СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ, СПЕКТРОМЕТР И МАЛОГАБАРИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2005 года по МПК G01J3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к спектрометрии.

Уровень техники

Исторически известные спектрометры создавались с использованием оптических схем предшествующих им спектрографов, в которых они включали входную щель, вогнутую дифракционную решетку и фотопленку в качестве приемника излучения.

Известен спектрометр, описанный в патенте RU 2105272, опубликован 20.02.1998, который включает вогнутую дифракционную решетку, входную щель и фотоприемник. Для измерения спектра предусмотрено механическое перемещение выходной щели вдоль круга Роуланда. Излучение от выходной щели к фотоприемнику передается по световодам. Спектрометр позволяет одновременно измерять спектры трех излучений, направленных через входную щель. К недостаткам спектрометра относится его громоздкость, вызванная значительными размерами круга Роуланда и наличием механизма сканирования.

Известны приемы, описанные в патенте GB 631748, опубликован 09.11.1949, и в патенте DE 3621464, опубликован 08.01.1987, использования зеркала в оптической схеме, включающей входную щель, вогнутую дифракционную решетку и приемник излучения, которые позволили существенно уменьшить габариты приборов. В патенте DE 3621464 предусматривается установка плоского зеркала в центре круга Роуланда с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости круга Роуланда в его центре. Однако наличие механизма сканирования спектра путем поворота зеркала в свою очередь приводит к громоздкости, а следовательно, к увеличению габаритов спектрометра и снижению его надежности. Кроме того, сканирование не позволяет измерять протяженный спектр одновременно.

Из известных спектрометров наиболее близким аналогом заявленного спектрометра является спектрометр, описанный в A.M.Лившиц, А.В.Пелезнев, Ю.А.Левыкин «Передвижная автоматизированная система для сортировки металлических сплавов», Научно-технические достижения. Межотраслевой сборник ВИМИ, 1990, вып.3. Этот спектрометр содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку и приемники излучения. Но в качестве приемников излучения используются линейные формирователи видеосигналов (ЛФВС), в частности линейные приборы с зарядовой связью (ПЗС-линейки). При этом регистрируется не ограниченный набор выделенных спектральных линий, а протяженные участки спектра, совпадающие по длине с фоточувствительной частью ПЗС-линейки.

Недостатком наиболее близкого к заявленному изобретению аналога является образование «слепых зон» между последовательно расположенными на круге Роуланда ПЗС-линейками. Даже, если ПЗС-линейки расположить вплотную друг к другу, «слепая зона», т.е. отсутствие приема излучения, будет сохраняться между их фоточувствительными частями. Другим его недостатком является наличие значительных габаритов, определяемых радиусом кривизны вогнутой дифракционной решетки и, соответственно, диаметром круга Роуланда.

Раскрытие изобретения

Заявленные изобретения направлены на создание компактных спектрометров, позволяющих измерять протяженные спектры. Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным способом измерения спектра излучения, заявленным спектрометром и заявленным малогабаритным спектрометром, является измерение протяженных спектров с использованием нескольких ЛФВС без потерь информации об участке спектра, расположенного на стыке ЛФВС. В заявленном малогабаритном спектрометре обеспечивается дополнительное уменьшение габаритов спектрометра.

Указанный технический результат обеспечивается в способе измерения спектра излучения, предусматривающем направление потока излучения через щель на вогнутую дифракционную решетку, а затем на, по крайней мере, два линейных формирователя видеосигналов. При этом, согласно изобретению, поток излучения предварительно разделяют на две части, которые направляют раздельно через две щели, смещенные друг относительно друга в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, на вогнутую дифракционную решетку, а затем на различные линейные формирователи видеосигналов, при этом на одном линейном формирователе видеосигналов от одной части потока образуют участок спектра, который является непрерывным продолжением участка спектра, образуемого на другом линейном формирователе видеосигналов от другой части потока.

Части потока излучения, направляемые на вогнутую дифракционную решетку, могут быть равными.

Направляться на вогнутую дифракционную решетку части потока излучения могут через две щели, смещенные относительно плоскости круга Роуланда на одну величину, но разную по знаку относительно указанной плоскости.

Возможно использование различного количества линейных формирователей видеосигналов (линеек ПЗС). В частности, возможно на двух или трех линейных формирователях видеосигналов от одной части потока образовывать участки спектра, которые являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на двух других линейных формирователях видеосигналов от другой части потока.

Возможно также использование 2N или 2N+1 линейных формирователей видеосигналов, где N=1, 2, 3,... и ограничено разумной величиной, которая может достигать несколько десятков. В этом случае на N или N+1 линейных формирователях видеосигналов образуют участки спектра от одной части потока, которые являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на N других линейных формирователях видеосигналов от другой части потока.

Указанный технический результат обеспечивается в спектрометре, реализующем способ, раскрытый выше. Для этого спектрометр включает входную щель, вогнутую дифракционную решетку и линейные формирователи видеосигналов. Дополнительно, для измерения спектра без потерь информации об участке спектра, расположенного на стыке линейных формирователей видеосигналов, спектрометр включает вторую входную щель, установленную со смещением относительно первой щели в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, оптический блок, разделяющий поток излучения на две части, направляемые им, соответственно, через первую и вторую щели на вогнутую дифракционную решетку, при этом один из линейных формирователей видеосигналов посредством вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжен с первой входной щелью, другой - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на них, являются непрерывным продолжением один другого.

Следует отметить, что именно предварительное разделение потока излучения и одновременное раздельное измерение спектров частей потока излучения позволяют достичь указанного технического результата. Соответствующая оптическая схема принципиально отличается от оптической схемы, используемой в спектрографах и известных спектрометрах.

Для устранения наклона спектральных линий относительно линейки ЛФВС, вызванного смещением щелей относительно плоскости круга Роуланда, входные щели могут быть повернуты в своей плоскости относительно оси, перпендикулярной этой плоскости, и зафиксированы.

Входные щели могут быть расположены со смещением вдоль круга Роуланда. Спектрометр может включать 2N или 2N+1 линейных формирователей видеосигнала, где N=1, 2, 3,.... При этом одна группа из N или N+1 линейных формирователей видеосигнала посредством вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжена с первой входной щелью, а другая группа из N других линейных формирователей видеосигнала - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на линейных формирователях видеосигнала из одной группы, являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на линейных формирователях видеосигнала из другой группы.

Указанные технические результаты обеспечиваются в малогабаритном спектрометре, реализующем способ, раскрытый выше. Для этого малогабаритный спектрометр включает входную щель, вогнутую дифракционную решетку и линейные формирователи видеосигналов. Дополнительно, согласно изобретению, для измерения спектра без потерь информации об участке спектра, расположенного на стыке линейных формирователей видеосигналов, и уменьшения своих габаритов малогабаритный спектрометр включает плоское зеркало, установленное перпендикулярно плоскости круга Роуланда в его центре, вторую входную щель, установленную со смещением относительно первой щели в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, и оптический блок, разделяющий поток излучения на две части, направляемые им, соответственно, через первую и вторую входные щели на плоское зеркало, при этом один из линейных формирователей сигналов посредством плоского зеркала и вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжен с первой входной щелью, другой - со второй входной щель, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на них, являются непрерывным продолжением один другого.

Малогабаритный спектрометр может включать 2N или 2N+1 линейных формирователей видеосигнала, где N=1, 2, 3,..., при этом одна группа из N или N+1 линейных формирователей видеосигнала посредством плоского зеркала и вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжена с первой входной щелью, а другая группа из N других линейных формирователей видеосигнала - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на линейных формирователях видеосигнала из одной группы, являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на линейных формирователях видеосигнала из другой группы. Число N не превосходит нескольких десятков.

При использовании вогнутой дифракционной решетки большой кривизны и плоского зеркала из-за уменьшения габаритов спектрометра область возможного расположения ЛФВС вдоль круга Роуланда ограничена, что приводит к ограничению протяженности измеряемого спектра. Для сохранения возможности измерения спектров большой протяженности путем последовательного измерения различных протяженных участков спектра одного и того же излучения с использованием всех ЛФВС спектрометра плоское зеркало может иметь несколько, по крайней мере два, фиксированных положения и быть установлено с возможностью поворота на соответствующие углы вокруг оси, перпендикулярной плоскости круга Роуланда в его центре.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 и Фиг.2 изображена оптическая схема спектрометра.

На Фиг.3 и Фиг.4 изображены варианты расположения относительно плоскости круга Роуланда входных щелей и ЛФВС.

На Фиг.5 изображена оптическая схема малогабаритного спектрометра.

Осуществление изобретения

Способ измерения спектра и соответствующий спектрометр могут быть реализованы так, как показано на Фиг.1. Радиус кривизны дифракционной решетки 1 соответствует диаметру круга Роуланда 2 и для достижения компактности устройства должен быть небольшим. Две входные щели 3 располагаются одна выше, а другая ниже плоскости круга Роуланда 2. О круге Роуланда для вогнутых дифракционных решеток см., например, А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский «Техника и практика спектроскопии». Наука, Москва, 1976, стр.57 или М.Борн и Э.Вольф «Основы оптики». Наука, Москва, 1970.

Освещение щелей происходит путем деления светового потока от источника излучения оптическим блоком - делителем на две части, направляемые раздельно на первую и вторую щель соответственно. В частности, оптический блок - делитель может быть выполнен в виде световода 4 с одним входом, оптически сопряженным с источником излучения 5, и двумя разветвляющимися выходами, подведенными вплотную к входным щелям 3. При этом формируются два одинаковых спектра, расположенные на таких же расстояниях, как и соответствующие им щели, от плоскости круга Роуланда один выше, а другой ниже. Излучение, выходящее из верхней щели, формирует спектр ниже плоскости круга Роуланда, а излучение, выходящее из нижней щели, формирует спектр выше круга Роуланда. В местах формирования этих спектров (см. Фиг.2, на которой представлен вид на входную щель и ЛФВС из центра дифракционной решетки) на круге Роуланда располагаются ЛФВС 6 таким образом, чтобы их фоточувствительные части 7 в сумме полностью без потерь перекрывали весь подлежащий регистрации спектральный диапазон. В отличие от схемы пространственной установки вогнутой решетки по Иглю, см. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский «Техника и практика спектроскопии». Наука, Москва, 1976, стр.61, в этой установке наблюдаемый спектр располагается не под щелью, а со смещением вдоль круга Роуланда.

Значения самих спектров определяются при помощи ЭВМ, связанной через электронный блок с ЛФВС. Этот электронный блок служит для управления работой ЛФВС, снятия с них сигналов и ввода этих сигналов в ЭВМ для представления их в цифровом и визуальном видах.

В качестве ЛФВС могут быть использованы, например, матрицы фотодиодов, линейки фотодиодов или ПЗС.

Из-за смещения входных щелей выше и ниже плоскости круга Роуланда спектральные линии располагаются под углом относительно линек фоточувствительных элементов ЛФВС, см. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский «Техника и практика спектроскопии», Наука, Москва, 1976, стр.156. Для компенсации этого наклона обе щели при юстировке прибора имеют возможность поворота вокруг оси, проходящей перпендикулярно плоскости щелей через их центр 8.

Создан спектрометр, в котором радиус кривизны дифракционной решетки составляет 330 мм. Штрихи нанесены на поверхности размером 45 мм ×45 мм с частотой 1800 штр./мм. Дисперсия =1,5 нм/мм. Число линеек ПЗС - 4 или 5 штук (TCD1304AP - фирма TOSHIBA, Япония). Для возможности применения этих линеек в ультрафиолетовой области спектра стеклянные входные окошки были заменены на кварцевые. Число фоточувствительных элементов в линейке ПЗС - 3648. Размер каждого из них - 8×200 мкм. Рабочая область спектра 180-350 нм или 180-410 нм.

Одна входная щель созданного спектрометра располагается на семь миллиметров выше круга Роуланда, а другая - на семь миллиметров ниже. Это позволило, во-первых, раздвинуть два полученных спектра ниже и выше плоскости круга Роуланда на те же семь миллиметров без наложений их друг на друга. А, во-вторых, позволило вписать по габаритам две или три указанные ПЗС-линейки выше плоскости круга Роуланда, а две ПЗС-линейки - ниже.

Как частные случаи заявленного технического решения возможны различные варианты взаимного расположения щелей и ЛФВС. Например, входные щели располагаются друг над другом, тогда ЛФВС располагаются выше и ниже круга Роуланда в шахматном порядке (см. Фиг.3). В другом примере входные щели разнесены друг от друга по кругу Роуланда на такое расстояние, при котором ЛФВС располагаются строго друг над другом (см. Фиг.4). В первом варианте компактно располагаются входные щели, а во втором - ЛФВС.

Для реализации малогабаритного спектрометра в схему спектрометра (см. Фиг.5) дополнительно вводится плоское зеркало 9, располагаемое перпендикулярно плоскости круга Роуланда 2, отражательная плоскость которого направлена в сторону входных щелей 3 (на Фиг.5 они сливаются в одно изображение, т.к. находятся друг над другом) и совпадает с осью, перпендикулярной плоскости круга Роуланда и проходящей через его центр 10. При этом зеркало имеет возможность поворачиваться вокруг указанной оси. Входные щели 3, дифракционная решетка 1 и набор ЛФВС 6 (которые также размещаются друг над другом в шахматном порядке) располагаются по одну сторону от зеркала, что позволяет уменьшить габариты спектрометра в два раза.

Излучение, выходящее из входных щелей 3, отражается от зеркала 9 и попадает на дифракционную решетку 1, после отражения от которой разлагается в пространстве по длинам волн и направляется снова на зеркало 9. После вторичного отражения от этого зеркала излучение каждой длины волны фокусируется на фоточувствительных частях приемников излучения 6. Излучение, выходящее из верхней щели, формирует спектр ниже плоскости круга Роуланда, а излучение, выходящее из нижней щели, формирует спектр выше круга Роуланда. Путем поворота зеркала 9 вокруг оси, проходящей через центр 10 круга Роуланда перпендикулярно плоскости этого круга, можно, во-первых, вывести полученные спектры в наиболее удобную с технической точки зрения область круга Роуланда, а во-вторых, после измерения одного протяженного участка спектра измерить другой протяженный участок спектра.

Изобретение относится к спектрометрии. Способ и устройство предусматривают предварительное разделение потока исследуемого излучения на две части, которые направляются на дифракционную решетку раздельно через две щели, смещенные друг относительно друга в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, а затем на различные линейные формирователи видеосигналов. На одном линейном формирователе видеосигналов от одной части потока образуется участок спектра, который является непрерывным продолжением участка спектра, образуемого на другом линейном формирователе видеосигналов от другой части потока. Технический результат - исключение потери полезной информации и измерение спектра. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения спектра излучения, предусматривающий направление потока излучения через щель на вогнутую дифракционную решетку, а затем на, по крайней мере, два линейных формирователя видеосигналов, отличающийся тем, что поток излучения предварительно разделяют на две части, которые направляют на дифракционную решетку раздельно через две щели, смещенные относительно друг друга в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, а затем - на различные линейные формирователи видеосигналов, при этом на одном линейном формирователе видеосигналов от одной части потока образуют участок спектра, который является непрерывным продолжением участка спектра, образуемого на другом линейном формирователе видеосигналов от другой части потока.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что части потока излучения, направляемые на вогнутую дифракционную решетку, равны друг другу.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что части потока излучения направляются на вогнутую дифракционную решетку через две щели, смещенные относительно плоскости круга Роуланда на одну величину, но в разные стороны.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на двух или трех линейных формирователях видеосигналов от одной части потока образуют участки спектра, которые являются непрерывным продолжением участков спектра образуемых на двух других линейных формирователях видеосигналов от другой части потока.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на N или N+1 линейных формирователях видеосигналов образуют участки спектра от одной части потока, которые являются непрерывным продолжением участков спектра образуемых на N других линейных формирователях видеосигналов от другой части потока, где N=1, 2, 3,...6. Спектрометр, включающий входную щель, вогнутую дифракционную решетку, по крайней мере, два линейных формирователя видеосигналов, отличающийся тем, что дополнительно включает вторую входную щель, установленную со смещением относительно первой щели в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, и оптический блок, разделяющий поток излучения на две части, направляемые им соответственно через первую и вторую щели на вогнутую дифракционную решетку, при этом один из линейных формирователей видеосигналов посредством вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжен с первой входной щелью, другой - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на них, являются непрерывным продолжением один другого.7. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что каждая входная щель установлена с возможностью поворота вокруг оси, проходящей перпендикулярно плоскости щели и фиксации в повернутом положении.8. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что входные щели установлены со смещением вдоль круга Роуланда.9. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что оптический блок, разделяющий поток излучения на две части, выполнен из световодов.10. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что в качестве линейных формирователей видеосигналов включает линейные приборы с зарядовой связью.11. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что в качестве линейных формирователей видеосигналов включает матрицы фотодиодов.12. Спектрометр по п.6, отличающийся тем, что включает 2N или 2N+1 линейных формирователей видеосигнала, где N=1, 2, 3,..., при этом одна группа из N или N+1 линейных формирователей видеосигнала посредством вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжена с первой входной щелью, а другая группа из N других линейных формирователей видеосигнала - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на линейных формирователях видеосигнала из одной группы, являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на линейных формирователях видеосигнала из другой группы.13. Малогабаритный спектрометр, включающий входную щель, вогнутую дифракционную решетку, линейные формирователи видеосигналов, отличающийся тем, что дополнительно включает плоское зеркало, установленное перпендикулярно плоскости круга Роуланда в его центре, вторую входную щель, установленную со смещением относительно первой щели в направлении, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, и оптический блок, разделяющий поток излучения на две части, направляемые им соответственно через первую и вторую щели на плоское зеркало, при этом один из линейных формирователей видеосигналов посредством плоского зеркала и вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжен с первой входной щелью, другой - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на них, являются непрерывным продолжением один другого.14. Малогабаритный спектрометр по п.13, отличающийся тем, что включает 2N или 2N+1 линейных формирователей видеосигнала, где n=1, 2, 3,..., при этом одна группа из N или N+1 линейных формирователей видеосигнала посредством плоского зеркала и вогнутой дифракционной решетки оптически сопряжена с первой входной щелью, а другая группа из N других линейных формирователей видеосигнала - со второй входной щелью, и они установлены так, что участки спектра, образуемые на линейных формирователях видеосигнала из одной группы, являются непрерывным продолжением участков спектра, образуемых на линейных формирователях видеосигнала из другой группы.15. Малогабаритный спектрометр по п.13, отличающийся тем, что плоское зеркало установлено с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости круга Роуланда в его центре, и фиксации, по крайней мере, в двух положениях на плоскости круга Роуланда.