МИНИАТЮРНАЯ МНОГОХОДОВАЯ ЗЕРКАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА Российский патент 2009 года по МПК G01N21/03 

Изобретение относится к области спектрофотометрии и оптическим устройствам и может использоваться для фотометрирования малых объемов газов или для миниатюрных газовых датчиков.

Зеркальные системы многократного отражения известны давно. Их развитие было стимулировано появлением лазерных источников света и созданию большого числа многоходовых зеркальных систем. Основой всех дальнейших разработок служила классическая схема Уайта [1]. В многоходовых зеркальных системах при выборе соотношения L/F=1, где L - базовая длина кюветы, F - фокусное расстояние сферического зеркального объектива, появляется возможность повысить светосилу, изменить базовую длину, осуществить выход излучения со стороны входа.

Известна многоходовая зеркальная кювета [2], имеющая прозрачный корпус в виде трубки, расположенный между зеркалами. Лазерное излучений, многократно отражаясь от вогнутого зеркала, автоколлимационного зеркала и двух полевых зеркал, формирует большой оптический путь. Недостатками указанной многоходовой зеркальной кюветы является большие габариты и необходимость применения узконаправленных лазерных источников излучения.

Известна оптическая кювета [3], содержащая два цилиндрических зеркала, имеющих равные фокусные расстояния и расположенные на заданном расстоянии друг от друга, US 2006232772. Главные плоскости цилиндрических зеркал могут быть повернуты на углы 0, 90, 180, 270 градусов. Недостатками указанной оптической кюветы является наличие устройства вращения одного из зеркал относительно другого, что снижает оптическую стабильность системы и увеличивает физические размеры кюветы, для ввода и вывода излучения в первом зеркале проделано отверстие, которое уменьшает рабочую площадь зеркала и предполагает использование лазерных источников.

Известны миниатюрные оптические кюветы [4] в составе интегрированного газового сенсора (Integrated optical gas sensor) GB 2401432 и в составе компактного оптического сенсора (Compact optical gas sensor) GB 2403291.

Недостатками указанных миниатюрных оптических кювет, выполненных в виде кольцевого канала прямоугольного сечения, стенки которого имеют конечный коэффициент отражения в инфракрасной области спектра, является сильное рассеяние света в процессе неконтролируемых многократных отражений света от стенок кюветы, что приводит к потере почти 98% интенсивности света источника на выходе кюветы.

Известна оптическая система многократного отражения Чернина [5], авт. свид №798678. Недостатком указанной оптической системы многократного отражения является ее громоздкость из-за двух равных по габаритам плоских зеркал с выходным отверстием между ними.

Задачей изобретения является создание миниатюрной многоходовой зеркальной оптической кюветы с заданной длиной оптического пути.

Поставленная задача решается миниатюрной многоходовой зеркальной оптической кюветой (фиг.1), в которой на основании 1 расположены вход 2 для оптического излучения, выход 6 для оптического излучения и, по меньшей мере, два плоских отражающих зеркала 3, три отражающих сферических или параболических поверхности 4 и 5. Первое отражающее сферическое зеркало 4 ориентируется под определенным углом к главной оптической оси кюветы и создает изображение источника на плоском зеркале 3, далее изображение источника перестраивается на сферическом зеркале 5 и направляется на второе плоское зеркало 3 и после отражения от второго сферического зеркала 4 направляется на выход 6 кюветы.

Два плоских отражающих зеркала 3 расположены на определенном расстоянии от сферических зеркал 4 L₁=2F₁, где F₁ - фокусное расстояние сферических зеркал 4.

Плоские зеркала 3 расположены под углами, обеспечивающими оптимальную передачу света на сферическое зеркало 5, которое может иметь иное фокусное расстояние.

Сферическое зеркало 5 установлено так, чтобы выполнялось соотношение: L₂=2F₂, где F₂ - фокусное расстояние сферического зеркала 5. L₂=10 мм.

Плоские зеркала 3 должны быть расположены симметрично относительно оптической оси сферического зеркала 5.

Для эффективности передачи светового потока с входа 2 на выход 6 малогабаритной многоходовой зеркальной оптической кюветы важно, чтобы поперечный размер каустики на выходе оптической системы для всех негомоцентрических лучей не превышал площади выходного окна 6. В этом случае выигрыш в эффективности сбора света в малогабаритной многоходовой зеркальной оптической кювете по сравнению с прототипом составляет 10 раз.

На фиг.2 представлен ход всех лучей в миниатюрной многоходовой зеркальной оптической кювете при использовании источника ИК излучения [6].

На фиг.3 показан корпус 7 миниатюрной многоходовой оптической кюветы и взаимное расположение сферических зеркал 4 и 5.

Практическая реализация миниатюрной многоходовой оптической кюветы сделана методами 3D стереолитографии. На фиг.4 показан разрез кюветы. Основание кюветы 1 и корпус 7 изготавливаются по 3D технологии и содержат плоские поверхности 3 и сферические 4, 5, ориентированные определенным образом. Источник ИК излучения [6] устанавливается на входе 2 в кювету, а фотоприемник устанавливается на выходе 6. Для точного сопряжения основания 1 с корпусом 7, содержащим сферические зеркальные отражатели 4 и 5, служат направляющие пазы 8 в теле основания 1.

На поверхности зеркал 3, 4, 5 напыляется отражающий слой А1, который покрывается защитным слоем окисла. Собранная кювета не требует юстировки. Габаритные размеры оптической кюветы: диаметр 20 мм, высота 14 мм. Общая оптическая длина L_opt≈70 мм.

Источники информации

1. White J.U. Long Optical Paths of Large Aperture. J. Opt. Soc. Amer. 1942, vol.32, №5, p.285-888.

2. Многоходовая зеркальная кювета. SU 1797334, 1994 г.

3. Патент US 2006232772, 2006 г.

4. Патент GB 2403291, 2004 г., GB 2401432, 2004 г.

5. А.с №798678 (СССР), 1981 г.

6. Патент RU 2208268, 2003 г.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может использоваться в приборах газового анализа, где требуется малогабаритность. Кювета имеет корпус в виде цилиндра, на торцевых поверхностях которого формируются плоские и сферические отражающие поверхности. Пучок света с конечной апертурой, многократно отражаясь в определенной последовательности, выходит из кюветы со стороны входа, а количество ходов в системе определяется расчетным путем. Техническим результатом является создание миниатюрной многоходовой кюветы с заданной длиной оптического пути. 4 ил.

Миниатюрная многоходовая зеркальная оптическая кювета, имеющая вход и выход для оптического излучения, два плоских зеркала и одно сферическое, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены два сферических зеркала, первое из сферических зеркал установлено под углом к оптической оси кюветы таким образом, чтобы создавать изображение источника излучения на первом плоском зеркале и далее направлять изображение источника через второе сферическое зеркало на второе плоское зеркало и после отражения от третьего сферического зеркала на выход кюветы, при этом плоские зеркала расположены симметрично относительно оптической оси второго сферического зеркала и на расстоянии 2F₁ от первого и третьего сферических зеркал, где F₁ - фокусное расстояние первого и третьего сферических зеркал.