ДИСПЕРГИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК G01J3/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Оно может быть использовано в различных оптических приборах, в которых требуется пространственная селекция излучения требуемой длины волны, например, монохроматорах, спектрографиях, спектроскопах.

Известно устройство, содержащее спектральную призму, через которую двукратно пропускают поток излучения посредством зеркальной оптической системы [1].

Недостатком данного устройства является относительно небольшая угловая дисперсия.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому диспергирующему устройству является устройство, содержащее спектральные призмы, через которые многократно пропускают поток оптического излучения посредством многозеркальной оптической системы, состоящей из плоских зеркал [2]. Это устройство принято за прототип.

Недостатком данного устройства является меньшая светосила по сравнению с однопроходной или двухпроходной системой. Это связано с тем, что используется лишь часть апертуры призмы, а также с применением в устройстве зеркал с плоской отражающей поверхностью. Кроме того, увеличение числа проходов излучения через призму в k раз требует увеличения в k раз количества зеркал. При этом апертура, угол поля зрения и, соответственно, светосила устройства уменьшаются с ростом числа зеркал.

Целью изобретения является увеличение светосилы диспергирующего устройства без уменьшения угловой дисперсии.

Указанная цель достигается тем, что в диспергирующем устройстве, содержащем, первую и вторую трехгранные спектральные призмы, первое, второе, третье и четвертое зеркала, вторая призма установлена своими ребрами параллельно ребрам первой призмы, первое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани первой призмы, а четвертое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани второй призмы, первая и вторая призмы обращены друг к другу ребрами, образованными пересечением рабочих граней, зеркала имеют вогнутую отражающую поверхность с одинаковым фокусным расстоянием, второе зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани первой призмы, а третье зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани второй призмы, первое зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от четвертого зеркала, а второе зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от третьего зеркала, оптическая длина пути от первого до второго зеркала равна оптической длине пути от третьего до четвертого зеркала.

В другом варианте поставленная цель достигается тем, что в диспергирующем устройстве, содержащем первую и вторую трехгранные спектральные призмы, первое, второе, третье и четвертое зеркала, вторая призма установлена своими ребрами параллельно ребрам первой призмы, первое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани первой призмы, а четвертое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани второй призмы, первая и вторая призмы обращены друг к другу нерабочими гранями, зеркала имеют вогнутую отражающую поверхность с одинаковым фокусным расстоянием, второе зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани первой призмы, а третье зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани второй призмы, первое зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от четвертого зеркала, а второе зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от третьего зеркала, оптическая длина пути от первого до второго зеркала равна оптической длине пути от третьего до четвертого зеркала.

С целью получения возможности изменять длины волн излучения, выходящего из устройства, первая призма снабжена механизмом, обеспечивающим возможность поворота первой призмы вокруг оси, проходящей через основания первой призмы параллельно ее ребрам, вторая призма снабжена механизмом, обеспечивающим возможность поворота второй призмы вокруг оси, проходящей через основания второй призмы параллельно ее ребрам, причем механизмы работают синхронно и обеспечивают повороты обеих призм на одинаковые углы в противоположных направлениях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 в изометрической проекции показана конструкция устройства, в которой призмы обращены друг к другу ребрами, образованными пересечением рабочих граней, на фиг. 2 в изометрической проекции показана конструкция устройства, в которой призмы обращены друг к другу нерабочими гранями. На чертежах пунктирными линиями показаны световые зоны - области пересечения пучка лучей с отражающими поверхностями зеркал. Римские цифры соответствуют числу проходов луча между противолежащими зеркалами.

Позиции на чертеже обозначают:
1 - входное отверстие; 2 - выходное отверстие; 3 - первое зеркало; 4 - второе зеркало; 5 - третье зеркало; 6 - четвертое зеркало; 7 - первая призма; 8 - вторая призма.

Диспергирующее устройство содержит входное 1 и выходное 2 отверстия, четыре сферических вогнутых зеркала 3, 4, 5, 6 одинакового радиуса кривизны, две спектральные призмы 7, 8. Призма 7 установлена по ходу оптического луча между зеркалами 3, 4. а призма 8 - между зеркалами 5, 6. Зеркало 6 установлено на двойном фокусном расстоянии от зеркала 3, а зеркало 4 расположено на двойном фокусном расстоянии от зеркала 5, причем оптическая длина пути от зеркала 3 до зеркала 4 равна оптической длине пути от зеркала 5 до зеркала 6. При этом в диспергирующем устройстве, показанном на фиг. 1, призмы 7, 8 обращены к друг к другу ребрами, образованными пересечением рабочих граней, а в устройстве, показанном на фиг. 2, призмы 7, 8 обращены друг к другу нерабочими гранями. Кроме того, в устройствах имеются механизмы, обеспечивающие синхронный поворот призм 7, 8 на одинаковые углы в противоположных направлениях вокруг осей O₁, O₂ ( не показаны).

Диспергирующие устройства работает следующим образом. Излучение, поступающее на вход устройства через входное отверстие 1, проходит через призму 7 и заполняет световую зону I на зеркале 4, которое строит изображение входного отверстия 1 на зеркале 5 (световая зона II). После отражения от зеркала 5 излучение проходит через призму 8 и поступает в световую зону III на зеркале 6. В свою очередь, зеркало 6 строит изображение световой зоны II на зеркале 3 (зона IV). Отразившись от зеркала 3, излучение снова проходит через призму 7, и т. д. до тех пор пока после определенного числа циклов проходов (на чертежах для примера показано 2 цикла проходов), излучение не выйдет через выходное отверстие 2 за пределы диспергирующего устройства. При этом излучение с длиной волны λ₀ распространяется в устройстве так, как показано на фиг. 1, 2, а излучения с длиной волны, отличной от λ₀ - с нарастанием угла в плоскости дисперсии призм в каждом цикле проходов. В результате многократного прохождения через призмы 7, 8 излучение пространственно разложится по длинам волн. Следует отметить, что число циклов проходов излучения при заданных размерах оптических элементов определяется размерами входной и выходной апертуры и положением осей зеркал 4, 6.

При синхронном повороте призм 7, 8 вокруг осей O₁ и O₂ в противоположных направлениях на одинаковые углы изменятся углы падения излучения на призмы и, следовательно, длина волны излучения, распространяющегося по заданному направлению. Тем самым, осуществляется перестройка по длинам волн излучения, выходящего из диспергирующего устройства.

В предлагаемых диспергирующих устройствах светосила определяется как произведение а в устройстве-прототипе, как произведение где A_┴,Aпрот┴

- относительное отверстие в плоскости, перпендикулярной плоскости призм, соответственно, в предлагаемых диспергирующих устройства, и в устройстве-прототипе; относительное отверстие в плоскости параллельной плоскости дисперсии призм, соответственно, в предлагаемых диспергирующих устройствах и в устройстве-прототипе. В свою очередь, где h - длина ребер призм; N - число циклов проходов излучения через призмы; L - оптическая длина пути между противолежащими зеркалами. Учитывая, что не хуже, чем а предлагаемые диспергирующие устройства обеспечивают выигрыш в светосиле по сравнению с устройством-прототипом не менее чем в 2 • (N - 1) раз.

Источники информации
1. В.А. Вагин, В.А. Гершун, Г.Н. Жижин, К.И. Тарасов. Под ред. К.И. Тарасова. Светосильные спектральные приборы. М.: Наука, 1988, с. 18 - 19, рис. 1.7 б.

2. В.И. Малышев. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с. 463 - 464, рис. П. 1.2. (Прототип).

Использование: область оптического приборостроения, в различных оптических приборах, в которых требуется пространственная селекция излучения требуемой длины волны. Сущность изобретения: устройство содержит четыре вогнутых зеркала с одинаковым радиусом кривизны и две спектральные призмы. Четвертое зеркало установлено на двойном фокусном расстоянии от первого зеркала, а третье зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от второго зеркала, причем оптическая длина пути от первого до второго зеркала равна оптической длине пути от третьего до четвертого зеркала. Первая призма установлена по ходу оптического луча между первым и вторым зеркалом, а вторая призма - между третьим и четвертым зеркалом, при этом призмы обращены друг к другу или нерабочими гранями или ребрами, образованными пересечением рабочих граней. Кроме того, в устройствах имеются механизмы, обеспечивающие синхронный поворот призм на одинаковые углы в противоположных направлениях. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Диспергирующее устройство, содержащее первую и вторую трехгранные спектральные призмы, первое, второе, третье и четвертое зеркала, вторая призма установлена своими ребрами параллельно ребрам первой призмы, первое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани первой призмы, а четвертое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани второй призмы, отличающееся тем, что первая и вторая призмы обращены друг к другу ребрами, образованными пересечением рабочих граней, зеркала имеют вогнутую отражающую поверхность с одинаковым фокусным расстоянием, второе зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани первой призмы, а третье зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани второй призмы, первое зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от четвертого зеркала, а второе зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от третьего зеркала, оптическая длина пути от первого до второго зеркала равна оптической длине пути от третьего до четвертого зеркала. 2. Диспергирующее устройство, содержащее первую и вторую трехгранные спектральные призмы, первое, второе, третье и четвертое зеркала, вторая призма установлена своими ребрами параллельно ребрам первой призмы, первое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани первой призмы, а четвертое зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани второй призмы, отличающееся тем, что первая и вторая призмы обращены друг к другу нерабочими гранями, зеркала имеют вогнутую отражающую поверхность с одинаковым фокусным расстоянием, второе зеркало обращено своей отражающей поверхностью к второй рабочей грани первой призмы, а третье зеркало обращено своей отражающей поверхностью к первой рабочей грани второй призмы, первое зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от четвертого зеркала, а второе зеркало расположено на двойном фокусном расстоянии от третьего зеркала, оптическая длина пути от первого до второго зеркала равна оптической длине пути от третьего до четвертого зеркала. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первая призма снабжена механизмом, обеспечивающим возможность поворота первой призмы вокруг оси, проходящей через основания первой призмы параллельно ее ребрам, вторая призма снабжена механизмом, обеспечивающим возможность поворота второй призмы вокруг оси, проходящей через основания второй призмы параллельно ее ребрам, причем механизмы работают синхронно и обеспечивают повороты обеих призм на одинаковые углы в противоположных направлениях.