СПЕКТРОСКОП Российский патент 1996 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к технической физике, а именно к оптическим спектральным приборам и может быть использовано для спектрального анализа различных материалов.

Известен спектроскоп, состоящий из линзы, в фокусе которой помещается щель, и призмы. При освещении щели исследуемым источником света через призму видно на бесконечности мнимое цветное изображение щели [1]
Разрешающая способность такого спектроскопа при достаточно узкой щели ограничивается свойствами глаза. Приняв, что наименьшее угловое расстояние между двумя линиями, различными глазом составляет 1', то для призмы из стекла ТФ1 с преломляющим углом 60^o предел разрешения спектроскопа в соответствии с [1] для длины волны 486,1 нм составит 0,8 нм. В красной части спектра, где дисперсия призмы резко падает, разрешение еще ниже. Изменение дисперсии призмы также сказывается на неравномерности шкалы длин волн, что создает определенные неудобства для оператора при отсчете длин волн.

Из уровня техники известен спектроскоп видимого диапазона [2] состоящий из корпуса, щелей и дисперсионного элемента в виде голографической асимметричной сетки, укрепленной в окошке в косой стенке, отклоненной по отношению к лицевой стенке корпуса на угол, величина которого зависит от плотности сетки.

Недостатками этого аналога являются несовпадение осей визирования на источник излучения и наблюдения спектра, а также отсутствие шкалы длин волн.

Ближайшим аналогом к изобретению является спектроскоп [3] состоящий из канала объекта, включающего оптически связанные и последовательно расположенные входную щель, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первую линзу, призму прямого зрения Амичи и выходное окно, и канала шкалы, включающего оптически связанные и последовательно расположенные шкалу длин волн, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, вторую линзу, поворотную призму и третью линзу, оптически связанную с последней гранью призмы прямого зрения Амичи канала объекта.

В этом спектроскопе излучение через входную щель, находящуюся в фокусе первой линзы, проходит эту линзу и параллельным пучком падает на призму прямого зрения Амичи. Разложенное в спектр излучение рассматривается глазом через окно. Одновременно наблюдается на бесконечности мнимое изображение шкалы длин волн, образованное второй и третьей линзами и совмещенное с цветным изображением щели с помощью поворотной призмы и последней грани призмы прямого зрения Амичи.

Для удобства экспертизы в связи с малым количеством экземпляров источника литературы на фиг. 3 приведена оптическая схема ближайшего аналога.

Диоптрийная наводка на резкость спектра и шкалы производится раздельно перемещением входной щели и шкалы длин волн вдоль соответствующих оптических осей.

К недостаткам данного спектроскопа можно отнести:
низкое спектральное разрешение в длинноволновой части видимой области спектра (не разрешается желтый дуплет натрия);
неравномерная шкала длин волн;
сравнительно большая масса прибора из-за обилия призм и линз и длина прибора из-за последовательно установленных на одной оптической оси всех элементов схемы;
раздельное перемещение входной щели и шкалы длин волн для наводки на резкое изображение.

Техническая задача, которая решалась при создании изобретения, заключается в разработке конструкции спектроскопа, обладающего улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении спектрального разрешения в длинноволновой части видимой области спектра и в получении равномерной шкалы длин волн.

Дополнительный технический результат заключается в уменьшении массы и размеров спектроскопа и упрощении настройки спектроскопа под индивидуальный глаз наблюдателя.

Этот технический результат достигается тем, что спектроскоп, состоящий из канала излучения, включающего входную щель и выходное окно, входная щель установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси канала излучения, и канала шкалы, включающего шкалу длин волн, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси канала шкалы, канал излучения дополнительно включает вогнутое сферическое зеркало и плоскую дифракционную решетку, канал шкалы дополнительно включает плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало, причем радиусы кривизны вогнутых сферических зеркал в обоих каналах одинаковы, плоская дифракционная решетка выполнена с зоной прозрачности, в канале излучения входная щель расположена в фокусе вогнутого сферического зеркала, оптически связанного через плоскую дифракционную решетку с выходным окном, угол падения лучей от вогнутого сферического зеркала на плоскую дифракционную решетку составляет

где l_ср средняя длина волны оптического диапазона спектроскопа, нм;
σ постоянная плоской дифракционной решетки, нм,
а в канале шкалы шкала длин волн, плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало оптически связаны и расположены последовательно, причем шкала длин волн находится в фокусе вогнутого сферического зеркала канала шкалы, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном, а перемещение вдоль оптических осей входной щели и шкалы длин волн выполнено общим.

Этот технический результат достигается также тем, что в плоской дифракционной решетке отношение площади зоны прозрачности к площади отражающей зоны составляет (0,02-0,2).

На фиг. 1 изображена оптическая схема спектроскопа, на фиг. 2 плоская дифракционная решетка с зоной прозрачности, на фиг. 3 оптическая схема ближайшего аналога.

Спектроскоп содержит последовательно расположенные на оптической оси входную щель 1, вогнутое сферическое зеркало 2, плоскую дифракционную решетку 3 и выходное окно 4, составляющие канал 5 излучения, а также оптически связанные шкалу 6 длин волн, плоское зеркало 7 и вогнутое сферическое зеркало 8, составляющие канал 9 шкалы.

Зеркала 2 и 8 имеют одинаковый радиус кривизны, а в их фокусах расположены соответственно входная щель 1 и шкала 6 длин волн. Зеркала 2, 7 и 8 предназначены для "излома" оптических осей каналов излучения и шкалы, что приводит к уменьшению геометрических размеров спектроскопа. Выходное окно 4 через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с установленным за плоской дифракционной решеткой 3 вогнутым сферическим зеркалом 8 канала шкалы.

Плоская дифракционная решетка (фиг. 2) представляет собой плоскую прозрачную стеклянную пластину с нанесенным на нее отражающим слоем. В центре решетки оставлена зона прозрачности, сквозь которую наблюдается шкала. Соотношение площадей отражающей поверхности и зоны прозрачности определяется соотношением видимой яркости спектра и шкалы соответственно и может достигать величины (50-5), а обратная величина этого отношения, т.е. отношение площади зоны прозрачности к площади отражающей зоны (0,02-0,2).

Приведенная на фиг. 3 схема ближайшего аналога содержит входную щель 10, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первую линзу 11, призму прямого зрения Амичи 12 и выходное окно 13, составляющие канал объекта, и оптически связанные шкалу 14 длин волн, вторую линзу 15, поворотную призму 16 и третью линзу 17. Работа прототипа рассмотрена в разделе "Уровень техники".

В разработанном спектроскопе излучение через входную щель 1 расходящимся пучком падает на вогнутое сферическое зеркало 2, выполняющее роль коллиматора и, отразившись от этого зеркала параллельным пучком, падает на плоскую дифракционную решетку 3 под определенным углом. Последняя, работая как отражательная решетка, дифрагирует рабочую область спектра (видимая часть спектра 400-700 нм) в первый рабочий порядок симметрично относительно нормали. Разложенное в спектр излучение наблюдается через окно 4. Шкала 6 длин волн расположена в фокусе вогнутого сферического зеркала 8 и наблюдается через окно 4 в нулевом порядке спектра дифракционной решетки 3, работающей на пропускание, симметрично относительно нормали к решетке.

Такое построение схемы возможно, если решетка одновременно является и отражающей и пропускающей (например, отражает 90 и пропускает 10), либо выполнена в виде зон с отражающим слоем и зоной прозрачности.

Во-вторых, угол падения на отражательную решетку связан с частотой штрихов решетки выражением

где l_ср средняя длина волны оптического диапазона спектроскопа, равная для видимой части спектра (400^oC700):2=550 нм,
σ постоянная решетки, выраженная в нм.

В канале шкалы плоское зеркало играет роль ломающего ход лучей. Так как радиусы кривизны зеркал 2 и 8 одинаковы, то шкала 6 и входная щель имеют единую диоптрийную подвижку, что упрощает настройку спектроскопа под индивидуальный глаз наблюдателя.

Так как угловая дисперсия дифракционной решетки практически постоянна по спектру, то в длинноволновой части видимого спектра разрешение значительно превышает разрешение призменного спектроскопа (уверенно разрешается желтый дуплет натрия). При указанном угле падения на решетку обеспечивается равномерность шкалы длин волн. Плоская решетка может быть выполнена на стекле толщиной 1,25 мм, что облегчает спектроскоп по сравнению с ближайшим аналогом, а за счет излома оптических осей его длина при прочих равных условиях также меньше, чем у ближайшего аналога.

Испытания разработанного на предприятии опытного образца экспериментально подтвердили достижение указанного технического результата.

Изобретение относится к технической физике, а именно к оптическим спектральным приборам и может быть использовано для спектрального анализа различных материалов. Сущность заключается в том, что спектроскоп состоит из канала излучения, включающего оптически связанные входную щель, вогнутое сферическое зеркало, плоскую дифракционную решетку и выходное окно, и канала шкалы, включающего шкалу длин волн, плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Спектроскоп, состоящий из канала излучения, включающего выходное окно и входную щель, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси канала излучения, и канала шкалы, включающего шкалу длин волн, установленную с возможностью перемещения вдоль оптической оси канала шкалы, отличающийся тем, что канал излучения дополнительно включает вогнутое сферическое зеркало и плоскую дифракционную решетку, канал шкалы дополнительно включает плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало, причем радиусы кривизны вогнутых сферических зеркал в обоих каналах одинаковы, плоская дифракционная решетка выполнена с зоной прозрачности, в канале излучения входная щель расположена в фокусе вогнутого сферического зеркала, оптически связанного через плоскую дифракционную решетку с выходным окном, угол падения лучей от вогнутого сферического зеркала на плоскую дифракционную решетку составляет

где l_ср средняя длина волны оптического диапазона спектроскопа, нм,
σ постоянная плоской дифракционной решетки, выраженная в нм,
а в канале шкалы шкала длин волн, плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало оптически связаны и расположены последовательно, причем шкала длин волн находится в фокусе вогнутого сферического зеркала канала шкалы, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном, а перемещение вдоль оптических осей входной щели и шкалы длин волн выполнено общим. 2. Спектроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в плоской дифракционной решетке отношение площади зоны прозрачности к площади отражающей зоны составляет (0,02 0,2).