Астигматизм.
Компенсация астигматизма.

Зеркальные объективы, применяемые в спектральных приборах, не имеют оси симметрии и обладают помимо аберраций, свойственных обычным центрированным системам, еще и астигматизмом.

Астигматизм это аберрация внеосевых пучков, при которой точки фокуса для меридиональной и сагиттальной плоскостей не совпадают. По мере увеличения относительного отверстия астигматизм увеличивается.

При различных положениях плоскости наблюдения изображение точки принимает различный вид. По мере движения от оптической поверхности сначала эллипс уменьшается, в точке меридионального фокуса вырождается в линию (перпендикулярную меридиональной плоскости), при дальнейшем движении преобразуется в эллипс, дальше в круг, эллипс, в точке сагиттального фокуса в линию(перпендикулярную сагиттальной плоскости), затем эллипс опять увеличивается.

В спектральных приборах без компенсации астигматизма плоскость выходной щели и фотоприемника располагается в плоскости меридионального фокуса. При этом обеспечивается высокое спектральное разрешение, но точечный источник света на входной щели преобразуется в монохроматические вертикальные линии в фокальной плоскости прибора.

Во всех спектрографах “SOL instruments” астигматизм скорректирован за счет использования асферической оптики. Приборы с компенсацией астигматизма принято называть монохроматорами или спектрографами (imaging spectrograph).

Если на входную щель такого спектрографа подать разнесенное по высоте щели излучение от нескольких точечных источников, то в фокальной плоскости сформируются разнесенные по высоте спектры. Это позволяет использовать приборы с компенсацией астигматизма в многоканальной спектроскопии (Multi-track / multi-channel spectroscopy), когда полученные в фокальной плоскости разнесенные по высоте спектры одновременно регистрируются матричным фотоприемником.

Использование оптической схемы с компенсацией астигматизма позволяет также минимизировать потери света в случае, если приемник излучения имеет малые размеры. Это характерно для ИК-приемников, размеры фотоприёмных площадок которых, как правило, очень малы вследствие необходимости снижения шумов.

При компенсации астигматизма появляется дополнительное вертикальное увеличение прибора, которое необходимо учитывать при выборе световода и системы регистрации.

Рассмотрим несколько примеров регистрации сигнала при помощи ПЗС детектора на приборах с компенсацией астигматизма.

Проявление астигматизма при использовании вогнутого внеосевого зеркала
Рис.1. Проявление астигматизма при использовании вогнутого внеосевого зеркала.
Спектральное изображение оптического волокна в фокальной плоскости MS7504 без компенсации астигматизма
Рис.2. Спектральное изображение оптического волокна диаметром 200 мкм в фокальной плоскости монохроматора-спектрогарфа MS7504 (без компенсации астигматизма). Ширина входной щели: 25 мкм.

Пример 1.

Изображение полученное на монохроматоре-спектографе MS7504i с компенсацией астигматизма
Изображение, полученное на монохроматоре-спектографе MS7504i с компенсацией астигматизма (дифракционная решетка 1800 штр/мм, источник излучения – ртутно-гелиевая лампа, размер пикселя ПЗС камеры 24х24 мкм).
Многоволоконный световод с диаметром волокон 200 мкм
Увеличенный фрагмент изображения полученного на MS7504i

Для ввода излучения в спектральный прибор использовался многоволоконный световод с диаметром волокон 200 мкм, и расстоянием между сердцевинами волокон – 50 мкм.

Увеличенный фрагмент изображения.

Пример 2.

Спектральное изображение пинхола 20х20 μм полученное на монохроматоре-спектрографе MS7504i с помощью многоканального детектора
Спектральное изображение пинхола 20х20 μм полученное на монохроматоре-спектрографе MS7504i с помощью многоканального детектора с размером пикселя 24 мкм.
Спектр строки, на которую попадает изображение пинхола
Спектр строки, на которую попадает изображение пинхола.

Пример 3.

Спектральное изображение восьми оптических волокон, полученное на приборе MS3504i с помощью многоканального детектора
Спектральное изображение восьми оптических волокон, полученное на монохроматоре-спектрографе MS3504i с помощью многоканального детектора (1024х122 пикселей, размер пикселя 24 мкм); решётка 1200 штр/мм, ширина входной щели 15 μм.
Спектр строки, выделенной горизонтальным маркером (зеленая линия) на изображении слева
Спектр строки, выделенной горизонтальным зеленым маркером на изображении слева.

Методические материалы СОЛ инструментс:

Обучающий центр:

Консультация

связаться с нами