Многоходовая кювета с регулируемым числом прохождений и многоходовое фокусирующее устройство Советский патент 1984 года по МПК G01N21/03 

Изобретение относится к оптическо му приборостроению и может быть использовано для газовых кювет большой длины пути к спектральным приборам, а также для оптико-акустических газоанали за торов без применения спектральной аппаратуры. Изйестна многоходовая кювета,в основу которой положена оптическая система Уайта, в которой содержится :три сферических зеркала, при этом два из них, работая как объективы, фокусируют на третьем коллективе ряд изображений источников света„ :Диаметр кюветы определяется общими габаритами двух сменных объективов DJ. - Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является мно гоходовая кювета с регулируеьвлм чис лом прохож,цений, содержащая корпусе средство Д.ПЯ введения исследуемого вегдества внутрь корпуса,- зеркало, установленное на однсяи кон це корпуса и два плоских полевых зеркала, установленные на другом ко de корпуса под острыми углами к оси корпуса и обращенные к вогнутому зеркалу своими рабочими поверхностя ми , а также многоходовое фокусирующее устройство для многократного направления потока излучения на исследуемый объект, содержащее устано ленные на оптической оси вогнутое зеркало и два плоских полевых зерка ла, расположенные напротив вогнутог зеркала под острыми углами к оптиче ой оси и обращенные к вогнутому зер калу своими рабочими поверхностями И, Регулировка числа прохождения из лучения в кювете достаточно сложна и осуществляется поворотом вогнутого зеркала с одновременным изменением угла при вершине полевых зеркал за счет корректировки положения каж дого из плоских Зеркал. Основным недостатком многоходовой кюветы Смита и Маршалла многоходового фокусирующег о устройства является изменение взаимного расположения плоскости изображения и зрачка вдоль оптической оси Это вызывает нарастание расходимости световых лучей :И габаритов зеркального объектива„ Йоэтбму при использовании разумно ограниченных размеров объ ктива и диаметра кюветы неизбежно возникает виньетирование. В приведенной ниже таблице показан прогрессирующий рост высоты светового пятна на объективе с увеличением порядкового номера прохождения излучения в кювете Смита и Маршалла. В этой таблице t - фокусное расстояние объектива, Н- све товой размер зеркала по высоте при точечном источнике излучения, h высота щели кюветы. Непостоянство положения зрачка устройств мешает согласованию их с внеашими оптическими системами, например спектральными приборами. Согласующая оптика должна быть специфичной не только для каждого сочетания устройств с внешней системой , но и для каждого числа прохождений . Цель изобретения - обеспечение возможности изменения оптической длины кюветы и устранение виньетирования и упрощение согласования устройства с внешними оптическими системами. Поставленная цель достигается тем, что многоходовая кювета с регулируемым числом прохождений, содержащая корпус. средство для введения исследуемого вещества внутрь корпуса, вогнутое зеркало, установленное на одном конце корпуса, и два плоских полевых зеркала, установленные на другом конце корпуса под острыми углами к оси корпуса и обращенные к вогнутому зеркалу своими рабочими поверхностями, снабжена плоским автоколлимационным зеркалом, обрсцценным отражающей поверхностью к вогнутому зеркалу, и механизмом поворота автоколлимационного зеркала вокруг оси, лежащей в его плоскости, а расстояние между автоколлимационным и вогнутым зеркалами равно фокусному расстоянию вогнутого зеркала, при этом плоские полевые зеркгша установлены взаимно перпендикулярно, а корпус кюветы выполнен из двух герметичнб соединенных частей, одна из которых, несущая полевые зеркала, автоколлимационное зеркало и механизм его поворота, выполнена стационарной, а другая, несущая вогнутое зерксшо, сменной. Многоходовое фокусирующее устройство, содержащее установленные на оптической оси вогнутое зеркало и два плоскйк полевых зеркала, расположенные напротив вогнутого зеркала под острыми углами к оптической оси и. обращенные к вогнутому зеркалу своими рабочими поверхностями, снабжено плоским автоколлимационным зеркалом, обращенным отражающей поверхностью к вогнутому зеркалу, и механизмом поворота автоколлимационного зеркала вокруг оси, лежащей в его плоскости, при этом полевые зеркала установлены взаимно перпендикулярно, а расстояние между автоколлимацион-. ным и вогнутым зеркалами выбрано равным фокусному расстоянию вогнутого зеркала.. Работа предлагаемых устройств ос ществляется аналогичным образом, в соответствии с чем работа объясняет ся только на одном устройстве, а именно на примере многоходовой кюве ты. На чертеже представлена многоходовая кювета общий вид На фланце стационарной части 1 корпуса кюветы находится входное ок но 2, по обеим сторонам которого ус тановлены полевые плоские зеркала 3 и 4, составляющие прямой угол одно с другим. Напротив расположено вогнутое зеркало 5, укрепленное на съемной части 6 корпуса, соединяющейся со стационарной частью 1 корпуса фиксатором 7 и болтами. Вогнутое зеркало 5 установлено так, что нормаль к центру его поверхности проходит сбоку от полевых зеркал 3 и 4 По другую сторону от этой нормали н фланце стационарной части 1 корпуса расположено плоское автоколлимацион ное зеокало 8, установленное с возможностью поворота с помощью механизма 9. Выходное окно 10 находит ся в предлагаемом варианте сбоку от полевых зеркал 3 и 4. I Многоходовая кювета работает сле 1 дующим образом. Излучение источника через входное окно 2 стационарной части 1 корпуса попадает на вогнутое зеркало 5, отстоящее от окна на фокусном рассто янии. Отражаясь от зеркала 5 излуче ние в параллельном пучке направляет ся к автоколлимационному зеркгшу 8. В зависимости от угла поворота зерКсша 8 световой поток, отражаясь, возвращается на вогнутое зеркало 5 с большим или меньшим угловым смещением . В соответствии с этим вогнутое зеркало 5, служащее объективом, формирует смещенное изображение вход ного окна (источника излучения) в пространстве между полевыми зеркгшами 3 ,и 4. Отражаясь, от плоских зеркал 3 и 4, излучение поворачивается на 180° и вновь возвращается.на вогнутое зеркало 5. Начинается еледующий цикл прохождений излучения в кювете. Формируется новое изобргокение, не совпадающее с предыдущим, и т.д. до тех пор, пока излучение не выйдет за пределы полевых зеркал 3 и 4 и не попадет в выходное окно 10. Величина первичного смещения изображения зависит от поворота зеркала 8. Изменяя его, можно обеспечить прохождение излучения в кювете с заданным количеством циклов. Каждый цикл содержит 4 хода. Регулируемое число прохождений составляет следующий ряд: 4,8,12,16 и т.д. При любом числе циклов угол между поленьями зеркалами остается прямым. Для предохранения зеркал от воздействия особо агрессивных сред перед ними устанавливают защитные окна или используют зеркала с задни;ми отражающими покрытиями. Чтобы изменить базовую длину кюветы при работе с слабопоглощающими газами, корпус кюветы разъединяют и к фланцу стационарной части 1 при-. соединяют съемную часть 6 корпуса (колпак) большей глубины, при зтом вогнутое зеркало 5 играет роль длиннофокусного объектива. Аналогично происходит замена съемной части 6 корпуса при установке вогнутого зеркала 5, играющего роль короткофокусного светосильного объектива. Настройка кюветы на заданное число циклов при этом не нарушается. Сопряжение с внешними оптическими системами при любом числе прохождений осуществляется одной и той же оптикой, поскольку положение зрачка на выходе кюветы всегда одинаково - на бесконечности. Внутри кюветы зрачок при каждом цикле прохождений располагается на одном и том же месте автоколлимационного зеркала 8. В многоходовой кювете устраняется виньетирование наклонных пучков, так как изображения источника между полевыми зеркалами формируются в телецентрическом ходе лучей. Более высокое светопропускание по сравнению с прототипом обеспечивается также путем сокращения общего количества отражений на зеркалах. Благодаря тому, что половину своего пути в кювете излучение проходит в виде коллимированного потока, снижаются аберрации на защитных окнах. Как и в многоходовой кювете Смита и Маршалла, возможны варианты разделения входного и выходного потоков излучения с помсчцью различных расположений полевых плоских зеркал 3 и 4. Эти зеркала можно располагать не только сбоку от автоколлимационного; но и над ним или под ним. В некоторых случаях это позволяет уменьшить размер стационарной i, части 1 корпуса кюветы. Перечисленные варианты не меняют сути изобретения. Был собран и.испытан лабораторный макет многоходовой кюветы с регулировкой длины оптического пути и сменными вогнутыми зеркалами при радиусах кривизны 306 и 1200 мм. Испытания подтвердили постоянство размера и положения зрачка на автоколлимационном зеркале, а также стабильность направления выходного потока, излучения при любом количестве

циклов прохождения. Согласование со спектральным прибором осуществлялось с помощью Z -образной оборачивающей оптической системы из двух вогнутых зеркал с сопряженными фокусами (не по сазаны, При повторном соединении частей корпуса кюветы со штифтовым

(Ьиксатопом 7 достигнуто хооошее воспооизвеление хода лучей и светопропускания.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает получение положительного эффекта технического оешения.

1. Многоходовая кювета с регулируемым числом прохождений, содержащая корпус, средство для введения исследуемого вещества внутрь корпуса, вогнутое зеркало, установленное на одном конце корпуса, и jiBa плодких полевых зеркала, установленные на другом конце корпуса под острыми углами к оси корпуса и обращенные к вогнутому зеркалу своими рабочими поверхностями, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности изменения оптической длины кюветы, она снабжена плоским автоколлимационным зеркалом, обращенным отражающей.поверхностью к вогнутому зеркалу, и механизмом поворота автоколлимационного зеркала вокруг оси, лежащей в его плоскости, а расстояние между автоколлимационным и вогнутым зеркалами равно фокусному расстоянию вогнутого зеркала, при этом плоские полевые зеркала установлены взаимно перпендикулярно, а корпус кюветы выполнен из двух герметично соединенных частей, одна из которых, несущая полевые зеркала, автоколлимационное зеркало и механизм его поворота, выполнена стационарной, а.другая, несущая вогнутое зеркало,- сменной. 2. Многоходовое фокусирующее устройство для многократного направления потока излучения на исследуемый объект, содержащее установленные на оп(Л тической оси вогнутое зеркало и два плоских полевых зеркала, расположенные напротив вогнутого зеркала под острыми углами к оптической оси и обращенные к вогнутому зеркалу своими рабочими поверхностями, отличающееся тем, что, с целью устра нения виньетирования и упрощения согласования устройства с внешними х оптическими системами, оно снабжено плоским автоколлимационным зеркалом, а: обращенным отражающей поверхностью СП :к вогнутому зёркалу,и механизмом по ворота автоколлимационного зеркала 4; вокруг оси, лежащей в его плоскости, при этом полевые зеркала установлены взаимно перпендикулярно, а рассто яние мезвду автоколлимационным и вогнутым зеркалами выбрано равным фокус ному расстоянию вогнутого зеркала.