Двухдиапазонная дифракционная решетка для спектрометра на основе схемы Оффнера

Схема Оффнера как оптическая схема с нулевыми аберрациями третьего и пятого порядка имеет уже достаточно долгую историю использования [1, 2] Изображающие спектрометры в конфигурации Оф-фнера [3 –5] позволяют получать гиперспектральное изображение с минимально возможным уровнем геометрических аберраций. Конфигурация спектрометра этого типа имеет значительный потенциал к дальнейшей его минимизации. Поэтому к гиперспектрометру на основе схемы Оффнера не ослабевает интерес исследователей, и постоянно появляются новые публикации [6–8]. Однако схема Оффнера хорошо работает в относительно узком спектральном диапазоне, а в настоящее время существует потребность в двухдиапазонном спектрометре, который одинаково хорошо позволял бы получать гиперспектральные изображения как в видимом, так и в среднем ИК-диапазоне. В настоящей работе рассматривается моделирование в системе Zemax гиперспектрометра на основе схемы Оффнера с двухдиапазонной решёткой, параметры которой подобраны так, что она одинаково хорошо работает как с видимым диапазоном (расчет для λ = 0,55 мкм), так и для среднего ИК-диапазона (расчет для λ = 10,6 мкм).

1.    Дифракционная решётка

Предлагается использовать дифракционную решётку следующего вида (рис. 1).

Как видно из рис. 1, дифракционная решётка представляет собой сочетание двух дифракционных решёток с большой (11 мкм) и малой (0,55 мкм) высотами микрорельефа. При этом высота микрорельефа большой дифракционной решётки подбирается так, чтобы на длине волны 0,55 мкм разность фазового набега составляла целое число длин волн. В этом случае большая дифракционная решётка практически не влияет на работу малой дифракционной решётки в видимом диапазоне. Малая же дифракционная решётка прак- тически не влияет на работу большой дифракционной решётки в среднем ИК-диапазоне, т.к. разность

Рис. 1. Сечение одного периода двухдиапазонной решётки

2.    Моделирование

Рассмотрим построение изображения с гиперспектрометром, с обычной дифракционной решёткой [9] для разных длин волн (рис. 2).

На рис. 2 а, представлено изображение хода лучей вблизи анализируемой плоскости для длин волн λ 1 = 0,45 мкм, λ 2 =0,55 мкм, λ 3 =0,65 мкм. Как видно из рис. 2 а фокусировка для всех трех длин волн осуществляется точно на анализирующую плоскость. Однако если добавить длину волны λ 4 = 10,6 мкм, то, как видно из рис. 2 б , эта длина волны уже не фокусируется на анализирующую плоскость, т.к. угол ее распространения превышает рабочее угловое поле схемы Оффнера.

Исправить это можно, используя ранее описанную двухдиапазонной дифракционную решётку. Поскольку Zemax не позволяет моделировать такие структуры, будем попеременно использовать при моделировании дифракционную решётку нужной частоты. Частоту решётки для инфракрасного диапазона будем определять исходя из условия попадания угла распространения первого порядка для длины волны 10,6 мкм в рабочий угловой диапазон для схемы Оф- фнера (менее 5º). Можно даже добиться полного совпадения углов первого порядка для длин волн 0,55 мкм и 10,6 мкм. Так, если исходная решётка для 0,55 мкм имела частоту 30 мм-1, тогда для длины волны 10,6 мкм можно использовать дифракционную решётку с частотой 1,5 мм-1.

Рис. 2. Фокусировка разных длин волн на анализирующую плоскость

На рис. 3 приведены функции рассеяния точки для λ 2 = 0,55 мкм и λ 4 = 10,6 мкм.

Как видно из рис. 3, функция рассеяния точки для λ 4 = 10,6 мкм по форме практически совпадает с функцией рассеяния точки для λ 2 =0,55 мкм, превосходя ее в масштабе примерно в 20 раз (соотношение длин волн).

При этом диаметр диска Эйри для λ 2 = 0,55 мкм составляет 4,8 мкм, для λ 4 = 10,6 мкм – 93 мкм (по результатам расчета в Zemax).

На рис. 4 показано изображение хода лучей при использовании решетки с частотой 1,5 мм^-1 вблизи анализируемой плоскости для длины волны λ 4 = 10,6 мкм.

Для разведения на отдельные светочувствительные матрицы света видимого диапазона и среднего ИК можно использовать следующий способ: установить разные щелевые диафрагмы [8], которые ввиду кардинального различия длин волн должны в любом случае быть разной ширины, и тогда их можно пространственно разнести так, чтобы на выходе спектрометра инфракрасный свет фокусировался достаточно далеко от места фокусировки света видимого диапазона, но вместе с тем находился в рабочем уг- ловом диапазоне спектрометра.

Рис. 3. Функция рассеяния точки для λ 2 = 0,55 мкм (а), для λ 4 = 10,6 мкм

б)

Рис. 4. Ход лучей для λ 4 = 10,6 мкм вблизи анализирующей плоскости

Заключение

Предложено использовать для создания двухдиапазонного изображающего гиперспектрометра на основе схемы Оффнера двухдиапазонную дифракционную решетку. Моделирование в системе Zemax показало принципиальную работоспособность предложенной конфигурации. Функции рассеяния точки для длин волн 0,55 мкм и 10,6 мкм по форме почти полностью совпадают, отличаясь только масштабом примерно в 20 раз, что ожидаемо, т.к. примерно также отличаются длины волн. Видимый и инфракрасный диапазоны можно разделять за счет использования двух разных щелевых диафрагм.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 16-29-11744-офи_м, 16-29-09528-офи_м, 14-07-00177-а).