СПЕКТРОГРАФ Российский патент 2020 года по МПК G01J3/02 

[0001] Настоящее раскрытие относится к спектрографам, в том числе, но не только, к спектрографам для выполнения спектроскопического измерения или фотометрического измерения образца.

[0002] На рынке доступны различные спектрографы. Известные спектрографы обычно требуют сложного активного выравнивания. Например, известный спектрограф включает в себя щель, которая требует ориентирования под микроскопом, и дифракционный элемент, который требует установки на настраиваемый держатель, для выравнивания с оптическим путем спектрографа. Иллюстративные варианты осуществления спектрографов, описанные здесь, обеспечивают увеличенную световую энергию в требуемом спектральном диапазоне или требуемых спектральных диапазонах, и улучшенный захват рассеянного света, что приводит к уменьшению или минимизации рассеянного света. Дополнительно, иллюстративные спектрографы, описанные здесь, являются менее чувствительными к требующемуся излишнему выравниванию. Дополнительно, иллюстративные спектрографы, описанные здесь, имеют улучшенную общую эффективность.

[0003] Раскрыт спектрограф, который включает в себя: корпус, который включает в себя стенку, имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к внутренней части корпуса, причем стенка включает в себя первое, второе и третье отверстия, причем стенка включает в себя выступы, продолжающиеся внутрь второго отверстия; входную щель, расположенную в первом отверстии и выполненную с возможностью направления света вдоль первого участка пути света во внутренней части корпуса; дисперсионный элемент, расположенный во втором отверстии и выполненный с возможностью приема света из входной щели вдоль первого участка пути света и направления света вдоль второго участка пути света во внутренней части корпуса, причем дисперсионный элемент имеет контур, имеющий необходимые размеры для контактирования с выступами, которые продолжаются во второе отверстие, причем выступы и контур дисперсионного элемента имеют дополняющие параметры размеров и дополняющие параметры допусков, так что контур дисперсионного элемента контактирует со всеми выступами, когда дисперсионный элемент по меньшей мере частично расположен во втором отверстии, и так что ориентация дисперсионного элемента относительно входной щели является фиксированной; и детектор, расположенный в третьем отверстии и выполненный с возможностью приема света от дисперсионного элемента вдоль второго участка пути света.

[0004] Второе отверстие включает в себя внутреннее и внешнее отверстия, причем внутреннее отверстие расположено ближе, чем внешнее отверстие, к внутренней части корпуса.

[0005] Дополнительно, выступы включают в себя первую группу выступов, продолжающихся внутрь внутреннего отверстия, и вторую группу выступов, продолжающихся внутрь внешнего отверстия.

[0006] В одном варианте осуществления, по меньшей мере одна из первой группы выступов или второй группы выступов включает в себя по меньшей мере три выступа.

[0007] В дополнительном варианте осуществления, внутреннее отверстие и внешнее отверстие могут иметь разные диаметры.

[0008] В альтернативном иллюстративном варианте осуществления раскрыт спектрограф, который, в иллюстративном варианте осуществления, включает в себя: корпус, который включает в себя стенку, имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к внутренней части корпуса, причем стенка включает в себя первое, второе и третье отверстия; входную щель, расположенную в первом отверстии и выполненную с возможностью направления света вдоль первого участка пути света во внутренней части корпуса; дисперсионный элемент, расположенный во втором отверстии и выполненный с возможностью приема света из входной щели вдоль первого участка пути света и направления света вдоль второго участка пути света во внутренней части корпуса; детектор, расположенный в третьем отверстии и выполненный с возможностью приема света от дисперсионного элемента вдоль второго участка пути света, причем детектор включает в себя первую группу светочувствительных областей и вторую группу светочувствительных областей; и кожух, расположенный таким образом, чтобы изолировать первую группу светочувствительных областей от пути света, причем вторая группа светочувствительных областей выставлена на пути света.

[0009] Детектор является предпочтительно одним из детектора на основе матрицы устройств с зарядовой связью, детектора на основе линейного устройства с зарядовой связью, детектора на основе матрицы фотодиодов, или детектора на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник.

[0010] В одном варианте осуществления, светочувствительные области первой группы детектируют свет в первом диапазоне длин волн, а светочувствительные области второй группы детектируют свет во втором диапазоне длин волн, причем первый и второй диапазоны длин волн являются разными. В варианте вышеупомянутого, светочувствительные области первой группы и светочувствительные области второй группы могут детектировать свет в первом и втором неперекрывающихся диапазонах длин волн, соответственно.

[0011] В другом варианте осуществления, спектрограф содержит фильтр, который расположен перед детектором таким образом, что свет, проходящий вдоль второго участка пути света, сначала пройдет через фильтр и затем достигнет детектора.

[0012] В одном варианте осуществления спектрографа, кожух является единым целым со стенкой корпуса. В другом варианте осуществления, кожух может быть отдельным от стенки корпуса.

[0013] В другом иллюстративном варианте осуществления, раскрыт спектрограф, который включает в себя: корпус, который включает в себя стенку, имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к внутренней части корпуса, причем стенка включает в себя первое, второе и третье отверстия; входную щель, расположенную в первом отверстии и выполненную с возможностью направления света вдоль первого участка пути света во внутренней части корпуса, причем входная щель включает в себя клиновидный участок, продолжающийся вдоль плоскости, которая расположена под углом относительно внутренней поверхности корпуса у первого отверстия; дисперсионный элемент, расположенный во втором отверстии и выполненный с возможностью приема света из входной щели вдоль первого участка пути света и направления света вдоль второго участка пути света во внутренней части корпуса; и детектор, расположенный в третьем отверстии и выполненный с возможностью приема света от дисперсионного элемента вдоль второго участка пути света, причем клиновидный участок выполнен с возможностью фиксации входной щели в некоторой ориентации относительно первого участка пути света и относительно дисперсионного элемента.

[0014] В одном варианте осуществления, входная щель включает в себя продольный зазор, продолжающийся под углом 90 градусов к клиновидному участку.

[0015] В другом варианте осуществления, в комбинации с вышеупомянутым спектрографом может быть обеспечено оптическое волокно, которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф через это оптическое волокно, которое имеет оптическую связь с входной щелью.

[0016] Спектрограф может дополнительно содержать винт, расположенный напротив клиновидного участка входной щели, для фиксации входной щели в заданной ориентации. Входная щель включает в себя фланец на периферии входной щели, причем упомянутый клиновидный участок является клиновидным участком фланца.

[0017] В дополнительном варианте осуществления, спектрограф может быть снабжен оптическим волокном, которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф через это оптическое волокно, причем дополнительно фланец включает в себя трубчатый элемент, вмещающий в себя оптическое волокно, имеющее оптическую связь с входной щелью.

[0018] Дополнительно, согласно настоящему изобретению, раскрыт спектрометр, содержащий вышеупомянутый спектрограф и его вышеупомянутые варианты осуществления, и спектрометр предпочтительно содержит источник света, область измерения, выполненную с возможностью удерживания образца или держателя образца, первые оптические элементы, выполненные с возможностью направления света из источника света в область измерения, вторые оптические элементы, выполненные с возможностью направления света из области измерения во входную щель спектрографа.

[0019] Другие признаки и преимущества, раскрытые здесь, станут более понятными из нижеследующего подробного описания иллюстративных вариантов осуществления, при прочтении совместно с прилагаемыми чертежами, в которых:

Фиг. 1 показывает иллюстративный вариант осуществления спектрографа;

Фиг. 2 показывает альтернативный иллюстративный вариант осуществления спектрографа;

Фиг. 3 показывает разрез альтернативного иллюстративного варианта осуществления спектрографа;

Фиг. 4A-B показывают альтернативные иллюстративные варианты осуществления входной щели;

Фиг. 5 показывает иллюстративный вариант осуществления спектрометра.

[0020] Фиг. 1, 2 и 3 показывают иллюстративные варианты осуществления спектрографа 100. Спектрограф 100 включает в себя корпус 102, который включает в себя стенку 104, имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к внутренней части корпуса 102. Стенка включает в себя первое отверстие 106, второе отверстие 108 и третье отверстие 110. Спектрограф 100 включает в себя входную щель 112, расположенную в первом отверстии 106 и выполненную с возможностью направления света вдоль первого участка LP1 пути света во внутренней части корпуса 102. Спектрограф 100 включает в себя дисперсионный элемент 114, расположенный во втором отверстии 108 и выполненный с возможностью приема света из входной щели 112 вдоль первого участка LP1 пути света и направления света вдоль второго участка LP2 пути света во внутренней части корпуса 102. Спектрограф 100 включает в себя детектор 116, расположенный в третьем отверстии 110 и выполненный с возможностью приема света от дисперсионного элемента 114 вдоль второго участка LP2 пути света.

[0021] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, корпус 102 включает в себя черный, анодированный материал, и/или любой другой материал, известный в данной области техники или который будет разработан для блокирования света конкретного спектрального диапазона. В иллюстративном варианте осуществления, первое и третье отверстия 106, 110 находятся на одной и той же стороне корпуса 102, а второе отверстие 108 находится на противоположной стороне корпуса 102, так что свет входит с одной стороны корпуса 102 через входную щель 112, разлагается в спектр дисперсионным элементом 114 на противоположной стороне корпуса 102, и достигает детектора 116 на стороне корпуса 112, на которой расположена входная щель 112. Как показано на фиг. 3, крышка 103 корпуса выполнена с возможностью закрывания корпуса 102 и обеспечивает темную среду во внутренней части корпуса 102.

[0022] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, свет, направляемый вдоль первого участка LP1 пути света входной щелью 112, поступает из волокна 128, имеющего оптическую связь с входной щелью 112.

[0023] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, дисперсионный элемент 114 включает в себя пропускающую дифракционную решетку, штриховую дифракционную решетку, голографическую дифракционную решетку и/или призму, и/или другой подходящий дисперсионный элемент, известный в данной области техники или который будет разработан. В иллюстративном варианте осуществления, дисперсионный элемент 114 включает в себя квадратную пластину, и активную область, которая является вогнутой круглой отражающей или дифрагирующей поверхностью.

[0024] В иллюстративном варианте осуществления, спектрограф 100, источник света и/или любые или все оптические компоненты, находящиеся между источником света и детектором 116, выполнены с возможностью работать в «UV/Vis» (ультрафиолетовом-видимом) диапазоне. В других иллюстративных вариантах осуществления, спектрограф 100, источник света и/или любые или все оптические компоненты, находящиеся между источником света и детектором 116, выполнены с возможностью работать либо в одном, либо в любой комбинации следующих спектральных диапазонов: UV/Vis, Vis (видимый диапазон), MIR (средний инфракрасный диапазон) и/или NIR (ближний инфракрасный диапазон). Например, детектор 116 и/или дисперсионный элемент 114 может быть оптимизирован для любых или любой комбинации из этих диапазонов электромагнитного спектра.

[0025] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, входная щель 112 может быть выровнена по z, для выравнивания фокуса, посредством настройки расстояния, проходимого светом от входной щели 112 до детектора 116 через дисперсионный элемент 114. Детектор 116 может быть выровнен по x/y, для выравнивания фокальной плоскости, посредством смещения детектора 116 в плоскости детектора 116. Детектор 116 может быть также точно выровнен вручную с использованием винтов. Фокальное выравнивание на входной щели 112 также может быть настроено. Фокус света может быть оптимизирован для сужения света у детектора 116.

[0026] В иллюстративных вариантах осуществления, описанных здесь, эффективность спектрографа 100 может быть увеличена посредством уменьшения или минимизации рассеянного света, посредством увеличения световой энергии в требуемом спектральном диапазоне или требуемых спектральных диапазонах, или посредством адекватного захвата рассеянного света. Дополнительно, иллюстративные варианты осуществления, описанные здесь, являются менее чувствительными к требующемуся излишнему выравниванию.

[0027] Как показано на фиг. 1 и 2, детектор 116 включает в себя первую группу светочувствительных областей 118 и вторую группу светочувствительных областей 120. Спектрограф 100 включает в себя кожух 105, расположенный таким образом, чтобы изолировать первую группу светочувствительных областей 118 от пути света, причем вторая группа светочувствительных областей 120 выставлена на пути света.

[0028] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, кожух 105 блокирует сигнал нулевого порядка света, направляемого вдоль пути света. В иллюстративных вариантах осуществления, это является желательным, поскольку, например, сигнал первого порядка представляет интерес для спектроскопического измерения. Поскольку кожух 105 блокирует сигнал нулевого порядка, никакая отдельная ловушка света не нужна, свет может оставаться сфокусированным на детекторе 116, и свет нулевого порядка не нужно направлять в ловушку света и, таким образом, в сторону от детектора 116. Рассеянный свет, достигающий детектора 116, является значительно уменьшенным, и уменьшается или устраняется опасность рассеяния света из-за переполнения пикселов или рассеянного светового излучения. Использование кожуха 105 обеспечивает возможность измерения темнового тока для получения значения компенсационной интенсивности, и обеспечивает возможность одновременного измерения темнового тока при такой же температуре, как при измерении образца. Это может быть желательным, поскольку измеряемая интенсивность света является чувствительной к температуре.

[0029] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, кожух 105 ориентирован таким образом, чтобы сигнал нулевого порядка поглощался кожухом 105, чтобы уменьшенный свет отражался или никакой свет не отражался назад к дисперсионному элементу 114 и/или входной щели 112, что обеспечивает уменьшение рассеянного света. Детектор 116 может быть наклонен в соответствии с криволинейной фокальной плоскостью света, отражаемого дисперсионным элементом 114.

[0030] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, детектор 116 является одним из детектора на основе матрицы устройств с зарядовой связью (charge-coupled device - CCD), детектора на основе линейного CCD, детектора на основе матрицы фотодиодов, или детектора на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (complementary metal-oxide semiconductor - CMOS), и/или другого подходящего детектора, известного в данной области техники или который будет разработан.

[0031] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, светочувствительные области 118 первой группы детектируют свет в первом диапазоне длин волн, светочувствительные области 120 второй группы детектируют свет во втором диапазоне длин волн, и первый и второй диапазоны длин волн являются разными.

[0032] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, светочувствительные области 118 первой группы детектируют свет в первом диапазоне длин волн, светочувствительные области 120 второй группы детектируют свет во втором диапазоне длин волн, и первый и второй диапазоны длин волн являются неперекрывающимися.

[0033] В иллюстративном варианте осуществления, спектрограф 100 включает в себя фильтр 117, расположенный перед детектором 116 таким образом, что свет, проходящий вдоль второго участка LP2 пути света, сначала пройдет через фильтр 117 и затем достигнет детектора 116. Светочувствительные области 120 второй группы выставлены на пути света, даже если фильтр 117 расположен между светочувствительными областями 120 второй группы и внутренней частью корпуса 112. В иллюстративном варианте осуществления, фильтр 117 включает в себя любой фильтр, известный в данной области техники или который будет разработан, который подавляет свет более высоких порядков, поступающий от дисперсионного элемента 114. В иллюстративном варианте осуществления, фильтр 117 является фильтром сортировки порядков. В иллюстративном варианте осуществления, фильтр 117 контактирует с детектором 116. В иллюстративном варианте осуществления, фильтр 117 заменяет детекторное окно, используемое в известных системах. Другими словами, фильтр 117 выполнен с возможностью выполнения функций фильтра сортировки порядков и детекторного окна. Например, фильтр 117 уменьшает вероятность того, что свет второго или третьего порядка достигнет детектора 116.

[0034] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, кожух 105 включает в себя черную, анодированную металлическую пластину. Альтернативно, кожух 105 может включать в себя любой другой материал, известный в данной области техники или который будет разработан, для блокирования света определенного спектрального диапазона.

[0035] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, кожух 105 является единым целым со стенкой 104 корпуса 102. Например, кожух 105 является продолжением смежного участка стенки 104 корпуса 102 и изготовлен из одинакового с ним материала.

[0036] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, кожух 105 является отдельным от стенки 104 корпуса 102. В иллюстративных вариантах осуществления, кожух 105 соединен со стенкой 104 корпуса 102. В других иллюстративных вариантах осуществления, кожух 105 расположен на расстоянии от стенки 104 корпуса 102.

[0037] Как показано на фиг. 1 и 2, стенка 104 включает в себя выступы 122, продолжающиеся внутрь второго отверстия 108. Дисперсионный элемент 114 имеет контур 124, имеющий необходимые размеры для контактирования с выступами 122, которые продолжаются во второе отверстие 108. Выступы 122 и контур 124 дисперсионного элемента 114 имеют дополняющие параметры размеров и дополняющие параметры допусков, так что контур 124 дисперсионного элемента 114 контактирует со всеми выступами 122, когда дисперсионный элемент 114 по меньшей мере частично расположен во втором отверстии 108, и так что ориентация дисперсионного элемента 114 относительно входной щели 112 является фиксированной. В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, контур 124 дисперсионного элемента 114 контактирует со всеми выступами 122, когда сила прикладывается к дисперсионному элементу 114 по направлению к внутренней части корпуса 102.

[0038] Дополняющие параметры размеров и дополняющие параметры допусков определяют во время изготовления таким образом, чтобы контур 124 дисперсионного элемента 114 был выполнен с возможностью контактирования со всеми выступами 122, когда дисперсионный элемент 114 по меньшей мере частично расположен во втором отверстии 108, и таким образом, чтобы ориентация дисперсионного элемента 114 была фиксированной. Другими словами, с учетом того факта, что дисперсионные элементы 114 могут уникально проектироваться для конкретных применений, второе отверстие 108 конструируют на основе размеров и допусков, используемых для конструирования дисперсионного элемента 114, подлежащего размещению во втором отверстии 108. В результате, смещения, возникающие во время изготовления дисперсионного элемента 114, учитываются при образовании второго отверстия 108 и его выступов 122. Конфигурация выступов 122 уменьшает вероятность того, что дополнительное выравнивание потребуется во время сборки. В иллюстративном варианте осуществления, когда изготавливают дисперсионный элемент 114, дисперсионный элемент 114 настраивают на основе несовершенств, имеющихся в подложке дисперсионного элемента 114. Например, настраивают размеры и центрирование дисперсионного элемента 114. В иллюстративном варианте осуществления, второе отверстие 108 корпуса 102 конструируют на основе этих настроек.

[0039] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, второе отверстие 108 включает в себя внутреннее и внешнее отверстия 2081, 2082. Внутреннее отверстие 2081 расположено ближе, чем внешнее отверстие 2082, к внутренней части корпуса 102. Выступы 122 включают в себя первую группу выступов 122А, продолжающихся внутрь внутреннего отверстия 2081, и вторую группу выступов 122В, продолжающихся внутрь внешнего отверстия 2082.

[0040] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, по меньшей мере одна из первой группы выступов 122А или второй группы выступов 122В включает в себя по меньшей мере три выступа 122. В других иллюстративных вариантах осуществления спектрографа 100, первая группа выступов 122А и/или вторая группа выступов 122В может включать в себя два выступа, или более трех выступов. В иллюстративных вариантах осуществления, выступы 122 выполнены с возможностью уменьшения опасности наклона дисперсионного элемента 114 в любом направлении относительно второго отверстия 108. В иллюстративном варианте осуществления, выступы 122А первой группы являются контактными пятнами, которые включают в себя три полусферических толкателя, продолжающиеся по направлению к отражающей и/или дифрагирующей поверхности дисперсионный элемента 114 таким образом, чтобы эта поверхность была обращена к детектору 116 и щели 112 при позиционировании во внутреннем отверстии 2081.

[0041] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, внутреннее отверстие 2081 и внешнее отверстие 2082 имеют разные диаметры. В иллюстративном варианте осуществления, внутреннее отверстие 2081 и внешнее отверстие 2082 имеют разные формы.

[0042] Как показано на фиг. 3, входная щель 112 включает в себя клиновидный участок 126, продолжающийся вдоль плоскости, которая расположена под углом (т.е. наклонена на ненулевой угол) относительно внутренней поверхности корпуса 102 у первого отверстия 106. Клиновидный участок 126 выполнен с возможностью фиксации входной щели 112 в некоторой ориентации относительно первого участка LP1 пути света и относительно дисперсионного элемента 114.

[0043] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, входная щель 112 включает в себя продольный зазор 113, продолжающийся под углом 90 градусов к клиновидному участку 126, как показано на фиг. 4А, которая показывает иллюстративную входную щель 112. В других иллюстративных вариантах осуществления, продольный зазор 113 продолжается под любым другим углом относительно клиновидного участка 126.

[0044] В иллюстративном варианте осуществления, спектрограф 100 скомбинирован с оптическим волокном 128, которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф 100 через оптическое волокно 128. Оптическое волокно 128 имеет оптическую связь с входной щелью 112.

[0045] Иллюстративный вариант осуществления спектрографа 100 включает в себя винт 130, расположенный напротив клиновидного участка 126 входной щели 112, для фиксации входной щели 112 в заданной ориентации. Конфигурация входной щели 112 и ее клиновидного участка 126 уменьшает вероятность того, что дополнительное выравнивание потребуется во время сборки, в отличие от известных входных щелей которые выравниваются под микроскопом.

[0046] В иллюстративном варианте осуществления спектрографа 100, входная щель 112 включает в себя фланец 132, находящийся на периферии входной щели 112, причем клиновидный участок 126 является клиновидным участком фланца 132.

[0047] В иллюстративном варианте осуществления, спектрограф 100 скомбинирован с оптическим волокном 128, которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф 100 через оптическое волокно 128. Фланец 132 включает в себя трубчатый элемент, вмещающий в себя оптическое волокно 128, имеющее оптическую связь с входной щелью 112. В иллюстративном варианте осуществления, трубчатый элемент является муфтой.

[0048] Фиг. 4В показывает иллюстративный вариант осуществления входной щели 112. Фланец 132 щели 112 вмещает в себя два волокна 128. Волокна 128 являются прилегающими друг к другу и выровнены в направлении, перпендикулярном клиновидному участку 126. В других вариантах осуществления, продольный зазор 113 продолжается под любым другим углом относительно клиновидного участка 126.

[0049] Фиг. 5 показывает иллюстративный вариант осуществления спектрометра 500, который включает в себя спектрограф 100, источник 502 света; область 504 измерения, выполненную с возможностью удерживания образца или держателя образца; первые оптические элементы 506, выполненные с возможностью направления света из источника 502 света в область 504 измерения; вторые оптические элементы 508, выполненные с возможностью направления света из области 504 измерения во входную щель 112. Первые оптические элементы 506 включают в себя первое оптическое волокно, например, стекловолокно 510.

[0050] В иллюстративных вариантах осуществления, первые оптические элементы 506 сконфигурированы таким образом, чтобы свет на участке пути света между источником 502 света и вторыми оптическими элементами 508 направлялся таким образом, чтобы он распространялся через образец без блокирования другими компонентами спектрометра и таким образом, чтобы он собирался оптическим волокном 128. В иллюстративном варианте осуществления, свет фокусируют на образце или внутри образца. В иллюстративном варианте осуществления, свет является по существу коллимированным между первыми и вторыми оптическими элементами. В иллюстративном варианте осуществления, оптические характеристики стекловолокна 510, необязательно, в комбинации с коллимирующей линзой 512 (и/или коллимирующим зеркалом) на конце стекловолокна 510, обеспечивают то, что луч направляется таким образом, чтобы он распространялся через образец без блокирования другими компонентами спектрометра и таким образом, чтобы он собирался оптическим волокном 128 и был сфокусирован на образце или внутри образца, или был по существу коллимированным между первыми и вторыми оптическими элементами. Спектрометр, сконструированный с использованием стекловолокон, может быть создан более компактным, чем известные стендовые спектрометры.

[0051] Вторые оптические элементы 508 включают в себя второе оптическое волокно, такое как стекловолокно 128. В иллюстративных вариантах осуществления, первые и вторые оптические элементы 506 и 508 включают в себя оптические элементы, такие как линзы и зеркала, для передачи света вдоль пути света от источника 502 света до детектора 116. В иллюстративном варианте осуществления, линза фокусирует коллимированный свет в стекловолокно 128. В иллюстративных вариантах осуществления, все оптические элементы, находящиеся на пути света, в том числе, например, источник 502 света, первые и вторые оптические элементы 506 и 508, стекловолокна 510 и 128, фильтр 117 (не показан на фиг. 5), и детектор 116, оптимизированы для конкретного спектрального диапазона. В иллюстративном варианте осуществления, детектор 116 расположен на интегральной схеме 514 датчика, которая включает в себя процессор и энергонезависимую машиночитаемую память, и которая подключена к дисплею 516 или подключена через компьютер для дополнительной обработки к дисплею 516.

[0052] Специалистам в данной области техники следует понимать, что настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных формах, не выходя за рамки сущности или существенных характеристик настоящего изобретения. Раскрытые здесь варианты осуществления, таким образом, должны во всех отношениях считаться иллюстративными, а не ограничивающими. Объем настоящего изобретения указан прилагаемой формулой изобретения, а не приведенным выше описанием, и предполагается, что все изменения, которые находятся в пределах смысла и рамок и равноценности формулы изобретения, должны быть включены в объем настоящего изобретения.

Перечень ссылочных позиций 

[0053]

100 спектрограф

102 корпус

103 крышка корпуса

104 стенка

105 кожух

106 первое отверстие

108 второе отверстие

110 третье отверстие

112 входная щель

113 продольный зазор

114 дисперсионный элемент

116 детектор

117 фильтр

118 первая группа светочувствительных областей

120 вторая группа светочувствительных областей

122 выступы

122А первая группа выступов

122B вторая группа выступов

124 контур

126 клиновидный участок

128 оптическое волокно/ волокно

LP1 первый участок пути света

LP2 второй участок пути света

2081 внутреннее отверстие

2082 внешнее отверстие

130 винт

132 фланец

500 спектрометр

502 источник света

504 область измерения

506 первые оптические элементы

508 вторые оптические элементы

510 стекловолокно

512 коллимирующая линза

514 интегральная схема датчика

516 дисплей

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается спектрографа. Спектрограф включает в себя корпус, стенка которого имеет первое, второе и третье отверстия, расположенную в первом отверстии входную щель, расположенный во втором отверстии дисперсионный элемент и расположенный в третьем отверстии детектор. Дисперсионный элемент имеет контур, имеющий размеры для контактирования с выступами, которые продолжаются во второе отверстие. Выступы и контур дисперсионного элемента имеют дополняющие параметры размеров и допусков такие, что контур дисперсионного элемента контактирует со всеми выступами таким образом, что ориентация дисперсионного элемента относительно входной щели является фиксированной. Технический результат заключается в увеличении световой энергии в требуемом спектральном диапазоне и упрощении процедуры настройки устройства. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Спектрограф (100), содержащий: корпус (102), который включает в себя стенку (104), имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к внутренней части корпуса, причем стенка включает в себя первое (106), второе (108) и третье отверстия (110), причем стенка включает в себя выступы (122), продолжающиеся внутрь второго отверстия (108); входную щель (112), расположенную в первом отверстии (106) и выполненную с возможностью направления света вдоль первого участка (LP1) пути света во внутренней части корпуса (102); дисперсионный элемент (114), расположенный во втором отверстии (108) и выполненный с возможностью приема света из входной щели (112) вдоль первого участка (LP1) пути света и направления света вдоль второго участка (LP2) пути света во внутренней части корпуса, причем дисперсионный элемент (114) имеет контур (124), имеющий размеры для контактирования с выступами (122), которые продолжаются во второе отверстие (108), причем выступы (122) и контур (124) дисперсионного элемента (114) имеют дополняющие параметры размеров и дополняющие параметры допусков, так что контур (124) дисперсионного элемента (114) контактирует со всеми выступами (122), когда дисперсионный элемент (114) по меньшей мере частично расположен во втором отверстии (108), и так что ориентация дисперсионного элемента (114) относительно входной щели (112) является фиксированной; и детектор (116), расположенный в третьем отверстии (110) и выполненный с возможностью приема света от дисперсионного элемента (114) вдоль второго участка (LP2) пути света.

2. Спектрограф (100) по п. 1, в котором второе отверстие (108) включает в себя внутреннее (2081) и внешнее отверстия (2082), причем внутреннее отверстие (2081) расположено ближе, чем внешнее отверстие (2082), к внутренней части корпуса, причем выступы (122) включают в себя первую группу выступов (122А), продолжающихся внутрь внутреннего отверстия, и вторую группу выступов (122В), продолжающихся внутрь внешнего отверстия.

3. Спектрограф (100) по п. 2, в котором по меньшей мере одна из первой группы выступов (122А) или второй группы выступов (122В) включает в себя по меньшей мере три выступа.

4. Спектрограф (100) по п. 2, в котором внутреннее отверстие (2081) и внешнее отверстие (2082) имеют разные диаметры.

5. Спектрограф (100) по любому из пп. 1-3, в котором детектор (116) включает в себя первую группу светочувствительных областей (118) и вторую группу светочувствительных областей (120); и, дополнительно, содержащий кожух (105), расположенный таким образом, чтобы изолировать первую группу светочувствительных областей (118) от пути света, причем вторая группа светочувствительных областей (120) является открытой для воздействия пути света.

6. Спектрограф (100) по любому из пп. 1-5, в котором детектор (116) является одним из детектора на основе матрицы устройств с зарядовой связью, детектора на основе линейного устройства с зарядовой связью, детектора на основе матрицы фотодиодов или детектора на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник.

7. Спектрограф (100) по п. 5, в котором светочувствительные области (118) первой группы детектируют свет в первом диапазоне длин волн, а светочувствительные области (120) второй группы детектируют свет во втором диапазоне длин волн, причем первый и второй диапазоны длин волн являются разными.

8. Спектрограф (100) по п. 5, в котором светочувствительные области (118) первой группы детектируют свет в первом диапазоне длин волн, а светочувствительные области (120) второй группы детектируют свет во втором диапазоне длин волн, причем первый и второй диапазоны длин волн являются неперекрывающимися.

9. Спектрограф (100) по любому из пп. 1-8, содержащий фильтр (117), расположенный перед детектором (116) таким образом, что свет, распространяемый вдоль второго участка (LP2) пути света, сначала пройдет через фильтр (117) и затем достигнет детектора (116).

10. Спектрограф (100) по п. 5, в котором кожух (105) является единым целым со стенкой корпуса (102).

11. Спектрограф (100) по п. 5, в котором кожух (105) является отдельным от стенки корпуса (102).

12. Спектрограф (100) по любому из пп. 1-11, в котором входная щель (112) включает в себя клиновидный участок (126), продолжающийся вдоль плоскости, которая расположена под углом относительно внутренней поверхности корпуса (102) у первого отверстия (106); и причем клиновидный участок (126) выполнен с возможностью фиксации входной щели (112) в некоторой ориентации относительно первого участка (LP1) пути света и относительно дисперсионного элемента (114).

13. Спектрограф (100) по п. 12, в котором входная щель (112) включает в себя продольный зазор (113), продолжающийся под углом 90 градусов к клиновидному участку (126).

14. Спектрограф (100) по любому из пп. 1-13 в комбинации с оптическим волокном (128), которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф (100) через оптическое волокно (128), причем это волокно имеет оптическую связь с входной щелью (112).

15. Спектрограф (100) по п. 12 или 13, содержащий винт (130), расположенный напротив клиновидного участка (126) входной щели (112), для фиксации входной щели в заданной ориентации.

16. Спектрограф (100) по п. 15, в котором входная щель (112) включает в себя фланец (132), находящийся на периферии входной щели (112), причем упомянутый клиновидный участок (126) является клиновидным участком фланца.

17. Спектрограф (100) по п. 16 в комбинации с оптическим волокном (128), которое сконфигурировано таким образом, что свет направляется в спектрограф через упомянутое оптическое волокно, причем фланец (132) включает в себя трубчатый элемент, вмещающий в себя оптическое волокно, имеющее оптическую связь с входной щелью (112).

18. Спектрометр (500), содержащий: спектрограф (100) по любому из пп. 1-17; источник (502) света; область (504) измерения, выполненную с возможностью удерживания образца или держателя образца; первые оптические элементы (506), выполненные с возможностью направления света из источника (502) света в область (504) измерения; вторые оптические элементы (508), выполненные с возможностью направления света из области (504) измерения во входную щель (112) спектрографа (100).