6.2.3. Особенности конструкции спектрометра с преобразованием Адамара

Когда мы анализировали увеличение отношения сигнал/шум в спектрометре с преобразованием Адамара, одним из основных предположений была независимость уровня шума приемника от величины светового потока. Однако и в нашем сравнении с монохроматором, и во многих публикациях неявно используется еще одно допущение: считается, что уровень шума приемников света в приборах обоих типов одинаков. В гл. 4, посвященной растровому спектрометру, уже отмечалось, что при увеличении площади приемника излучения уровень шума возрастает. Если обратиться к рис. 6.2, то становится очевидным, что простое увеличение площади фотоприемника до размеров, соответствующих размеру маски, сведет на нет полученный в результате кодирования выигрыш. Следовательно, чтобы реализовать теоретические его преимущества, прибор должен быть сконструирован таким образом, чтобы все излучение, прошедшее через маску, было собрано на площадку, не превышающую по размерам площадь, соответствующую минимально разрешаемому интервалу спектра.

В работе [33] использовано интересное решение этой нетривиальной проблемы. Чтобы понять его, рассмотрим вначале вспомогательную задачу. Представим себе обычный спектрограф, в выходной фокальной плоскости которого там, где обычно стоит фотопластинка, помещен точечный источник света со сплошным спектром излучения. Установим его в зоне, соответствующей красной области. Тогда в плоскости входной щели формируется спектр источника, причем его изображение в красных лучах будет находиться точно в том месте, где расположена входная щель, и из нее выйдет красный пучок света. Перемещая источник из точки в точку в выходной фокальной плоскости прибора, за входной щелью мы будем наблюдать излучение с различными длинами волн, идущее в направлении, параллельном оптической оси коллиматора.

В описанном далее приборе за основу взят классический спектрограф. Он состоит из входной щели, коллимирующей и фокусирующей оптических систем, а также диспергирующего элемента. Для простоты будем рассматривать призменный спектрограф (рис. 6.4). В выходной фокальной плоскости помещено зеркало R. Для того чтобы

Рис. 6.4

проследить ход лучей в такой системе, построим мнимое изображение элементов спектрографа в зеркале. Установим зеркало перпендикулярно лучу с длиной волны , соответствующей середине исследуемого участка спектра. На рис. 6.4 этот луч показан штрих-пунктирной линией. Пучок света с длиной волны будет сфокусирован объективом 4 в точке фокуса, не совпадающей с точкой фокуса . После отражения от зеркала он вновь будет направлен на призму, причем, как легко видеть из рис. 6.4, угол падения его на призму будет совпадать с углом преломления при начальном выходе из нее. Следовательно, после того как этот луч пройдет через призму в обратном направлении, он пойдет параллельно оптической оси коллиматора 2. Коллиматор сфокусирует пучок с длиной волны в точку главного фокуса, и он пройдет через входную щель.

Поместим в плоскости зеркала R узкую щель, тогда получим известную схему двойного монохроматора, построенного по схеме с вычитанием дисперсий. Достаточно заменить щель на маску, чтобы на выходе получить необходимую комбинацию пучков с различными длинами волн. Площадь приемника излучения в такой системе может быть равна площади выходной щели и совпадать с площадью одного спектрального интервала, что является идеальным условием для работы классического монохроматора.

Выходящий из спектрометра световой поток должен пройти не через тот участок щели, через который мы ввели свет в прибор, а через соседний, на котором размещен фотоприемник. Чтобы разделить пучки, достаточно было бы слегка повернуть зеркало R вокруг оси, совпадающей с направлением развертки спектра, однако при этом практически неизбежна потеря разрешающей способности, так как края зеркала выйдут из фокальной плоскости. Чтобы избежать этого и одновременно развести входящий и выходящий пучки достаточно сильно, в спектрометре применена пара плоских зеркал, установленных «крышей». Маска размещается в плоскости, делящей двугранный угол, образованный зеркалами, пополам (рис. 6.5). Общая схема прибора и ход лучей в нем приведены на рис. 6.6. В спектрометре, построенном на базе дифракционного спектрографа, использована маска, соответствующая коду Адамара из 255 элементов (рис. 6.7). Ширина одного элемента составляла 0,11 мм. Внимательно разглядывая маску, полное число элементов которой равно 509, можно заметить, что, начиная с середины, вся правая часть ее — повторение первых 254 элементов.

Рис. 6.5

Рис. 6.6

Рис. 6.7

а

б

Рис. 6.8

Спектр ртутной лампы в области 1,4 — 1,8 мкм, зарегистрированный прибором, приведен на рис. 6.8 а. Для сравнения на рис. 6.8 б показан тот же участок спектра, полученный за такое же время в режиме простого монохроматора. Если в первом случае линии ртути видны совершенно отчетливо, то во втором они практически неотличимы от шума. Увеличение отношения сигнал/шум составило раза, что хорошо совпадает с расчетом. Вычисление полного спектра заняло 1,5 с. Основное время тратилось на вывод данных и построение графика.

Был создан и аналогичный прибор, разрешающий 2047 точек в спектре [34], но полученные с его помощью спектры хуже, чем приведенный на рис. 6.8, хотя расчетное отношение сигнал/шум должно было бы быть равным 92. Одной из возможных причин ухудшения качества спектра являются ошибки, которые мы не принимали во внимание. Они обусловлены механизмом перемещения маски.

Прекрасной чертой конструкции HTS спектрометра является отсутствие подвижных элементов, перемещение которых должно осуществляться с «интерференционной» точностью. Сдвигается лишь маска, причем относительно крупными шагами, в рассмотренном случае – шагами 110 мкм, но именно здесь может скрываться источник нестабильности, если процесс осуществляется относительно грубым механизмом, либо если элементы маски изготовлены с погрешностями в ширине.

От механических ошибок будет избавлен прибор, в котором маска изготавливается в виде управляемого транспаранта такого типа, как установлены, например, в дисплеях компьютера, или мобильных телефонах. Важно только, чтобы в «закрытом» состоянии уровень остаточного пропускания был очень мал (10^-3 и меньше). Не следует, правда, забывать, что большинство устройств этого типа теряют более 50% светового потока на предварительном создании плоско-поляризованного излучения.

Использование управляемого транспаранта позволяет вернуться к общей формулировке задачи измерения спектра. Адамар-спектрометр строился в предположении, что уровень шума для всех элементов спектра одинаков. Однако нас, как правило. интересует не сам уровень шума, а отношение сигнал/шум. При наличии элементов различной яркости «разумная» постановка опыта требует малое время уделять линиям большой яркости и резко увеличивать время накопления сигнала для компонентов малой яркости. Соответственно должна быть организована матрица и обратная ей. Управляемый транспарант может быть перепрограммирован соответствующим образом.

Отнюдь не всякий прибор может быть переоборудован в спектрометр с преобразованием Адамара. Несмотря на то, что принципы его оптической схемы совпадают со схемой спектрографа, расчет элементов системы должен быть произведен с учетом особенностей прохождения света через прибор. На рис. 6.4 хорошо видно, что в спектрометре резко возрастает опасность виньетирования пучков. При этом виньетирование может происходить не только на границах объективов, но и на диспергирующем элементе. Это приведет к необходимости использования дифракционных решеток (призм) больших размеров, чем требуется для обеспечения такой же светосилы и разрешающей способности в классическом приборе.

До сих пор в устройствах с пространственным кодированием (мультиплексированием) полезным является только световой поток, прошедший через маску. Очевидно, однако, что если элементы маски изготовить в форме узких зеркальных полосок, то можно использовать и отраженное от маски излучение. Выигрыш в отношении сигнал/шум при этом еще больше возрастет. Однако замечу, что в подобных «рекламных» рассуждениях почти всегда кое-что умалчивается. Мы говорили о том, что реально в HTS-спектрометре для ввода излучения используется половина высоты щели, вторая занята фотоприемником. Таким образом, при оценке выигрыша незаметно «проскочила» потеря возможности вдвое увеличить световой поток и в классическом приборе в результате увеличения высоты щели.