Многоканальный оптический спектрометр Советский патент 1992 года по МПК G01J3/18 

сл

С

Использование: изобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано для получения и изучения спектров излучения, поглощения, отражения и флюоресценции, а также в качестве спектрального детектора в приборах технологического и экологического контроля. Сущность: в качестве приемника излучения используется линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, имеющий повышенный динамический диапазон. Для реализации динамического диапазона приемника угол блеска дифракционной решетки полихроматора подобран таким образом, что кривая спектрального распределения коэффициента отражения решетки и кривая спектральной чувствительности приемника на участке, соответствующем рабочему спектральному диапазону, дают в сумме линию, слабо зависящую от длины волны. 7 ил.

Изобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано в научных и заводских лабораториях для получе- ния и изучения спектров излучения, поглощения, отражения и флюоресценции, а также в качестве спектрального детектора в приборах технологического и экологического контроля.

Известны многоканальные спектральные приборы, предназначенные для работы в различных областях спектра (ОМА-2, США; OSA, ФРГ, OSMA, ФРГ; OVA, ГДР). При широких сервисных возможностях эти приборы обладают низким светопропусканием и малым динамическим диапазоном по световому потоку.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является прибор СР-200 французской фирмы Жобен-Ивон. содержащий полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, многоканальный приемник и контроллер. Такой прибор при более высоком, чем у вышеназванных светопропускании, обладает динамическим диапазоном около , что не позволяет решать многие научные и технологические задачи.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона по световому потоку.

Цель достигается тем, что в качестве приемника излучения используется линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, имеющий повышенный динамический диапазон. Для реализации динамического диапазона приемника угол блеска дифракционной решетки полихроматора подобран таким образом, что кривая спектрального распределения коэффициента отражения решетки и кривая спектральной чувствительности приемника на участке, соответствующем рабочему спектvi vi сл о ю

ральному диапазону дают в сумме линию, слабо зависящую от длины волны.

Кривая спектральной чувствительности типичного приемника с зарядовой связью, выполненного на основе кремния, показана на фиг. 1. Спектральное распределение коэффициента отражения дифракционной решетки сложным образом зависит от формы профиля ее штрихов и рассчитывается при помощи электромагнитной теории. На фиг. 2 представлены кривые спектрального распределения коэффициента отражения решеток с различными углами блеска.

Для оптимизации угла блеска дифракционной решетки были рассмотрены четыре решетки, позволяющие работать в наиболее часто используемых для анализа участках спектра. Кривые спектрального распределения произведения светочувствительности приемника и коэффициента от- ражения решетки представлены на фиг. 3-6: 3 - решетка 600 , работающая в области 200-400 им; А - решетка 300 работающая в области 400-800 нм; 5 - решетка 400 мм , работающая в области 300- 600 нм; 6 - решетка 225 , работающая в области 550-1100 нмс Из рисунков видно, что оптимальным для решетки 600 мм является угол блеска, приблизительно равный 4°, для решетки 300 - Зи, 400 - Зи и 225 - 4°. При углах блеска, меньших оптимального, суммарный коэффициент пропускания прибора слишкоти низок, что снижает его чувствительность, при углах блеска, больших оптимального, он резко из- меняется с изменением длины волны, что не позволяет реализовать динамический диапазон фотоприемника.

На основании накопленных данных, часть из которых представлена на фиг. 3-60 была выведена эмпирическая формула, устанавливающая связь между длиной волны максимальной эффективности дифракционной решетки Атах границами рабочего спектрального диапазона AI и А.2 , постоян- ной решетки d и длиной волны максимальной чувствительности фотоприемника АЗ:

1 ; А2 A- ,r4vbs2m

Arm -A j-jj (-g-)(1)

В свою очередь, длина волны максимальной эффективности дифракционной решетки связана с углом блеска соотношением:

k /Uax 2d -COSV/2 siny ,(2)

где k - порядок спектра, v II - половина угла между падающим и дифрагированным пучками.

Подставляя (1) в (2), получаем формулу для определения оптимального угла блеска дифракционной решетки, работающей в

приборе с фотоприемником с зарядовой связью:

y arCSin2dS

(3)

где с AI

A2-Ai

У

л - d

При невыполнении соотношения (3) по- юк излучения, падающий на приемник, или резко меняется по спектру, или слишком мал, что не позволяет обеспечить нормальной работы приемника и достигнуть высокого динамического диапазона, который, как показали эксперименты, равен 10 .

Спектральные приборы с приемниками с зарядовой связью и согласованием спектрального коэффициента отражения решетки с чувствительностью приемника в технике неизвестны, поэтому предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны и существенных отличий.

Принципиальная схема показана на фиг, 7. Устройство содержит дифракционный полихроматор 1, приемник с зарядовой связью 2 и контроллер 3.

Устройство работает следующим образом: полихроматор 1 разлагает излучение в спектр и фокусирует его на приемник 2, контроллер 3 обеспечивает управление приемником и связь с микроЭВМ для дальне йшей обработки спектров.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого устройства можно привести многоканальный оптический спектрометр, выполненный на основе поли- хроматора с вогнутой дифракционной решеткой с радиусом кривизны 100 мм и размером 36x36 мм, обеспечивающий разрешающую способность 1-2 нм и позволяющий работать в следующих областях спектра: 200-400 нм с решеткой 600 , 300-600 нм с решеткой 400 ,400-800 нм с решеткой 300мм 1 и 550-1100 нм с решеткой 225мм т, и приемника по А.С.N1316513, имеющего 500 каналов на длине 13 мм,и совокупный динамический диапазон 10Ъ. Габариты полихроматора 200x100x90 мм, контроллера 480x300x118 мм, масса прибора 15 кг.

Формула изобретения

Многоканальный оптический спектрометр, содержащий входную щель, полихроматор с плоским полем, собранный на основе вогнутой дифракционной решетки, многоканальный приемник излучения и контроллер, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона работы спектрометра по световому потоку, приемник выполнен в виде линейного прибора с зарядовой связью, а дифракционная решетка установлена так, что угол бле- CKaf у соответствует соотношению

arCsin2dcSi72

гдес

h -Ai ,4-Азч2

К - порядок спектра:

d - частота штрихов решетки.

200 JOO Ш 500

°3°4в

С, / i

ff,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7Ш Фиг2

v - средний угол между направлениями от вершин решетки на входную щель и приемник излучения;

1 AI и А2 начало и конец рабочего спект- ральнбго диапазона;

Аз - длина волны максимальной чувствительности приемника.

Л.нм

0,8

600 мм 1

02

07

Of

ад

02

ti to to и te дл/

ewa

ФМ.З

Шмм 1

5: 5:

§

-Э

§

CO

СЭ

tr Q

cs

СЭ

U7

cvS

f 3

СЭ

CNI

CS

C4

СЭ

t Фиг. 7