ОСВЕТИТЕЛЬ СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01J3/10 

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 ΔS 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 ΔS 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 ΔS.

При этом заданное смещение ΔS плоскости фокусировки направлено противоположно ходу лучей, в то время как расфокусировка ΔS₁, 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 ΔS₁, вносимой установкой образца, половина которой компенсируется заданной расфокусировкой ΔS, 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 ΔS 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 ΔS_1max 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 ΔS_1max = 2ΔS, в то время как в прототипе [3] с совмещением в отсутствие образца 7 плоскости 5 фокусировки с полевой диафрагмой 4 равен ΔS, т.е. обеспечивается двукратное увеличение допускаемого диапазона расфокусировки ΔS_1max и допускаемой толщины d_max 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 ΔS 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 d_max 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 1,8^x; a•V ≈ 7 мм; 2A' ≈ 0,2, значения b при среднем разрешении в спектральном диапазоне длин волн λ ≈ 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 d_1max= 180 мм, что соответствует полному использованию длины отделения для установки образцов; для n₂ 2 значение d_2max 120 мм; для n₃ 3 d_3max 90 мм; для n₄ 4 d_4max 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]

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 ΔS 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.

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 ΔS 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.