CZ2014883A3 - Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření - Google Patents
Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2014883A3 CZ2014883A3 CZ2014-883A CZ2014883A CZ2014883A3 CZ 2014883 A3 CZ2014883 A3 CZ 2014883A3 CZ 2014883 A CZ2014883 A CZ 2014883A CZ 2014883 A3 CZ2014883 A3 CZ 2014883A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- lens
- aspherical
- optical
- air
- convex
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 title claims 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 47
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims description 21
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 5
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 13
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 5
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 206010010071 Coma Diseases 0.000 description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Optická soustava vysoce světelného zobrazovacího spektrografu pro detekci spektra elektromagnetického záření, s vysokým rozlišením, určeného pro Ramanovu spektrografii, která obsahuje základní optické prvky, jimiž jsou vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky, fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury. Kolimačním prvkem je kolimační objektiv (7) tvořený dvojicí asférických zrcadel (2, 3), kde v asférickém korekčním zrcadle (3) následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou (1) je vytvořen vstupní otvor (10) a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo (2) je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu (3). Optické osy zrcadel (2, 3) jsou vůči sobě různoběžné. Disperzním prvkem je difrakční mřížka (4) umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků. Fokusačním prvkem je fokusační objektiv (8) tvořený soustavou čoček (9), z nichž alespoň jedna čočka (9.7) má asférickou optickou plochu.
Description
Vynález se týká uspořádání optické soustavy vysoce světelného zobrazovacího spektrografu pro detekci spektra elektromagnetického záření, s vysokým rozlišením, určeného primárně pro Ramanovu spektroskopii v ultrafialové oblasti spektra, zejména pro identifikaci látek při určování jejich složení a struktury a při analýze povrchů či biologických systémů.
Dosavadní stav techniky
V současné době se pro detekci dopadajícího elektromagnetického záření rozlišeného podle vlnových délek využívají zejména spektrografy obsahující základní optické prvky, jimiž jsou: apertura pro vstupující polychromatický, obvykle divergentní, svazek záření - např. štěrbina. Dále kolimační prvek, který převádí divergentní optický svazek vycházející ze vstupní apertury na svazek kolimovaný - rovnoběžný. Dále disperzní prvek, obecně element způsobující refrakční disperzi (rozklad lomem) nebo difrakční disperzi (rozklad ohybem) polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky. Dále obsahují fokusační prvek, který vytváří obraz vstupní apertury - obvykle štěrbiny v určité ťokální rovině v místě výstupní apertury, obvykle na plošném mnohakanálovém detektoru záření, tak, že záření velkého množství vlnových délek je zaznamenáváno současně. Disperzním prvkem u mnohakanálových detektorů bývá nejčastěji difrakční mřížka nebo disperzní hranol.
Poznámka k Ramanově spektroskopii: Ramanova spektroskopie využívá pro studium struktury molekul Ramanova rozptylu. Ramanův rozptyl je nepružný rozptyl optického záření na molekulách zkoumané látky, při kterém je frekvence rozptýleného záření posunuta vůči frekvenci dopadajícího záření o hodnotu, která odpovídá rotačnímu nebo vibračnímu přechodu v molekule. Molekula se může vyskytovat ve stavech, které mají energii nabývající pouze určitých přípustných hodnot - energetických hladin. Vibrační nebo rotační přechod je potom změna stavu molekuly vyznačující se skokovou změnou vibrační nebo rotační energetické hladiny molekuly. Vibrační energetická hladina je možná hodnota energie, kterou nabývá molekula při vibračním pohybu jejích atomů kolem rovnovážné polohy. Rotační energetická hladina je hodnota energie, kterou může nabývat molekula při rotačním pohybu kolem osy procházející jejím těžištěm. Tyto energetické hladiny jsou závislé na konkrétní atomární struktuře i jejich prostorovém uspořádání, tedy na druhu zkoumané látky.
Ramanova spektroskopie se zabývá h4 měřením neelasticky rozptýleného záření (Ramanova rozptylu) na molekulách zkoumané látky. Rozptýlené záření má tedy jinou vlnovou délku než záření dopadající, vlivem interakcí záření s vibračními a v některých případech i rotačními stavy molekul. Takto rozptýlené záření v sobě nese velké množství informace o charakteru a struktuře zkoumané látky. V ultrafialové oblasti spektra cca 205<270 nm je možné dosáhnout rezonančního zesílení Ramanova rozptylu biologicky zajímavých látek (proteinů, nukleových kyselin apod.) a získat tak další unikátní informace o těchto látkách.
Ramanův rozptyl je relativně velmi slabý jev. Na spektrograf pro Ramanovu spektroskopii jsou tedy kladeny vysoké nároky z hlediska jeho světelnosti, tj. množství záření přeneseného na detektor. Dále je potřeba dosáhnout vysokého rozlišení (0,03 0,06 nm) a spektrálního rozsahu desítky nanometrů.
l)0 V současné době používané a komerčně dostupné spektrografy (firmy
Horiba Jobin Yvon, Princeton Instruments, Andor), použitelné i pro Ramanův rozptyl v UV oblasti, se skládají obvykle ze dvou zrcadel a reflexní difrakční mřížky. Případně je optická sestava doplněna ještě o jedno korekční zrcadlo, jak popisuje například Patent US 2013/
Al. Patent spočívá v návrhu zrcadlových zobrazovacích spektrografů, u nichž je soustava kolimační zrcadlo difrakční mřížka - fokusační zrcadlo doplněna ještě o alespoň jedno korekční asférické zrcadlo, jehož účelem je korekce mimoosých vad zobrazení (aberací), především astigmatizmu a komy. Výhodou zrcadlových systémů je jejich achromatičnost (absence barevné vady) a relativně vysoká odrazivost. Nevýhodou je naopak omezená možnost korekce ostatních optických vad, především astigmatizmu a komy. Navíc tyto spektrografy dosahují světelnosti maximálně pouze kolem f/4.
Lepší korekce optických vad, a tedy i vyšší světelnosti, je možné dosáhnout za použití čočkových objektivů. Ve viditelné spektrální oblasti jsou tyto systémy o světelnosti až f/1.8 a za použití transmisních mřížek (firma
Kaiser, model Holospec f/1,8) velice dobře dostupné. Zcela jiná je ovšem situace v ultrafialové spektrální oblasti, především díky limitovanému množství transparentních optických materiálů. Jsou vysoké nároky na konstrukci objektivů, roste složitost systému a jeho cena. V odborné literatuře je popsán pouze jeden spektrograf pracující v UV spektrální oblasti obsahující čočkové objektivy jako kolimačního i fokusačního prvku, který dosahuje nominální
42* světelnosti f/2. Tento systém ale dosahuje spektrálního rozlišení pouze 12/14 cm'1 a jeho propustnost je omezena jak ztrátami na površích, tak i vinětací (stínění okrajových částí svazku) z důvodu velké vzdálenosti mezi kolimačním a fokusačním objektivem.
Úkolem vynálezu je vytvořit spektrograf, který dosahuje vyšší světelnosti (f/2), než je tomu u zrcadlových systémů, při zachování vysokého spektrálního rozlišení potřebného pro Ramanovu spektroskopii a při dosažení vyšší propustnosti, než je tomu u plně čočkového systému. Spektrograf by měl být použitelný pro mnohokanálové detektory vybavené chlazeným čipem detektoru a krycím sklem. Je požadováno využití kruhové pupily fokusačního objektivu pro difragovaný svazek záření. Systém musí umožňovat přeladitelnost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difrakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
Podstata vynálezu
Uvedený úkol do velké míry splňuje zobrazovací spektrograf s vysokým '5 rozlišením, určený pro Ramanovu spektroskopii v hluboké ultrafialové oblasti, s vysokým rozlišením, jehož optická soustava obsahuje základní optické prvky, jimiž jsou: vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční jM disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky a fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury. Podstata vynálezu spočívá v tom, že kolimačním prvkem je kolimační objektiv tvořený dvojicí asférických zrcadel, kde v asférickém korekčním zrcadle následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou je vytvořen vstupní otvor a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu. Optické osy zrcadel jsou vůči sobě různoběžné. Disperzním prvkem je difrakční mřížka, a/nebo disperzní hranol, umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků. Fokusačním prvkem je fokusační objektiv tvořený soustavou čoček, z nichž 20 alespoň j edna má alespoň j ednu asférickou optickou plochu.
Optické osy zrcadel jsou vůči sobě natočeny ve výhodném provedení o lsXaž 22°, úhel mezi optickými soustavami objektivů může být s výhodou 60&až
80°. Je obvyklé, že asférické plochy v optické soustavě mohou být definovány >
vztahem z =--- . . = + Y, kde c je křivost povrchu (převrácená l + ýl-(l + K)c2r2 .
hodnota poloměru), Kje kónická konstanta, r je radiální souřadnice a A, jsou asférické koeficienty.
Materiál fokusačního objektivu může být je jednak CaF2, jednak tavený křemen.
Vyšším účinkem spektrografu s optickou soustavou podle vynálezu je, že dosahuje vyšší světelnosti (f/2), než je tomu u zrcadlových systémů, při Jů zachování vysokého spektrálního rozlišení potřebného pro Ramanovu spektroskopii. Také je dosaženo vyšší propustnosti, než je tomu u plně čočkového systému. Spektrograf lze využít s mnohokanálovými detektory vybavenými chlazeným čipem detektoru a krycím sklem. Výhodné je i využití kruhové pupily fokusačního objektivu pro difragovaný svazek záření. Vynález umožňuje přeladitelnost, tedy změnu rozsahu vlnových délek, pouhým otočením difrakční mřížky a malou změnou polohy a orientace detektoru - zaostřením do fokusační roviny.
Objagneni' výkrmu.
/Přehled obrázků-na- výkrcseeh-4
Vynález bude blíže vysvětlen za pomoci příkladů provedení doplněných výkresy:
obr. 1 je provedení s kolimačním objektivem tvořeným dvojicí zrcadel a s difrakční mřížkou a se sedmičočkovým fokusačním objektivem obr. 2 je jednodušší provedení s difrakční mřížkou jako disperzním prvkem, kdy fokusační objektiv je tvořen jedním zrcadlem,
X obr. 3 představuje příklad provedení s dvojicí zrcadel v kolimačním objektivu a soustavou pěti čoček ve fokusačním objektivu, obr. 4 znázorňuje příklad provedení, kdy rozklad polychromatického svazku je realizován disperzní soustavou sestávající z kombinace mřížky a hranolu.
Příklady 4)ro veden? vynálezu
Příklad 1
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 1, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního 2 a korekčního 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 takové velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek 11 vycházející ze štěrbiny 1 projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv 8 je tvořen soustavou 9 sedmi čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , 9.6 , 9.7 , přičemž jedna z nich má asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U difrakční mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku 11 na detektor 6, prochází tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 1.
cr2
Asférická plocha je definovaná vztahem z =---—..................:—— + V Airi l + ýl-(l + K)c2r2 ·
X kde c je křivost povrchu (převrácená hodnota poloměru), K je kónická konstanta, r je radiální souřadnice a At jsou asférické koeficienty.
Parametry jednotlivých optických prostředí a až g optické soustavy dle obr. 1 jsou uvedeny v následující tabulce 1, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
Tabulka 1: Parametry spektrografu dle obr. 1
| Příklad 1 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| 1 | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina j |
| a | 401.789 | -180 | zrcadlo | Hlavní asférické zrcadlo 2 K = 0.107497, A4 = -1.572858E-9, A6 = - 1.006896E-13, A8 = 1.991723E-17, A10 = -1.855797E-21 |
| b | 93476.4 | 200 | zrcadlo | Korekční asférické zrcadlo 3 K = -4995714, A4 = -2.348767E-9, A6 = -2.497952E-13, A8 = 4.020043E-17, |
| A|0 =-3.148018E-21 natočeno o 20^; | ||||
| c | rovina | 80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o -0.7^ (pro rozsah vlnový délek w 250 λ 272 nm) |
| úhel mezi optickými osami objektivů 7, 8 = 68° | ||||
| d | 224.497 | -6.293 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| e | 182.502 | -8.242 | vzduch | |
| f | 57.558 | -20.004 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| g | -93.609 | -0.296 | vzduch | |
| h | -63.458 | -16.898 | CaF2 | čočka 9.3 |
| i | 68.974 | -0.175 | vzduch | |
| j | 107.435 | -10.172 | CaF2 | čočka 9.4 |
| k | 97.214 | -6.266 | vzduch | |
| 1 | 51.565 | -4.987 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| m | -41.336 | -0.619 | vzduch | |
| n | -42.117 | -20.034 | CaF2 | čočka 9.6 |
| 0 | 72.268 | -42.402 | vzduch | |
| P | -52.762 | -18.005 | tavený křemen | Čočka 9.7. K = -15.14056, A4 = -9.654539E-6, A6 = 2.199664E-8, A8 - -1.537923E-11 |
| q | -28.218 | -8.772 | vzduch | |
| r | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
ΙΟ
| s | rovina | -9 | vzduch | ||
| obraz | rovina | detektor 6 | |||
| *Kde K značí konicitu a Aj | ostatní asférické koeficienty |
Příklad 2
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 2, se na rozdíl od předchozího příkladu provedení skládá z mimoosového bikónického - asférického zrcadla 2. Fokusační objektiv 8 se skládá ze sedmi čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , 9.6 , 9.7. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U difrakční mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Na kolimační objektiv 7 tvořený jedním hlavním zrcadlem 2 dopadá polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1 a odráží se na difrakční mřížku 4 . Na difrakční mřížce 4 dochází k difrakci světelného svazku - rozkladu na polychromatický svazek vlivem ohybu světla na mřížce 4 . Před dopadem světelného svazku na detektor 5, může a nemusí procházet tento svazek krycím sklem 4, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch v tomto konkrétním příkladu provedení jsou uvedeny dále v tabulce 2 .
Xb Tabulka 2 : Parametry spektrografu podle obr.2:
| Příklad 2 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 1 |
| a | * | -190 | Zrcadlo | Zrcadlo 2 bikónický povrch poloměr r1 = -400.023; iq = -0.999427 poloměr r2 (kolmý na η) = -400.370; K2 = 0.998466 |
| b | rovina | 80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; natočena o -6.88Í0 (pro rozsah vlnových (Al1' délek 205 χ 220 nm) |
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| c | 77.288 | 5.977 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| d | 233.929 | 7.676 | vzduch | |
| e | -84.931 | 20.012 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| f | 64.985 | 1.869 | vzduch | |
| g | 54.381 | 25.005 | CaF2 | čočka 9.3 |
| h | -85.406 | 0.181 | vzduch | |
| i | 115.500 | 10.081 | CaF2 | čočka 9.4 |
| j | -93.643 | 5.606 | vzduch | |
| k | -54.296 | 15.016 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| 1 | 42.624 | 3.859 | vzduch |
| m | 49.866 | 20.015 | CaF2 | čočka 9.6 |
| n | -76.024 | 45.024 | vzduch | |
| 0 | 34.906 | 18.024 | tavený křemen | čočka 9.7 |
| P | 26.760 | 10.022 | vzduch | |
| q | rovina | 1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| r | rovina | 9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| * | <de Kj značí konicitu |
Průřez svazku dopadající na fokusační objektiv 8 je přibližně kruhový, zatímco průřez svazku vycházející z kolimačního objektivu 7 a dopadající na difrakční mřížku 4 má průřez eliptický.
*
Příklad 3
Příklad provedení 3 se liší od příkladu 1 tím, že fokusační objektiv 8 se skládá z pěti čoček 9.1 , 9.2,9.3,9.4,9.5 .
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena )(( na obr. 3, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního zrcadla 2 a korekčního zrcadla 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1. projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv se skládá z pěti čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , přičemž tři z nich mají ,15. asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Mezi kolimačním objektivem 7 a fokusačním objektivem 8 je umístěna difrakční mřížka 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku na detektor 6, může procházet tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6. Parametry jednotlivých optických ploch jsou uvedeny dále v tabulce 3. Asférická plocha je definovaná vztahem z =.........= + Y. Parametry jednotlivých optických l + ýl-(l + K)c2r2 .
prostředí a až o optické soustavy dle obr. 2 jsou uvedeny v následující tabulce 2, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
Tabulka 3: Parametry příkladu 3 provedení spektrografu:
| Příklad 3 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 4 |
| a | -401.79 | -180 | zrcadlo | Hlavní zrcadlo 2 , * K = 0.107491, A4 — - 1.572926E-9, A6 - -1.006967E-13, A8 = 1.991713E-17, A10 = -1.844422E-21 |
| b | 93664.6 | 200 | zrcadlo | Korekční zrcadlo 3 , natočeno 0 20(°; K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A6 = -2.501973E-13, A8 = 4.018759E-17, A10 =-3.162602E-21 |
| c | rovina | -80 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 0 frekvenci 3600 čar/mm; |
| natočena o -2.71° (pro rozsah vlnový délek 218^234 nm) | ||||
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| d | -72.079 | -3.000 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| e | -41.655 | -1.000 | vzduch | |
| f | -36.205 | -18.125 | tavený křemen | čočka 92 K = -0.011368, A4 = 3.305605E-7, A6 = 2.311898E-9, A8 = -7.310637E-13 |
| g | 70.164 | -4.099 | vzduch | |
| h | 54.186 | -3.275 | CaF2 | čočka 9.3 |
| i | -37.146 | -0.498 | vzduch | |
| j | -37.695 | -20.002 | CaF2 | čočka 9.4 |
| k | 75.983 | -39.398 | vzduch | K = -0.619901, A4 = 7.664860E-7, A6 = 2.173671E-9, A8 = -3.028988E-12 |
| 1 | -59.329 | -20.000 | tavený křemen | čočka 92 K = -2.313735, A4 = 4.698205E-7, A6 = 1.901152E-8, A8 = -2.225080E-11 |
| m | -36.803 | -10.314 | vzduch | |
| n | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| 0 | rovina | -9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde K značí konicitu a A4 až A10 ostatní asférické koeficienty |
Příklad 4
Příklad provedení č. 4, podle obr. 4, se liší oproti příkladu 1. provedení tím, že obsahuje navíc jeden disperzní hranol 41 v optické sestavě. Optický hranol 41 má dvě funkce: jednak vlivem zvýšení celkové disperze systému zvýší i spektrální rozlišení, jednak dojde ke kompenzaci rozšíření svazku (amanorfickému zmenšení) na difrakční mřížce 4, takže kolimovaný svazek dopadající a vycházející ze soustavy disperzních prvků 41,4 má přibližně kruhový průřez.
Kolimační objektiv 7 spektrografu, jehož optická soustava je vyobrazena na obr. 4, se skládá ze dvou asférických zrcadel 2,3 , hlavního zrcadla 2 a korekčního zrcadla 3. Asférické korekční zrcadlo 3 má ve svém středu otvor 10 dostatečné velikosti, aby mohl polychromatický divergentní světelný svazek vycházející ze štěrbiny 1 projít a nebyl na okrajích vinětován. Fokusační objektiv 8 se skládá ze sedmi čoček 9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4,9.5 , 9.6,9.7. přičemž jedna z nich má asférický povrch. Jako materiál jednotlivých optických elementů fokusačního objektivu 8 je zvolena kombinace taveného křemene a CaF2. Jako disperzní element je mezi kolimačním objektivem a fokusačním objektivem umístěna kombinace hranolu 41 a difrakční mřížky 4 s frekvencí 3600 čar/mm. U mřížky 4 se využívá 1. difrakčního řádu, kde je účinnost > 40 %. Před dopadem světelného svazku na detektor 7, může procházet tento svazek krycím sklem 5, jenž je součástí detektoru 6.
X
Asférická plocha je definovaná vztahem z =----π— .....·.—+ Y 4/, .
l + ýl-(l + K)c-rParametry jednotlivých optických prostředí a až u optické soustavy dle obr. 4 jsou uvedeny v následující tabulce 4, kde rozměry jsou uvedeny v mm.
Tabulka 4: Parametry příkladu provedení č. 4 spektrografu
| Příklad 4 provedení vynálezu (rozměry v mm) | ||||
| plocha | poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| předmět | rovina | 200 | vzduch | Štěrbina 4 |
| a | -401.79 | -180 | zrcadlo | Hlavní zrcadlo 2, K = 0.107491, A4 = -1.572926E-9, A6 = -1.006967E-13, A8 = 1.991713E-17, A10 = -1.844422E-21 |
| b | 93664.6 | 300 | zrcadlo | Korekční zrcadlo 3 , natočeno o 20 ^ K = -4995723, A4 = -2.342046E-9, A6 = -2.501973E-13, A8 = 4.018759E-17, Λ10 =-3.162602E-21 |
| c | rovina | 35 * | tavený křemen | Hranol 41 , - úhel natočení 56.38 j°. v 5 Vrcholový úhel 18Í°. |
| d | rovina | 169.26 | vzduch | |
| e | rovina | -90 | zrcadlo | difrakční mřížka 4 o frekvenci 3600 čar/mm; |
| natočena o 3.5^° (pro rozsah vlnový délek 218 ^234 nm) | ||||
| úhel mezi dopadajícím svazkem na difrakční mřížku 4 a optickou osou fokusačního objektivu 8 je 68° | ||||
| f | 224.724 | -9.511 | tavený křemen | Čočka 9.1 |
| g | 182.405 | -9.187 | vzduch | |
| h | 57.466 | -18.616 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| i | -94.675 | -0.515 | vzduch | |
| j | -63.907 | -16.996 | CaF2 | čočka 9.3 |
| k | 68.392 | -0.158 | vzduch | |
| 1 | 108.433 | -10.276 | CaF2 | čočka 9.4 |
| m | 95.827 | -6.298 | vzduch | |
| n | 51.242 | -6.647 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| 0 | -41.349 | -0.977 | vzduch | |
| P | -42.500 | -20.147 | CaF2 | Čočka 9.6 |
| q | 71.780 | -42.226 | vzduch | |
| r | -56.418 | -17.998 | tavený | čočka 9.7 |
| křemen | K = -15.31897, A4 = -7.803339E-6, A6 - 1.732514E-8, A8 = -1.043447E-11 | |||
| s | -31.282 | -8.077 | vzduch | |
| t | rovina | -1 | tavený křemen | krycí sklo 5 |
| u | rovina | -9 | vzduch | |
| obraz | rovina | detektor 6 | ||
| *Kde K značí konicitu a A4 | až Aio ostatní asférické koeficienty |
Další parametry společné pro všechny příklady provedení:
Světelnost spektrografu: min. f/2
Ohnisková vzdálenost fokusačního objektivu 8 : 100 mm
Rozlišení objektivů 7,8 : 40 čar/mm
Absolutní hodnota zvětšení optické sestavy: 0,5x
Spektrograf je určen pro mnohokanálové chlazené detektory 6 s těmito iď parametry:
- velikost zobrazovaného pole min. 15><6 mm
- velikost pixelu: 13x13 |un| až 26 χ 26 pm
- krycí sklo 5 z taveného křemene o tloušťce 0*1.5 mm
Spektrální rozlišení spektrograťu je závislé na zvoleném spektrálním rozsahu (excitační vlnové délce) a například pro zmiňovaný příklad 1 provedení vynálezu je uvedeno v tabulce 5:
Tabulka 5: Spektrální rozlišení pro různé konfigurace spektrograťu.
| Konfig. | Exc. vlnová délka (nm) | Úhel natočení mřížky 4 (deg) | Spektrální rozlišení (cm'1) | ||
| 500 cm'1 | 1800 cm'1 | 3200 cm’1 | |||
| 1 | 250 | -0.7 | 8.9 | 7.1 | 4.4 |
| 2 | 240 | 1.0 | 9.9 | 8.2 | 5.7 |
| 3 | 230 | 2.7 | 11.3 | 9.4 | 7.0 |
| 4 | 218 | 4.4 | 13.0 | 11.0 | 9.0 |
| 5 | 205 | 6.5 | 14.9 | 13.3 | 11.3 |
Provedení vynálezu se nemusí omezovat jen na uvedené příklady provedení.
Prakticky mohou být hodnoty jednotlivých parametrů fokusačního objektivu 8 v dále uvedených rozmezích:
X
Tabulka 6: Možný rozsah parametrů fokusačního objektivu 8
Rozsah parametrů fokusačního objektivu 8 (rozměry v mm)
| poloměr | tloušťka | materiál | poznámky |
| -210--230 (konvexní) | -5--10 | tavený křemen | čočka 9.1 |
| 180-190 (konvexní) | -7--10 | vzduch | |
| 55-58 (konkávní) | -7 - -20 | tavený křemen | čočka 9.2 |
| -90--100 (konkávní) | -0.25 - -0.5 | vzduch | |
| -60 - -65 (konvexní) | -15--20 | CaF2 | čočka 9.3 |
| 65 - 75 (konvexní) | -0.15-0.2 | vzduch | |
| -100--110 (konvexní) | -10 - -12 | CaF2 | čočka 9.4 |
| 80 - 100 (konvexní) | -4 --7 | vzduch | |
| 50- 55 (konkávní) | -5--15 | tavený křemen | čočka 9.5 |
| -35 - -45 (konkávní) | -0.5 - -2 | vzduch | |
| -40 - -45 (konvexní) | -20 - -25 | CaF2 | čočka 9.6 |
| 70- 75 (konvexní) | -35 - -45 | vzduch | |
| -50 - -65 (konvexní) | -17 --19 | tavený křemen | čočka 9.7 K = -15--20 A4 = -6--10E-6 A6= 1.5-2.5E-8 A8 = -l --1.6E-11 |
| -25 --35 (konkávní) | -7--10 | vzduch | |
| Kde K značí konicitu a A, ostatní asférické koeficienty |
Funkce optické soustavy podle vynálezu, resp. funkce spektrografu podle příkladu 1 a 3 je následující:
Polychromatický divergentní světelný svazek vstupuje do soustavy / spektrografu štěrbinou 1, prochází otvorem 10 v asférickém korekčním zrcadle 3
| 3 | a dopadá na hlavní korekční zrcadlo 2, od kterého se odráží. Vzhledem k tvaru hlavního korekčního zrcadla 2 a faktu, že štěrbina 1 leží v blízkosti jeho ohniska, stává se z divergentního svazku po odrazu svazek téměř kolimovaný. Svazek dále pokračuje k asférickému korekčnímu zrcadlu 3, od kterého se taktéž odráží, a vlivem jeho asférickému povrchu se svazek stává ještě více kolimovaným. Tento kolimovaný svazek pak dopadá na reflexní difrakční mřížku 4. Při dopadu svazku na mřížku 4 dojde k difrakci a od mřížky 4 a rozložení polychromatického svazku na jednotlivé monochromatické svazky, které se pak dále šíří pod různými úhly, odpovídajícími jejich vlnovým délkám. Tyto svazky |
| pak procházejí sedmi-čočkovým fokusačním objektivem 8 , jehož úkolem je svazky zaostřit na detektor 6. Před dopadem na detektor 6 procházejí svazky krycím sklem 5 , které slouží jako ochrana detektoru 6 . Průmyslová využitelnost | |
| Μ | Vynález lze aplikovat v zobrazovacích spektrografech s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření. Spektrografy s aplikovaným vynálezem lze průmyslově vyrábět. |
Claims (5)
- Patentové nároky1. Optická soustava zobrazovacího spektrografu pro detekci spektra elektromagnetického záření v UV oblasti, s vysokým rozlišením, určeného pro Ramanovu spektroskopii v hluboké ultrafialové oblasti, obsahující základní optické prvky, jimiž jsou: vstupní apertura pro vstupující polychromatický divergentní svazek paprsků elektromagnetického záření, kolimační prvek pro kolimaci vstupujícího divergentního svazku paprsků, disperzní prvek pro refrakční nebo difrakční disperzi polychromatického svazku na svazky monochromatické dle vlnové délky, fokusační prvek pro vytvoření obrazu vstupní apertury ve fokální rovině v místě výstupní apertury, vyznačující se tím, že kolimačním prvkem je kolimační objektiv (7) tvořený dvojicí asférických zrcadel (2,3), kde v asférickém korekčním zrcadle (3) následujícím za vstupní aperturou tvořenou štěrbinou (1) je vytvořen vstupní otvor (10) a vzdálenější asférické hlavní zrcadlo (2) je umístěno vydutou plochou proti asférickému korekčnímu zrcadlu (3), přičemž optické osy zrcadel (2,3) jsou vůči sobě různoběžné, přičemž disperzním prvkem je difrakční mřížka (4), a/nebo disperzní hranol (41), umístěná v dráze svazku kolimovaných paprsků, přičemž fokusačním prvkem je fokusační objektiv (8) tvořený soustavou (9) čoček, z nichž alespoň jedna čočka (9.7) má alespoň jednu asférickou optickou plochu.
- 2. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že optické osy zrcadel (2,3) jsou vůči sobě natočeny o 18^ až 22°.
- 3. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že úhel mezi optickými soustavami objektivů (7,8) je 60*až 80°.
- 4. Optická soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál čoček (A (9.1 , 9.2 , 9.3 , 9.4 , 9.5 , 9.6 , 9.7) fokusačního objektivu (8) je jednakCaF2, jednak tavený křemen.
- 5. Optická soustava zobrazovacího spektrografu podle nároku 1, vyznačující se tím, že fokusační objektiv (8) má parametry:
Poloměr (mm) Tloušťka (mm) materiál element -210 + -230 (konvexní) -5 + -10 tavený křemen čočka 9,1 180 + 190 (konvexní) -7 + -10 vzduch 55 + 58 (konkávní) -7 + -20 tavený křemen čočka 9.2 -90 + -100 (konkávní) -0.25 + -0.5 vzduch -60 + -65 (konvexní) -15 + -20 CaF2 čočka 9.3 65 + 75 (konvexní) -0.15 + 0.2 vzduch -100 + -110 (konvexní) -10 + -12 CaF2 čočka 9.4 80 + 100 (konvexní) -4 +-7 vzduch 50 + 55 (konkávní) -5 + -15 tavený křemen čočka 9.5 -35 + -45 (konkávní) -0.5 + -2 vzduch X4Q-40 + -45 (konvexní) -20 +-25 CaF2 čočka 9.6 70 + 75 (konvexní) -35 +-45 vzduch -50 + -65 (konvexní) -17 +-19 tavený křemen čočka 9.7 K = -15 +-20 A4 = -6 + -lOE-6 A6= 1.5 + 2.5E-8 A8 = -l +-1.6E-11 -25 + -35 (konkávní) -7 + -10 vzduch Kde K značí konicitu a Aj ostatní asférické koeficienty
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ2014883A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ2014883A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ305560B6 CZ305560B6 (cs) | 2015-12-09 |
| CZ2014883A3 true CZ2014883A3 (cs) | 2015-12-09 |
Family
ID=54771433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-883A CZ2014883A3 (cs) | 2014-12-10 | 2014-12-10 | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2014883A3 (cs) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ308821B6 (cs) * | 2018-12-20 | 2021-06-16 | Meopta - Optika, S.R.O. | Fokusační objektiv pro spektrální analyzátor a spektrální analyzátor |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000304613A (ja) * | 1999-04-21 | 2000-11-02 | Yokogawa Electric Corp | 分光装置 |
| JP3700464B2 (ja) * | 1999-04-26 | 2005-09-28 | 横河電機株式会社 | 分光装置 |
| GB2362460A (en) * | 2000-05-19 | 2001-11-21 | William Howard Considine | Spectroscope |
| FR2970075B1 (fr) * | 2011-01-03 | 2013-02-01 | Centre Nat Etd Spatiales | Spectrometre imageur a grand champ |
| CN102156100A (zh) * | 2011-04-06 | 2011-08-17 | 浙江大学 | 基于多光谱的多点采样多参数水质在线分析系统 |
| US8773659B2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-07-08 | Roper Scientific Inc. | Anastigmatic imaging spectrograph |
-
2014
- 2014-12-10 CZ CZ2014-883A patent/CZ2014883A3/cs not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ305560B6 (cs) | 2015-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2013208241B2 (en) | Anastigmatic imaging spectrograph | |
| US5644396A (en) | Spectrograph with low focal ratio | |
| US5285255A (en) | Optical system for spectral analysis | |
| CN108020516A (zh) | 光谱仪或成像光谱仪 | |
| US20070165224A1 (en) | Grating monochromator / spectrograph | |
| US10656411B2 (en) | Optical system for field mapping and/or pupil mapping | |
| CZ305559B6 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| US20130329283A1 (en) | Catadioptric optical system with total internal reflection for high numerical aperture imaging | |
| Kraus et al. | Compact double-pass Echelle spectrometer employing a crossed diffraction grating | |
| CZ2014883A3 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| CZ28186U1 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| CZ28187U1 (cs) | Optická soustava zobrazovacího spektrografu s vysokým rozlišením pro Ramanovu spektroskopii v hluboké UV oblasti záření | |
| WO2017074908A1 (en) | Broadband catadioptric microscope objective with small central obscuration | |
| Oliva et al. | Updated optical design and trade-off study for MOONS, the Multi-Object Optical and Near Infrared spectrometer for the VLT | |
| JP7246466B2 (ja) | 迷光低減を伴うモノクロメータ | |
| KR20160143969A (ko) | 평면거울 및 렌즈를 이용한 성능개선 분광기 | |
| US12504614B2 (en) | Multi-immersion microscope objective with minimally refractive surfaces | |
| RU2611712C2 (ru) | Дифракционный полихроматор со скрещенной дисперсией | |
| CZ2018725A3 (cs) | Fokusační objektiv pro spektrální analyzátor a spektrální analyzátor | |
| JP2001264169A (ja) | 分光装置 | |
| JPS6366423A (ja) | 分光照射装置 | |
| NL1042341B1 (nl) | Aberratievrije telescoop en collimator voor een imaging spectrometer | |
| EP3594642A1 (en) | Imaging spectograph utilizing the zero order of the diffraction grating | |
| Garcia et al. | Image transformer for spectroscopy | |
| JPS5854310A (ja) | リトロ−型分光器用光学系 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20221210 |