ПОЛИХРОМАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01J3/32 

Изобретение относится к средствам измерения интенсивности и спектрального состава инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения, конкретнее к приборам для исследования спектральных линий в определенной последовательности с регистрацией их яркости с помощью одного фотодетектора, и может быть использовано, например, для изучения оптических свойств атмосферы и ее состава.

Известен спектрометр для определения содержания озона в атмосфере (патент США N 4652761, кл. G 01 J 3/18, НКИ 250-372, заяв. 04.12.84), оптическая схема которого содержит зеркало, дифракционную решетку, линейку выходных щелей, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и измерительную схему. Дифракционная решетка управляется специальным устройством, что не позволяет точно юстировать спектрометр, он сложен в изготовлении и использовании.

Наиболее близким к заявляемому устройству является спектрометр для измерения обратно рассеянного солнечного излучения в ультрафиолетовой области спектра и картирования полного содержания озона в атмосфере Земли (Heath D. F. Kruger A.J. Roeder H.A. Henderson B.D. The Solar Bfcrsckat Ultraviolet and Total Ozone Mapping Spectrometer (SBUV/TOMS) for NIMBUS Optical Engeneering, v. 14, N4, p.323-331.) Этот спутниковый прибор содержит узел сканирования исследуемой среды, деполяризатор, входную оптику и щель, зеркало-коллиматор, дифракционную решетку, селектор длин волн в виде маховика с прерывателем и маской с дуговыми щелями, линейку выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор в виде фотоэлектронного умножителя с электрометром. Выходная оптика прибора выполнена в виде многолинзового объектива большого диаметра и светосилы, обеспечивающего фокусировку спектра через линейку выходных щелей на чувствительном катоде ФЭУ. Разработка и изготовление подобного объектива является сложной технической задачей, поскольку необходимо найти оптимальное разрешение противоречия между требованиями значительной дисперсии (длины линейки) и сходимости лучей спектра на входе ФЭУ. Значительный объем расчетных работ, сложная конструкция объектива увеличивают трудоемкость изготовления выходной оптики, большое количество линз сопровождается потерями на поглощение и отражение света, крупногабаритное исполнение оптики затрудняет уменьшение фокусного расстояния, вследствие чего увеличиваются масса и габариты прибора в целом.

В предлагаемом полихроматоре, содержащем диспергирующий элемент, селектор длин волн, линейку выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор, выходная оптика содержит ряд призматических линз, установленных напротив выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор, выходная оптика содержит ряд призматических линз, установленных напротив выходных щелей и фотодетектором. В частности, призматические линзы могут быть выполнены в виде призм с плоскими поверхностями.

Техническим результатом предложенного решения является сокращение потерь на поглощение и отражение света, уменьшение габаритов и массы прибора, а также упрощение его изготовления. Устранение рассеянного светового фона, отраженного от стенок камеры, при обеспечении фокусировки изображения дифракционной решетки на выходе ФЭУ достигается в случае применения в выходной оптике призм с плоскими поверхностями.

На фиг. 1 изображена оптическая схема полихроматора, на фиг.2 вид А на селектор длин волн, на фиг.3 приведен осевой разрез двух близко расположенных выходных щелей (вариант выходной оптики). Полихроматор содержит сканер с призмой 1, светофильтр 2 с полосой пропускания ультрофиолетовой и красной частей спектра, входную оптику 3, входную щель 4, маховик 5 с отверстиями 6 прерывателя-модулятора и отверстиями 7 селектора длин волн, вогнутую дифракционную решетку 8, зеркало переноса 9, линейку выходных щелей 10, после каждой из которых установлены призматические линзы 11, 12, 13; красный светофильтр 14 с линзой 15, фотоумножитель 16, соединенный с электрометром. Маховик снабжен приводом вращения с электродвигателем 17 и шестерней 18, сопряженной с зубчатым венцом на ободе маховика.

Призматические линзы 11, 12, 13 выполнены в виде малоразмерных короткофокусных плосковыпуклых линз, причем плоский и выпуклый торцы линз расположены относительно друг друга с наклоном и образуют таким образом оптический элемент, совмещающий в себе функции положительной линзы и трехгранной призмы. В этом случае, если выходные щели 19, 20 (см. фиг. 3) расположены близко и не позволяют по условиям размещения установку напротив каждой щели автономной (отдельной) призматической линзы, на две (или более) щели устанавливается одна линза 21 соответственно с двумя (или более) плоскими гранями 22, 23.

Возможен вариант полихроматора, в котором призматические линзы выполнены в виде простых призм с плоскими поверхностями.

Поясним работу устройства при его использовании для изучения состава и оптических свойств атмосферы.

В орбитальном полете снабженный шаговым приводом сканер с призмой 1 обеспечивает сканирование обозреваемой поверхности поперек направления полета, объектив 3 фокусирует изображение исследуемого фрагмента поверхности на входной щели 4, свет модулируется прерывателем 6, его ультрафиолетовая компонента диспергируется дифракционной решеткой 8, спектр фокусируется на линейке выходных щелей 10, преломляется в призматических линзах 11, 12, 13 и в последовательности, определяемой положением отверстий 7 в селекторе длин волн, падает на чувствительный элемент фотоэлектронного умножителя 16. Нулевой порядок решетки отражается на ФЭУ через зеркало 9, линзу 15, светофильтр 14. Светофильтр 2 на входе поглощает "балластную" часть видимого спектра, расположенную между информативными ультрафиолетовой и красной областями, и обеспечивает таким образом многократное снижение фоновых помех от рассеянного света. Геометрические параметры автономной призматической линзы, установленной на одной щели, не требуют согласования с положением других щелей, что радикально упрощает расчетную часть работы и обеспечивает фокусировку щели на фотоприемник посредством одного простого оптического элемента с минимальным поглощением и отражением. Вариант прибора, выходные щели которого снабжены простыми призмами, обеспечивает фокусировку изображения дифракционной решетки на входе ФЭУ подобно камере-обскуре, при этом устраняется рассеянный световой фон, отраженный от стенок камеры.

Изобретение относится к средствам измерения интенсивности и спектрального состава инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения и может быть использовано для излучения оптических свойств и состава атмосферы. Сущность: полихроматор содержит сканирующее устройство, входную оптику, диспергирующий элемент, селектор длин волн, линейку выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор, причем выходная оптика содержит ряд призматических линз, установленных напротив выходных щелей и параллельно включенных в оптическую связь между линейкой выходных щелей и фотодетектором. В частности, призматические линзы могут быть выполнены в виде призм с плоскими поверхностями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полихроматор, содержащий диспергирующий элемент, селектор длин волн, линейку выходных щелей, выходную оптику и фотодетектор, отличающийся тем, что выходная оптика содержит ряд призматических линз, установленных напротив выходных щелей и параллельно включенных в оптическую связь между линейкой выходных щелей и фотодетектором. 2. Полихроматор по п. 1, отличающийся тем, что призматические линзы выполнены в виде призм с плоскими поверхностями.