Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
4. ПРИБОРЫ С РАСТРОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Кроме способа интерференционной селективной оптической модуляции существуют другие, в частности способ растровой модуляции [61, заключающийся в том, что излучение сложного спектрального состава модулируется путем последовательного совмещения изображения входного растра с его копией, установленной в фокальной плоскости выходного объектива. Схема, которая иллюстрирует прин* цип работы этого типа спектрометров, показана на рис. 160. Коллимированный пучок света направляется на входную диафрагму /*";¦ ~% представляющую собой растр, т. е. совокупность большого числа прозрачных и непрозразрачных полос, штрихов или точек. Объек- ¦ тив 2 направляет коллимированный пучок света на диспергирующий элемент 3 (на рисунке показана дифракционная решетка). В фокальной плоскости камерного объектива 4 получается совокупность монохроматических изображений входного растра; с одним из них совмещается выходной растр 5, являющийся точной копией вход-ного. При точном совмещении поток излучения, падающий на приемник 6, достигнет максимума для длины волны Я0, на которую настроен прибор. При небольшом смещении изображения поток резко падает, j приближаясь к некоторому среднему потоку, определяемому отношением площадей прозрачных и непрозрачных частей растра.
Селективная амплитудная модуляция основана на том, что точное совмещение изображения входного растра с выходным имеет
212
'iijji
Рис’ 160. Принципиальная схема растрового спектрометра
место только для определенной длины волны. Поэтому, выполняя небольшие периодические перемещения изображений входного растра, можно осуществить селективную модуляцию потока.
Сканирование спектра обеспечивается поворотом дифракционной решетки.
Наибольшее применение нашел растр, в котором кривые равной прозрачности представляют собой гиперболы с асимптотами, параллельными высоте и ширине растра. На практике растр выполняется в виде полностью прозрачных и непрозрачных зон. Пропускание такого растра не является синусоидой, а подчиняется некоторому периодическому закону и принимает значения только +1 и —1. Отдельные зоны имеют пропускание х (у, г), определяемое выражением [14]
т(г/, г) =
ь ь <- l.iL <- ь I _L • h bh -f 2 ,
0; k +4"<'lF<fe+ lj
где 6 = 0, ±1. ±2, ...
Аппаратная функция растрового спектрометра определяется как изменение монохроматического потока на выходе прибора при перемещении изображения входного растра по выходному растру в направлении у (рис. 161).
Предположим, что прибор освещается монохроматическим светом, а изображение входного растра смещено относительно идентичного этому изображению выходного растра на некоторое расстоя--ние у'. Тогда через каждый элемент растра будет проходить световой поток, пропорциональный величине х (у — уг) х (у, г).
Аппаратная функция в этом случае определяется выражением
оо
оо
а(у)= J dz \х(у — у', z) х (у, z)dy.
(206)
-оо
-оо
Выражение (206) можно представить в виде суммы [10]:
а(у) ^ Р (у) + Q (у),
где член Р (у) зависит только от внешнего контура растра и определяет форму того сигнала, который зарегистрирует приемник, если
213
растры заменить диафрагмами с тем же контуром; член Q (у) зависит от функции пропускания растров.
Для растра, изображенного на рис. 160, внешний контур —это прямоугольник с шириной В\ график функции Р (у) — треугольник с основанием 2В. При использовании такого растра
Р(У)
(1-М); | у |« в.
(207)
Так как В > Ь, то функция (207) изменяется очень медленно, и можно считать, что Р (у) = 1/2, т. е. слагаемое Р (у) приводит только к постоянной засветке приемника излучения.
Функция Q (у) для гиперболического растра определяется формулой
Q(y)— 1 sin
2
2щ1Ь
т. е. имеет такой же вид, как и аппаратная функция СИСАМ без
аподизации [см. выражение (203) ].
Таким образом,
(у) = (1/2) + Q (у).
График аппартной функции спектрометра с гиперболическими растрами показан на рис. 161.
Разрешающая способность растрового спектрометра определяется наименьшей шириной растра Ъ его элементов и оказывается практически такой же, как и в приборе со щелями той же ширины (что справедливо для спектрометра без аббераций). При Ь == ян, где ап -— нормальная ширина щели, разрешающая способность спектрометра приближается к предельному значению #т, определяемому шириной диспергированного пучка и угловой дисперсией призмы или решетки.
Светосила спектрометра существенно больше, чем светосила щелевых приборов. Численно выигрыш в светосиле подсчитывают по формуле
Фр/Фщ ^ КВ1ЬУ
где Фр и Фш — потоки излучения, регистрируемые растровым и
щелевым приборами; К — коэффициент, зависящий от типа растра, его контура и способа модуляции (К = Vs-r-Vg) [4].
К отдельным элементам оптических систем растровых спектрометров предъявляются более жесткие требования по сравнению
с аналогичными требованиями к элементам щелевых приборов, В частности, коллиматорный и камерный объективы должны быть исправлены на сферическую аббе-рацию, кому, астигматизм, хроматизм положения, кривизну поля. Это объясняется тем, что объек-
