Интерферометрический спектрометр Российский патент 2024 года по МПК G01J3/45 

Изобретение относится к спектроскопии и может быть использовано для научных исследований (химия, физика, биология, минералогия, медицина), контроля параметров технологических процессов, входного и выходного контроля качества сырья и готовой продукции, экологического мониторинга выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, включая микропримеси в атмосфере, идентификации источника загрязнения.

Известен спектрометр Фабри-Перо [1], содержащий две пластины Фабри-Перо и две симметричные мембраны, соединенные подвижным и неподвижным цилиндрами и приводное устройство, кинематически связанное с подвижным и неподвижным цилиндрами, введен третий цилиндр, подвешенный на мембранах коаксиально первым двум цилиндрам и между ними, а вторая пластина Фабри-Перо закреплена на третьем цилиндре, содержащий пластину, закрепленную в направляющих, сканируемой пластины, закреплённой на подвижном цилиндре. Недостатком данного спектрометра является отсутствие температурной стабилизации расстояния между зеркалами, что приводит к нестабильности результатов измерений. Кроме того, перемещение подвижного зеркала интерферометра осуществляется с помощью рычажного механизма и редуктора, что приводит неоднозначному положению подвижного зеркала, вызванному гистерезисом кинематической цепи передачи перемещения зеркала.

Известен также интерференционный спектрометр [2], содержащий расположенные по ходу луча входную диафрагму, коллимирующий объектив, светоделитель, выполненный из двух подобных призм, рабочие грани которых алюминированы, а угол между алюминированными и прозрачными гранями больше прямого. В заднем фокусе входного объектива находится щель, размещенная в плоскости входной грани блока призм, ширина щели равна ширине пикселов используемого матричного фотоприемника. Входная грань призменного светоделителя алюминирована, а между выходным объективом, имеющим входную щель в своем переднем фокусе, и матричным фотоприемником устанавливается цилиндрическая линза, причем матричный фотоприемник расположен в ее задней фокальной плоскости. Изобретение позволяет получить гиперспектральный куб данных, включающий кроме спектрального разрешения также и пространственное разрешение по двум координатам пространства предметов. Недостатком данного спектрометра является низкое спектральное разрешение, которое определяется величиной смещения интерференционных полос и разрешающей способностью матричного фотоприёмника. Недостатком является также отсутствие перестройки положения интерференционных полос.

Известен лазерный спектрограф [3], который содержит лазер, входной коллиматор, диспергирующий элемент и выходную регистрирующую камеру, а фокальная плоскость регистрирующей камеры выполнена в виде площадного сенсора, причем лазерный луч ориентирован в направлении съёмки. Недостатком данного спектрометра также является низкая разрешающая способность, определяемая оптической схемой и разрешением матричного фотоприёмника. Недостатком является также отсутствие перестройки полосы пропускания по длине волны и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по техническому решению является призменный спектрометр [4], который состоит из оптически связанных входной щели, апертурной диафрагмы, коллиматора, призменного диспергирующего устройства, преломляющего выпуклого сферического зеркала, которое децентрировано относительно оптической оси, бленды, фокусирующего устройства и устройства регистрации спектрального сигнала, наклоненного относительно плоскости изображения на 4°-7°. Недостатком этого спектрометра является низкая разрешающая способность, где диспергирующее устройство и регистрация спектрального сигнала имеют определённые ограничения по разрешению и точности измерения длины волны. Кроме того, спектрометр имеет ограниченные функциональные возможности измерений.

Техническим результатом предлагаемого спектрометра является повышение спектральной чувствительности, температурной стабильности и повышение разрешающей способности, а также расширение функциональных возможностей прибора.

Технический результат достигается тем, что содержит основной сканирующий интерферометр, дополнительный сканирующий интерферометр, направляющее зеркало установленные последовательно на оптической оси и блок управления электрически связанный с ними.

Увеличение спектральной чувствительности достигается тем, что последовательное включение в оптическую схему основного и дополнительного сканирующих интерферометров Фабри-Перо (2,3) обеспечивает минимальные потери полезного сигнала, где пропускание близко к единице, а все рабочие поверхности оптических элементов спектрометра (кроме рабочих поверхностей зеркал интерферометров имеют просветляющие покрытия.

Повышение температурной стабильности и разрешающей способности спектрометра обеспечиваются путём выделения одной линии пропускания из интерференционной гребёнки основного интерферометра Фабри-Перо с помощью дополнительного интерферометра, диспергирующего устройства, направляющего зеркала и выходной диафрагмы.

Расширение функциональных возможностей заключается в том, что разрешающая способность спектрометра задаётся размером постоянных баз сканирующих интерферометров с помощью промежуточных колец из набора, по принципу эталона Фабри-Перо ИТ-28-30, в зависимости от условий измерений с целью оптимизации процесса. Кроме того, длина волны, проходящая через спектрометр, задаётся текущей базой (т.е. суммарным размером постоянной базы и смещением подвижного зеркала) основного сканирующего интерферометра, текущей базой (т.е. суммарным размером постоянной базы и смещением подвижного зеркала) дополнительного сканирующего интерферометра, угловым положением направляющего зеркала на микроподвижке, которое задаётся актуатором линейного перемещения. Совмещение максимумов пропускания в спектрометре на заданной длине волны обеспечивается электронным блоком управления, который задаёт необходимые параметры в электронном виде. Это позволяет использовать спектрометр в линиях автоматических измерений и контроля с возможностью сканирования в заданном диапазоне оптического сигнала, для оперативного управления процессом измерений. Кроме того, спектрометр используется качестве измерителя длины волны.

На фиг. 1 представлена блок схема интерферометрического спектрометра, где 1 - коллимирующее устройство, 2 - основной сканирующий интерферометр, 3 - дополнительный сканирующий интерферометр, 4 - диспергирующее устройство, 5 - направляющее зеркало, установленное на угловой микроподвижке, 6 - поворотное зеркало, 7 - выходная диафрагма, 8 - устройство регистрации оптического сигнала, 9 - блок управления.

На фиг. 2 представлены графики изменения пропускания оптического сигнала при последовательном прохождении сигнала через основной интерферометр (2), дополнительный интерферометр (3), диспергирующее устройство (4) и направляющее зеркало (5) в зависимости от длины волны, где Ф - интенсивность сигнала, а λ - длина волны.

Работа интерферометрического спектрометра заключается в следующем:

Оптический сигнал (10) формируется коллиматором (1) в параллельный пучок и подаётся на основной сканирующий интерферометр Фабри-Перо (2), в котором подвижное зеркало может смещаться относительно постоянной базы в области свободной дисперсии этого интерферометра. На выходе, перестраиваемый по длине волны интерференционный сигнал (11) в виде селекционного набора спектральных линий отстоящими друг от друга на величину, которая задаётся текущей базой (т.е. суммарным размером постоянной базы и смещением подвижного зеркала) интерферометра (2). В дополнительном интерферометре (3), постоянная база выбирается таким образом, чтобы полоса пропускания (по основанию) была меньше области дисперсии основного интерферометра (2). Подвижное зеркало дополнительного интерферометра (3) также может смещаться относительно постоянной базы, при этом полоса пропускания определяется текущей базой (т.е. суммарным размером постоянной базы и смещением подвижного зеркала). В результате последовательного прохождения полезного сигнала через основной и дополнительный интерферометры (2,3), функция пропускания (12), где максимумы пропускания интерферометров (2,3) на длине волны (15) совпадают, равна ширине линии пропускания основного интерферометра (2), т.е. равными ширине узких линий пропускания, расстояние между которыми определяется текущей базой дополнительного интерферометра (3). Далее полезный сигнал подаётся на диспергирующее устройство (4), в котором интерференционный сигнал (12) распределяется по углу, причём максимум полосы пропускания (13) диспергирующего элемента (4), устанавливается направляющим зеркалом (5) на длину волны (15). При этом ширина линии пропускания диспергирующего элемента (5) меньше области дисперсии интерферометра (3). Поворотным зеркалом (6) выделенный сигнал (14) через выходную диафрагму (7) поступает в блок регистрации (8). Таким образом, для длины волны (15) существует однозначное значение текущей базы интерферометра (2), текущей базы интерферометра (3) и угол поворота направляющего зеркала (6). При этом, максимальное пропускание на длине волны (15), задаётся электронным блоком управления (9) по заданной программе, что позволяет регистрировать задаваемую длину волны с точностью определяемой разрешением основного интерферометра (2). Кроме того, спектрометр позволяет измерять длину волны, проходящую через спектрометр.

Пример реализации предлагаемого спектрометра на длине волны 0,6 мкм

Для интерферометров (2,3) диэлектрическое покрытие рабочих поверхностей зеркал, с коэффициентом отражения равным 0,98, добротность равна примерно 150 (это отношение области свободной дисперсии интерферометра к ширине пропускания по полувысоте) [6]. Постоянная база основного интерферометра (2) выбирается из набора промежуточных колец эталона ИТ-28-30 равной 6мм, где область свободной дисперсии равна 0,03 нм, а ширина линии пропускания по полувысоте составляет 2х10^-4 нм. Смещение подвижного зеркала в основном интерферометре [5] составляет 0÷0,3 мкм, что позволяет перекрыть область дисперсии этого интерферометра. Постоянная база дополнительного интерферометра (3) также выбирается из набора промежуточных колец эталона ИТ-28-30 равной 0,2 мм, где область свободной дисперсии этого интерферометра равна 0,9 нм, а ширина линии пропускания по полувысоте составит 0,006 нм. Смещение подвижного зеркала интерферометра (3) также составляет 0÷0,3мкм, что позволяет перекрыть область дисперсии интерферометра (3). Диспергирующее устройство (4), с полосой пропускания по основанию менее 0,9нм и направляющее зеркало (5) обеспечивают выделение линии (14). Точность позиционирования направляющего зеркала (5) по углу, не менее 1,5 угл.сек, обеспечивается угловой микроподвижкой [7] с помощью актуатора линейного перемещения с электронным управлением. Таким образом, спектрометр выделяет одну линию пропускания из интерференционной гребёнки основного сканирующего интерферометра, перестраиваемую по длине волны. Учитывая, что пропускание полезного сигнала в интерферометрах (2,3) близки к единице, а рабочие поверхности оптических элементов имеют просветляющее покрытие, кроме рабочих поверхностей зеркал интерферометров, спектрометр имеет высокую спектральную чувствительность. Кроме того, использование сканирующего интерферометра (2) [5], повышает температурную стабильность и разрешающую способность спектрометра. Интерференционный спектрометр используется также как измеритель длины волны оптического излучения, учитывая, что для каждой длины волны существуют однозначные (конкретные) значения текущей базы основного сканирующего интерферометра (2), текущей базы дополнительного сканирующего интерферометра (3) и угол направляющего зеркала (5), длина волны, на которую настроен спектрометр, определяется блоком управления по этим значениям.

Список литературы

1. SU 911175 СПЕКТРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО, О.Н. Гусев.

2. RU 2313070 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР, авторы: Грязнов Г.М., Егорова Л.В., Стариченкова В.Д., Таганов О.К., Феофанов С.В.

3. RU 2787305. ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОГРАФ, авторы: Шушлебин Н.

4. UA 99217 ПРИЗМЕННЫЙ СПЕКТРОМЕТР.

5. RU 2811356 СКАНИРУЮЩИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР, авторы: Неделькин Н.В. (RU), Бабушкин П. А.

6. Принципы лазеров, О. Звелто, изд. Санкт-Петербург, 2008 г., стр. 169.

7. SU 1433234 А1 Юстировочное устройство, авторы: Н.В. Неделькин.

Изобретение относится к спектроскопии и может быть использовано для научных исследований в области химии, физики, биологии, минералогии, медицины, контроля параметров технологических процессов, входного и выходного контроля качества сырья и готовой продукции, экологического мониторинга выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, включая микропримеси в атмосфере, идентификацию источника загрязнения. Спектрометр содержит входной коллиматор, устройство регистрации спектрального сигнала и призменное диспергирующее устройство. Причем на оптической оси последовательно установлены основной сканирующий интерферометр, дополнительный сканирующий интерферометр, направляющее зеркало, размещенное на микроподвижке с возможностью обеспечения задаваемого углового положения актуатором линейного перемещения, а также блок управления, электрически связанный с указанными элементами. Техническим результатом является повышение спектральной чувствительности, температурной стабильности и повышение разрешающей способности, а также расширение функциональных возможностей прибора. 2 ил.

Интерферометрический спектрометр, включающий входной коллиматор, устройство регистрации спектрального сигнала, призменное диспергирующее устройство, отличающийся тем, что на оптической оси последовательно установлены основной сканирующий интерферометр, дополнительный сканирующий интерферометр, направляющее зеркало, размещенное на микроподвижке с возможностью обеспечения задаваемого углового положения актуатором линейного перемещения, а также блок управления, электрически связанный с указанными элементами.