спектральное устройство

Формула изобретения

Спектральное устройство, содержащее по направлению распространения оптического излучения конденсорные линзы, входную щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент, камерный объектив и приемно-регистрирующую часть, отличающееся тем, что введена между коллиматорным объективом и диспергирующим элементом шторная диафрагма, выполненная из оптически непрозрачной подвижной пластины, рабочий край и плоскость которой всегда ортогональны направлению дисперсии и оптической оси при ее поперечном перемещении, при этом перемещение шторной диафрагмы осуществляется посредствам ползуна электромеханического привода, с которым она механически связана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спектральным приборам и может найти широкое применение в фотометрии и голографии.

Широкую известность и распространение в оптических методах исследования строения вещества и изучения оптических параметров материалов получили спектральные устройства [1] оптические элементы и принципиальные схемы которых, как правило, идентичны и содержат, по направлению распространения оптического излучения входную оптику, входную щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент, камерный (фокусирующий) объектив и приемно-регистрирующую часть. Помимо перечисленных основных частей в оптическую систему спектрального устройства в зависимости от его назначения могут входить осветительно-конденсорная часть с источником излучения. Излучение источника охватывается конденсорной частью и посредством входной оптики проецируется на входную щель. Входная оптика служит для апертурного и фокусного согласования потока излучения с входом и выходом спектрального устройства. Входная щель установлена в фокальной плоскости коллиматорного объектива, который от каждой точки щели направляет параллельные пучки лучей в диспергирующий элемент. Диспергирующий элемент отклоняет лучи на различные углы в зависимости от длины волны излучения, превращая параллельный пучок от каждой точки щели в веер монохроматических параллельных пучков. Фокусирующий объектив создает на некоторой поверхности, в которой расположена приемно-регистрирующая часть, монохроматичеcкие изображения щели, совокупность которых образует спектр (спектрограф). Для выделения одного или нескольких узких интервалов длин волн из всего спектра излучения в фокальной плоскости камерного объектива могут располагаться одна (монохроматор) или несколько (полихроматор) выходных щелей соответственно. Сканирование спектра осуществляется изменением положения диспергирующего элемента относительно падающего пучка лучей. Совокупное влияние всех оптических элементов и их расположение на излучение определяет аппаратную функцию спектрального устройства. Для изменения интенсивности потока излучения, а также для его энергетического согласования с приемно-регистрирующей частью во входной оптике спектрального устройства содержится ослабитель, так называемый модулятор экспозиций. Поскольку экспозиция H (общее количество облученности) определяется произведением интенсивности потока излучения E на время экспонирования t, то изменение экспозиции может осуществляется двумя способами:

1) сохраняя постоянную интенсивность излучения E=const и меняя время экспонирования t=var ослабители обтюраторного типа;

2) сохраняя постоянным время экспонирования t=const и меняя интенсивность потока излучения E=var.

В первом способе экспонирование производится путем прерывистого облучения посредством вращающегося обтюратора оптически непрозрачного диска с одним или несколькими секторными вырезами. Общее количество облученности пропорционально количеству и суммарному размеру секторных вырезов обтюратора и его частоте вращения. Основными недостатками спектральных устройств с ослабителями обтюраторного типа являются: во-первых, существенная погрешность, вносимая в определяемые свойства фоточувствительного материала. Эта погрешность обусловлена явлениями невзаимозаместимости и прерывистого действия света. Она зависит от длительности и частоты повторения импульсов и может составлять величину от 20 до 300% [2] во-вторых, невозможность исследовать в широком диапазоне динамику переходных процессов реверсивных фоточувствительных материалов, поскольку прерывистое действие излучения искажает истинную кинетику фотоотклика. При этом для приближенной оценки быстродействия материалов крутизна фронтов воздействующих световых импульсов и их частота следования должны быть как минимум на один порядок больше времени нарастания и спада фотоотклика, что затруднительно при технической реализации; в-третьих, для перекрытия всего интервала экспозиций требуется набор сменных дисков с разными размерами и количеством секторных вырезов, что не позволяет исследовать физические процессы при непрерывном изменении экспозиций в широком диапазоне.

Второй способ модуляции экспозиции (по шкале интенсивностей) осуществляют, как правило, оптическими средствами. Это достигается за счет ввода в излучение серых оптических клиньев с непрерывно или дискретно изменяющейся толщиной поглощающего покрытия или с помощью набора дискретных нейтрально-серых светофильтров, составляющих ряд геометрической прогрессии по изменению экспозиций. Спектральные устройства с серыми оптическими клиньями имеют ряд принципиальных недостатков: во-первых, это зернистая структура поглощающей среды, которая не только поглощает, но и частично рассеивает проходящий через нее свет; во-вторых, такие клинья, как и нейтральные светофильтры не являются нейтрально-серыми. В зависимости от типа светопоглощающего материала и толщины его слоя спектр пропускания различен. Это вызывает необходимость постоянной калибровки оптической системы и приемно-регистрирующей части, т. к. введение любого светофильтра в поток излучения изменяет спектр самого излучения, следовательно, изменяется аппаратная функция всего спектрального устройства. Более того, такие фильтры полностью или частично поглощают коротковолновую часть спектра (менее 450 нм); в-третьих, возрастают аберрации оптической системы всего спектрального устройства. Такие изменения аппаратной функции недопустимы при исследовании спектральных характеристик как самого излучения, так и фоточувствительных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является серийно изготовленное отечественной промышленностью спектральное устройство, известное под названием "Спектрограф дифракционный ДФС-452" [3] Данное устройство предназначено для проведения спектрографических работ при исследовании спектров испускания, требующих высокой дисперсии в широком спектральном диапазоне. Спектральное устройство по направлению распространения оптического излучения содержит входную оптику с набором кварцевых конденсорных линз, входную щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент, фокусирующий объектив и приемно-регистрирующую часть. При этом между конденсорными линзами входной оптики в плоскости изображения источника излучения и входной щелью расположен многоступенчатый ослабитель. Между ослабителем и входной щелью дополнительно может быть расположена фокусирующая линза, которая концентрирует поток излучения на входную щель спектрального устройства. Многоступенчатый ослабитель выполнен в виде набора диафрагм с отверстиями разного диаметра. Каждая диафрагма ступень ограничивает апертуру (сечение) пучка излучения, выходящего из осевой точки излучателя в соответствии с диаметром диафрагменного отверстия. Модуляция экспозиций осуществляется по шкале интенсивностей последовательным ручным вводом одной из диафрагм до совпадения ее центра (оси отверстия) с главной оптической осью устройства. Коэффициент пропускания каждой диафрагмой равен отношению площади отверстия к площади поперечного сечения пучка излучения. Диафрагмы могут быть выполнены в виде непрозрачных дисков с разным количеством отверстий, при этом количество отверстий и их расположение должно быть симметричным относительно оптической оси [2, с. 77-78] В этом случае коэффициент пропускания диафрагм определяется отношением суммы площадей всех отверстий к общей площади поперечного сечения пучка излучения. Использование таких ослабителей не изменяет спектр потока излучения и, следовательно, аппаратная функция спектрального устройства не изменяется в широком диапазоне изменения интенсивности потока оптического излучения. В качестве диспергирующих элементов используются дифракционные решетки имеющие наибольший угол дисперсии. Благодаря использованию дифракционных решеток и многоступенчатого ослабителя, выполненного в виде дырчатых диафрагм, спектральное устройство перекрывает практически весь оптический спектр от УФ- до ИК-излучений без изменения аппаратной функции.

Основным недостатком данного спектрального устройства является принципиальная невозможность модулировать непрерывно во времени экспозицию оптического излучения по шкале интенсивностей, поскольку диафрагмы дырчатого типа осуществляют дискретное ступенчатое изменение интенсивности потока излучения. С уменьшением шага дискретизации в том же динамическом диапазоне изменения интенсивностей количество диафрагм резко возрастает.

Технической задачей изобретения является уменьшение шага дискретизации и осуществление непрерывной во времени модуляции интенсивности оптического излучения в максимально возможном динамическом диапазоне без изменения аппаратной функции спектрального устройства.

Это достигается благодаря тому, что в спектральное устройство, содержащее последовательно расположенные по направлению распространения оптического излучения конденсорные линзы, входную щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент, камерный объектив и приемно-регистрирующую часть, введена между коллиматорным объективом и диспергирующим элементом подвижная шторная диафрагма, выполненная из оптически непрозрачной пластины, рабочий край и образующая плоскость которой всегда ортогональны направлению дисперсии и оптической оси при ее поперечном перемещении относительно последней. Такая диафрагма выполняет функцию ослабителя интенсивности потока излучения на выходе устройства благодаря пространственной модуляции апертуры коллимированного потока излучения сплошного спектра вблизи диспергирующего элемента. Поскольку монохроматическая облученность (интенсивность одной спектральной линии и соответственно интенсивность всего спектрального потока) пропорциональна суммарному количеству одинаково диспергированных лучей на соответствующем количестве штрихов дифракционной решетки, сфокусированных камерным объективом на выходе устройства, то, увеличивая или уменьшая количество штрихов дифракционной решетки, т.е. открывая или закрывая (диафрагмируя) решетку вновь введенной шторной диафрагмой, увеличивается или уменьшается интенсивность каждой линии спектра. При этом для непрерывного изменения интенсивности оптического излучения поперечное перемещение шторной диафрагмы осуществляется посредством электромеханического привода за счет поступательного движения ползуна, на котором она механически закреплена. Характер непрерывного изменения интенсивности излучения определяется закономерностью поступательного движения ползуна. При равномерном поступательном движении ползуна интенсивность излучения изменяется по линейному закону. Минимальный шаг дискретизации изменения интенсивности излучения и его точность определяются периодом решетки, точностью позиционирования края шторной диафрагмы относительно штрихов дифракционной решетки и скоростью перемещения ползуна. Последняя определяется передаточным отношением электромеханического привода и типом ползункового механизма.

На фиг. 1 представлено спектральное устройство, сагиттальное сечение; на фиг 2 то же, вид сверху.

На фиг 1 и 2 изображено: 1 конденсорные линзы, 2 входная щель, 3 - коллиматорный (входной) объектив, 4 камерный (выходной) объектив, 5 - электромеханический привод, 6 подвижная шторная диафрагма, 7 - диспергирующий элемент, 8 плоскость Гаусса, 9 фокальная поверхность изображений входной щели, 10 приемно-регистрирующая часть, 11 направления перемещения шторной диафрагмы.

Спектральное устройство выполнено по вертикальной симметричной схеме [1, с. 127] Входная щель, ее изображение в центре спектрограммы, вершины обоих зеркал (входного коллиматорного и выходного камерного, фокусирующего объективов) и центр диспергирующего элемента, в качестве которого используется отражательная дифракционная решетка, лежат в одной вертикальной плоскости, параллельной штрихам решетки (фиг. 1). Центры входной щели и спектрограммы расположены симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через центр решетки, на расстоянии L от этой плоскости. На величину L наложены конструктивные ограничения [1, с. 127] и наименьшее значение L_min возможно при расположении дифракционной решетки на расстоянии z (расстояние между вершиной основания обоих зеркал и центром решетки), равном фокусным расстояниям объективов f. Оба зеркала имеют общий центр кривизны. Прямая, соединяющая его с центром решетки, принимается за общую (главную) ось обеих зеркал. Вдоль этой оси к центру спектрограммы направляется излучение с некоторой длиной волны _o Ось зеркал образует с нормалью к решетке угол = = arcsin(k_oN/2cos) причем tg= tg = L/f где и углы, образуемые с нормалью к решетке проекциями лучей падающего и дифрагированного пучков на главное сечение; и углы падающего и дифрагированного пучка с главным сечением; k=0; 1; 2; порядок дифракционного спектра; N число штрихов на единичный размер (лин/мм). Поскольку и а ширина b падающего на решетку излучения сложного спектрального состава Dl и ширина b" дифрагированного пучков монохроматического излучения l_o связаны соотношением b=Gb" (G коэффициент меридионального увеличения решетки, равный G = cos/cos= 1 то ширина падающего и дифрагированного пучков равны b=b". Следовательно, равны и их площади сечения, которые определяются размерами диспергирующего элемента. Оправа диспергирующего элемента служит апертурной диафрагмой и имеет прямоугольную форму. Эта же оправа является входным зрачком камерного объектива и выходным зрачком коллиматорного объектива. Фокальная поверхность, на которой составляющая аберраций в направлении дисперсии принимает минимальное значение, представляет собой цилиндр радиусом R=-f/(3S₃+S₄), где S₃, S₄ коэффициенты аберраций 3-го порядка [1, с. 74-79] Эта поверхность является плоскостью 9, если 3S₃+S₄=0. Центр спектрограммы смещен относительно плоскости 8 на расстояние, равное Q=-L²(S₃+S₄)/f, а плоскость, касательная к цилиндру в этой точке, образует с плоскостью 8 в вертикальном сечении угол равный a-2L(S₃+S₄)/f. В вертикальной схеме спектрального устройства отсутствует кома децентрировки, а наиболее резкое изображение входной щели получается в центре спектра, т.к. с удалением от центра спектра имеет место астигматизм 2-го порядка. На фиг. 2 для удобства чтения и понимания принципа действия устройства потоки монохроматических излучений, спектр, плоскость Гаусса 8 и приемно-регистрирующая часть 10 условно смещены относительно главной оси на расстояние l.

Спектральное устройство работает следующим образом. Излучение сложного спектрального состава мощностью F() посредством конденсорных линз 1 фокусируется и проецируется на входную щель 2. Для уменьшения потерь мощности () выходной фокус конденсорных линз должен быть согласован с фокусом f входного объектива 3. Для уменьшения поглощения коротковолновой части оптического спектра конденсорные линзы изготовлены из кварца. Вместо конденсорных линз с этой же целью могут быть использованы зеркальные конденсорные системы. Входная щель установлена в фокальной плоскости коллиматорного объектива, который формирует от каждой точки щели и направляет в диспергирующий элемент параллельные пучки лучей сложного спектрального состава и интенсивностью I( Dl ) и I_k( Dl ). Диспергирующий элемент, в качестве которого используется отражательная дифракционная решетка, представляющая собой совокупность узких равноотстоящих параллельных зеркальных штрихов, разделенных малыми промежутками, установлен в параллельном пучке лучей так, что штрихи решетки параллельны входной щели. При падении на дифракционную решетку параллельного пучка лучей на каждом зеркальном штрихе происходит дифракция. По принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка, которую достигла плоская волна, становится источником световых колебаний, распространяющихся из этой точки, как из центра. В отраженном свете в фокальной плоскости камерного объектива от каждого зеркального штриха получается дифракционная картина, как от узкой щели. То есть, каждый штрих в зависимости от длины волны падающего на него излучения отклоняет лучи на различные углы так, что превращает параллельный пучок от каждой точки щели в веер монохроматических параллельных пучков с разными длинами волн l_o, ₁ и т.д. На каждом j-м штрихе имеет место угловая дисперсия D_j( ), которая равна D_j() = kN/cos При малых углах дифракции D_j() kN = const и расстояние между монохроматическими линиями в спектре данного порядка практически пропорционально разности длин волн этих линий. Фокусирующий объектив преобразует на поверхности 9 приемно-регистрирующей части 10 угловую дисперсию D_j( ) в линейную D_j() = fD_j()/cos создавая этим монохроматические изображения щели, совокупность которых образует спектр длиной S (фиг. 2). Сканирование спектра (изменение длины волны излучения, направляемого на поверхность 9) осуществляется изменением положения дифракционной решетки 7 относительно падающего пучка лучей I_k( ). Размеры в главном сечении монохроматических изображений входной щели a" равны размерам самой щели a, поскольку коэффициент меридионального увеличения равен единице. Пучки, дифрагированные на отдельных штрихах, интерферируют между собой, и распределение освещенности в фокальной плоскости 9 получается в результате суммирования фокусирующим объективом 4 диспергированных монохроматических колебаний, приходящих в каждую точку изображения от всех зеркальных штрихов I(_o) = i_j(_o) где j=1, n, n количество штрихов, участвующих в интерференции, определяется соотношением n=N_х-m. В этом соотношении произведение N_х абсолютное (общее) количество штрихов решетки, определяемое параметром решетки N (количество штрихов на единицу длины, N=1/d, где d - период решетки) и геометрическим размером x решетки в главном сечении. Величина m определяется количеством закрытых штрихов, штрихов, дифрагмированных шторной диафрагмой 6. При этом распределение интенсивности в спектре дифракционной решетки определяется выражениями [1, с. 56-57] I=R(u)F(v), R(u)= sin²u/u² и F(v)=sin²N_хv/sin²v, где угол блеска решетки, с ширина зеркальной полоски решетки.

Если первый множитель R(u) дает распределение освещенности в дифракционной картине, получаемой от одной зеркальной полоски, то функция F(v) периодическая с периодом, равным p и зависящая от числа штрихов решетки N_х. Для определенной длины волны l она принимает наибольшее значение, если v = k т. е. при таких углах и когда выполняется соотношение sin+sin= kN В этом случае главные максимумы в дифракционной картине получаются для таких направлений лучей, отраженных от решетки, для которых разность хода двух лучей, падающих на соседние полоски, равна целому числу длин волн. Если падающее на решетку излучение имеет сложный спектральный состав то при данном угле падения v для каждого порядка дифракции k угол дифракции v есть функция длины волны Каждому значению целого числа k соответствует отдельный спектр k-го порядка. В случае спектра нулевого порядка (k=0) независимо от длины волны v= - что соответствует отражению от решетки как от плоского зеркала, и на выходе устройства получается изображение входной щели, не разложенное в спектр. При падении на отражательную решетку параллельного пучка лучей, образующего некоторый угол d с ее главным сечением, указанное соотношение преобразуется к виду sin+sin= kN/cos Поскольку сечение решетки H_х определяет входной зрачок камерного и выходной зрачок коллиматорного объективов, то такое сечение служит апертурной диафрагмой спектрального устройства. При этом величина H (длина штрихов решетки) в совокупности с параметрами объективов (фокусным расстоянием и относительным отверстием) определяет геометрический размер изображения входной щели на выходе устройства, т. е. h"=F(H,h), и не влияет на интенсивность преобразуемого излучения. Ширина x решетки в главном сечении характеризует интенсивность монохроматической составляющей излучения в спектре I( l_o ), т.е. I( _o ) x. Преобразование геометрического размера x через количественное соотношение штрихов, участвующих в интерференции n и диафрагмированных шторной диафрагмой m и параметром решетки d, определяет пропорциональную зависимость изменения интенсивности I(_o) d(n+m) i_j(_o) Таким образом, при изменении количества интерферирующих штрихов дифракционной решетки изменяется и интенсивность каждой монохроматической составляющей излучения в спектре. Минимальное значение монохроматической интенсивности в изображении щели определяется интенсивностью диспергированного пучка на одном штрихе решетки, т. е. I_min(_o) i₁(_o) Соответственно шаг дискретизации изменения интенсивности излучения будет определяться периодом решетки d. Поперечное перемещение шторной диафрагмы 6 осуществляется электромеханическим приводом 5 так, что ее рабочий край и образующая плоскость при перемещении в направлении 11 (фиг. 2) всегда ортогональны дисперсии оптической оси (параллельны штрихам дифракционной решетки). Шторная диафрагма механически связана с ползуном электромеханического привода. Точность позиционирования края диафрагмы относительно штрихов решетки, динамические биения, тип ползункового механизмов и передаточное отношение привода определяют разрешающую способность спектрального устройства по изменению монохроматической интенсивности излучения. Закономерность изменения поступательного движения ползуна характеризует изменение интенсивности монохроматических излучений в спектре от времени. При равномерном поступательном движении ползуна интенсивность излучения изменяется по линейному закону. Таким образом, интенсивность излучения в спектре будет изменяться непрерывно по определенному временному закону от минимального значения i_j( ), до максимального I( l ), соответствующего полному выведению (раскрытию) шторной диафрагмы из пучка I_k( Dl ). Поскольку шторная диафрагма не вносит изменений в спектр Dl потока оптического излучения сложного спектрального состава F(l) то аппаратная функция всего спектрального устройства не изменяется. Однако при изменении сечения пучка при его одностороннем диафрагмировании шторной диафрагмой имеет место изменение суммарной величины аберраций устройства. Влияние шторной диафрагмы на аберрации устройства тем меньше, чем ближе к дифракционной решетке она расположена. Поскольку закрытие шторной диафрагмой пучка I_k( ) уменьшает его сечение по ширине b, то аберрации всего спектрального устройства, в целом, уменьшаются и практически не влияют на его работу. При необходимости можно компенсировать изменение аберрации, связанное с односторонним направлением перемещения шторной диафрагмы, путем введения второй шторной диафрагмы, противоположно расположенной первой. При этом перекрытие пучка I_k( Dl ) осуществляется встречным движением шторок (в направлении друг к другу), а его раскрытие движением в прямо противоположном направлении.

При работе дифракционной решетки в спектре нулевого порядка подвижная шторная диафрагма будет осуществлять непрерывную модуляцию экспозиции по шкале интенсивностей для оптического излучения сложного спектрального состава (сплошного спектра). В этом случае спектральное устройство с перемещающейся поверхностью 9 приемно-регистрирующей части 10 [3] с вновь введенной подвижной шторной диафрагмой 6 будет осуществлять функции сенситометра [2]

Введение отличительных признаков заявленной совокупности позволяет обеспечить непрерывную во времени модуляцию экспозиции по шкале интенсивностей в максимально возможном динамическом диапазоне без изменения аппаратной функции спектрального устройства. При этом шаг дискретизации по изменению интенсивности равен интенсивности одной спектральной линии, диспергированной на нескольких штрихах (в пределе на одном штрихе) решетки. Увеличение разрешающей способности по изменению интенсивности излучения достигается благодаря использованию пропорциональной зависимости интенсивности одной спектральной линии и соответственно интенсивности всего спектра от суммарного количества одинаково диспергированных лучей на соответствующем количестве штрихов решетки за счет введения подвижной шторной диафрагмы, выполненной в виде оптически непрозрачной пластины, в коллимированный поток излучения сплошного спектра. Такая диафрагма осуществляет пространственную модуляцию апертуры коллимированного потока излучения сплошного спектра, падающего на решетку, а на выходе устройства модуляцию экспозиции по шкале интенсивностей. При этом рабочий край и образующая плоскость шторной диафрагмы всегда ортогональны направлению дисперсии и оптической оси при ее поперечном перемещении относительно последней. Непрерывное изменение интенсивности оптического излучения и поперечное перемещение шторной диафрагмы осуществляется посредством электромеханического привода за счет поступательного движения ползуна, на котором она жестко закреплена. Характер непрерывного изменения интенсивности излучения определяется законом поступательного движения ползуна. При равномерном поступательном движении ползуна интенсивность излучения изменяется линейно.

Преимущество заявляемого спектрального устройства по сравнению с прототипом заключается в следующем. Во-первых, имеется возможность непрерывного во времени изменения интенсивности оптического излучения как сплошного спектра, так и монохроматического в максимально широком динамическом диапазоне без изменения аппаратной функции устройства. Во-вторых, шаг дискретизации изменения интенсивности сплошного спектра или монохроматического излучения в спектре пропорционален малому числу штрихов решетки и в пределе равен соответственно суммарной интенсивности спектральных линий или интенсивности одной спектральной линии, диспергированной на одном штрихе решетки. В-третьих, модуляция экспозиции по шкале интенсивностей осуществляется по закону, определяемому закономерностью движения ползуна электромеханического привода, с которым связана шторная диафрагма.