УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ А.Х.КУПЦОВА Российский патент 2008 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к исследованию строения, химического состава и ряда других физико-химических свойств веществ методом измерения различных видов спектров пропускания, отражения, упругого и неупругого рассеяния в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Устройство может быть использовано со спектрометрами (спектрографами, анализаторами) данных диапазонов в виде отдельной приставки, специального объектива к микроскопам или зондирующей насадки для оптоволоконных кабелей. Устройство позволяет анализировать микрообъекты и малые участки поверхности протяженных объектов, может применяться как в научных и экспертных исследованиях, так и в промышленности.

Аналоги.

Существуют устройства для измерения спектров зеркального отражения, диффузного отражения, а также (многократного) нарушенного полного внутреннего отражения (М)НПВО.

Устройства для измерения спектров диффузного отражения (УДО).

При регистрации спектров отражения всегда одновременно наблюдают компонент зеркального (отраженного границей раздела фаз) и диффузного (рассеянного в объеме образца) отражения света. Эти компоненты имеют различную природу и взаимно искажают друг друга, причем часто спектр суммарного отражения становится непригодным для анализа. Спектр диффузного отражения трансформируется в спектр, аналогичный виду спектра поглощения, путем математических преобразований Кубелки-Мунка, а похожий на производную из-за дисперсии показателя преломления вблизи полосы поглощения спектр зеркального отражения - с помощью преобразований Крамерса-Кронига. Для раздельного измерения диффузного и зеркального отражений существуют разработанные более 20-ти лет назад специальные приставки различных конструкций, которые можно разделить на 3 типа.

Наиболее распространенными УДО первого типа являются УДО фирм Analect (USA) и Perkin-Elmer (USA) с осевыми зеркалами, а второго - конструкции типа "Praying Mantis" (Harrick, USA) или "Seagal" (см. фиг.1) с внеосевыми зеркалами.

Фиг.1. Аналоги устройств для измерения спектров диффузного отражения типов I и II. 1 - плоское зеркало фокусирующей системы, 2 - фокусирующее эллиптическое зеркало («осевое» типа I, «внеосевое» типа II), 3 - объект исследования, 4 - экран или "блокер", 5 - собирающее эллиптическое зеркало («осевое» типа I, «внеосевое» типа II), 6 - плоское зеркало собирающей системы.

Их достоинством является относительная простота устройства и расположение всех оптических элементов над плоскостью поверхности образца, что позволяет исследовать отдельные участки протяженных объектов [R.G.Messerschmidt, R.M.Robinson, "Diffuse reflectance monitoring apparatus ", USA Patent №5636633, June 10, 1997]. Недостатком является низкая светосила (менее 10%), обусловленная сбором только небольшой части диффузно-отраженного в полусферу над образцом света. Хотя существует патент Милошевича и Харрика на увеличение светосилы, когда над образцом помещается возвращающая зеркальная полусфера с двумя отверстиями для конусов падающего и собираемого света [М.Milosevic, N.J.Harrick, "Collecting hemispherical attachment for spectrophotometry", USA Patent №4853542, Aug. 1, 1989.]. Однако наклонная геометрия падающего пучка приводит к увеличению "вредной" доли (вдобавок к нежелательному увеличению площади анализируемого пятна) зеркального компонента и, соответственно, к уменьшению доли диффузного отражения. В случаях сильного искажения спектров из-за вклада зеркально-отраженной компоненты последняя изолируется с помощью патентованного "блокера" (позиция 4 на фиг.1 [R.G.Messerschmidt, "Blocker device for eliminating specular reflectance from a diffuse reflection spectrum ", USA Patent №4661706, April 28, 1987]), что, однако, еще более ослабляет сигнал.

Приставки третьего типа (например, Фуллера-Гриффитса [P.R.Griffits, M.P.Fuller. "Mid-Infrared Spectrometry of Powdered Samples", in: Advances in Infrared and Raman Spectroscopy, Heyden and Sons. Ltd., Philadelphia, vol.9, chap.2, 1982, pp.63-129, T.Hirshfeld, "Optimization of Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopy Accessories", Applied Spectroscopy, vol.40, №8, 1986, pp.1082-1085, P.W.Yang, H.H.Mantsch, F.Bandais. "A Critical Evaluation of Three Types of Diffuse Reflectance Infrared Accessories", Applied Spectroscopy, vol.40, №7, 1986, pp. 974-978], см. фиг.2) с нормальным к поверхности объекта конусом падающего света могут иметь высокую (практически максимальную) светосилу, но сам образец и устройство его крепления должны быть ограниченных размеров, так как они расположены на пути лучей к фотоприемнику.

Фиг.2. Аналог устройств для измерения спектров диффузного отражения типа III. 1 - плоское зеркало фокусирующей системы, 2 - внеосевое фокусирующее параболическое зеркало, 3 - образец, 5 - собирающее «осевое» эллиптическое зеркало (или система из собирающего осевого параболического вместо 5 и фокусирующего на фотоприемник параболического зеркала вместо 6), 6 - плоское зеркало собирающей системы, 7 - фотоприемник.

При этом во всех классических приставках для более эффективного сбора диффузно рассеянного света требуется большая площадь фотоприемника (в этом также недостаток интегрирующих сфер и сконструированной более ста лет назад полусферы Кобленца), что повышает собственный тепловой шум фотоприемника и в итоге снижает отношение сигнала к шуму в получаемых спектрах.

В существующих УДО не достигается ОДНОВРЕМЕННО следующих 5-ти важных условий:

1. расположение всех оптических элементов над плоскостью поверхности образца;

2. максимальная конверсия падающего света в диффузно отраженный;

3. дискриминация зеркальной и френелевой диффузной компонент;

4. оптимальное соотношение телесных углов облучения и сбора диффузно отраженного света (максимально высокая светосила);

5. возможность локального микроанализа (менее 1 мм) поверхности протяженных объектов.

Исследования и расчеты в [P.J.Brimmer, P.R.Griffits. "Angular Dependence of Diffuse Reflectance Infrared Spectra. Part III: Linearity of Kubelka-Munk Plots ", Applied Spectroscopy, vol.42, №2, 1988, pp.242-247; E.H.Korte. "Figures of Merit for a Diffuse Reflectance Accessory using an On-Axis Ellipsoidal Collecting Mirror'", Applied Spectroscopy, vol.42, №3, 1988, pp.428-433] были направлены на оптимизацию оптической схемы УДО. Оптимальная геометрия характеризуется нормальной ориентацией к поверхности образца конуса падающего света и сбором диффузно отраженного света из оставшейся за пределами конуса полусферы над образцом. При этом достигается максимальная доля диффузного по отношению к зеркальному отражению и минимальный размер пятна на поверхности. Оптимизировались и соотношения телесных углов падающего и отраженного света, а также соотношения размеров освещаемого пятна с минимально возможными размерами фотоприемника и его угловым полем зрения. Оптимизированная геометрия УДО характеризуется величинами угла конуса падения в пределах 30-40°. Сбор диффузного отражения осуществляется из оставшейся части полусферы над образцом (собираемая часть энергии, излучаемой Ламбертовской (косинусной) поверхностью, ∫cosα·sinα·dα, меняется от 75% в случае конуса падающего света с углом в 30° до 59% в случае угла 40°). Светосила оптимизированных УДО, согласно указанным расчетам с учетом всех факторов, может составлять до 40%. Очевидным недостатком УДО первого (с "осевыми" зеркалами) и второго типов (с "вне-осевыми" зеркалами) является их низкая светосила, хотя преимущество перед третьим типом - расположение всей оптики над плоскостью поверхности объекта.

Выпускающиеся коммерческие устройства имеют ограниченную применимость для микроанализа, так как в них чаще всего для измерения диффузно отраженного света необходимо, чтобы объект исследования имел поверхность размерами порядка 1×1 см². При этом сам метод диффузного отражения, в сущности, не требует наличия больших объемов и площадей в измеряемом образце (на практике при преобразованиях Кубелки-Мунка в среднем ИК-диапазоне глубина образцов порядка 1 мм рассматривается как бесконечная).

Существует единственное специально сконструированное УДО [Е.Н.Korte, A.Otto. "Infrared Diffuse Reflectance Accessory for Local Analysis of Bulky Samples", Applied Spectroscopy, vol.42, №1, 1988, pp.38-43], которое отвечает первым 3-м условиям при освещении участка поверхности диаметром 3 мм.

Зеркальные объективы ИК-микроскопов отвечают условиям 1, 2 и 5, но до сих пор на практике не используются в качестве УДО, так как не разделяют диффузную и зеркальную компоненты. Однако их модернизация привлекательна и дополнительной возможностью визуализации точной настройки для микроанализа нужного участка поверхности протяженных объектов.

Устройства (объективы) для спектроскопии отражения при скользящих лучах и НПВО.

Существуют разработанные более 20-ти лет назад устройства для регистрации спектров отражения-пропускания при скользящих лучах для анализа тонких пленок большой площади на зеркальных подложках, которые производятся многими фирмами.

Устройства МНПВО, даже имеющие конденсоры луча, также требуют не меньшей площади образца, чем УДО (обычно более 10 см²).

Во всех отечественных объективах для инфракрасного диапазона используются линзовые (хотя иногда включаются и зеркальные) элементы, которые имеют два основных недостатка - ограниченную прозрачность в среднем ИК-диапазоне и хроматические аберрации ввиду зависимости коэффициента преломления от длины волны (см. например, [Юхимец П.Ф., Гришина Л.И., Бездидько С.Н. Проекционный объектив для инфракрасной области спектра. Патент РФ №2277717 С1 от 16.12.2004; Мельникова Н.Н., Грудзино Ю.Б., Давиденко В.П. Светосильный зеркально-линзовый объектив. Патент РФ №2261461 С1 от 24.08.2004]). Практически все они предназначены для использования в ближнем ИК-диапазоне и не для целей спектрального анализа. Данные недостатки отсутствуют в полностью зеркальных объективах Кассегрена или Шварцшильда, используемых в ИК-микроскопии и ИК-спектроскопии. Причем размеры изображений в них не зависят от длины волны, что позволяет настраиваться на объект в видимом диапазоне, а снимать спектры в ИК-диапазоне.

Фирмой "Spectra-Tech" (США), а затем и рядом других на базе классических зеркальных ахроматических объективов сконструирован ИК-микроскоп с полусферическим элементом НПВО в фокусе объектива (ATR-objective), позволяющий получать ИК-спектры НПВО с поверхностей в несколько десятков микрометров (фиг.3, 4).

Фиг.3. Типичная оптическая система зеркальных фокусирующих (внизу) и собирающих (вверху) объективов ИК-микроскопов.

"а" - оптическая геометрия для режимов визуализации образца или измерений псевдонормального отражения (или отражения-пропускания),

1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд маска), 5 - обращенное к объекту выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало собирающей системы, 6 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало собирающей системы.

"b" - оптическая геометрия для режима измерения спектров отражения в скользящих лучах.

1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, половина которого используется для сбора отраженного объектом света (вместо 5), 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, половина которого используется для сбора отраженного объектом света (вместо 6), 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд-маска).

Фронтальный вид соответствующих слайд-масок для каждого из режимов показан на фиг.3 справа.

Фиг.4. Типичная оптическая схема НПВО-объектива для ИК-микроскопа. 1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, вторая половина которого используется в собирающей системе зеркал (вместо 5), 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, вторая половина которого используется в собирающей системе зеркал (вместо 6), 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд-маска), 13 - полусферический элемент НПВО.

Элемент НПВО либо жестко фиксирован в области фокуса объектива (если используются только прозрачные элементы НПВО, как селенид цинка), либо перемещается за пределы канала луча для визуализации настройки на образец. В НПВО-объективах также внешняя цилиндрическая часть входящего светового потока используется для измерения спектров, а внутренняя - для наблюдения, а их выбор производится с помощью масок [D.W.Sting, "ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal", USA Patent №5093580, March 3, 1992], ограничивающих сигнал. Для получения неискаженных спектров НПВО необходимо такое диафрагмирование лучей перед объективом, чтобы углы падения в конусе сфокусированного пучка превышали критический угол полного внутреннего отражения на границе элемента НПВО с объектом. Для этого используется специальная диафрагма, оставляющая только внешнюю часть пучка (см. фиг.3"а" и 4). Это, наряду с необходимостью визуализации, также приводит к сильной потере светосилы НПВО-объективов. Практика показывает, что при использовании в объективах элементов НПВО с показателями преломления не выше 2.7 (KRS, ZnSe, алмаз) в спектрах большинства объектов наблюдаются сильные дисперсионные искажения, которые отсутствуют при использовании малопрозрачного германия (n=4.1). Чем более высокий коэффициент преломления имеет исследуемый объект (т.е. выше величина критического угла), тем выше должны быть углы падения (апертура) или величина коэффициента преломления элемента НПВО. Поэтому при сохранении возможностей визуализации требуется либо относительно большая площадь окружности маски, либо больший коэффициент преломления (меньшая прозрачность) элемента НПВО, что в любом случае приводит к еще большим потерям света.

Таким образом, требования, предъявляемые к объективам для спектроскопии НПВО и отражения при скользящих углах, где важно качество получаемого спектра с малой площади образца, противоречат требованиям к традиционным микроскопам, предназначенным для создания качественного изображения. В существующих ИК-микроскопах одни и те же зеркальные поверхности объективов являются компромиссом и для регистрации спектров, и для создания плоских изображений объектов.

Дополнительным недостатком существующих НПВО-объективов является следующий. Полусферический элемент НПВО, как известно, хорошо приспособлен для непрерывной вариации углов падения и соответственно глубины проникновения лучей (профилирования). Чем меньше угол падения относительно нормали к образцу, тем больше глубина проникновения затухающей волны в образец. Непрерывную вариацию углов падения было бы удобно делать с использованием ирисовой диафрагмы, если бы определяющую роль имели апертурные лучи, однако в спектроскопии НПВО решающую роль играют лучи внутренней части конуса падения, близкие к критическим углам. В существующих НПВО-объективах для глубинного профилирования пришлось бы варьировать углы только с помощью серии сменных масок с различным диаметром центрального экрана, что не удобно и существенно ограничено в вариациях ввиду изложенных выше требований к светосиле.

Зеркальные объективы для спектроскопии отражения в скользящих лучах (grazing angle objectives) представляют короткофокусную модификацию традиционных зеркальных объективов (Кассегрена, Шварцшильда) с очень высокими степенями выпуклости центрального отражающего сферического или гиперболического зеркала и с высокой степенью вогнутости кольцевого сегмента сферического (эллиптического) зеркала (фиг.3) [D.W.Sting, "Grazing angle microscope", USA Patent №4810077, March 7, 1989]. Сечение светового потока также разделяется с помощью масок на две кольцевые части: наружную и внутреннюю (фиг.3«а» и «б»). Наружная часть используется для измерения спектров отражения при скользящих углах, а внутренняя - для визуализации настройки на образец [R.G.Messerschmidt. "Spectroscopic sampling accessory having dual measuring and viewing systems", USA Patent №5311021, May.10, 1994]. Похожие системы описаны в патентах [Y.Yamawaki, Infrared microscope and observation tube used for the same, USA Patent №6525874, Feb.25, 2003; J.Davis, Infrared microscope adapter for viewing at an angle, USA Patent №6661573, Dec.9, 2003]. Причем чем более качественное требуется изображение, тем большая доля лучей должна иметь параксиальный характер. Необходимость визуализации, таким образом, приводит к дополнительному уменьшению светосилы объектива отражения при скользящих лучах.

Ранее для работы в режиме отражения использовали светоделитель, что давало в итоге только четверть его исходной энергии. В более поздних микроскопах стали использовать зеркала с полуотверстием (половина сечения потока пропускается, другая половина отражается), где достигается вдвое более высокая светосила. В патентах [D.W.Sting, R.G.Messerschmidt. "Aperture image beam splitter", USA Patent №4878747, Nov.7, 1989; D.W.Sting, R.G.Messerschmidt. "Reflective beam splitting objective",USA Patent №4653880, March 31, 1987] предложен вариант с подобным расщеплением луча. В патенте [W.M.Doyle, N.S.Hughes. "Reflectance infrared microscope having high radiation throughput", USA Patent №5011243, April 30, 1991] предложен вариант повышения светосилы с использованием наклонной плоскости поверхности образца, когда канал фокусировки не совпадает с каналом сбора. Очевидно, такая геометрия имеет ряд неудобств при работе с образцом.

Некоторые современные тенденции в разработке ИК-микроскопов, отмеченные, например, в [Tague T.J., Reffner J.A. Evolution in Infrared Microspectroscopy Instrumentation. Book of Abstracts PITTCON®′98, March 1-5, 1998, USA, p.1347], характеризуются следующими направлениями:

- "корректировкой на бесконечность" (использование коллимированных пучков для повышения гибкости составных частей микроскопа в приспособлениях);

- специализацией на регистрацию спектров отражения (модели, в которых отсутствуют конденсоры лучей снизу под объективом, например [Reffner J.A., Wihlborg W.T. "Infrared microspectrometer accessory", USA Patent №5581085, Dec.3, 1996];

- разработкой многоканальных ИК-фотоприемников для картирования поверхности на определенных полосах колебаний.

Так, в патенте [Doyle W.M. "Microscope accessory which facilitates radiation transmission measurements in the reflectance mode", USA Patent №4758088, July 19, 1988] вместо нижнего конденсора используется сферическое вогнутое зеркало для возврата луча в объектив после повторного прохождения пленки образца.

Прототип

Все существующие решения по спектральным применениям зеркальных объективов базируются на схемах Кассегрена и Шварцшильда. Существенным шагом по принципиальному расширению спектральных возможностей существующих зеркальных объективов было введение в них двойной зеркальной системы - дополнительного эллиптического зеркала и других, как отдельной собирающей системы зеркал, которые перекрывают оставшуюся часть полусферы над образцом вне конуса падающего света, которое было признано изобретением в 1990 году [Купцов А.Х. «Устройство для измерения спектров диффузного отражения», Авторское свидетельство СССР №1637520, 22 ноября 1990]. Указанные пять требований к устройствам (либо объективам) для измерения спектров диффузного отражения выполняются одновременно и практически полностью в указанном изобретении. Исключением является пункт 3 в части устранения диффузной френелевой компоненты отражения.

Наиболее близким к заявленному решению (прототипом) является вышеуказанное авторское свидетельство.

Устройство для измерения спектров диффузного отражения без компоненты зеркального отражения, содержащее источник излучения, оптически связанный через плоское зеркало, фокусирующую систему в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси первого эллиптического и первого параболического зеркал и собирающую систему в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси второго эллиптического, второго параболического, сферического и плоского зеркал с фотоприемником, причем главная оптическая ось и оптические оси всех зеркал с поверхностями вращения совпадают с нормалью к плоскости установки поверхности исследуемого объекта, при этом первое эллиптическое зеркало выполнено с отверстием, расположенным на главной оптической оси, первое плоское поворотное зеркало оптически связано с первым эллиптическим зеркалом через первое параболическое зеркало, причем фокус первого параболического зеркала и первый фокус первого эллиптического зеркала совпадают, а второй фокус первого эллиптического зеркала совпадает с точкой пересечения главной оптической оси и плоскости установки поверхности исследуемого объекта, а также с первым фокусом второго эллиптического зеркала и фокусом сферического зеркала, второе эллиптическое зеркало оптически связано через второе параболическое зеркало и второе плоское поворотное зеркало с фотоприемником, сферическое зеркало оптически связано через поверхность объекта, через второе эллиптическое, второе параболическое и второе плоское поворотное зеркало с фотоприемником, а второй фокус второго эллиптического зеркала совмещен с фокусом второго параболического зеркала.

Недостатки прототипа заключаются в том, что он не устраняет френелевскую диффузную компоненту отражения на шероховатостях поверхности, которая имеет природу зеркального отражения и тоже искажает спектр диффузного объемного отражения.

Кроме того, в прототипе не отмечены принципиально новые применения и возможности, которые может дать указанная оптическая схема для других видов спектроскопии.

Техническими задачами настоящего изобретения являются

1. Устранение упругой френелевской компоненты диффузного отражения на шероховатостях поверхности как при регистрации спектров диффузного объемного отражения, так и спектров неупругого рассеяния (флуоресценции, комбинационного рассеяния и т.п.).

2. Реализация возможности встраивания данного устройства вместо классических зеркальных объективов в обычных ИК-микроскопах без корректированных на бесконечность (параллельных) пучков.

3. Реализация возможности светосильной с полностью открытой апертурой регистрации спектров зеркального отражения, спектров пропускания-отражения в скользящих углах при одновременной визуализации изображения объекта либо одновременной регистрации разных видов спектров.

4. Реализация возможности светосильной регистрации спектров нарушенного полного внутреннего отражения без экранировки внутренней части потока падающих лучей, а также плавной регулировки глубины проникновения ИК-лучей в образец с помощью апертурной ирисовой диафрагмы.

5. Реализация возможности регистрации спектров отражения, флуоресценции или комбинационного рассеяния для микроанализа труднодоступных либо удаленных участков протяженных объектов.

Технический результат достигается тем, что

1. Между источником и фокусирующей системой зеркал, а также между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлены скрещенные друг относительно друга поляризаторы или/и на поверхности объекта установлен экран в виде соосного усеченного полого тонкостенного конуса вершиной к объекту, образующая которого лежит между конусом падающего света фокусирующей системы и телесным углом сбора рассеянного света собирающей системы.

2. В качестве фокусирующей системы используют соосные главной оптической оси и софокусные первое гиперболическое и первое эллиптическое зеркала, а в качестве собирающей системы используют соосные главной оптической оси и софокусные второе гиперболическое и второе эллиптическое зеркала.

3. Между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлено плоское зеркало так, что часть собирающей системы зеркал оптически связана с фотоприемником, а другая часть собирающей системы оптически связана с источником в качестве фокусирующей системы.

4. На поверхности исследуемого участка объекта рабочей гранью к нему, софокусно и соосно установлен полусферический элемент для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения, а между источником и плоским зеркалом установлена апертурная ирисовая диафрагма.

5. В качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет волновод, установленый вдоль главной оптической оси, а отводящий собранный вторым эллиптическим зеркалом свет волновод установлен либо в качестве второго параболического (или второго гиперболического) и второго плоского зеркал собирающей системы вдоль главной оптической оси, либо в качестве второго плоского зеркала, оптически связывающего собирающую систему с фотоприемником.

6. На главной оптической оси установлено плоское зеркало с коаксиальным отверстием для подводящего свет волновода, а в качестве параболического (либо гиперболического) и плоского зеркала собирающей системы и отводящего волновода используют установленное зеркало, которое оптически связывает собирающее эллиптическое зеркало с фотоприемником.

Предлагаемое техническое решение (предлагаемое изобретение) поясняется чертежами, где на фиг.1-4 демонстрируются типичные существующие устройства, а на фиг.5-10 приведены различные новые схемы работы предлагаемого устройства.

Пример 1 (Фиг.5)

Принципиальная схема устройства для одновременного наблюдения образца и измерения спектров упругого диффузного и неупругих отражений. 1 - выпуклое осевое гиперболическое (сферическое или параболическое) зеркало фокусирующей системы, 2 - вогнутое осевое эллиптическое (или сферическое) зеркало фокусирующей системы, 3 - поверхность исследуемого образца, 5 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало собирающей системы, 7 - фотоприемник.

При работе в режиме диффузного отражения падающий свет отражается выпуклым зеркалом 1 и фокусируется на объект первым вогнутым эллиптическим зеркалом 2. Отраженный различным образом свет распространяется в полусферу над образцом. Диффузное отражение собирается зеркалом 5 (вне конуса падающего и зеркально отраженного света) и направляется на фотоприемник 7. Последний может быть установлен за или перед зеркалом 1 (поскольку на главной оси имеются конусы тени) либо за пределами устройства с помощью установленных на оси зеркал, как в следующем примере.

Пример 2 (Фиг.6)

Принципиальная схема устройства для одновременного наблюдения образца и измерения спектров упругого диффузного отражения раздельно от зеркальной и диффузной френелевой компоненты.

Диффузно отраженная от шероховатостей поверхности френелевская часть блокируется как внутренней стороной конического экрана 4, так и скрещенными поляризаторами 10, 11. Диффузно отраженный из объема образца свет проходит снаружи конического экрана 4, собирается с помощью второго эллиптического зеркала 5 и гиперболическим зеркалом 6 и плоским зеркалом 9 направляется к фотоприемнику. Как видно из фиг.6, устройство имеет и высокую степень сбора диффузно-отраженного света (достоинства приставки Фуллера-Гриффитса без ее недостатков) и возможность анализа малых участков протяженных объектов, так как все оптические элементы расположены над плоскостью поверхности образца. При этом используемые в качестве конденсоров устройства со "слепым пятном" в центре выпуклого зеркала хотя и имеют пониженную светосилу (общий недостаток всех зеркальных ИК-объективов), однако компенсируют ее эффективной фокусировкой света на малую площадь поверхности образца и отсутствием хроматической аберрации (их общее преимущество). Диффузное излучение Ламбертовских (косинусных) объектов характеризуется тем, что в среднюю треть полусферы, а именно телесного угла от 30 до 60 градусов излучается половина энергии, а в верхнюю и нижнюю - по четверти. Следовательно, второй эллипсоид при 30-градусной фокусирующей апертуре собирает в 12 раз больше света, чем это может собрать половина эллипсоида объектива (причем без отделения зеркальной компоненты) в классическом варианте с разделением потока.

Таким образом, данное устройство может обеспечить высокую эффективность сбора селектированного объемного диффузного отражения света с очень малых участков поверхности протяженных объектов. Аналогичным образом работает данное устройство и на отсечение возбуждающего света при регистрации спектров флуоресценции или комбинационного рассеяния, где неупругая часть рассеяния собирается снаружи от экранирующего конуса. К тому же при регистрации спектров КР поляризатора в канале падающего света не требуется, так как обычно возбуждающий лазерный луч уже имеет линейную поляризацию.

Предлагаемое устройство по существу пренебрегает качеством изображения исследуемого объекта в дополнительном канале в пользу преимуществ работы в различных режимах спектроскопии отражения, что не является недостатком ввиду настройки и создания изображения с помощью первого традиционного канала. В данном случае вместо выделения анализируемого участка с помощью регулируемых экранирующих масок в плоскости изображения производится регулирование размера освещаемого участка посредством регулирования с помощью апертурной диафрагмы в плоскости промежуточного изображения источника при контроле освещаемого участка через первый канал. Это является возможным и удобным благодаря тому факту, что ввиду большего коэффициента увеличения во втором канале наблюдаемая область поверхности образца превышает максимальный размер освещаемого пятна. И это обстоятельство делает удобным исследование участков различной площади как в режиме регистрации ИК-, так и КР-спектров. Требования светосильности для УДО и устройств сбора КР не противоречат друг другу, хотя ввиду преимуществ лазерных источников оптимальные соотношения телесных углов освещения и сбора в случае КР смещены в стороны увеличения угла сбора.

Пример 3 (Фиг.7)

Для регистрации спектров зеркального отражения или пропускания-отражения в скользящих лучах дополнительный канал делится как обычно с помощью зеркала с полуотверстием (или зеркала на полпотока в позиции 12) на подводящую и отводящую части. Зеркала 1 и 2 используются для наблюдения. При этом одновременно можно измерять спектры объекта с помощью зеркал 5 и 6, что особенно важно для нестабильных веществ, либо анализа процессов, либо фотохромных объектов. Существенной отличительной особенностью работы нижней части устройства по сравнению с верхней (обычными объективами) является инверсия лучей. Если наружные участки падающего пучка так и остаются снаружи после фокусировки (и обладают большими углами падения) в обычных объективах, то при направлении падающего пучка плоским зеркалом 9 на выпуклое зеркало 6 и нижний эллипсоид 5 после фокусировки большими углами падения будут обладать именно внутренние участки исходного потока. Это позволяет использовать для экранирования стандартные ирисовые апертурные диафрагмы в сфокусированном пучке лучей с меньшими углами падения (то есть исходных наружных лучей). Если также учесть, что на практике пучки лучей неоднородны и их внутренняя часть имеет более интенсивный поток, то нижняя часть устройства может использоваться в качестве объектива для скользящих лучей (grazing angle objective), позволяющего анализировать очень тонкие пленки. При этом может быть достигнута более высокая светосила.

Пример 4 (Фиг.8)

Схема для одновременного наблюдения и регистрации спектров НПВО. Элемент НПВО показан позицией 13. Режим настройки на образец при непрозрачном элементе НПВО производится при сдвинутых или поднятых в область тени положениях элемента 13. При использовании инверсионной части устройства с полусферическим элементом НПВО можно отметить следующие особенности. По мере уменьшения угла падения лучей на полусферический элемент от 90° наблюдается увеличение глубины проникновения ИК-лучей. Следовательно, глубина проникновения ограничивается диаметром варьируемой ирисовой апертуры падающего потока в дополнительном канале. Это позволяет легко (без изготовления серии масок с центральным круглым экраном разной площади в прототипах) проводить плавное глубинное спектральное профилирование в анализируемой малой зоне на поверхности простым поворотом регулятора апертуры. При этом можно регистрировать ИК-НПВО-спектры с полностью открытой апертурой до значений, соответствующих критическим углам, что позволяет получить существенный выигрыш в светосиле по сравнению с традиционным НПВО-объективом.

Пример 5 (Фиг.6 и 7)

В представленной схеме проводится одновременная регистрация ИК-спектров пропускания через классическую собирающую часть объектива (традиционно падающий ИК-поток фокусируется с помощью конденсора под объектом), роль которой выполняют фокусирующие зеркала, и комплементарных спектров КР через собирающую систему зеркал и зеркало с полуотверстием, как в примерах 2 или 3. Это важно, например, при микроанализе процессов твердофазной полимеризации полидиацетиленов. Полосы, отвечающие первоначальному состоянию и превращениям тройных связей в которых, не проявляются в ИК-спектрах, но наиболее активны в спектрах КР. Аналогичным образом, используя дополнительный канал, можно проводить одновременное с измерением ИК-спектров измерения спектров флуоресценции или иных спектров либо наблюдать (фиксировать изменение цифрового изображения) в видимом диапазоне через основной канал с одновременным измерением каких-либо спектров через дополнительный канал в одной временной шкале.

Анализ цифрового изображения через основной канал может быть использован при выявлении различных спектральных эффектов, возбуждаемых через дополнительный канал при расшифровке кодирующих композиций по патенту [Купцов А.Х. Кодирующая композиция и способ распознавания ее компонентов. Патент РФ №2254354 С1 от 24.02.2004].

Пример 6 (Фиг.9)

Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения либо флуоресценции или комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных микроучастков протяженных объектов. На фиг.9 показана схема, где установлены подводящие 14 и отводящие 15 свет оптоволоконные кабели или полые волноводы. При этом через центральный волновод (полый либо оптоволоконный) подведен падающий (возбуждающий) световой поток, а через расположенные вокруг подводящего периферийные волноводы отводится к фотоприемнику собранный вторым эллиптическим зеркалом 5 поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния. Особенностью данной схемы является расположение второго фокуса второго эллиптического зеркала 5 за фокусом первого параболического (гиперболического) зеркала 1 относительно объекта 3.

Пример 7 (Фиг.10)

Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения, флуоресценции или комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных участков. На фиг.10 показан вариант, где в канале падающего света по его оси сквозь плоское зеркало с отверстием 9 установлен подводящий волновод (полый либо оптоволоконный), а собранный вторым эллиптическим зеркалом поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния через периферийную часть этого зеркала 9 направлен на фотоприемник 7. Как и в примере 6, особенностью данного варианта является расположение второго фокуса второго эллиптического зеркала за фокусом первого параболического (гиперболического) зеркала относительно объекта.

Пример 8 (Фиг.5 и 9)

Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения, либо флуоресценции, либо комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных микроучастков протяженных объектов. Схема аналогична показанной на фиг.5 и 9, где в канале падающего света перед фокусирующими зеркалами 1 и 2 установлены подводящие и отводящие свет волноводы 14 и 15. При этом собранный вторым эллиптическим зеркалом 5 поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния вводится в окно центрального собирающего волновода 14, расположенного в позиции, где показан фотоприемник 7, а последний может быть размещен вне устройства.

Изобретение относится к исследованию физико-химических свойств веществ. Устройство содержит источник излучения, плоское зеркало, фокусирующую систему, выполненную в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси выпуклого параболического или выпуклого первого гиперболического зеркал и вогнутого первого эллиптического зеркала. и собирающую систему, в качестве которой использовано соосное главной оптической оси вогнутое второе эллиптическое зеркало. Вогнутое первое эллиптическое зеркало выполнено с отверстием, расположенным на главной оптической оси, плоское зеркало оптически связано с вогнутым первым эллиптическим зеркалом через выпуклое параболическое или выпуклое первое гиперболическое зеркало, причем фокус указанного параболического или гиперболического зеркала и первый фокус вогнутого первого эллиптического зеркала совпадают, а второй фокус вогнутого первого эллиптического зеркала совпадает с точкой пересечения главной оптической оси и плоскости установки поверхности исследуемого объекта, а также с первым фокусом вогнутого второго эллиптического зеркала. Технический результат - устранение френелевской диффузной компоненты в спектрах объемного диффузного отражения. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для измерения спектров, содержащее источник излучения, плоское зеркало, фокусирующую систему, выполненную в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси выпуклого параболического или выпуклого первого гиперболического зеркал, и вогнутого первого эллиптического зеркала, и собирающую систему, в качестве которой использовано соосное главной оптической оси вогнутое второе эллиптическое зеркало, оптически связанное с фотоприемником, причем главная оптическая ось и оптические оси всех зеркал с поверхностями вращения совпадают с нормалью к плоскости установки поверхности исследуемого объекта, при этом вогнутое первое эллиптическое зеркало выполнено с отверстием, расположенным на главной оптической оси, плоское зеркало оптически связано с вогнутым первым эллиптическим зеркалом через выпуклое параболическое или выпуклое первое гиперболическое зеркало, причем фокус указанного параболического или гиперболического зеркала и первый фокус вогнутого первого эллиптического зеркала совпадают, а второй фокус вогнутого первого эллиптического зеркала совпадает с точкой пересечения главной оптической оси и плоскости установки поверхности исследуемого объекта, а также с первым фокусом вогнутого второго эллиптического зеркала.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе эллиптическое зеркало оптически связанно с фотоприемником через софокусное второе гиперболическое зеркало и плоское зеркало.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между источником и фокусирующей системой зеркал, а также между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлены скрещенные друг относительно друга поляризаторы или/и на поверхности объекта установлен экран в виде соосного усеченного полого тонкостенного конуса вершиной к объекту, образующая которого лежит между конусом падающего света фокусирующей системы и телесным углом сбора рассеянного света собирающей системы.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между источником и фокусирующей системой зеркал, а также между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлены скрещенные относительно друг друга поляризаторы или/и на поверхности объекта установлен экран в виде соосного усеченного полого тонкостенного конуса вершиной к объекту, образующая которого лежит между конусом падающего света фокусирующей системы и телесным углом сбора рассеянного света собирающей системы.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлено плоское зеркало так, что часть собирающей системы зеркал оптически связана с фотоприемником, а другая часть собирающей системы оптически связана с источником в качестве фокусирующей системы.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на поверхности исследуемого участка объекта рабочей гранью к нему, софокусно и соосно установлен полусферический элемент для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения, а между источником и плоским зеркалом установлена апертурная ирисовая диафрагма.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет первый волновод, а второе эллиптическое зеркало оптически связано с фотоприемником через второй волновод.8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет первый волновод, а собирающая система, включающая второе эллиптическое и второе гиперболическое зеркала, оптически связана с фотоприемником через второй волновод.9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет первый волновод, а собирающее второе эллиптическое зеркало оптически связано с фотоприемником через второй волновод.10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет первый волновод, а собирающая система, включающая второе эллиптическое и второе гиперболическое зеркала, оптически связана с фотоприемником через второй волновод.