Монохроматор Советский патент 1985 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. Целью изобретения является повышение точности отсчета длин волн путем обеспечения линейности и цело численности шкалы длин волн. На чертеже показан монохроматор, построенный по горизонтально-симметричной схеме. Монохроматор содержит последовательно расположенные по ходу луча входную щель 1, коллиматорный зеркальный объектив 2, дифракционную решетку 3, камерный зеркальный объектив 4, выходную щель 5, рычаг 6, ползун 7, дифференциальный интер ферометр для измерения угла поворот дифракционной решетки, включающий расположенные последовательно по ходу луча источник 8 монохроматического излучения, светоделитель 9, зеркало 10, два уголковых отражателя 11,12, автоколлимационное зеркало 13, блок 14 регистрации. Монохроматор работает следующим образом.Световой поток от входной щели 1, расположенной в фокальной плоскости объектива .2, коллимируется объективом 2 и попадает на дифракционную решетку 3. Дифрагированный световой поток собирается объек тивом 4, котор .1й строит в плоскости вькодной щели 5 монохроматические изображения входной щели 1. Механиз спектральной щели 5 расположен на ползуне, имеющем возможность переме щения в П-образных направляющих вдоль линии пересечения меридионаЛь ной и фокальной плоскостей камеркого объектива 4. Оправа объектива крепится с помощью пружинного подве са 1C кронштейну, на котором установ лена микрометренная подвижка ,цля осуществления разворота коллиматорного объектива вокруг оси, нормальной меридиональной плоскости и проходящей через его вершину. Последовательное выставление спектральных линий на выходную щель монохроматор осуществляется путем разворота дифракционной решетки с помощью рычага 6, который разворачивается вокруг оси дифракционной решетки совместно с последней за счет перемещения ползуна 7 в направляющих типа ласточкин хвост. Перемещение ползуна осуществляется вручную через винтовую пару (не показана). Привод 6,7 обеспечивает необходимую чувствительность, плавность хода и надёжную фиксацию дифракционной решетки в рабочем положении. Вместе с дифракционной решеткой поворачиваются и отражатели интерферометра, установленные на основании дифракционной решетки. При этом монохроматическое излучение от источника 8 He-Ne лазера делится светоделителем 9 на два световых пучка, которые направляются светоделителем 9 и зеркалом 10 к уголковым отражателям 11, 12. Пройдя отражатели 11, 12 и отразившись от автоколлимационного зеркала 13, световые пучки проходят отражатели 1 1 , 12 в обратном направлении, объединяются светоделителем 9 и направляются в блок 14 регистрации. Блок 14 состоит из фотоприемника фотоэлектронного умножителя, формирователя импульсов и счетчика. При изменении разности хода лучей в интерферометре в связи с поворотом уголковых отражателей совместно с дифракционной решеткой осуществляется интерференционная амплитудная модуляция светового потока, попадающего на фотоэлектронный умножитель, в результате чего возникают синусоидальные изменения фототока и формирователь импульсов формирует счетные импульсы, появление каждого из которых соответствует изменению разности хода на Лр/8. Длина волны вьшодимой на выходную щель спектральной линии в монохроматоре с горизонтально-симметричной оптической схемой равна .- 2(1 1 . 7 -co5-26,ntf, где d - постоянная дифракционной решетки , т. - порядок дифракции; - центральный угол монохроматора;tf - угол поворота дифракционной решетки. Разность хода в инте1 ферометре из-за смещения уголковых отражателей при повороте дифракционной решетки равна 4 р -sintf где N - порядок интерференции , Лд- длина волны настройки интерферометра ; Р- расстояние между вершинам уголковых отражателей. Таким образом, для длины волны вьшодимой спектральной линии можно написать с учетрм уравнений (1) и (2) следующее выражение: 2d у NA( -со9у Р Основной причиной появления отступлений от линейности шкалы длин волн является рассогласование нулевых положений дифракционной реше ки и уголковых отражателей интерфе метра, а отступление от целочислен ности определяется погрешностью ра стояния между вершинами уголковых отражателей, которая приводит к появлению накапливающейся к концу рабочего диапазона погрешности. Так как в реальном монохроматоре i АР , )р У йу ,реальное значени 1НЫ волны 1( можно представить следующем виде: ,1 2J У У I 5 Ле со5-| 1«Ч 2л; где eincf с - -В - реально измеряе мое перемещение механизма, по кото рому мы судим о выводимой длине во ны. В свою очередь 8 а р- sin ср , t fiq, bcf угол рассогласовани нулевых положений дифракционной ре шетки и интерферометра, т.е. вели чина Р даже при точно установлен ном теоретическом значении О const зависит от угла Из вьфажения (4) находим вьфаже .ние для ошибки отсчета А длины волны , считая в вьфажении (4) п ременным Ч, р,у, 2J У/JJ .л . / со5-со.суАц соф;г,, . J . ( ei«2-5,ncf ь(. Подбирая величину и знак приращения & можно скомпенсировать погрешность up ив некоторых пределах и Ц, 124 На чертеже пунктиром показано нулевое положение уголковых отражателей (прямой, соединяющей вершины отражателей, находящихся в нулевом положении). Очевидно, что смещение выходной щели по стрелке А на расстояние 6 2й1|,где f - фокусное расстояние объектива, позволяет скомпенсировать имеющееся рассогласование нулевых положений А(| дифракционной решетки и интерферометра. При этом изменяется центральный угол монохроматора У на 2й1-| I и в( - UMJ)(считаем нулевым такое положение дифракционной решетки, ког-да нормаль к ее отражающей по ерхности делит центральный угол Jf пополам, а на выходную щель выводится нулевой порядок дифракции). Для интерферометра считаем нулевьЧм такое положение, при котором прямая, соединяющая вершины отражателей, параллельна отражающей плоскости автоколлимационного зеркала. Рассмотрим выражение (5). Предположим, что действие первого члена скомпенсировано перемещением выходной щели. Тогда для обеспечения A9i О необходимо, чтобы вьшолнялрсь условие У ьр - У П °П-/г 1Чт|А так как й(Х равен А tf при компенсации последнего смещением выходной щели, то можно намеренно ввести рассогласование & ( разворотом коллиматор1.ого объектива на угол , причем (f(, где А tj - имеющееся рассогласование нулевых положений, /If. Ir) требуемое изменение центрального угла монохроматора, найденное из вьфажения (6), с последующим компенсационным перемещением выходной щели на Е, л( 1. Для согласования параметров онохроматора и интерферометра выполняется следующая последовательность операций. По отсчетному устройству находятся отсчеты V, , Й2,... , п ,соответствующие истинным значениям, длин волн , j,..., -Лп, вьшеденным на ходную щель. Затем определяются р ности tV,u;-V,).V (( ) которые подставляются в выражение .для накопленной ошибки выведения в интервале ( „- А,) полученное из выражения (4) дифференцированием по (f U р , 2J If - coSyUos Т2-С05 Cf. IJ У , . . XЛР откуда получаем следующие равенст (Аг-Х,1-ЬП (. ..к CQ%Cf,-C05t|2C09tf,-C05(f, (v- co5cf,-co5q n Из выражения (8) находим усреднен значение которому из ура нения (7) определяем имеющееся рассогласование АСр и нужньй комп сационный угол д ( 4 ИЗ выражения (6). Для компенсации выявленного рассогласования л(/ необходимо сместить выходную щель на расстояние Р, fiCf-f-При этом изменяется центральный угол у на 2 лс . Следовательно, требуемое для компенсации действия ошибки & р изменение угла jj может быть найдено из следующего соотнршения: .(l) Введение угла Cf производится за счет смещения выходной щели на расстояние Kj, t с последующим разворотом коллиматорного зеркала на угол Y ) Ч ° совмещения изображения входной щели в нулевом порядке дифракции с выходной щелью. Затем находятся новые раз-ности ЛЛ2 , ,... , ь и по ним рассчитываются остаточные погреш ОСТИ Л рост / р. U ср. По Л/)о, / р из выражения (7) находим компенсационный угол f) . sincy -ginq, Дрост cosq) -cosq j / Если (|i- (foe,) меньше допуска на согласование нулевых положений, то вводится окончательное смещение выходной щели Е о « 2 / i .

МОНОХРОМАТОР с горизонтально-симметричной оптической схемой, содержащий оптически связанные входную щель, коллиматорный зеркальный объектив, дифракциолнзто решетку,камерньш зеркальный объектив, выходную щель, а также двухлучевой интерферометр, уголковые отражатели которого установлены с возможностью разворота совместно с дифракционной решеткой, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности отсчета длин волн, коллиматорный зеркальный объектив установлен с возможностью разворота вокруг оси, нормаль ной меридиональной плоскости коллиматорного зеркального объектива и проходящей через точку пересечения отражающей поверхности ко.штиматор ного зеркального объектива с его оптической осью, а выходная щель монохроматора установлена с возможностью перемещения вдоль линии пересечения фокальной и меридиональной плоскостей камерного зеркального объектива. О© сд ю