Bien que des lentilles soient utilisées dans les exemples ci-dessous, il est préférable d'utiliser des miroirs concaves à surface frontale revêtus pour la région spectrale choisie. Un revêtement tel que l'aluminium est hautement réfléchissant de 170 nm jusqu'au proche IR, alors que les verres crown et flint commencent à perdre rapidement leur efficacité de transmission en dessous de 400 nm. Les "doublets achromatiques" sont couramment cimentés avec des résines absorbant les UV et leurs revêtements antireflets discriminent souvent les UV inférieurs à 425 nm (ceci est dû au fait que ces objectifs sont souvent utilisés dans des appareils photo où le film photographique peut être très sensible aux UV).
Si les lentilles doivent être utilisées dans le bleu à UV, choisissez des lentilles simples en quartz non traitées ou des lentilles doubles espacées dans l'air.
Figure 1 : Un système monocrhomateur typique.
AS : Diaphragme d'ouverture
L1 : Lentille 1
G1 : Grille 1
M1 : Miroir 1
M2 : Miroir 2
p : Distance de l'objet par rapport à l'objectif L1
q : Distance de l'image par rapport à l'objectif L1
F : Longueur focale de l'objectif L1
d : Ouverture de l'objectif (L1 dans le diagramme)
Le schéma ci-dessus montre un système de monochromateur typique avec une fente de sortie fixe et un détecteur, mais tout ce qui suit s'applique également à un spectrographe.
Cette équation de lentilles :
Grossissement (m) :
Pour simplifier, le diamètre d'une optique ou celui de son diaphragme (AS) (en supposant qu'il soit très proche de l'optique elle-même) est utilisé pour déterminerf/value. Dans ce cas, les équations (4) et (23) se simplifient :
Assembler les composants ci-dessus de manière à ce que le faisceau laser agisse comme l'axe optique qui passe d'abord par deux ouvertures à sténopé, puis par le monochromateur et enfin par la troisième ouverture à sténopé.
L'optique externe et la source seront éventuellement placées sur l'axe optique défini par les sténopés et le faisceau laser. Positionner les sténopés de manière à pouvoir ajouter les lentilles, etc. sans les perturber.
Remarque : il est parfois préférable de procéder à une illumination inverse, le laser passant d'abord par la fente de sortie et traversant toutes les optiques jusqu'à ce qu'il illumine la source lumineuse elle-même. L'alignement des composants est un processus itératif. L'objectif est que le faisceau laser passe par le centre de chaque fente et frappe le centre de chaque élément optique. Les étapes suivantes permettent d'atteindre cet objectif :
Si une source lumineuse, telle qu'un échantillon ou une lampe d'étalonnage, doit être focalisée dans la fente d'entrée d'un spectromètre, alors :
Figure 2 : Cas d'une petite source
La majorité des spectromètres commerciaux fonctionnent entre f/3 et f/15, mais les diagrammes qui suivent utilisent des dessins conformes à f/3 et tous les calculs supposent f/6.
Dans les exemples qui suivent, l'objectif (L1) utilisé est une lentille mince unique de 100 mm de longueur focale (pour un objet à l'infini) et de 60 mm de diamètre.
f/valueout de l'optique d'entrée doit être égale à la f/valuein du monochromateur.
Si nécessaire, un diaphragme d'ouverture doit être utilisé pour ajuster le diamètre de l'optique d'entrée.
Ne pas oublier, lorsqu'on calcule le diamètre des butées d'ouverture, de sous-remplir légèrement l'optique du spectromètre afin d'éviter les réflexions parasites à l'intérieur du boîtier du spectromètre.
Example 1 (Figure 2)
Figure 2 : Cas d'une petite source
Calculer la largeur de la fente d'entrée pour le passe-bande approprié. Pour cet exemple, la largeur de la fente est de 0,25 mm.
Exemple d'objet : une fibre d'un diamètre de 0,05 mm et d'une valeur NA de 0,25.
L'objet émet de la lumière à f/2 (NA = 0,25). Spectromètre = f/6.
Taille de l'image projetée de la fibre qui serait prise en charge par le système (donnée par la largeur de la fente d'entrée) = 0,25 mm.
Calculer le grossissement (m) pour remplir la fente d'entrée.
m = taille de l'image/taille de l'objet = 0,25/0,05 = 5,0.
Par conséquent, q/p = 5, q = 5p.
Puis, p = 120 mm et q = 600 mm.
Pour calculer d, la lumière doit être collectée à f/2 et projetée à f/6 pour remplir parfaitement le réseau.
Par conséquent, p/d = 2, d = 120/2 = 60 mm.
Donc, le diaphragme d'ouverture = diamètre total de L1.
f/value = 600/60 = 10.
En d'autres termes, le réseau du monochromateur, même s'il reçoit la lumière collectée à f/2, n'est pas suffisamment rempli par le cône projeté à f/10. Toute la lumière qui aurait pu être collectée l'a été et aucune autre amélioration n'est possible.
Example 2
Si, toutefois, la fibre émet de la lumière à f/1, la collecte de la lumière pourrait être encore améliorée en utilisant une lentille de la même configuration, mais d'un diamètre de 120 mm. Cela produirait toutefois une f/value de sortie de :
600/120 = f/5
Comme cette valeur dépasse la f/6 du spectromètre, la collecte maximale de la lumière du système serait produite par une lentille de diamètre :
ce qui permet de faire correspondre l'étendue de la collecte de la lumière à l'étendue limite du spectromètre.
La collection f/value est donc,
L'etendue étant proportionnelle au carré de la (f/value)-1, environ 70 % de la lumière émise disponible serait recueillie à f/1,2.
Si l'utilisateur avait simplement placé la fibre au niveau de la fente d'entrée sans optique d'entrée, seuls 3% de la lumière disponible auraient été recueillis. (Dans ce cas, la lumière a été recueillie à f/6 du spectromètre plutôt qu'à f/1,2 avec une optique d'entrée à correspondance d'étendue).
Figure 3 : Cas d'une source étendue
La largeur de l'objet est égale ou supérieure à la largeur de la fente d'entrée (voir Figure 3).
f/valueout de l'optique d'entrée doit être égale à f/valuein du monochromateur. La distance de l'objet doit être égale à la distance de l'image (le grossissement absolu m, est égal à 1).
Des butées d'ouverture doivent être utilisées pour faire correspondre l'étendue de l'optique d'entrée au monochromateur. L'objet étant plus grand que la largeur de la fente, c'est l'étendue du monochromateur qui limitera la collecte de lumière.
Dans ce cas, il s'agit d'une image au ratio 1:1.
En prenant la lentille L1,
Pour F = 100 mm, p = 200 mm, q = 200 mm (2F).
f/value du monochromateur = q/d = p/d = 6.
Dans ce cas
Par conséquent, le diaphragme d'ouverture = 33,33 mm pour remplir parfaitement le réseau de diffraction.
Figure 4 : Cas d'une démagnification d'une source.
Dans ce cas, f/value de la source est numériquement plus grande que celle du spectromètre. Cette situation est souvent observée avec un télescope qui projette à f/30 mais qui doit être surveillé par un spectromètre à f/6. Dans ce cas, l'adaptation de l'étendue est obtenue par la démagnification de la source.
Pour calculer la largeur de la fente d'entrée pour le passe-bande approprié, prenons un exemple :
1,0 mm = taille de l'image finale = largeur de la fente d'entrée.
Image projetée par le télescope = 5 mm et constitue l'objet pour le spectromètre.
m = 1/5 = 0.2,
Puis en prenant l'équation de la lentille (du chapitre Débit et étendue du spectromètre),
La lentille L1 avec une longueur focale de F = 100 mm (donné),
On obtient p = 600 mm et q = 120 mm.
Pour calculer d en connaissant f/value du monochromateur f/value = 6, q/d = 6, d = 120/6 = 20 mm.
Le diaphragme d'ouverture aura un diamètre de 20 mm.
La lumière est recueillie à l'ouverture de l'image projetée ou à 600/20 = f/30, selon la valeur numérique la plus élevée.
Les concepts présentés dans cette section n’incluent pas l’utilisation de lentilles de champ. Les sources étendues nécessitent souvent que chaque pupille du train optique soit imagée sur la pupille suivante en aval afin d’éviter une perte de lumière due au sur-remplissage des optiques.
Les lentilles de champ garantissent que, pour une source étendue et une hauteur de fente finie, toute la lumière atteint le réseau sans vignettage. Dans les figures 39 et 40, la hauteur de la fente est dans le plan du papier.
Figure 5 : Exemple d'imagerie par lentille de champ d'une pupille sur une autre
Figure 5 : Exemple d'imagerie par lentille de champ d'une pupille sur une autre
En l'absence d'optique d'entrée, il est possible que la fente d'entrée projette dans le spectromètre une image de tout ce qui se trouve devant la fente. Il peut s'agir de la lampe, de l'échantillon, des bords des lentilles, voire de fenêtres éloignées. La partie précédente décrit comment éclairer correctement un spectromètre pour obtenir le meilleur rendement. Le respect de cette procédure permet d'éliminer l'effet de sténopé.
L'imagerie multiple peut gravement dégrader la qualité de l'image de sortie et le débit. D'autre part, l'effet de la caméra à sténopé est très utile dans le VUV lorsqu'il n'y a pas de lentilles réfractives et que les miroirs sont inefficaces.
Figure 6 : Cas d'un filtre spatial.
Les diaphragmes d'ouverture et de champ peuvent être utilisés pour réduire, voire éliminer, la structure d'une source lumineuse et bloquer les parties non désirées de la lumière (par exemple, la gaine autour d'une fibre optique). À ce titre, les diaphragmes d'ouverture sont appelés filtres spatiaux (voir figure ci-dessus).
L'image de la source lumineuse est focalisée sur le plan du filtre spatial, qui devient alors la source lumineuse du système.
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