Оптические схемы спектральных приборов с неклассическими дифракционными решетками и многоэлементными приемниками оптического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Марков, Сергей Николаевич

• Марков, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Марков, Сергей Николаевич

Введение.

Глава 1. Спектральные приборы с вогнутыми дифракционными решётками.

1.1. Оптические системы спектральных приборов с ВДР.

1.1.1. Основные характеристики оптических систем спектральных приборов с ВДР.

1.1.2. Критерии качества спектрального изображения.

1.2. Расчёт аберрационных характеристик различных типов ВДР.

1.2.1. Функция оптического пути.

1.2.2. Параметры штрихов решётки.

1.3. Приёмники излучения, применяемые в спектральных приборах.

1.3.1. Классификация приёмников излучения.

1.3.2. Основные оптические параметры и типы многоэлементных приемников излучения.

Глава 2. Разработка методов оптимизации оптических схем и параметров вогнутых дифракционных решёток.

2.1. Минимизация аберраций 1-го порядка.

2.1.1. Схемы с фокусировкой на окружности Роуланда.

2.1.2. Схемы с фокусировкой на плоскости.

2.1.3. Схемы с фокусировкой на окружности.

2.2. Минимизация аберраций 2-го и 3-го порядков.

2.2.1. Оценочные функции.

2.2.2. Оптимизация параметров дифракционных решёток и схем для их использования.

2.3. Реализация методов расчёта.

Глава 3. Расчёт оптимальных схем спектрографов.

3.1. Схемы с плоской поверхностью регистрации спектра.

3.1.1. Симметричные схемы.

3.1.2. Несимметричные схемы.

3.2. Схемы с круговой поверхностью регистрации спектра.

3.2.1. Фокусировка на окружности Роуланда.

3.2.2. Фокусировка на окружности ближайшей к фокали.

3.3. Оптимизация параметров оптического тракта спектрометра.

Глава 4. Реализация спектральных приборов.

4.1. Малогабаритный спектрометр «FSD8».

4.2. Монолитный спектрометр «OPTUS».

4.3. Десятиканальный мульти-демультиплексор для ВОСП.

4.4. Полихроматор атомно-эмиссионного спектрометра «ЛАЭС-спектр».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические схемы спектральных приборов с неклассическими дифракционными решетками и многоэлементными приемниками оптического излучения»

Актуальность работы

Как известно, оптическая система спектрального прибора состоит из коллимирующего, диспергирующего и фокусирующего элементов. Объединить функции этих оптических элементов в одном впервые удалось Роуланду, когда он создал вогнутую сферическую отражательную дифракционную решётку [1]. С тех пор шло совершенствование решёток, в частности, появились неклассические вогнутые дифракционные решётки (ВДР) с неравноотстоящими искривлёнными штрихами, аберрации которых скорригированы [2-5]. Появление многоэлементных приёмников излучения (МПИ), как и в большинстве оптико-электронных приборов [6], принесло большие преимущества, связанные с оперативностью регистрации спектров и возможностью их обработки на компьютере. Новые возможности в выборе оптической схемы прибора возникают также при использовании ввода и вывода излучения с помощью оптических волокон.

Применение новой элементной базы невозможно без создания методов расчёта и оптимизации их аберрационных и энергетических характеристик, а также разработки оптических систем приборов и устройств, максимально полно реализующих преимущества неклассических ВДР и МПИ. Решению этих актуальных вопросов посвящена настоящая работа.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание универсальных методов расчёта характеристик и оптимизации параметров ВДР и разработка на этой основе оптических систем приборов и устройств с повышенными оптическими и эксплуатационными характеристиками.

Указанная цель достигается путём решения следующих задач: - разработка методов оптимизации параметров решёток и схем для их использования;

- расчёт новых оптических схем с максимальным использованием преимуществ, даваемых многоэлементными приёмниками;

- разработка оптических систем нового поколения приборов с учётом их применения в различных областях науки и техники.

Объект исследования

Спектральные приборы и волоконно-оптические устройства с неклассическими дифракционными решётками. Методика исследования

Рассмотрение вопросов в диссертационной работе основано на анализе литературных данных, выполнении теоретических исследований и проверке достоверности результатов по данным численного моделирования и экспериментальных исследований. Научная ценность работы

Научная ценность работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Получены выражения для интегральных критериев качества изображения спектрального изображения, даваемого вогнутой решёткой, включающие в себя функцию зрачка оптической системы.

2. Разработан численно^- 'аналитический метод, в котором, наряду с оптимизацией параметров вогнутых дифракционных решёток, проводится автоматический выбор оптической схемы.

3. Разработан аналитический метод компенсации дефокусировки с одновременной оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения.

4. Получены оптимальные оптические схемы спектрометров с плоским и круговым полями изображения.

5. Предложены новые малогабаритные многощелевые вертикальные схемы с повышенными характеристиками.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в: 1. Программной реализации:

• аналитического метода минимизации дефокусировки с оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения и частоте штрихов.

• численно-аналитического метода оптимизация оптической схемы, включая угол падения излучения на решётку и частоту штрихов.

2. Рекомендациях по применению вогнутых нарезных и голограммных решёток в различных типах спектральных приборов.

3. Разработке и создании спектральных приборов нового поколения:

• Малогабаритного спектрометра «FSD8»;

• Монолитного спектрометра «OPTUS»;

• Десятиканального мульти-демультиплексора для ВОСП;

• Полихроматора атомно-эмиссионного спектрометра «ЛАЭС-спектр». На защиту выносятся:

1. Численно-аналитический метод оптимизации параметров ВДР, гарантирующий нахождение глобального минимума функции в виде интегрального критерия качества спектрального изображения, включающего функцию зрачка при автоматическом выборе оптической схемы спектрометра.

2. Аналитический метод компенсации дефокусировки с одновременной оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения.

3. Результаты расчётов и анализ оптимальных оптических схем спектрометров с плоским и круговым полями изображения.

4. Оптические схемы и результаты испытаний изготовленных приборов для различных видов спектрального анализа, а также демультиплексоров для волоконно-оптических линий связи.

Личный вклад автора

Все принципиальные предложения по методам оптимизации принадлежат автору. Им разработана большая часть методов и алгоритмов расчёта оптических систем. При его участии проведены проектирование оптико-электронной системы приборов, а также их конструкции. Он принимал участие в юстировке, наладке приборов и анализе результатов их испытаний. Апробация работы

Основные результаты представлены на 2 международных конференциях и научно-технической конференции студентов и молодых ученых МИИГАиК. Публикации

По материалам диссертационной работы опубликованы 6 научных работ, из них 3 статьи, 2 труды и 1 тезисы конференций. Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Общий объём составляет: 141 страница машинописного текста, 30 таблиц, 33 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Марков, Сергей Николаевич

Заключение

1. Разработан и реализован численно-аналитический метод, в котором наряду с оптимизацией всех параметров вогнутых дифракционных решёток, проводится автоматический выбор оптической схемы.

2. Разработан и реализован аналитический метод компенсации дефокусировки с одновременной оптимизацией всех параметров оптической схемы спектрометра с плоским полем при заданном угле падения.

3. Разработаны методики оптимизации функции зрачка оптической схемы спектрального прибора с вогнутой решёткой.

4. Получены оптимальные оптические схемы спектрометров с плоским и круговым полем изображения. Даны рекомендации по применению тех или иных видов вогнутых нарезных и голограммных решёток в различных типах спектральных приборов.

5. Предложены новые малогабаритные много щелевые вертикальные схемы спектральных приборов с повышенными характеристиками.

6. На базе полученных результатов созданы спектральные приборы нового поколения:

Малогабаритный спектрометр «FSD8»

Монолитный спектрометр «OPTUS»

Десятиканальный мульти-демультиплексор для ВОСП

Полихроматор спектрометра «ЛАЭС-спектр»

Все приборы прошли испытания и показали высокие характеристики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Марков, Сергей Николаевич, 2009 год

1. Rowland Н.А. Preliminary notice of the results accomplished in the manufacture and theory of gratings for optical purposes //Phlil. Mag. 1882. Vol. 13. P.469-474; On concave gratings for optical purposes //Phlil. Mag. 1883. Vol. 16. P. 197-210.

2. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. JI.: Машиностроение, 1975.312 с.

3. Пейсахсон И.В., Яковлев Э.А., Бажанов Ю.В. Вогнутые дифракционные решетки с компенсированным астигматизмом //Опт.-мех. пром. 1978. №4 с. 46-51.

4. Бажанов Ю.В. Фокусирующие дифракционные решётки и их аберрационные свойства. Приборы на их основе: Дисс. докт. техн. наук: /ГОИ. С-п, 2003.368 с.

5. Старцев Г.П., Савушкин А.В. Двойной монохроматор с неклассическими вогнутыми дифракционными решётками //Опт. и спектр. 1979. Т.46. Вып.6. с. 1189-1195.

6. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. М., «Логос», 1999. 479 с.

7. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л., «Машиностроение», 1968.387 с.

8. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: «Наука», 1979. 478 с.

9. Шлишевский В.Б. Теория и практика светосильной растровой спектроскопии. Новосибирск, «СГГА», 2005. 263 с.

10. Тудоровский А.И. Формулы для расчета лучей, отраженных дифракционной решеткой //Тр. ин-та /Госуд. оптич. ин-т им. С.И.Вавилова. 1958. Т.26, Вып. 162. с. 3-12.

11. Пейсахсон И.В., Ефимов В.А. Расчет хода лучей в произвольной оптической системе с помощью ЭВМ //Оптико-механическая промышл. 1970. №12. с.21-23.

12. Пейсахсон И.В., Тарнакин И.Н. Расчет аберраций вогнутых решеток //Ж. прикл. спектроск. 1976. Т.24. Вып.2. с.356-358.

13. Пейсахсон И.В., Нестеренко JI.A. Расчет хода лучей, отраженных вогнутыми сферическими решетками с компенсированным астигматизмом //Ж. прикл. спектроск. 1976. Т.24. Вып. 2. с.356-358.

14. Пейсахсон И.В., Нестеренко Л.А. Расчет хода лучей, отраженных вогнутой дифракционной решеткой с криволинейными штрихами //Ж. прикладн. спектроскоп. 1977. Т.27. Вып.2. с.342-343.

15. Пейсахсон И.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток, получаемых наклоном оси качания резца //Опт. и спектр. 1992. Т.73. Вып.6. с. 1225-1228.

16. Noda Н., Namioka Т., Seya М. Ray-tracing through holographic gratings //J. Opt.Soc. Amer. 1974. Vol.64. №8. P. 1037-1042.

17. Парицкая Г.Г., Медведев B.E. Расчет хода лучей через оптические системы, содержащие голографические дифракционные решетки //Оптико-механическая промышл. 1975. №3. с. 25-27.

18. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем Л: «Машиностроение», 1969. 672 с.

19. Noda Н., Namioka Т., Seya М. Geometric theory of the grating.- J. Opt. Soc. Amer. 1974. Vol.64. №8. P.1031-1036.

20. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток с искривленными штрихами //Опт. мех. пром. 1975. №10. С. 19-21.

21. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Аберрации вогнутых дифракционных решеток с переменным шагом //Опт.-мех. пром. 1976. №2. с.26-27.

22. Бажанов Ю.В. Соотношения между параметрами нарезных и топографических вогнутых дифракционных решеток //Оптико-механическая промышл. 1979. №10. с. 1-3.

23. Бажанов Ю.В. Геометрические параметры штрихов вогнутых нарезных и топографических дифракционных решёток //Оптический журнал. 2003. №5. с. 31-34.

24. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А., Кошелев Б.В. Стигматические вогнутые решетки на сферических поверхностях, изготовленные механическим способом //Опт. и спектр. 1979. Т. 46, Вып. 6. с. 1177-1182.

25. Harada Т., Kita Т . Mechanically ruled aberration-corrected concave gratings //Appl. Opt. 1980. V. 19, №23 P. 3987-3993.

26. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А., Пейсахсон И.В., Кошелев Б.В. Вогнутые дифракционные решетки с переменным шагом //Оптика и спек-троск. 1970. Т.28. Вып.4. с.790-795.

27. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А., Кошелев Б.В. Стигматические вогнутые решетки на сферических поверхностях, изготовленные механическим способом //Опт. и спектр. 1979. Т.46. Вып.6. с. 1177-1182.

28. Harada Т., Kita Т. Mechanically ruled aberration-corrected concave gratings //Appl. Opt. 1980. V.19. №23. P.3987-3993.

29. Harada Т., Moriyama S., Kita T. Mechanically ruled stigmatic concave gratings //Jpn. J. Appl. Phys. 1975. Vol.14, Suppl.14-1. P.175-177.

30. Labeyrie A., Flamand J. Spectrographic perfomance of holographically made diffraction gratings //Opt. Commun. 1969. Vol.1. №1. P.5-8.

31. Handbook of diffracton gratings ruled and holographic /Commercial classification by Jobin-Yvon. France.

32. Shimadzu blazed holographic gratings: Catalog /Shimadzu Corporation Optical Devices department. Japan.

33. Нагулин Ю.С., Павлычева H.K. Светосильный спектрограф с вогнутой топографической дифракционной решеткой //Оптико-механическая промышл. 1982. №5. с.29-31.

34. Nazmeev M., Pavlycheva N. New generation spectrographs //Opt. Eng. 1994. Vol.33. P.2777-2782.

35. Noda H., Harada Y., Koike M. Holographic grating recorded using aspheric wave-fronts for a Seya-Namioka monochromator //Appl. Opt. 1989. Vol.28. №20. P.4375-4380.

36. Namioka Т., Koike M. Aspheric wave-front recording optics for holographic gratings //Appl. Opt. 1995. Vol.34. №13. P.2180-2186.

37. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., О.В. Смолин Микроэлектронные фотоприемные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984. 208с.

38. Лабу сов В. А. Многоканальные анализаторы оптических изображений для атомно-эмиссионного спектрального анализа: автореферат дисс. канд. техн. наук: /ИАиЭ СО РАН. Новосибирск, 2005. 199 с. 10-11

39. И. Р. Шелпакова, В. Г. Гаранин, В. А. Лабусов Многоэлементные твердотельные детекторы и их использование в атомно-эмиссионном спектральном анализе //Заводская лаборатория. Диагностика материалов 1999. Т.65. №10 с.3-16

40. Кузнецов Ю. А., Скрипев А. С, Шилин В. А. /Оптическая техника. 1996. №1 (9). с. 10-17.

41. HarnlyJ. М., Fields R. Е. Solid-State Array Detectors for Analytical Spectrometry/Appl. Spectrosc. 1997. V. 51. №9. P. 334A-351A.

42. BeckerRoss H, Florek S. V. Echelle spectrometers and charge-coupled devices. //Spectrochimica Acta, PartB. 1997. V. 52. №9-10. P. 1367-1375.

43. Reich R.K., McGonagle W. M, Gregory J. A. et al. High performance charge-coupled-device imager technology for plasma diagnostics/Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. №1. P. 922-925.

44. Pennebaker F. M., Jones D. A., Gresham С A. et al. Spectroscopic instrumentation in the 21st Century: excitement at the horizon/J. Anal. At. Spec-trom. 1998. V. 13. №9. P. 821-827.

45. Marshall J., Fisher A., Chenery S., Sparkes S. T. Atomic Spectrometry Update-Atomic Emission Spectrometry/J. Anal. At. Spectrom. 1996. V. 11. №6. P. R213-R238.

46. Noda H., Namioka Т., Seya M. Desigh of holographic concave gratings for Seya-Namioka monochromators. //J. Opt. Soc. Amer. 1974. Vol.64. №8. P.1043-1048.

47. Пейсахсон И.В., Бажанов Ю.В. Вогнутые сферические дифракционные решетки с компенсированным астигматизмом в установках на круге Роуланда //Опт.-мех. пром. 1977. №5. с. 22-24.

48. Бажанов Ю.В. Определение оптимальных параметров вогнутых дифракционных решеток в установках на круге Роуланда //Опт. и спектр. 1983. Т. 55. Вып. 6. с. 1053-1058.

49. Бажанов Ю.В., Тимергазеева J1.K. Минимизация дефокусировки вогнутой дифракционной решетки в произвольно заданной схеме спектрального прибора //Оптический журнал. 1996. №11. с. 42-46.

50. Spectrographe a champ plan pour un domaine spectral etendu, utilisant un reseau holographique concave: Patent №2334947 France/G. Passeran //1977.

51. Павлычева H.K. Расчет спектрографа с плоским полем на основе голо-графической решетки //ОМП. 1979. №7. с. 15-18.

52. Спектрограф: Патент №1522048 РФ /Ю.С. Нагулин, Ю.В. Бажанов, Л.К. Зайнуллина, С.А. Стрежнев //Бюл. 1989. №42. с. 168.

53. Пейсахсон И.В. Оптимизация параметров оптических систем спектральных приборов //Оптический журнал. 1995. №12. с. 3-11.

54. Герцбергер М. Современная геометрическая оптика. М.: Иностранная литература, 1962. 487 с.

55. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. Л.: Изд. АН СССР, 1946. 332 с.

56. DeVelis J.B. Comparisation of methods of image evaluation //J. Opt. Soc. Amer. 1965. Vol.55, №2. P.165-174.

57. Hopkins H.H. Geometrical-optical treatment of frequency responce //Proc.Phys. Soc. 1957 Vol.70. P. 1162-1173.

58. Запрягаева Jl.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем.М.: Логос. 2000.

59. Бажанов Ю.В., Тимергазеева Л.К. Методика оптимизации параметров фокусирующих дифракционных решеток //Оптический журнал. 2004. Т. 72, №1. с. 17-21

60. Павлычева Н.К., Кит И.Е. Спектрограф для спектрального анализа в геологии //Оптико-механическая промышленность. 1988. №6 с. 27-29.

61. Павлычева Н.К., Кит И.Е., Кадерова Г.Н., Михайлов Б.А. Модернизация спектрографа ДФС-457 //ОМП. 1989., №9. с. 59-60.

62. Даниелян Г.Л., Бажанов Ю.В., Савосин С.В., Марков С.Н. Разработка, широкодиапазоиного сенсора-мини-спектрометра с волоконным входом для спектрального анализа биологических структур и жидкостей //Оптический журнал. 2007. Т.74. №12. с. 55-61.

63. Бажанов Ю.В., Даниелян Г.Л., Марков С.Н. Разработка малогабаритного модульного спектрометра //Сборник трудов VII Междунар. конф. «Прикладная оптика-2006», Т.3.с 139-143.

64. Дикинсон П., Бергстрём Л. Грубое спектральное уплотнение в больших городах. //Фотон-Экспресс №1(41), с.29-44, 2005.

65. Костенко К.Н., Осовицкий А.Н., Яковлев М. Я. Предельные спектральные характеристики интегрально-оптических демультиплексо-ров. // Фотон-Экспресс №1, с.20-23, №4, с.22-23, 2004.

66. Бажанов Ю.В., Тимергазеева JI.K. Методика оптимизации параметров фокусирующих дифракционных решеток. //Оптический журнал. 2004. Т. 71, №1. с. 17-21.

67. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А., Тимергазеева Л.К., Тюленева Е.А. Оптимизация параметров вогнутых дифракционных решёток на основе расчёта аппаратных функций спектральных приборов. //Оптический журнал. 2004. Т. 71, №1. с. 22 25.

68. Бажанов Ю.В., Яковлев М.Я., Костенко К.Н., Марков С.Н. Демультип-лексоры на основе дифракционных решеток и их предельные характеристики //Оптический журнал. 2006. Т.73. №7. с. 24-28.

69. Бажанов Ю.В., Марков С.Н., Костенко К.Н. Разработка и технология изготовления решеточных демультиплексоров //Известия вузов. "Геодезия и аэрофотосъемка", 2007г., №3, с. 165-173.

70. Марков С.Н. Мульти/демультиплексоры для волоконно-оптических линий связи 61 научно-техническая конференция студентов и молодых ученых МИИГАиК, Москва 2006г.

71. Бажанов Ю.В., Кулакова Н.А. Анализ эффективности вогнутых дифракционных решеток в скалярном приближении //Оптический журнал. 2002. Т. 70, №12. с. 40-43.

72. Бажанов Ю.В., Марциновский В.В., Мирумянц С.О., Багаутдинов И.Р., Стрежнев С.А. Многоканальные мульти-демультиплексоры для одно-модовых и многомодовых волоконно-оптических линий связи //Оптический журнал. 1993. №9. с. 69-73.

73. Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа. СПб.: Университет, 2000. 194 с.

74. Нагибина И.М., Михайловский Ю.К. Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии. Л.: Машиностроение, 1981. 247с.

75. Буров А.Н., Золотов Ю.А. Состояние отечественного аналитического приборостроения //Журнал аналитической химии. 1992. Т.47, Вып. 12. с. 2072-2086.

76. Ротман А.Е., Воробейчик В.М. Справочная книга по эмиссионному спектральному анализу. М.: Машиностроение, 1982. 454 с.

77. Павлычева Н.К., Кит И.Е. Спектрограф для спектрального анализа в геологии //Оптико-механическая промышленность. 1988. №6 с. 27-29.

78. Павлычева Н.К., Кит И.Е. Усовершенствование оптической схемы спектрографа ДФС-458 //ОМП. 1991. №6. с. 59-60.