СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР И ОСВЕТИТЕЛЬ ДЛЯ НЕГО Российский патент 1996 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, более конкретно к осветителям и спектральным приборам на их основе.

Известен осветитель, содержащий оптически связанные объектив, сферическое зеркало и расположенный между ними излучатель при совмещении оптических осей объектива и сферического зеркала и центров излучателя и кривизны сферического зеркала, и спектральный прибор, содержащий осветитель, устройства спектрального преобразования излучения и спектрофотометрирования [1]
В известном осветителе и спектральном приборе на его основе излучатель должен быть прозрачен для прохождения излучения, формируемого сферическим зеркалом, чем повышается энергетическая эффективность за счет суммирования излучений, формируемых сферическим зеркалом и объективом.

Однако, по закону Кирхгофа, непоглощающий излучатель невозможен и, следовательно, такой осветитель в чистом виде неработоспособен. Поэтому фактической областью его применения является использование излучателей с несплошным полем излучения, с возможностью заполнения неизлучающих промежутков оптическим изображением излучающих, образуемым сферическим зеркалом, или частично поглощающего излучателя сплошного поля с коэффициентом поглощения К в диапазоне 0< К< 1.

В обоих случаях максимально реализуемая энергетическая эффективность не превышает достигаемую и без сферического зеркала с помощью излучателя сплошного поля с коэффициентом поглощения К, близким к 1.

Энергетически эффективнее осветитель, содержащий оптически связанные объектив, сферическое зеркало и расположенный между ними излучатель сплошного поля при совмещении оптических осей объектива и сферического зеркала, расположенных по касательной к излучателю, и точки касания с центром кривизны сферического зеркала, и спектральный прибор на его основе, содержащий указанный осветитель, входную диафрагму, не менее одного дополнительного объектива с оптической осью, совмещенной с оптической осью осветителя, устройство спектрального преобразования излучения, выходную диафрагму и расположенное за ней устройство спектрофотометрирования [2] прототип.

Недостатком известных осветителя и спектрального прибора на его основе является наличие в них апертурного виньетирования излучения, снижающего их энергетическую эффективность.

Изобретение решает задачу повышения реализуемой энергетической эффективности известных осветителя и спектрального прибора на его основе.

Цель изобретения может быть достигнута благодаря тому, что, согласно формуле изобретения, в осветителе [2] оптическая ось расположена на прямой, проходящей через центр сферического зеркала и центр образуемого им оптического изображения излучателя, а в спектральном приборе [2] содержащем известный осветитель, входную диафрагму, не менее одного дополнительного объектива, устройство спектрального преобразования излучения, выходную диафрагму и расположенное за ней устройство спектрофотометрирования, оптическая ось основного объектива расположена на прямой, проходящей через центр сферического зеркала и центр образуемого им изображения излучения, а оптическая ось дополнительного объектива расположена на прямой, проходящей через центр основного объектива и точку сопряжения с центром кривизны сферического зеркала.

Найденное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, а перечисленная совокупность его существенных признаков обеспечивает получение технического результата, выражаемого повышением энергетической эффективности предлагаемых осветителя и спектрального прибора.

На фиг. 1 показана оптическая схема осветителя; на фиг. 2 оптическая схема спектрального прибора на его основе.

Осветитель фиг. 1 содержит объектив 1, сферическое зеркало 2 и расположенный между ними излучатель 3. Оптическая ось 4 сферического зеркала 2 установлена по касательной к излучателю 3 при совмещении ее точки касания с центром 5 кривизны сферического зеркала 2. Оптическая ось 6 объектива 1, проходящая через центр 7 сферического зеркала 2 и центр 8, образуемого им изображения 9 излучателя 3, расположена под углом α₁ к оптической оси 4 сферического зеркала 2, значение которого определяется размером излучателя 3 и расстоянием до него от сферического зеркала 2.

Осветитель функционирует следующим образом. При включении излучателя 3 излучение, формируемое лучами 10, 11, направляется в объектив 1, образующий лучами 12, 13 изображение 14 излучателя 3. Излучение, формируемое лучами 15, 16, отражаясь от сферического зеркала 2, образующего примыкающее к излучателю 3 промежуточное изображение 9, затем идет в объектив 1, образующий лучами 17, 18 вторичное изображение 19 излучателя 3, примыкающее к изображению 14. Оба изображения 14 и 19 в предлагаемом осветителе не имеют апертурного виньетирования в объективе 1, чем и обеспечивается максимальная энергетическая эффективность.

Для сравнения на той же фиг. 1 пунктиром показаны положения: 20 - объектива 1; 21 изображения 14, образуемого лучами 22, 23 и 24 изображения 19, образуемого лучами 25, 26, в прототипе [2] соответствующем совмещению оптических осей 4 сферического зеркала 2 и 6 объектива 1, т.е. нулевому значению α₁. Лучи 10, 11 при этом заменяются лучами 27, 28, имеющими в самосветящемся излучателе 3 такую же энергетическую эффективность, а лучи 15, 16 лучами 29, 16 с уменьшенной апертурой вследствие виньетирования объективом 1 в его положении 20 части излучения, расположенной между лучами 15, 29, чем снижается энергетическая эффективность.

Конкретное значение виньетирования и положительного эффекта, достигаемого заменой известного осветителя [2] предлагаемым, определяется соотношением геометрических параметров: апертуры объектива 1, угла α₁ наклона оптической оси 6 объектива 1 к оптической оси 4 сферического зеркала 2 и расстояния от объектива 1 до излучателя 3.

Спектральный прибор фиг. 2 содержит: предлагаемый осветитель 30, входную диафрагму 31, не менее одного дополнительного объектива 32, устройство 33 спектрального преобразования излучения, условно показанное в виде спектральной призмы, выходную диафрагму 34 и расположенное за ней устройство 35 спектрофотометрирования.

Оптическая ось 36 дополнительного объектива 32 расположена на прямой, проходящей через центр 37 объектива 1 и точку 38, сопряженную через объектив 1 с центром 5 кривизны сферического зеркала 2, под углом α₂ к оптической оси 6 объектива 1, значение α₂ определяется размером изображения 19 и расстоянием от него до объектива 1.

Входная диафрагма 31 расположена в плоскости изображений 14, 19 симметрично относительно точки 38 их касания.

Спектральное преобразование излучения может быть пространственным, осуществляемым с помощью диспергирующего элемента (спектральной призмы или дифракционной решетки), или амплитудным, осуществляемым с помощью интерферометра (Фабри-Перо, Майкельсона и др. ), с возможностью перемещения этих устройств, обеспечивающего сканирование спектра в приборе.

Спектральный прибор функционирует следующим образом. При включении осветителя 30 лучи, образующие изображения 14, 19, проходят через входную диафрагму 31 и дополнительный объектив 32, затем через устройство 33 спектрального преобразования излучения и выходную диафрагму 34 и поступают в устройство 35 спектрофотометрирования, где осуществляется преобразование излучения в электрический сигнал, его измерение и регистрация.

Перемещением устройства 33 осуществляется сканирование спектра излучения с установкой и выведением измеряемого образца до входной диафрагмы 31 или за выходной диафрагмой 34 и взятием отношения полученных спектров.

В предлагаемом приборе излучение не имеет апертурного виньетирования в дополнительном объективе 32, чем и обеспечивается максимальная энергетическая эффективность.

Для сравнения на той же фиг. 2 пунктиром показаны положения в прототипе [2] 39 дополнительного объектива 32; 40 устройства 33 спектрального преобразования излучения; 41 выходной диафрагмы 34 и 42 устройства 35 спектрофотометрирования, соответствующие совмещению оптической оси 36 дополнительного объектива 32 с оптической осью 6 с объектива 1, т.е. нулевому значению α₂.

При этом лучи 43, 44, проходящие через точку 38 касания изображений 14, 19 и образующие через дополнительный объектив 32 лучи 45, 46, в прототипе [2] заменяются лучами 47, 44, образующими в положении 39 дополнительного объектива 32 лучи 48, 49 при уменьшении апертуры вследствие виньетирования в указанном положении части излучения, расположенной между лучами 43, 47, чем снижается энергетическая эффективность.

Конкретное значение виньетирования и положительного эффекта, достигаемого заменой прототипа [2] предлагаемым прибором, определяется соотношением геометрических параметров: апертуры дополнительного объектива 32, угла α₂ наклона его оптической оси 36 к оптической оси 6 объектива 1 и расстояния от дополнительного объектива 32 до входной диафрагмы 31.

В предлагаемым приборе виньетирования как в осветителе 30, так и в дополнительном объективе 32 устранены, чем и обеспечивается максимальная его энергетическая эффективность.

Возможными областями применения предлагаемых осветителя и спектрального прибора на его основе могут быть:
1. Фурье-спектрометры с увеличенным полем зрения при использовании стандартных излучателей и уровней энергопотребления;
2. Дисперсионные спектрометры на основе монохроматоров
а) с увеличенным диапазоном толщин слабопоглощающих образцов, учитывающим вносимую слоем образца расфокусировку излучения,
б) с использованием дополнительных оптических систем согласования в нестандартных режимах спектрофотометрирования при снижении требований к качеству их настройки и согласования с возрастанием допускаемой расфокусировки излучения,
в) с расширенной длинноволновой областью сканирования спектра при компенсации снижения яркости излучателя увеличением поля монохроматора.

Использование: изобретение относится к области оптического спектрального приборостроения. Осветитель выполнен в виде оптически связанных объектива, сферического зеркала и расположенного между ними излучателя при установке оптической оси сферического зеркала по касательной к излучателю и совмещении точки касания с центром кривизны сферического зеркала, при этом оптическая ось объектива проходит через центр сферического зеркала и центр образуемого им изображения излучателя. Спектральный прибор на основе осветителя содержит указанный осветитель, входную диафрагму, не менее одного дополнительного объектива, устройство спектрального преобразования излучения, выходную диафрагму и устройство спектрофотометрирования, при этом оптическая ось дополнительного объектива проходит через центр объектива осветителя и точку сопряжения с центром кривизны его сферического зеркала. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Спектральный прибор, содержащий оптически связанные осветитель, образованный объективом, сферическим зеркалом и расположенным между ними излучателем при установке оптической оси сферического зеркала по касательной к излучателю и совмещении точки касания с центром кривизны сферического зеркала, входную диафрагму, не менее одного дополнительного объектива, устройство спектрального преобразования излучения, выходную диафрагму и расположенное за ней устройство спектрофотометрирования, отличающийся тем, что оптическая ось основного объектива расположена на прямой, проходящей через центр сферического зеркала и центр образуемого им изображения излучателя, а оптическая ось дополнительного объектива расположена на прямой, проходящей через центр основного объектива и точку сопряжения с центром кривизны сферического зеркала. 2. Осветитель, содержащий оптически связанные объектив, сферическое зеркало и расположенный между ними излучатель при установке оптической оси сферического зеркала по касательной к излучателю и совмещении точки касания с центром кривизны сферического зеркала, отличающийся тем, что оптическая ось объектива расположена на прямой, проходящей через центр сферического зеркала и центр образуемого им изображения излучателя.