спектральное устройство
Классы МПК: | G01J3/18 с помощью дифракционных элементов, например решеток |
Автор(ы): | Спирин Е.А., Захаров И.С. |
Патентообладатель(и): | Курский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-02-20 публикация патента:
27.10.1997 |
Использование: изобретение относится к спектральным и сенситометрическим приборам. Сущность изобретения: cпектральное устройство содержит последовательно расположенные по направлению распространения оптического излучения конденсорные линзы, входную щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент, камерный объектив и приемно-регистрирующую часть, между коллиматорным объективом и диспергирующим элементом введен ослабитель интенсивности потока излучения, выполненный в виде подвижной шторной диафрагмы из оптически непрозрачной пластины, при этом рабочий край и плоскость пластины параллельны штрихам дифракционной решетки. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
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 Lmin 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
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094005/177.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094005/177.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094003/945.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094250/934.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094105/8776.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094332/923.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094003/945.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094350/931.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/183.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094758/2094758-2t.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094173/960.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094255/981.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/697.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094074/948.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094105/8776.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094105/8776.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094105/8776.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094350/931.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094105/8776.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094011/916.gif)
![спектральное устройство, патент № 2094758](/images/patents/378/2094008/955.gif)
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.
Класс G01J3/18 с помощью дифракционных элементов, например решеток