осветитель спектрофотометры
Классы МПК: | G01J3/10 источники света, специально предназначенные для спектрометрии или колориметрии |
Автор(ы): | Сомсиков А.И. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество открытого типа "ЛОМО" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-04-02 публикация патента:
27.12.1997 |
Использование: изобретение относится к области спектрофотометрии, а более конкретно к осветителям инфракрасных спектрофотометров, используемых для спектрофотометрирования слабопоглощающих твердых образцов в толстом слое. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем оптически связанный излучатель, проекционный объектив, держатель образца и полевую диафрагму, оптическая связь выполнена сопряжением излучателя через проекционный объектив с плоскостью, расположенной между проекционным объективом и полевой диафрагмой на расстоянии S от нее, удовлетворяющем соотношению где a - ширина излучателя в плоскости дисперсии; V - линейное увеличение проекционного объектива; b - эффективная ширина полевой диафрагмы, определяемая раскрытием щелей монохроматора; A" - выходная числовая апертура проекционного объектива. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Осветитель спектрофотометра, содержащий оптически связанные излучатель, проекционный объектив, держатель образца и полевую диафрагму, отличающийся тем, что оптическая связь выполнена сопряжением излучателя через проекционный объектив с плоскостью, расположенной между проекционным объективом и полевой диафрагмой на расстоянии S от нее, удовлетворяющем соотношениюгде a ширина излучателя в плоскости дисперсии;
V линейное увеличение проекционного объектива;
b эффективная ширина полевой диафрагмы;
A" выходная числовая апертура проекционного объектива.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области спектрофотометрии, а более конкретно к осветителям инфракрасных спектрофотометров, используемых для спектрофотометрирования слабопоглощающих твердых образцов в толстом слое. Известен осветитель спектрофотометра, содержащий оптически связанные излучатель, проекционный объектив, полевую диафрагму, сферическое зеркало с оптической осью, перпендикулярной оси проекционного объектива, призму с двумя отражающими гранями, держатель образца и устройство перефокусировки сферического зеркала до и после установки образца [1]Недостатком [1] является отсутствие универсальности применения, ограниченного слабопоглощающими твердыми образцами, и наличие систематических погрешностей, определяемых перефокусировкой и вторичными отражениями на образце с двукратным прохождением через него излучения. Известен осветитель спектрофотометра с совмещением спектрофотометрирования слабопоглощающих образцов в толстом слое и универсальности применения, содержащий оптически связанные излучатель, проекционный объектив, держатель образца, полевую диафрагму и реверсивно отражающее сферическое зеркало с центром кривизны, установленным по касательной к излучателю, при сопряжении излучателя через проекционный объектив с полевой диафрагмой [2]
В работе [2] расфокусировка излучения, вносимая толстым слоем образца, не устраняется, как в работе [1] а учитывается созданием в нем превышения ширины изображения излучателя над эффективно используемой шириной полевой диафрагмы, определяемой раскрытием щелей монохроматора. Недостатком [2] является несимметрия установки излучателя относительно оси проекционного объектива, ограничивающая возможность его использования в двухлучевых спектрофотометрах с симметрией каналов. Наиболее близким, принимаемым за прототип, является осветитель спектрофотометра, содержащий оптически связанные излучатель, проекционный объектив, держатель образца и полевую диафрагму, при сопряжении излучателя через проекционный объектив с полевой диафрагмой [3]
Осветитель [3] универсален по применению и используется в двухлучевом спектрофотометре с симметрией каналов, с возможностью спектрофотометрирования слабопоглощающих образцов в увеличенной толщине слоя за счет превышения ширины самого излучателя в плоскости дисперсии относительно определяемой эффективной шириной полевой диафрагмы. Недостатком осветителя [3] является ограниченная возможность увеличения ширины излучателя и соответственно этому толщины образцов, определяемая возрастанием энергопотребления в излучателе и при заданном его КПД - энергопотерь, ухудшающих тепловой режим внутри осветителя в отсутствие дополнительной системы принудительного охлаждения. Изобретение решает задачу расширения в прототипе диапазона применяемых толщин образцов, повышающего чувствительность фотометрирования, без дополнительного увеличения ширины излучателя и его энергопотребления. Сущность изобретения, согласно его формуле, заключается в том, что в прототипе оптическая связь выполнена сопряжением излучателя через проекционный объектив с плоскостью, расположенной между проекционным объективом и полевой диафрагмой на расстоянии S от нее, удовлетворяющем соотношению
где a ширина излучателя в плоскости дисперсии;
V линейное увеличение проекционного объектива;
b эффективная ширина полевой диафрагмы;
A" выходная числовая апертура проекционного объектива. Технический результат, реализуемый использованием в прототипе предлагаемых существенных отличий, заключается в следующем. Установленное значение S соответствует допускаемой без энергопотерь расфокусировке излучения в прототипе, т.е. освещению полевой диафрагмы без дополнительного объектива протяженным источником, образуемым изображением излучателя, удаленным от нее на расстояние S. При этом заданное смещение S плоскости фокусировки направлено противоположно ходу лучей, в то время как расфокусировка S1, вносимая образцом, направлена по ходу лучей, т.е. обе указанные расфокусировки противоположны по знаку, что и обеспечивает двухкратное увеличение в предлагаемом осветителе в сравнении с прототипом допускаемой расфокусировки S1, вносимой установкой образца, половина которой компенсируется заданной расфокусировкой S, и соответственно этому двухкратное увеличение диапазона допускаемых толщин образцов и реализуемой чувствительности фотометрирования. На фиг. 1 показан предлагаемый осветитель в сечении плоскостью дисперсии: а без образца; б с образцом слабого поглощения в толстом слое; на фиг. 2 ход лучей, поясняющий зависимость (1). Осветитель (фиг. 1,a) содержит: стержневидный излучатель 1, проекционный объектив 2, условно показанный в виде линзы, держатель 3 образца и щелевидную полевую диафрагму 4. Плоскость 5 фокусировки изображения 6 излучателя 1 проекционным объективом 2 расположена между проекционным объективом 2 и полевой диафрагмой 4, на расстоянии S от нее, удовлетворяющем соотношению (1). Осветитель работает следующим образом. При установке слабопоглощающего образца 7 (фиг. 1,б) с показателем преломления n и толщиной d плоскость 5 фокусировки изображения 6 вследствие преломления в толстом слое d смещается на величину в направлении хода лучей. Предельно допустимое без энергопотерь смещение S1max плоскости фокусировки соответствует положению 8, зеркально симметричному плоскости 5 относительно полевой диафрагмы 4. Таким образом, реализуемый в предлагаемом осветителе диапазон расфокусировки излучения образцом 7 составляет S1max = 2S, в то время как в прототипе [3] с совмещением в отсутствие образца 7 плоскости 5 фокусировки с полевой диафрагмой 4 равен S, т.е. обеспечивается двукратное увеличение допускаемого диапазона расфокусировки S1max и допускаемой толщины dmax слоя. Этим обеспечивается повышение чувствительности фотометрирования слабопоглощающих образцов. Фиг. 2 поясняет обоснование найденной зависимости (1). Фокусировка изображения излучателя размером AB в плоскости полевой диафрагмы 4 дает эффективно используемую часть CД изображения, определяемую шириной b полевой диафрагмы 4, тогда как другие участки BД и AC виньетируются ею. Крайние точки C, Д используемого участка CД формируют лучи 9, 10 для точки C и 11, 12 для точки Д, определяемые выходной числовой апертурой A" проекционного объектива, равной 0,5 относительного отверстия объектива 13 спектрофотометра при характерном его значении 1:5. Расфокусировка OO1 S изображения из положения AB в положение A1B1 приводит к перераспределению излучения, соответствующему использованию всех точек изображения A1B1, но при уменьшении виньетированием в полевой диафрагме 4 их апертуре. Луч 9 при этом формируется точкой A1, а луч 11 точкой B1, прочие лучи формируются точками, расположенными внутри отрезка A1B1 между указанными крайними точками. Из подобия треугольников A1B1Е, CДE и FKE имеем
или
откуда
поскольку CD < KF. Но поэтому . Откуда или
Конкретные значения максимально реализуемых толщин dmax образцов, определяющих чувствительность фотометрирования, могут быть получены заданием спектрального диапазона прозрачности образца, его показателя преломления n и характерных значений параметров спектрофотометра. Применяемые значения параметров спектрофотометра составляют: a 4 мм; V 1,8x; aV 7 мм; 2A" 0,2, значения b при среднем разрешении в спектральном диапазоне длин волн 3 - 20 мкм составляют b 0,1 1,0 мм. Примем b 1 мм. Тогда
Для в указанном спектральном диапазоне имеем: при n1 1,5 значение d1max= 180 мм, что соответствует полному использованию длины отделения для установки образцов; для n2 2 значение d2max 120 мм; для n3 3 d3max 90 мм; для n4 4 d4max 80 мм. С ростом значения n эффективность использования длины отделения для установки образцов снижается, оставаясь все время в 2 раза большей, чем в прототипе [3]
Класс G01J3/10 источники света, специально предназначенные для спектрометрии или колориметрии