Устройство для измерения индикатрисы источника излучения и рассеяния образцов при воздействии на них пучков излучения Советский патент 1992 года по МПК G01J1/04 G01J3/12 

Изобретение относится к аналитической аппаратуре и может быть использовано для изучения оптических свойств различных материалов в процессе воздействия на них мощных пучков электромагнитного или ионизирующего излучений.

Известно устройство для исследования оптических свойств материалов, состоящее из исследуемого источника света (образца), закрепленного в держателе, двухлинзового конденсатора, спектроанализирующего фотодатчика (состоящего из спектрального прибора и фотоприемника) и регистрирующей аппаратуры. Первая линза конденсатора проецирует излучение от исследуемого образца в плоскости второй, антивиньети- рующей линзы, расположенной вблизи входной щели спектрального прибора. Последняя линза проецирует первую линзу, в плоскости входного объектива спектрального прибора. Спектр, полученный при разложении в спектральном приборе излучения от исследуемого образца, преобразуется фотоприемником в пропорциональные спектральной освещенности электрические сигналы, которые затем поступают для обработки в регистрирующую аппаратуру 1. Такое устройство позволяет получить достоверные данные о спектральном составе излучения от исследуемого образца, за счет получения равномерной освещенности в спектре. Недостатками известного устройства является зависимость чувствительности спектрального прибора от поляризации исследуемого излучения и прием этого излучения в одном, строго выбранном направлении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является устройство для измерения индикатрисы источника излучения, содержащее держатель источника излучения (исследуемого образца), последовательно расположенные и оптически связанные гибкий световод, конденсор и

анализирующий спектр фотодатчик, связанную с фотодатчиком измерительную систему, причем ближайший к образцу конец световода установлен с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через исследуемую поверхность образца и пересекающей оптическую ось световода под прямым углом 2.

Кроме того, устройство содержит механическое координатное устройство, выполненное в виде снабженной механизмом перемещения вдоль трех перпендикулярных координатных осей платформы с пластиной, которая установлена с возможностью вращения вокруг оси, параллельной одной из координатных осей. Первое плечо Г-образной стойки параллельно плоскости пластины, а на втором плече этой стойки закреплен первый конец световода с возможностью движения вдоль своей оптической оси. Г-образная стойка установлена на пластине с возможностью вращения вокруг оси, являющейся осью поворота конца световода. Эта ось перпендикулярна оси вращения пластины и пересекается с ней и оптической осью световода в одной точке, совпадающей с центром торца первого конца световода. Источник излучения укрепляется э держателе. Световод, конденсор и

анализирующий спектр фотодатчик закрепляются на механическом координатном устройстве.

Это устройство позволяет исследовать спектральные индикатрисы излучения. Юро- ме того, использование световода, являющегося деполяризатором, позволяет исключить ошибки, связанные со значительной зависимостью чувствительности анали- зирующего спектра фотодатчика от поляризации исследуемого излучения.

Недостатком известного устройства является хроматичность, приводящая к дефокусировке всей оптической системы и к изменению площадки, излучение с которой

исследуется при измерениях в некотором спектральном интервале.

Другим недостатком является необходимость совмещения торца световода с исследуемой поверхностью, что не позволяет проводить как поляризационные измерения, так и измерения оптических свойств образцов при воздействии на них пучков излучения, приходящих на исследуемую поверхность из той же полуплоскости, где рас- положен световод.

Целью изобретения является повышение достоверности и информативности измерений при неизменном пространственном расположении оси пучка излучения и оптической оси фотодатчика.

На фиг.1 изображена кинематическая схема устройства; на фиг.2 - кинематическая схема узла вращения и перемещения поляризатора.

Устройство содержит исследуемый образец 1, на поверхность которого воздействует пучок излучения 2, поляризатор 3, гибкий световод 4, оптическую систему, состоящую из конденсаторной линзы 5 и ан- тивиньетирующей линзы 6, которая расположена перед выходной щелью 7 анализирующего спектр фотодатчика (на схеме не показан ). Кроме того, устройство содержит измерительную систему (на схеме не показана). Световод 4 и конденсаторная линза 5 изготовлены иь одного материала, а спектральные зависимости показателя преломления а нтивиньетирующей линзы 6 и материала линзы 5 совпадают с точностью до постоянного множителя.

Исследуемый образец 1 закреплен в держателе образца 8 так, что плоскость держателя образца совпадает с облучаемой плоскостью образца, являющейся источни- ком излучения, причем держатель 8 установлен с возможностью вращения своей оси 9 в подшипнике, укрепленном на плече Г-образной скобы 10. Ось 9 соосна геометрической оси 11, которая совпадает с ли- нией пересечения перпендикулярной к оси пучка плоскости с плоскостью держателя образца 8. Г-образная скоба 10 крепится своим вторым плечом к оси 12 и имеет возможность вращения своей оси 12 в подшил- нике, закрепленном на одной из плоскостей прямоугольного уголкового основания 13. Ось 12 соосна геометрической оси 14, совпадающей с осью пучка 2. На второй пластине уголкового основания 13 установлена Г-образная стойка 15с возможностью поворота вокруг оси, совпадающей с геометрической осью 10, которая перпендикулярна оси пучка, проходит через точку пересечения оптической оси световода 17 и оси пучка

излучения 2, перпендикулярно плоскости этой пластины основания, fluuupoi сюйки 15 может осуществляться при помощи подобной описанным выше паре ось - подшипник. На втором плече Г-образной стойки 15 закреплен первый конец световода 4. Кроме того, соответствующие элементы кинематической схемы устройства расположены так, что оси 11,14,16 и 17 пересекаются водной точке. На втором плече Г-образной стойки над световодом крепится держатель 18 (на фиг,1 показана только его часть) узла перемещения и вращения поляризатора 3. Кинематическая схема этого узла показана на фиг.2. На держателе 18 установлена с возможностью вращения ось 19с нарезным на ней винтом, на котором помещается гайка каретки 20 поляроида. Каретка 20 может перемещаться вдоль этого винта перпендикулярно оси 17. На каретке 20 соосно оптической оси 17 первого конца световода установлена с возможностью вращения вокруг оси 17 полая ось 21. Внутри этой оси закреплен поляризатор 3 так. что его оптическая ось совпадает с осью 17. Возможность вращения оси 21 обеспечивается за счет кинематической пары червячное колесо 22 - червяк 23. Червячное колесо 22 закреплено соосно на полой оси 21, а червяк 23 установлен с возможностью вращения на каретке 20. Второй конец световода 4 и линза 5 (см. фиг.1) установлены соответственно на каретках 24 и 25, которые имеют возможность перемещения вдоль оптической оси за счет кинематической связи соответственно 26 и 27. Указанные связи идентичны по структуре, включают в себя ось с нарезанным на ней винтом, вдоль которого может перемещаться гайка соответствующей каретки, и соединены с постоянными передаточными отношениями с общей кинематической связью 28 посредством кинематической пары, один из элементов которой закреплен на оси соответствующей связи, а второй - на оси связи 28. Пинза 6 жестко закреплена на корпусе 29 устройства. На вход общей кинематической связи подается величине, пропорциональная Д.

Устройство работает следующим образом. Вначале образец 1 в держателе 8 установлен под определенными углами по отношению к оси пучка 2 и оптической оси 17 первого конца световода, а весь оптический тракт сыостирован для измерения излучения на определенной длине волны До и с заданной поляризацией Р0 (см. фиг.1). Угол, под которым пучок излучения 2 падает на исследуемую поверхность образца, определяется как угол между нормалью 30 к этой

поверхности в точке пересечения осей 2 (14), 11,16 и 17 и осью пучка 2, и обозначается у . Направление, по которому световод принимает излучение от образца, характеризуется двумя углами о: И/. Угол of-угол между проекцией 31 нормали 30 в плоскости, проходящей через оси 17 и 2, и осью 17. Угол ft - угол между осями 16 и 11. Лучок 2 направляется под углом у на исследуемую поверхность образца. Полученное в резуль- тате этого электромагнитное излучение в направлении, характеризуемом углами а л($, проходит через поляризатор 3, который пропускает только свет с заданной поляризацией, и попадает на торец первого конца световода 4. Излучение, выделенное из телесного угла, величина которого определяется расстоянием от образца 1 до торца первого конца световода и рабочей площадью этого торца, в заданном направле- нии, передается световодом на другой конец, с торца которого проецируется линзой 5 в плоскости входной щели 7 анализирующего спектр фотодатчика. Одновременно линза 6 отображает плоскость линзы 5 н а входной объектив этого фотодатчика (не показан). Затем электрический сигнал с фотодатчика, пропорциональный излучению, которое характеризуется Лэ. а, Д у и Ро , поступает в измерительную систему для обработки и регистрации.

Обозначим оптические расстояния между вторым торцом световода 4 и линзой 5, линзами 5 и 6 соответственно ат, 32. Для АО и аа имеют вид

,(1)

ад-д-г- б.(2)

А 1 + 1

где / - увеличение линзы 5;

is - ее фокусное расстояние.

Фокусное расстояние fe линзы 6 определяется из соотношения:

(3)

fe аз F

где F - фокусное расстояние входного объектива, анализирующего спектр фотоприемника, оно остается во всем рабочем интервале спектра,

Дальнейшее исследование осуществляется путем сканирования спектра излучения при постоянных значениях а, Д у и Р0 . При переходе к измерениям на другой длине волны At юстировка оптического тракта на- рушается, что связано со спектральной зависимостью показателя преломления линз и световода. Т.к. линза 5 и световод выполнены из одного материала, то изменение fs, a, значит, и ai, 82 согласно равенствам (1) и (2)

5 0

5

5

пропорциональны одной величине Д. Значение f5(Я1)oпpeдeляeтcя fs (/U)соотношением

fs (Ai) fs (До) (1 + Д), (4) где Д- спектральное изменение фокусного расстояния линзы 5.

Восстановление сопряжения оптических элементов на межэлементных промежутках ai и 32 осуществляется следующим образом. На вход общей кинематической связи 28 подается вращательный момент, пропорциональный Д. Вращение от оси общей связи 28 передается посредством кинематических пар связей 26 и 27 на пару винт-гайка и каретка, соединенная с соответствующей гайкой, перемещается вдоль оптической оси до установки в нужное положение. При этом линза 5 и второй конец световода 4 перемещаются относительно линзы 6. Постоянные передаточные отношения М и шаг h резьбы пар винт-гайка имеют следующие значения для кинематической

л 2

fs , для связи 27 - Mh

0

0

5

А- 1

связи 26 Mh

д

д л fs. Совпадение измерения спектральных зависимостей показателей преломления материала антивиньетирующей линзы б и материала линзы 5 с точностью до постоянного множителя обеспечивает сопряжение линзы 6 с оптическим трактом устройства во всем рабочем интервале спектра.

После снятия спектра для заданных a, ft, у и Ро производится измерение спектра излучения при тех же углах, но с другой поляризацией PL

Для этого на вход кинематической пары червяк 23-червячное колесо 22 подается крутящий момент, в результате чего вращается полая ось 21 вокругоси 17 до установки поляризатора в заданное положение. Затем опять производится сканирование спектра. При измерении суммарного по поляризаторам потока излучения подается крутящий момент на ось 19, в результате чего устанавливается на ее винте гайка вместе с кареткой 20 поляризатора перемещается вдоль этого винта и перпендикулярно оси 17 до вывода поляризатора из оптического тракта. После проведения поляризационных измерений изменяют угол а на заданный шаг Да путем поворота Г-образной стойки 15 вокруг оси 16. Затем производятся спектральные и поляризационные измерения, как описано выше. После проведения измерений во всем диапазоне углом а (- 90° а 90°) производится изменение угла (3 на выбранный uar Д/,

путем поворота вокруг оси 14 Г-образной скобы 10. Затем производятся измерения спектров для разных Р и а. Проведя измерения с шагом Д/3 во всем интервале углов (-90° ) получают набор данных, представляющих собой значение интенсив- ностей спектрального излучения с разными поляризациями в направлениях, характеризуемых углами а и/3, L(A, a, ft, у, Р). По этим величинам определяют спектральные индикатрисы излучения от образца, имеющие разные поляризации. Эти данные получены при заданном угле падения пучка излучения на образец - угле у. Спектральные индикатрисы излучения от образца при другом значении у определяются после установки образца под заданным углом к оси пучка путем поворота держателя образца 8 вокруг оси 11.

Конкретная реализация устройства осуществлялась на базе модернизированного комплекса спектрального вычислительного универсального КСВУ-23, который является анализирующим спектр фотодатчиком и измерительной системой. Анализирующий спектр фотодатчик состоял из монохромато- ра МДР-23 и двух фотоприемников типа ФЭУ-100 и ФЭУ-62 и имел следующие параметры: рабочий диапазон спектра 200 нм - 1200 нм; фокусное расстояние входного объектива F 600 мм; светосила объектива 1 : 6; высота входной щьли 12 мм.

Элементы оптического тракта устройства имели следующие параметры: диаметры кварцевого поляризатора, кварцевого световода, кварцевой линзы 5 и флюоритовой линзы 6 составляли соответственно 8 мм, б мм, 25 мм и 12 мм; увеличение линзы 5

составляло/ 1 2, а А 1,5 и было неизменным во всем рабочем интервале спектра. Передаточные отношения и шаг винта-гайки кинематической связи 26 Мь 270 мм и связи 27 Мь 180 мм. Кинематические связи 19 и 23 обеспечивали неограниченный поворот поляризатора вокруг своей оси и его вывод из оптического тракта. Диаметр пучка излучения на поверхности образца составлял 1,5 мм.

Остальные параметры устройства для двух волн, ограничивающий рабочий диапазон спектра, приведены ниже

А 200 нм. Д 0, fs 60 мм. fe 138,46 мм, ai 90 мм, 32 180 м;

Я 1000 нм. Д 0,209 , fs - 72,54 мм, fe 159,7мм, ai 108,81 мм, 32 217.62 мм.

Изобретение позволяет по сравнению с прототипом увеличить информативность измерений за счет исследования оптических свойств материала при воздействии на него

пучка излучения из той же полуплоскости, где расположен световод, проведения поляризационных измерений и излучения спект- ральных индикатрис излучения при 5 различных углах падения пучка на поверхность образца. Одновременно с этим повышается достоверность измерений, т.к. в прототипе коэффициент пропускания по мощности уменьшается по сравнению со 10 значением для А 200 нм в 17,2 раза для А 1000 нм за счет разъюстировки оптической схемы. Одновременно с этим излучение принимается с разных площадок как за счет спектральной зависимости параметров элементов

5 оптического тракта, так и за счет вращения конца световода.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения индикатрисы источника излучения и рассеяния об0 разцов при воздействии на них пучков излучения, содержащее держатель образца, причем плоскость держателя образца, совпадающая с облучаемой плоскостью образца, является источником излучения,

5 последовательно расположенные и оптически связанные между собой гибкий световод, оптическую систему, включающую неподвижную знтивиньетирующую линзу, а также анализирующий спектр фотодатчик, и

0 связанную с фотодатчиком измерительную систему, при этом ближайший к держателю образца конец световодэ установлен на одном плече Г-образной стойки, другое плечо Г-образной стойки расположено на основа5 нии, Г-образная стойка установлена с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через точку пересечения оптической оси световода и оси пучка излучения, перпендикулярно плоскости основания, о т0личающееся тем, что, с целью повышения достоверности и информативности измерений при неизменном пространственном расположении оси пучка излучения и оптической оси фотодатчика.

5 держатель образца установлен с возможностью вращения как вокруг оси пучка, перпендикулярной к оси поворота Г-образной стойки, так и вокруг оси, совпадающей с линией пересечения плоскости, перпенди0 кулярной к оси пучка, с плоскостью держателя образца, причем оси вращения держателя образца, ось поворота Г-образной стойки и оптическая ось конца световода пересечены в одной точке, между

5 держателем образца и световодом установлен поляризатор с возможностью вращения вокруг своей оси и перемещения перпендикулярно оси световода, второй конец которого и все линзы оптической системы

установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси оптической системы. 2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что антивиньетирующая линза выполнена из одного материала, а световод и все остальные линзы оптической системы - из другого материала, причем спектральные зависимости измерения показали преломления материала антивиньетирующей линзы и материала остальных линз совпадают с точностью до постоянства множителя.

3, Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что все линзы оптической системы и второй конец световода установлены в оправах, соединенных общей кинематической связью с постоянными передаточными отношениями.

10

Использование: в аналитической аппаратуре при изучении оптических свойств различных материалов в процессе воздействия на них мощных пучков электромагнитов или ионизирующего излучения, Сущность изобретения: устройстг.о содержит образец 1, на который воздействует пучок излучения 2, поляризатор 3 гибкий

. 2