Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения Советский патент 1992 года по МПК G02B5/04 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно - к устройству оптических элементов нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с изменяемым углом падения излучения, предназначенных для спектроскопических исследований.Известны элементы НПВО, предназначенные для получения спектров

при двух различных углах падения, что позволяет применять их для исследования сильно поглощающих образцов и определения оптических постоянных без необходимости в воспроизведении контакта между объектом и элементом, Такие элементы представляют собой симметричную призму, имеющую две взаимно параллельные грани

полного внутреннего отражения (ПВО), входную поверхность в виде плоской грани, угол между которой и нижней гранью ПВО достаточно мал, чтобы обеспечить дополнительное ПВО от входной грани для части пучка отраженного от нижней грани ПВО. Сформированный таким образом пучок распространяется в направлении верхней грани ПВО, испытывая отражение от последней под углом/ 180° - 3D, где U - угол падения на верхнюю грань ПВО пучка не испытавшего ПВО от входной грани.

Ввиду наличия функциональной связи между углами / и U выбор сочетаний этих углов ограничен, что не позволяет обеспечивать получение контрастных спектров для обоих углов падения и ограничивает возможности получения спектральной информации в поверхности слоях исследуемого объекта. Кроме того, из-за разницы размеров световых отверстий призмы ее пропускание ограничено, так же как и из-за большой длины хода, обусловленной дополнительными ПВО от входной и нижней граней, а также из-за срезания света технологическими фасками, наносимыми на острые кромки.

Указанные недостатки устранены в элементах НПВО, входные (выходные) поверхности которых состоят из нескольких граней. Известный элемент НПВО представляет собой симметричную призму, входные грани которой наклонены к грани ПВО под углом в Ui, где i - номер грани входной поверхности; Ui - угол падения на грань ПВО пучка, пропущенного i-й гранью.

Применение данного элемента не обеспечивает получения двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка.

Цель изобретения - получение двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка.

Указанная цель достигается тем, что известный оптический элемент НПВО с изме- няемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань ПВО, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани ПВО, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии и грани ПВО и которые составляют с этой гранью углы 6 и 6г , удовлетворяющие соотношению 01 02 90°, где

01 - угол между гранью ПВО и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности, снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью ПВО и бли- жайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина Imax элемента вдоль грани ПВО равна

10

Imax - (V tg U2 + ctg $г)а,

v +3 высота tmax элемента равна tmax a

а высота tmin нерабочих граней, отсчитываемая в направлении, перпендикулярном гра- ни ПВО, равна

tmin

v-1

а,

20 где V- параметр призмы, удовлетворяющей соотношению

V

25

( ctg ft + ctg 02) ctgUi + 2 tg Uactg Ui - 1

где U2, Ui - заданные углы падения излучения на грань ПВО, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к . грани ПВО входной грани и на более отда- 30 ленной грани и удовлетворяющие соотношению

01,2 arctg

Sin Ul,2 -По COS Ul,2

- 1

где п0- показатель преломления материала призмы;

а - размер световых отверстий входных (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении, перпендикулярном грани ПВО.

Выполнение указанных соотношений позволяет использовать для освещения эле- мента один исходный пучок.

Изобретение поясняется чертежом.

Оптический элемент содержит входные грани 1 и 2, грань 3 ПВО и выходные грани 4 и 5.

Оптический элемент работает следующим образом.

Падающий на входную грань 1 параллельно грани ПВО 3 осевой луч пучка b преломляется ею в направлении грани ПВО 3, отразившись от которой он направляется к выходной грани 4, преломившись на которой, выходит из призмы, оставаясь на одной прямой с подающим лучом Ь. Осевой луч пучка с, параллельный осевому лучу пучка Ь, падает на входную грань 2, преломившись

на которой он направляется на грань ПВО 3, от которой испытывает отражение в направлении выходной грани 5 и после преломления на последней покидает призму, оставаясь на одной прямой с лучом с.

Выполнение приведенных выше соотношений для угловых и линейных параметров оптического элемента позволяет значительно повысить оперативность проведения измерений оптических спектров НПВО и резко упростить конструкцию устройств для проведения измерений оптических постоянных природных и искусственных материалов. Проведенные испытания показали, что скорость изменения угла падения на грань ПВО у предлагаемой призмы по сравнению с прототипом увеличилась не менее, чем в 30 раз, продольный габаритный размер устройства для установки оптического элемента уменьшился в 3,5 раза, вес устройства уменьшился в 6 раз.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань пол- ного внутреннего отражения, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани полного внутреннего отражения, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии грани полного внутреннего отражения и которые составляют с этой гранью углы в и Qz , удовлетво- ряющие соотношению

в-(02 90°,

где 02 - угол между гранью полного внутреннего отражения и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности;

#1 - угол между гранью полного внутреннего отражения и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности,

отличающийся тем, что, с целью получения двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка, элемент снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью полного внутреннего отражения и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина тах элемента вдоль грани полного внутреннего отражения равна

Imax (V tg Ua + ctg ft )a, высота tmax элемента равна

tmax -

v+3

-a,

а высота tmin нерабочих граней, отсчитываемая а направлении, перпендикулярном грани полного внутреннего отражения, равна

tmin о 3,

где V-параметр призмы, удовлетворяющий соотношению

V

( ctg 01 + ctg ft ) ctgUi + 2 tg U2Ctg Ui - 1

где U2, Ui - заданные углы падения излучения на грань полного внутреннего отражения, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к грани полного внутреннего отражения входной грани и на более отдаленной входной грани и удовлетворяющие соотношению arcsin Ui,, где

По - показатель преломления материала призмы;

а - размер световых отверстий входных (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении, перпендикулярном грани полного внутреннего отражения.

Изобретение относится к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения, предназначенным для спектроскопических исследований. Цель изобретения - получение двух независимых углов падения изучения на грань полного внутреннего отражения (ПВО) при использовании одного исходного пучка. Элемент имеет вид прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань ПВО, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани ПВО, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии и грани ПВО и которые составляют с этой гранью углы См и Cte, удовлетворяющие соотношению СИ 0.2 90°, где См - угол между гранью ПВО и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности, причем элемент снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью ПВО и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина элемента вдоль грани ПВО равна Imax (V tg IJ2 + ctg 02) -а,высота tmax элемента равна tmax V + 3/2-a, а высота tmin нерабочих граней, отсчитываемая в направлении, перпендикулярном грани ПВО, равна tmin V - 1 /2 -а, где V - параметр призмы, удовлетворяющий соотношению V (ctg Qi + ct-gQ2) ctg Ui + 2/tg L)2 ctg Ui - 1, где 1)2, Ui - заданные углы падения излучения на грань ПВО, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к грани ПВО входной грани и на более отделенной грани и удовлетворяющие соотношению Qi,2 arctgsin Ui,2 - cos Ui,2, где По - показатель преломления материала призмы; а - размер световых отверстий входных (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении, перпендикулярном грани ПВО. 1 ил. СП с XI Ю vj О о 4