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.
Рис.1. Проявление астигматизма при использовании вогнутого внеосевого зеркала.
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 (дифракционная решетка 1800 штр/мм, источник излучения – ртутно-гелиевая лампа, размер пикселя ПЗС камеры 24х24 мкм).
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 с размером пикселя 24 мкм.
Спектр строки, на которую попадает изображение пинхола.
Пример 3.
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.
