ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1974 года по МПК G01J3/06 

1

Изобретение относится к области сиектральиого приборостроения.

В известных дифракционных монохроматорах постоянство кривизны спектральных линий достигается введением в состав их диспергирующих систем одного или нескольких поворотных зеркал, вращающихся вокруг оси, параллельной штрихам решетки (решеток).

При этом скорости вращения поворотного зеркала (зеркал) и дифракционной решетки (решеток) связаны в случае однократной дифракции таким образом, что косинус угла дифракции прямо пропорционален длине волиы выходящего из мо нохроматора света. В случае двукратной дифракции косинус угла падения света на решетку должен быть прямо пропорционален длине волны, пропускаемой монохроматором. В таких монохроматорах угловая дисперсия определяется формулами:

rfS kN,„ ,

-----для однократной дифракции.

cos 3

йл rf d - - ДЛЯ двукратной дифракции.

cos а

где k - порядок спектра; NI - число штрихов на 1 мм; |3 - угол дифракции; а - угол падения света на решетку; А, - длина волны света. Очевидно, что для обеспечения постоянства кривизны спектральных линий угловая дисперсия должна меняться обратно пропорциопальио длине волны, так как радиус кривизны снектральпых линий

D -- f J:

L j dL

не будет зависеть от Я, если выполняется условие:

d:.

А const -- с.

10 di.

в этих формулах f - фокусное расстояние зеркального объектива выходного коллиматора.

Таким образом, для обеспечения постоянства кривизны спектральпых линий во всем рабочем диапазоне длин волн необходимо реализовать следующие соотношения параметров диспергирующих систем:

feXyVj :--- sin э; -f sin Р - с cos - для однократной дифракции,

Kt-N - sina-|-sin8 r - cosj -для двукратной дифракции.

Известны устройства, с помощью которых можно выполнить эти соотношения, например кулачковые механизмы, а электрические и электромагнитные механизмы, рабочий закон которых задается функциональным потенциометром. Недостатком подобных устройств является их невысокая технологичность, что приводит к восироизведению указанных соотношений со значительными ошибкамн. Для обеснечения постоянства кривнзны спектральных линий во всем рабочем днаназоне длин волн в предложенном оптико-механическом устройстве с дифракционной решеткой новоротшлй механизм дифракционной диспергирующей системы выполнен в виде рычажно-кулисного синуспо-косинусного механизма в соединении с косинусным механизмом ввода длин волн. На фиг. 1 и 2 изображены кинематические схемы предложенного оптико-механического сканирующего устройства, варианты. Устройство, показанное на фиг. .1, используется в случае однократной дифракции. Это устройство рещает систему уравнений: I fe/-/Vi rzi с-cos р I sin а + sin р c-cos р, йЛг, c-cos - sinp: sin а. в схему, показанную на фиг. 1, входят: ходовой винт 1, гайка 2, соединенная с косинусным механизмом ввода длин волн, состоящим из кулисы, жестко соедииеной с гaiiкoй 2, нолзуна 3 и кривошица 4 с осью вращения 0. Вдоль кривощипа 4 может перемещаться ползун 5 с двумя кулисами 6 и 7, связанными с муфтами 8 и 9. Муфта 9 щарннрно соедийена с рычагом 10, вращающимся вокруг оси 0. Рычаг 10 и ходовой винт 1 соединены таким образом, что ось вращения ходового винта неизменно ориентирована вдоль рычага. Дифракционная решетка И, имеющая ось вращения О, установлена перпендикулярно кривошипу 4, а поворотный зеркальный объектив 12 выходного коллиматора жестко прикреплен к рычагу 10 и вместе с ним вращается вокруг оси 0. Ведущим звеном является ходовой винт 1, ведомым - рычаг 10. Нередача вращательного движения от электродвигателя к ходовому вииту может быть осуществлена с помощью гибкого вала. Перемещение гайки 2 с кулисой на величину Z приводит в движение ползун 3 и вызывает поворот кривошипа 4 вокруг оси О на угол р относительно рычага 10. При таком перемещении гайки с кулисой воспроизводится зависимость 2 :ZcosB, где L -длина кривошипа 4; р - угол между кривощином 4 и рычагом 10, равный углу дифракции. Воспроизведение зависимости z .: L cos ,3 с . , позволяет рещить первое уравнение X kNi кривощина 4 выбрать Xcosf если длину с равной : L Новорот кривошипа 4 вокруг оси О вызывает перемещение ползуна 5 с двумя кулисами 6 и 7 на величину х - г cos 3 - / ctgf sin Р где г - фиксироваиное расстояние от оси вращепия О до оси муфты 9, соединенной шарнирно с рычагом 10; у - жесткий угол между ползуном 5 и прикрепленной к нему кулисой 6. Неремещение па величину х ползуна 5 с кулисами вызывает поворот вокруг оси О рычага 10 и жестко связанного с ним зеркального объектива 12. Если при этом выбрать и ctg - 1 т. е. Y arctg-), то уравнение : г-cos р - -г ctgy-sin |3 принимает вид: :;CCOs ,3-sin p. А так как на перемещение ползуна 5 с кулисами 6 и 7 влияет положение муфты 8, то величина перемещения А -ccos,3 - sin|3 определяется одновременно и уравнением X sin а, где I-расстояние от оси О до шарнира муфты 8 (I выбирается равным единице масштаба), а - угол между кулисой 7 и прямой, соединяющей ось О и шарнир муфты 8, равный углу падения света на дифракционную решетку 11. Следовательно, XCOSJ3 -sinj3 и .АГ-1Sin а, а поэтому с X X cos р - sin р sin а, т. е. второе уравнение решено. На фиг. 2 показано устройство, применяемое при двукратной дифракции. Это устройство решает систему уравнений , :- - cos а sin а -f sin - cos a, COS a - sina. - Sin . Б схему, показанную на фиг. 2, входят: ходовой винт 13, гайка 14 соединенная с косинусным механизмом ввода длин волн, состоящим из щатуна 15, шарнирно соединенного с гайкой 14, и кривощипа ,16 с осью вращения 0. Вдоль кривошипа 16 может перемещаться ползуп 17 с двумя кулисами 18 и 19, связанными с муфтой 20 и ползуном 21 соответственно. Ползун 21 шарнирно соединен с прямоугольным рычагом 22, вращающимся вокруг оси 0. Ось ходового винта 13 неизменно ориентирована вдоль направления падающего светового потока, дифракционная решетка 23, имеющая ось вращения Оь установлена перпендикулярно кривошипу 16, поворотное зеркало (или система зеркал) 24 жестко прикреплено к рычагу 22 и вместе с ним вращается вокруг си Оь Ведущим звеном является винт 13, веомым- прямоугольный рычаг 22. Перемещение гайки 14 на величину z приодит в движение щатун 15 и вызывает повоот кривошипа 16 вокруг оси Oi на угол а. При таком перемещении гайки 14 воспроизводится зависимость г-1 2/-.-COS -, где L - длина шатуна 15, равная плечу кривошипа 16; а - угол между кривошипом 16 и направлением падаюш;его светового потока, равный углу падения света на решетку 23. Воспроизведение зависимости z 2L-cosa позволяет решить первое уравнение: если величину плеча кривошипа 16 выбрать равной L Поворот кривошипа 16 вокруг оси Oi вызывает перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 и 19 на величину X -- г cos я- г ctg f sin а, где г - фиксированное расстояние от оси вращения О до оси муфты 20; 7--жесткий угол между ползуном 17 и прикрепленной к нему кулисой 19. Если выбрать г - и г-ctg у - :, Т. е. у - arctg- , то уравнение х --: г X с X cos а - г ctg у sin а примет вид: cos я - sin а. Так как ползун 21, скользящий вдоль кулисы 18шарнирно соединен с прямоугольным рычагом 22, имеющим ось вращения О, то перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 и 19на величину х -- - cos а - sin а вызывает поворот рычага 22 вокруг оси Oi согласно уравнению л: -/-sin р, где / - расстояние от оси О до шарнира ползуна 21 (/ выбирается равным единице масштаба); |3 - угол между кулисой 18 и малым плечом прямоугольного рычага 22, равный углу дифракции. Следовательно, л: - cos я - sin а и х 2 ::: Sio 3, ТОГДЯ - Zi COS а - sin а sin Р, т. е. второе уравнение решено. Применение описанного оптико-механического сканирующего устройства в монохроматорах иллюстрируется фиг. 3 и 4: а - вид сбоку; б - вид сверху. На фиг. 3 представлена оптическая схема дифракционного монохроматора с однократной дифракцией. Поступающий в монохроматор через входную щель 25 неразложенный свет попадает на зеркальный объектив 26 входного коллиматора, отражается от него и параллельным пучком падает на плоскую дифракционную решетку 27 под углом а. После дифрагирования под углом |3 световые пучки падают на поворотный зеркальный объектив 28 выходного коллиматора, который фокусирует их в плоскости выходной щели 29. Сканирование спектра осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг. 1, обеспечивающего одновременное вращение решетки 27 и поворотного зеркального объектива 28 вокруг общей оси, проходящей параллельно штрихам решетки и делящей пополам ее рабочую поверхность. При этом скорости поворота объектива 28 и решетки 27 связаны таким образом, что косинус угла дифракции р npHjMO процорпнонален длине волны выделяемого излучения. Для всех длин волн, пропускаемых монохроматором, соблюдается условие постоянства кривизны спектральных линий и обеспечивается ее компенсапия во всем диапазоне длин волн. На фиг. 4 представлена оптическая схема дифракционного монохроматора с двукратной дифракцией. Поступающий в монохроматор через входную щель 30 неразложснньтй свет попадает на объектив 31 входного коллиматора, выполненный в виде внеоссвого параболокдального зеркала, отражается от него и параллельным пучком падает на плоскую дифракционную решетку 32 под углом а. После первичного днфрагпровзння под углом р световые пучки падают на поворотное плоское зеркало 33. отразившись от которого, снова ттопадяют на пешетку 3, но уже под углом падения р. Дифрагировав вторично Tia решетке 32, пучю лучей под углом дифракции а. направляются от решетки к объективу 34 выходного коллтмятора. представляютнего собой внеосевое п паболопдпльное зеркало, с помощью которого фокусируются R плоскости выходной щели 35. Сканирование спектпа осуществляется с помоп1ью лттройства. показанного на dmr. 2, обеспечнваОттого олиг)ле е1птпо пешетки 32 и глоско о зеркал 33 вокруг общей оси, проходгщей пропллельно титпиха : реHieTKH и .те. янтей ее рабочую поверхность пополам. При ЭТОЛТ СКОПОСТП ПОВОПОТ.П .ЯОРКЯ.ЛЯ. 33 н лрпс -; 2 связан1 т тяк 1 обля., итп косинус угла f ппя.го пропоптитона.леч ллине волны вьтде. ттзлучення. .Для всех д. волн, nDon TKneMiiix этим MOHOXpOMr.Tono:.f. соблюдается условно постоянства кппвгзчы спектпальиых лтпмп н обеспечивает я ео колтпенсянпя во РГО.Т днаппзот е длин волн. П .-) с л -1 о т п 3 о б п с т с н И я Оптико-механическое сканируюн1;ее устройство, содержащее дифрактитонную рен1етку, зеркальную снстему и поворотный механизм, отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности одновременного тлового перемощения дифракционной решетки н зеркальной системы КИК прн од-гократной, так н пртт двукратной днфракпл1и, поворотный механизм выполнен в виде лы ажно-кулнсного сннуснокосинусного механизма в соединении с косннусным механнзмо: 1 ввода величпнт:. длин волн.

Фиг. 2

Фи-гд