СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к области спектрального приборостроения и может найти широкое применение в фотометрии, а также может быть использовано для получения спектров излучения с непрерывной модуляцией экспозиций.

Известен способ модуляции интенсивности светового потока, основанный на перераспределении световой энергии между проходящим и диафрагированным светом за счет акустооптического взаимодействия [1].

Недостатком такого способа является невозможность осуществлять модуляцию светового потока сплошного спектра.

Другие наиболее распространенные способы модуляции интенсивности излучения основаны на использовании либо обтюраторов, либо осецентрированных апертурных диафрагм (АД), например, ирисового типа, ограничивающих сечение пучка излучения, выходящего из осевой точки излучателя [2-4]. Поскольку интенсивность I является квадратичной функцией от диаметра D пучка (I ≈ πD²/4), то для осуществления линейного или гармонического изменения энергетических характеристик светового потока требуется использование обтюраторов со сложным профилем вращающейся диафрагмы либо сложных нелинейных электромеханических приводов, например кулачкового типа.

Недостатком таких способов является невозможность осуществления модуляции света при совместной работе со спектральным устройством по линейному, гармоническому и другому определенному закону, поскольку входной и выходной апертурой спектрального устройства является прямоугольная щель.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ модуляции интенсивности излучения [5], заключающийся в апертурном диафрагмировании дифракционной решетки (ДР) спектрального устройства подвижной оптически непрозрачной пластиной, скорость движения рабочего края которой пропорциональна напряжению питания электромеханического привода, с которым она механически связана, при этом рабочий край и плоскость пластины при ее движении всегда параллельны штрихам ДР. Закон модуляции интенсивности излучения определяется закономерностью поступательного движения края АД, связанной с электромеханическим приводом. Такая связь может осуществляться по меньшей мере двумя и более элементами: например винтом-гайкой или кривошипно-шатунным механизмом, и т.п. При этом для осуществления точного поступательного движения края АД дополнительно требуются направляющие и сопутствующие им механизмы.

Недостатком данного способа является относительно сложная его реализующая точная механика. Кроме того, скорость перемещения края АД, ограниченная ее поступательным движением, замедляет процесс развертки оптического спектра при линеаризации аппаратной функции спектрального устройства тем более, чем выше линейная дисперсия и больше ширина нарезной части ДР.

Технической задачей изобретения является увеличение скорости апертурного диафрагмирования ДР при линеаризации аппаратной функции и частоты непрерывной модуляции интенсивности оптического излучения по гармоническому и другим законам с одновременным упрощением конструкции.

Это достигается благодаря движению рабочего края АД вокруг оси вращения электромеханического поворотного устройства, циклическая частота вращения которого ω(t) определяется по закону где Ω = 2•π•f, f - частота модуляции интенсивности на выходе спектрального устройства по гармоническому закону, t - время.

Суть изобретения поясняется фиг.1 - 5.

На фиг. 1 и 2 показано: 1 - дифракционная решетка (ДР) с шириной a₀ нарезной части и высотой h₀, при этом a - проекция действующей ширины ДР на плоскость сечения светового потока, т.е. на плоскость ZOX, 2 - апертурная диафрагма (АД) в виде прямоугольной пластины размером 2a^* x h^*, при этом h^* > h₀ и a^*= b₀ (b₀ - полная ширина светового потока с его действующим b и диспергированным b' значениями), 3 - ось вращения OO^*, совпадающая с осью симметрии |MO| = |ON| = a^* апертурной диафрагмы, 4 - электромеханическое поворотное устройство.

На фиг. 3 показана зависимость светового потока Ф, падающего на ДР, от углов α и β поворота АД: при ∠α = 0^o АД введена в коллимированный световой поток и полностью перекрывает его (a=b=0); при ∠α = 90^o АД полностью выведена из светового потока (a=b=b₀). При выполнении АД как показано на фиг.1 и 2 угол β равен β = α-π/2
На фиг. 4 показаны временные зависимости светового потока Ф(t) и циклической частоты вращения ω(t) апертурной диафрагмы (оси электромеханического поворотного устройства), обеспечивающей модуляцию Ф(t) по гармоническому закону.

На фиг. 5 представлено в сагиттальном сечении устройство, реализующее способ, на котором изображено: 1 - ДР, 2 - АД, 3 - ось вращения, 4 - электромеханическое поворотное устройство, 5 - входная щель, 6 и 7 - зеркальные объективы, соответственно, коллиматорный (входной) и камерный (выходной), 8 - приемно-регистрирующая часть.

Пусть в исходном состоянии АД 2 площадью a^* x h^* полностью перекрывает световой поток сечением b₀ x H (H - высота светового пучка), падающий на ДР 1 (a^* x h^*=b₀ x H, плоскость a^* x h^* лежит в плоскости ZOX) (фиг. 1). При повороте АД 2 вокруг оси 3 с помощью электромеханического поворотного устройства 4 по часовой стрелке на угол α координаты x_M(t) и x_N(t) точек М и N изменяются вдоль оси ОХ во времени t. При этом рабочей плоскостью АД всегда является плоскость, диафрагмирующая ДР: при повороте АД на угол α от 0^o до 90^o рабочей плоскостью является плоскость a^* x h^* с точкой М (фиг. 1), от 90^o до 180^o - плоскость a^* x h^* с точкой N (фиг.2). Тогда проекции на ось OX скоростей движения Vx_M точки М и Vx_N точки N при равномерном вращении АД равны, соответственно:

Световой поток, падающий на решетку, определяется, соответственно:

где E₀ - освещенность в плоскости ZOX.

Подставляя (1) в (2) с учетом β = α-π/2 , получим:

и

или, соответственно:
Ф_M(t)=Ф_max•(1-cos α ) и Ф_N(t)=Ф_max•(1+cos α ),
где Ф_max = E₀•b₀•a - максимальный поток, падающий на ДР.

Таким образом, при вращении АД, например, по часовой стрелке интенсивность падающего потока на ДР будет изменяться по закону:

Ф(t) = Ф_max•(1+cosα) при α = π/2-3π/2. (5)
Следовательно, зависимость модуляции интенсивности светового потока Ф(t) от угла α(β) поворота АД, определяемая по (4) и (5), при равномерном вращении АД имеет нелинейный и негармонический вид (фиг.3).

Для модуляции падающего на ДР потока Ф(t), и следовательно, интенсивности излучения на выходе спектрального устройства по гармоническому закону:

и с учетом (4) и (5) необходимо выполнение следующих равенств:

и

Если принять, что то, продифференцировав обе части то, равенств (7) и (8), получим, соответственно: и ; т.е. закон вращения АД, обеспечивающий гармоническую модуляцию интенсивности на выходе спектрального устройства, имеет вид:

Здесь знак плюс соответствует α = 0-π/2 и α = 3π/2-2π а минус - α = π/2-3π/2.
Выразим sin α из равенств (7) и (8) и подставим полученные значения в (9), предварительно выполнив преобразование sin Ωt через функцию удвоенного аргумента. После тригонометрических преобразований получим закон циклической частоты вращения АД:

обеспечивающий гармоническую модуляцию с циклической частотой Ω интенсивности излучения, диспергированного на ДР (фиг.4). Здесь знак плюс соответствует π•(4•n-1)<Ω•t<π(4•n+1) , а минус - π•(4•n-3)<Ω•t<π(4•n-1) , где n = 1, 2, 3,... . Поскольку оптически непрозрачная пластина 2 образует две АД, расположенных под углом 180^o, а функция ω является периодической, то за один полный поворот (α = 0-2π)(t) оси вращения интенсивность излучения на выходе спектрального устройства испытает двойное гармоническое колебание. При этом знак в правой части выражения (10) можно опустить. Поскольку dα = ω(t)•dt], то интегрирование уравнения (10) определяет закон изменения угла α поворота АД.

Таким образом, по описанному закону вращения АД с помощью аппаратных электронно-вычислительных средств можно модулировать интенсивность излучения на выходе спектрального устройства как по гармоническому закону, так и по любому, определенно заданному в аналитическом виде закону. Например, для осуществления модуляции интенсивности излучения по линейному закону в левую часть равенств (7) и (8) вместо гармонического закона (6) следует ввести линейный закон.

Существенным отличительным признаком предлагаемого способа модуляции интенсивности излучения, диспергированного в спектральном приборе, является движение рабочего края пластины вокруг оси вращения электромеханического поворотного устройства, временная зависимость закона вращения которого ω(t) задается аналитически, обеспечивая определенный (гармонический, линейный и т. п. ) закон модуляции интенсивности диспергированного излучения на выходе спектрального прибора. Например, для обеспечения модуляции интенсивности диспергированного излучения по гармоническому закону с частотой необходимо осуществлять вращение АД по аналитически заданному закону .

Данный отличительный признак является новым, поскольку не использовался в известных способах модуляции интенсивности диспергированного излучения, и существенным, поскольку обеспечивает решение поставленной задачи.

Способ реализуется с помощью устройства, содержащего по направлению распространения оптического излучения входную щель, коллиматорный объектив, АД, ДР, камерный объектив и приемно-регистрирующую часть, при этом АД выполнена из оптически непрозрачной прямоугольной пластины, рабочий край которой и плоскость всегда параллельны штрихам ДР, благодаря введению электромеханического поворотного устройства с осью вращения, на которой закреплена оптически непрозрачная пластина, при этом ось вращения параллельна штрихам ДР.

Устройство выполнено по вертикальной симметричной схеме. Входная щель 5, ее изображение в центре приемно-регистрирующей части 8, вершины обоих зеркал 6 и 7 и центр ДР 1 лежат в одной вертикальной плоскости, параллельной штрихам ДР (фиг. 5). Центры входной щели и приемно-регистрирующей части расположены симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через центр ДР на расстоянии L от этой плоскости. Оба зеркала 6 и 7 имеют общий центр кривизны и равные фокусные расстояния F. Прямая, соединяющая его с центром ДР, принимается за главную ось обоих зеркал. Вдоль этой оси к центру приемно-регистрирующей части 8 направляется излучение с длиной волны λ₀. Ось зеркал образует с нормалью к ДР угол Φ′ = Φ = arcsin(kλ₀N/2cosδ), причем tgδ′ = tgδ = L/F, где Φ и Φ′ - углы, образуемые с нормалью к ДР проекциями лучей падающего и дифрагированного пучков на главное сечение; δ и δ′ - углы падающего и дифрагированного пучка с главным сечением; k=0,±1,±2,... - порядок дифракционного спектра; N - число штрихов на единичный размер (лин/мм). Поскольку Φ = Φ′, а ширина b падающего на решетку излучения сложного спектрального состава Δλ и ширина b' диспергированного пучков монохроматического излучения λ₀ связаны соотношением b=Gb' (G - коэффициент меридионального увеличения решетки, равный G = cosΦ/cosΦ′= 1, то ширина b падающего и дифрагированного b' пучков равны: b = b'. Следовательно, равны и их площади сечения, которые определяются размерами ДР. Оправа ДР имеет прямоугольную a₀ x h₀ форму и является входным зрачком камерного 6 и выходным зрачком коллиматорного 7 объективов.

Устройство работает следующим образом. Излучение сложного спектрального состава мощностью Ф(Δλ) фокусируется и проецируется на входную щель 5. Входная щель установлена в фокальной плоскости коллиматорного объектива 6, который формирует от каждой точки щели и направляет в ДР параллельные пучки лучей сложного спектрального состава Δλ интенсивностью I(Δλ) и I_k(Δλ) Отражательная ДР, представляющая собой совокупность узких равноотстоящих параллельных зеркальных штрихов, разделенных малыми промежутками, установлена в коллимированном пучке I_k(Δλ) лучей так, что штрихи ДР параллельны входной щели 5. При падении на ДР коллимированного пучка лучей на каждом зеркальном штрихе происходит дифракция. По принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка, которую достигла плоская волна, становится источником световых колебаний, распространяющихся из этой точки, как из центра. В отраженном свете в фокальной плоскости камерного объектива 7 от каждого зеркального штриха получается дифракционная картина, как от узкой щели. Каждый штрих в зависимости от длины волны падающего на него излучения отклоняет лучи на различные углы так, что превращает параллельный пучок от каждой точки щели в веер монохроматических параллельных пучков с разными длинами волн λ₀,λ₁,λ₂ и т.д. На каждом j-м штрихе имеет место угловая дисперсия D_j(Φ) = kN/cosΦ′ . При малых углах Φ′ дифракции D_j(Φ) ≈ kN = const, и расстояние между монохроматическими линиями в спектре данного
порядка практически пропорционально разности длин волн этих линии. Фокусирующий объектив 7 преобразует на поверхности приемно-регистрирующей части 8 угловую дисперсию D_j(Φ) в линейную D_j(Λ) = fD_j(Φ)/cosα (α - угол наклона поверхности приемно-регистрирующей части), создавая этим монохроматические изображения щели, совокупность которых образует спектр. Сканирование спектра (изменение длины волны излучения, направляемого на поверхность 8) осуществляется изменением положения приемно-регистрирующей части либо ДР относительно падающего пучка лучей I_k(Δλ). Размеры в главном сечении монохроматических изображений входной щели равны размерам самой щели, поскольку коэффициент меридионального увеличения равен единице. Пучки, диспергированные на отдельных штрихах, интерферируют между собой, и распределение освещенности в фокальной плоскости 8 получается в результате суммирования фокусирующим объективом 7 диспергированных монохроматических колебаний, приходящих в каждую точку изображения от всех зеркальных штрихов где n - количество штрихов, участвующих в интерференции, определяется соотношением: n=N•a₀- m. В этом соотношении произведение N•a₀- абсолютное (общее) количество штрихов ДР, определяемое параметром решетки N (количество штрихов на единицу длины, N=l/d, где d - период решетки) и геометрическим размером a₀ в главном сечении. Величина m определяется количеством закрытых штрихов, диафрагмированных АД 2. При этом распределение интенсивности в спектре ДР определяется выражениями [7, с. 56-57]: I = R(u)•F(ν) , R(u) = sin²(u)/u² и F(ν) = sin²(N•x•ν)/sin²ν , где u = πc[sin(Φ-γ)+sin(Φ′-γ)]/λ, ν = πd(sinΦ+sinΦ′)/λ, γ - угол блеска решетки, c - ширина зеркальной полоски решетки. Если первый множитель R(u) дает распределение освещенности в дифракционной картине, получаемой от одной зеркальной полоски, то функция F(ν) - периодическая с периодом, равным π\, и зависящая от числа штрихов решетки N•a. Поскольку сечение h₀•a ДР определяет входной зрачок камерного и выходной зрачок коллиматорного объективов, то такое сечение является АД спектрального устройства. При этом величина h₀ (длина штрихов ДР) в совокупности с параметрами объективов (фокусным расстоянием и относительным отверстием) определяет геометрический размер H≈h₀ изображения входной щели на выходе устройства и не влияет на интенсивность преобразуемого излучения. Проекция a действующей ширины ДР в главном сечении характеризует суммарную интенсивность монохроматической составляющей излучения в спектре I(λ₀) = i_j(λ₀)•a≈a. Преобразование геометрического размера a через количественное соотношение штрихов, участвующих в интерференции n и диафрагмированных m диафрагмой 2 и параметром решетки d, определяет пропорциональную зависимость изменения интенсивности Таким образом, при изменении количества интерферирующих штрихов ДР изменяется и интенсивность каждой монохроматической составляющей излучения в спектре. Минимальное значение монохроматической интенсивности в изображении щели определятся интенсивностью диспергированного пучка на одном штрихе решетки.

Вращение АД 2 осуществляется электромеханическим поворотным устройством 4 с осью вращения 3 так, что ее рабочий край, проходящий через точку М или N (фиг. 1 и 2), и плоскость диафрагмирования всегда параллельны штрихам ДР. Точность позиционирования края АД 2 относительно проекции a действующей ширины ДР определяется электромеханическим поворотным устройством. Закон вращения АД 2 определяет закон изменения интенсивности монохроматических излучений в спектре от времени. При вращении АД, например, равномерно интенсивность излучения I(λ₀,t) изменяется по сложному временному закону (фиг.3), а при вращении по закону интенсивность излучения I(λ₀,t) изменяется по гармоническому закону (фиг.4) с циклической частотой Ω = 2•π•f . Таким образом, интенсивность излучений в спектре будет изменяться непрерывно во времени t по определенному временному закону от минимального значения i_j(λ₀,t) при j = 1 до максимального I_j(λ₀,t) = I(λ₀,t) , при J = N•a₀, соответствующего полному выведению АД 2 из пучка I_k(Δλ). Поскольку АД 2 не вносит изменений в спектр Δλ потока оптического излучения сложного спектрального состава Ф(Δλ), то аппаратная функция всего спектрального устройства не изменяется. При работе ДР в спектре нулевого порядка, что соответствует отражению от решетки как от плоского зеркала, вращающаяся АД будет осуществлять непрерывную во времени модуляцию интенсивности для оптического излучения сплошного Δλ спектра. В этом случае спектральное устройство с вращающейся АД будет осуществлять функции сенситометра.

Ось вращения может располагаться в любом месте на краю светового потока (фиг. 1 и 2), в сагиттальном сечении, а также и вне его. При этом ось вращения всегда параллельна штрихам ДР, а АД не должна перекрывать диспергирующий пучок. В любом случае временная зависимость вращения АД задается аналитически, обеспечивая требуемый закон модуляции интенсивности диспергированного излучения.

Введение отличительных признаков позволяет обеспечить непрерывную во времени модуляцию интенсивности по любому временному закону, заданному в аналитическом виде. Вращающаяся диафрагма с аналитически заданным законом ω(t) осуществляет пространственную модуляцию апертуры коллимированного потока излучения сплошного спектра, падающего на ДР, а на выходе устройства - модуляцию интенсивности излучения с циклической частотой Ω по определенному (гармоническому, линейному и т.п.) закону. При этом рабочий край диафрагмирующей плоскости и ось вращения всегда параллельны штрихам ДР.

Преимущество заявляемого устройства по сравнению с прототипом заключается в следующем. Во-первых, модуляция интенсивности осуществляется по любому закону, определяемому аналитически и обусловливающему закономерность вращения АД. Во-вторых, существенно уменьшается количество элементов, следовательно, упрощается конструкция устройства.

Источники информации
1. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. - М., 1977. (Аналог).

2. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. - М., 1963.

3. АС СССР N 714339, кл. G 03 B 7/16, опубл. 1980.

4. АС СССР N 1476424, кл. G 03 B 9/00, опубл. 1989.

5. Патент N 2094758, кл. G 01 J 3/18, опубл. 1997. (Прототип).

Изобретение относится к спектральному приборостроению и предназначено для получения спектров излучения с модуляцией экспозиций по определенному закону. Сущность изобретения заключается в движении рабочего края апертурной диафрагмы вокруг оси вращения электромеханического поворотного устройства, временная зависимость закона вращения которого задается аналитически, обеспечивая определенный (гармонический, линейный и т.п.) закон модуляции интенсивности диспергированного излучения на выходе спектрального прибора. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ модуляции интенсивности излучения, диспергированного в спектральном приборе, заключающийся в апертурном диафрагмировании дифракционной решетки подвижной оптически непрозрачной пластиной, скорость движения рабочего края которой пропорциональна напряжению питания электромеханического устройства, с которым она механически связана, при этом рабочий край и плоскость пластины при ее движении всегда параллельны штрихам дифракционной решетки, отличающийся тем, что движение рабочего края пластины осуществляется вокруг оси вращения электромеханического поворотного устройства, циклическая частота вращения которого ω(t) определяется по закону

где Ω = 2•π•f, f - частота модуляции интенсивности на выходе спектрального устройства по гармоническому закону;
t - время. 2. Спектральный прибор, содержащий по направлению распространения оптического излучения входную щель, коллиматорный объектив, апертурную диафрагму, дифракционную решетку, камерный объектив и приемно-регистрирующую часть, при этом апертурная диафрагма выполнена из оптически непрозрачной прямоугольной пластины, рабочий край и плоскость которой всегда параллельны штрихам дифракционной решетки, отличающееся тем, что введено электромеханическое поворотное устройство, на оси вращения которого закреплена оптически непрозрачная пластина, при этом ось вращения параллельна штрихам дифракционной решетки.