежность конструкции, высокое быстродействие, доступность компонентов и др.

Подобный прибор может быть создан на основе оптической схемы спектрографа с вогнутой голограммной дифракционной решеткой (ВГДР) и сферическим проекционным зеркалом. Как показал опыт моделирования и реализации подобных схем [1, 2], использование двух оптических элементов позволяет уменьшить габариты спектрографа, увеличить ее апертуру и повысить качество изображения в сравнении со схемами на базе одиночной вогнутой решетки. При этом требования к точности изготовления компонентов схемы и ее сборки остаются сравнительно невысокими, что позволяет использовать оптические элементы, изготовленные по серийной технологии, и простые механические узлы без точных юстировок.

На основе данной концепции была разработана оптическая схема спектрометра для видимого и БИК диапазона. В качестве исходного приближения была использована оптическая схема малогабаритного спектрографа с одиночной ВГДР, выпускаемой серийно ОАО «НПО ГИПО» (г. Казань). В схему было введено вогнутое сферическое зеркало с малой оптической силой. Далее проводилась численная оптимизация схемы. Параметры ВГДР полагались неизменными, кроме того, задавалась длина спектра, равная длине чувствительной площадки серийной ПЗС-линейки [3] и вводились граничные условия, задающие свободное прохождение рабочих пучков лучей в системе. Оптимизируемыми параметрами являлись координаты всех оптических элементов, радиус кривизны зеркала, а также нижняя граница рабочего спектрального диапазона (верхняя совпадала с границей чувствительности приемника и равнялась 1100 нм). Оптимизируемая функция включала геометрические аберрации системы на средней и крайних длинах волн рабочего диапазона. При оптимизации использовался стандартный взвешенный метод наименьших квадратов. Как показали расчеты, удовлетворительного результата при данной постановке задачи удается достичь, если принять нижнюю границу рабочего спектрального диапазона равной 430 нм и исключить из числа оптимизируемых функций аберрации лучей в сагиттальной плоскости.

В результате была получена оптическая схема спектрографа со следующими параметрами:

1. Рабочий спектральный диапазон 430-1100 нм,

2. Эквивалентное относительное отверстие 1:1,4,

3. Длина спектра на приемнике 16,2 мм,

4. Обратная линейная дисперсия 41,3 нм/мм,

5. Частота штрихов ВГДР 385 штр/мм,

6. Радиус кривизны поверхности ВГДР 40 мм,

7. Радиус кривизны поверхности вогнутого зеркала 182,81 мм.

Оптическая схема спектрометра представлена на рис.1. Ее общие габариты составляют 57,1х46,1х20мм.

Рис.1. Оптическая схема спектрографа:

1 - входная щель, 2 - ВГДР, 3 - проекционное зеркало,

4 - фотоприемник

компактный спектрометр голограммный

Было проведено компьютерное моделирование разработанной оптической схемы. Аберрации спектрометра для контрольных длин волн представлены в табл.1 (значения приведены в мкм).

Табл.1.

Как видно из таблицы, астигматизм спектрометра, не учитывавшийся при оптимизации, достигает значительных величин. Однако вносимая им потеря освещенности изображения компенсируется высокой апертурой схемы. Также для схемы характерна значительная меридиональная кома. Тем не менее, она резко возрастает только на краю зрачка и не оказывает существенного влияния на спектральное разрешение. То же можно сказать и о сагиттальной коме.

Для количественного определения разрешения спектрографа были рассчитаны его аппаратные функции (рис.2.). При расчете ширина входной щели принималась равной 100 мкм. Линейный предел разрешения для средней и крайних длин волн равен 121,6 мкм, 150,4 мкм и 179,2 мкм. С учетом обратной линейной дисперсии соответствующее спектральное разрешение составит 5,0; 6,2 и 7,4 нм.

Рис.2. Аппаратные функции спектрографа

Разработанная оптическая схема была реализована в виде лабораторного макета. Оптические и механические компоненты для макетирования были любезно предоставлены ОАО «НПО ГИПО». Общий вид макета представлен на рис. 3. В качестве источника излучения при юстировке схемы использовался полупроводниковый лазер (л=660 нм), при измерениях - ртутная лампа типа ДРТ с конденсором. В качестве приемника использовался многоканальный регистратор спектров МИРС-1 [4].

Рис.3. Макет спектрографа:

1 - узел входной щели, 2 - ВГДР в оправе, 3 - проекционное зеркало в оправе, 4 - узел фотоприемника

Были экспериментально определены линейная дисперсия и спектральное разрешение макета спектрографа. На рис. 4 приведен спектр излучения ртутной лампы, полученный с помощью макета. Расшифровка спектрограммы показала, что значение обратной линейной дисперсии для макета составляет 48,7 нм/мм. Экспериментальное спектральное разрешение было определено как произведение ширины зарегистрированной линии излучения по уровню 0,5 на экспериментально определенную обратную линейную дисперсию. Результаты сравнения показателей разрешения представлены в табл. 2. Следует отметить, что для обеспечения корректности сравнения подвижки приемника, внесенные в макете, были учтены в компьютерной модели оптической схемы.

Рис.4. Спектр излучения ртутной лампы, зарегистрированный с помощью макета спектрографа

Табл.2.

Как следует из таблицы, значения разрешения, полученные экспериментально для приведенных опорных линий, согласуются с расчетными данными с точностью 1,1-7,7%. Результаты измерений также качественно подтверждают другой вывод, сделанный по результатам моделирования - астигматическое удлинение изображения значительно, однако ввиду высокой апертуры оно практически не сказывается на процессе измерений.

Таким образом, разработана оптическая схема компактного спектрографа широкого применения. Схема отличается малыми габаритами, простотой, доступностью используемых элементов. Как показало компьютерное моделирование и макетирование схемы, она обеспечивает спектральное разрешение до 5 нм, что типично для данного класса. При этом она превосходит многие аналоги (например [5]) по таким параметрам, как апертура и одновременно регистрируемый спектральный интервал. Следует также отметить, что применяемый подход к разработке оптической схемы, основанный на использовании серийной ВГДР, введении дополнительного элемента и численной оптимизации, отличается простотой технической реализации и представляет значительный практический интерес при разработке недорогих спектральных приборов.

Литература

1. Compendium Spectrometer modules/ Carl Zeiss MicroImaging GmbH - Jena: Carl Zeiss, 2009 - 66p.

2. Ахметгалеева Р.Р. Компактный спектрометр высокого разрешения/Р.Р. Ахметгалеева, Э.Р. Муслимов, XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 22-24 мая 2012 года. - Казань: КГТУ им. Туполева, 2012 - Т.4, с.61-64.

3. TSL1402R Linear Array Sensor/ AMS-TAOS USA INC. - Electronic data. - [USA, 1001 Klein Rd., Suite 300, Plano Texas] cop. 2014. - Mode of Access: http://www.ams.com/eng/Products/Light-Sensors/Linear-Array-Sensors/TSL1402R.

4. Регистратор спектров многоканальный измерительный/ ООО «Интек Плюс». - Электрон. дан. - [Казань], cop. 2014. - режим доступа: http://gmirs.ru/instrument001.html.

5. C9405CB Mini-spectrometer/ Hamamatsu Photonics K.K. - Electronic data. - [Hamamatsu City, Shizuoka Pref., Japan] cop. 2014. - Mode of Access: https://www.hamamatsu.com/eu/en/C9405CB.html.

Размещено на Allbest.ru