Спектрофотометр Советский патент 1987 года по МПК G01J3/42 

1286

те полуэеркал вокруг оси, совпадаюп|ей с меридиональной плоскостью, осуществляется двухлучевой режим работы спектрофотометра. Измерительные ячейки 10 устанавливаются непосредственно за выходной щелью 9. При взаимном развороте в сагиттальной плоскости на угол k/f, , где k - расстояние между изображениями источ1

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению

Цель изобретения - повышение точности измерений путем подавления мультипликативной помехи в виде низ- к частотных колебаний энергетическо яркости источника и упрощение конструкции.

На фиг.1 показана оптическая схема спектрофотометра; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б на фиг,1 на фиг.4 - 1 - положение спектров в фокальной плоскости монохроматора в зависимости от взаимного расположения полузеркал коллиматора.

Спектрофотометр содержит (фиг.1) источник 1 излучения, светящееся тело которого расположено в одном из фокусов эллипсоидного зеркала 2, светоделитель 3,. представляющий собой бизеркало, ребро которого находится в меридиональной плоскости, входную щеЛь 4, диск-обтюратор 5, установленньй непосредственно за входной щелью 4, входной коллиматор 6, содержащий два полу зеркала, дифракционную рещетку 7, выходной коллиматор 8, выходную щель 9, измерительную ячейку 10, а также ахроматический объектив 11 и фотоприемники 12 - 14. Приемная площадка фотоприемника 12 расположена вблизи заднего фокуса ахроматического объектива 11.

Спектрофотометр работает следующим образом.

Изображение источника 1 с помощью эллипсоидного зеркала 2 фокуси- руется в Ш10СКОСТ.И входной щели 4 двухлучевого монохроматора. Светоделитель 3 установлен в сходящемся

10

ника 1 в плоскости входной щели 4, fi - фокусное расстояние коллиматора, осуществляется двухволновмй режим работы спектрофотометра. Осуществле- ние двухлучевого и двухволнового режимов позволяют.повысить точность спектрофотометрических измерений. 1 3 . п. ф-лы, 7 ил.

пучке на определенном расстоянии от входной щели 4, В результате в плоскости входной щели 4 образуются два действительных изображения источника 1, разнесенные в сагиттальной плоскости на заданное расстояние. Диск-обтюратор 5 осуществляет временное разделение пучков путей их переменного прерывания. Пусть А - угол между полузеркалами входного коллиматора 6 в меридионгитьной плоскости, р - угол между полузеркалами в сагиттальной плоскости. При . О в плоскости выходной щели 9 наблюдается картина, схематично изображенная на фиг.2. Два идентичных спектра, получаемые от соответствующих изображений источника 1, разнесены в саггитальной плоскости на расстоянии 2k , причем

2k 2k (fg/fi ),

(1)

где 2k - расстояние между изображениями источника в плоскости входной щели 4; fj - фокусное расстояние входного коллиматора 6; f2 - фокусное расстояние выходного коллиматора 8. В этом случае из монохроматора выводятся два монохроматических пучка длиной волны . Только при выполнении условия 2k Н, где Н - высота щтрихов решетки 7, в плоскости входного коллиматора 6 имеет место значительное переналожение двух световых пучков от входной щели, т.е. на каждое полузеркало попадает излучение от обоих изображений в плоскости входной щели 4. Поэтому при О, f. 4- О каждый из спектров.

312869

изображенных на фиг.2,распадается на . два спектра (фиг.З). В результате в плоскости выходной щели двухлучевого монохроматора образуются две идентичные пары спектров. Запишем соотноше- 5 ние, определяющее расстояние между спектрами каждой пары в параксиальном приближении:

2m 2 р) f

2В этом случае из монохроматора .выводятся четыре монохроматических пучка длиной волны НоПри m k нижний спектр верхней пары и верхний спектр нижней пары совпадают (фиг.4). При этом выполняется соотношение

Р k/f, .

(3)

.-

При таком режиме работы из монохроматора выводятся четыре монохроматических пучка длийой волны два из которых пространственно сов мещены в плоскости выходной щели 9

Если при значении угла , определяемом формулой (3), полузеркала развернуты друг относительно друга в меридиональной плоскости (Ы ч 0;

/fi), то в плоскости выходной щели 9 образуется картина, изображенная на фиг.5. Световые пучки, отраженные от различных полузеркал входного коллиматора 6, падают на дифракционную решетку 7 под разными углами. В результате в плоскости выходной щели 9 происходит дисперсный сдвиг соответствующих спектров друг относительно друга, из монохромато- ра выводятся два пучка длиной волны J, и два пучка длиной волны Я 2 , причем два монохроматических пучка различных длин волны Ц и - пространственно совмещены в плоскости выход- ной щели 9.

Пусть A/4 . Можно показать, что

л Л d Sin (Cos - 1) + + Cos Mi Sin 2oCj ,

d - постоянная дифракционной

решетки;

Ч о угол падения световых пучков на дифракционную решетку при Ы 0.

104

Впрактически важных случаях формула(4) аппроксимируется выражением:

Л/ d cos Pfi Sin 2а :

С08Ц)р % 1 .

(5)

. 5

fO

-5 Такую зависимость разности длин волн Д/ от угла относительно разворота полузеркал d, во многих случаях можно с достаточной точностью реализовать с помоа(ью синусного механизма. Часто бывает достаточна и более грубая аппроксимация:

Д 2d (Cos ) 2d dk(6)

20

25

-30

35 40 5

В непосредственной близости от выходной щели 9 установлена измерительная ячейка 10 и далее три фотоприемника 12 - 14, разнесенные в сагиттальной плоскости. Полузеркала коллиматора 6 при юстировке спектрофотометра поворачиваются друг отно- сительной друга в сагиттальной плоскости на угол Р) k/fj , и в даль нейшем этот угол остается неизменным.

В режиме спектрофотом.етр1гческих измерений на одной длине волны полузеркала коллиматора 6 устанавливаются в положение о1 О, При этом в плоскости выходной щели 9 образуется картина, изображенная на фиг.4. Сигнал на выходе фотоприемника 12 пропорционален интенсивности монохроматического излучения длиной волны , прошедшего через измерительную ячейку 10 (рабочий сигнал). Сигналы на выходе фотоприемников 13 и 14 пропорциональны интенсивности монохроматического излучения длиной волны падающего на измерительную ячейку 10. В качестве контрольного сигнала можно брать сумму сигналов с выходов фотоприемников 13 и 14. На выходе измерительной схемы регистрируется величина

, 1«

°-I°2si

с lo

(7)

55

где Со, С - коэффициенты пропорциональности;

1ол - контрольный сигнал на

1 длине волны л,,;

I,, - рабочий сигнал ка длине

волны Ад.

Указанный режим применяется для непрерывной регистрации оптической

512

плотности вещества, находящегося в измерительной ячейке, как функции времени А (t), а также для записи спектров поглощения А (1).

Переход к двухволновому режиму осуществляется при помощи взаимного разворота полузеркал коллиматора 6 вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости.В плоскости выходной щели 9 при этом образуется картина, изображенная на фиг.5. Через измерительную ячейку 10 поочередно пропускаются,; монохроматические пучки длин волн Л и 2 разность между которыми определяется выраже- ниями, (4) - (6). В период, когда диск-обтюратор 5 перекрывает одно из изображений источника в плоскости входной щели 4 (например, нижнее) , на фотоприемник 12 поступает монохроматический пучок длиной волны Hi , прошедший через измерительную ячейку 10, а на фотоприемник 13 контрольный монохроматический пучок длиной волны Aj . Фотоприемник 14 при этом не засвечивается. При перекрытии другого изображения источни- ка возникает противоположная картина. На выходе измерительной схемы могут одновременно и непрерывно ре- гистрироваться оптические плотности на длинах волн Й , й как функции времени Ад (t), Ад (t), а также абсорбционное отношение R;( j (t) и абсорбционная разность uAj, (t) определяемые, соответственно выражениями:

ij ,

AI ff

(8)

Д AT л A - A

(9)

При сканировании дифракционной решетки 7 в этом режиме могут также регистрироваться спектр поглощения А (Л), абсорбционное отношение как функция длины волны R; . д- ()) , а также первая производная спектра ДА. . ()/л A (в этом случае д7 выА У 1-й

бирается достаточно малым),

Переход к дифференциальным изме- рениям осуществляется посредством замены одной измерительной ячейки

двумя разнесенными по высоте выход- ной щели. В двухлучевом режиме полузеркала коллиматора 6 устанавливаются в положение - Q (фиг. 2) Непосредственно за выходной щелью 9

0 5 0 5 0 5

0

5

0

ее

О6

установлены две измерительные ячейки 10, далее излучение поступает на ахроматическ ий объектив М и фотоприемник 12. Через измерительные ячейки 10 поочередно проходят монохроматические пучки длиной волны j, . Оба пучка в плоскости дифракционной решетки 7 совмещены.. Ахроматический объектив 11 изображает плоскость дифракционной решетки 7 в плоскость фоточувствительной площадки фотоприемника 12, где монохроматические пучки всех длин волн, таким образом, еще раз совмещаются. В таком режиме могут регистрироваться спектр поглощения А (i) (при этом в одной из измерительных ячеек образец отсутствует), разностный спектр поглощения ДА (7i) , поглощение и разность поглощений на фиксированной длине волны как функции времени А (t), UA (t). При переходе к двухволновому режиму вместо двух измерительных ячеек 10 используют одну. Полузеркала коллиматора 6 разворачивают друг относительно друга на угол , определяемый формулой (3), в сагиттальной плоскости, а также на угол d , определяемый рабочими длинами волн А, согласно формулам (4) - (6), в меридиональной плоскости.

Формула изобретения

1. Спектрофотометр, содержащий оптически связанные источник света, фокусирующее зеркало, светоделитель, . обтюратор, монохроматор, снабженный входной щелью, входным зеркальным коллиматорным объективом, дифракционной решеткой, выходным зеркальным коллиматорным объективом и выходной щелью, а также измерительную ячейку, фокусирующий объектив и фотоприемники, отличающийся- тем, что, с целью повышения точности измерений путем подавления мультипликативной помехи в виде низкочастотных колебаний энергетической яркости источника света и упрощения конструкции, входной или выходной зеркальный коллиматррный объектив выполнен разрезным в виде двух полузеркал, причем плоскость разреза совпадает с меридиональной плоскостью монохроматора, при этом полузеркала установлены с возможностью взаимного разворота в меридиональ71286910

ной плоскости мснохроматора, а измерительная ячейка установлена непосредственно за выходной щелью мо- но2(1роматора.

2, Спектрофотометр по п.1, о т - личающийся тем, что полузеркала входного или выходного зеркального коллиматорного объектива установлены с возможностью дополнительного взаимного разворота в сагит-jo тальной плоскости монохроматора на фиксированный угол

гд

де k ,28

. k.

- -f .

1,2

расстояние между изображениями источника света в плоскости входной щели монохроматора;

фокусное расстояние соответственно входного или выходного зеркального коллиматорного объектива.

Изобретение относится.к области оптического спектрального приборостроения. Целью изобретения является повышение точности измерений путем подавления мультипликативной помехи в виде низкочастотных колебаний энергетической яркости источника и упрощение конструкции. Для этого в спектрофотометре источник излучения 1 проецируется на входную щель 4 мо- нохроматора с помощью зеркала 2 и светоделителя 3, представляющего собой бизеркало. На входной щели образуются два изображения источника 1. Обтюратор 5 осуществляет временное разделение пучков. Входной 6 или выходной 8 коллиматор монохрома- тора состоит из двух полузеркал,разрезанных по меридиональной плоскости монохроматора. При взаимном разворо- 5 (Л to 00 о Фиг. ,.

Г Т

г

(the. 2

г.д

Фив. и

Яо о Pu8. 5

Л0

tPU8. б

Я Л.

9US. 7

f Я,д Л-Х