Монохроматор Советский патент 1979 года по МПК G01J3/18 

(54) МОНОХРОМАТОР

1

I Изобретение относится к оптическому, Конкретно к спектральному, нриборостроению и может быть использовано в разнообразных спектральных приборах и установках особенно предназначенных для прецизионных измерений, например, в снектрофотометрии, где для регистрации малой разности поглощения сравниваемыми образцами, составляющей десятые или сотые доли процента от суммарного ослабления света, вызываемого общим поглощением и рассеянием в десятки и сотни раз, требуется строгое сохранение равенства интен- сивностей двух монохроматических пучков во,всем спектральном диапазоне работы

t монохроматор г:

. Известны монохроматоры различных конструкций ij . Все они однолучевые и не обладают щирокими функциональными возможностями.

Это затрудняет использование их для прецизионных спектрометрических и- спектрофотометрических измерений.

Наиболее близким к изобрётению11о технической сущности является монохроматор,

содержащий входную щель, зеркало входного ко.плиматора, две кинемат1гчески раздельные дифракционные решетки, зерка.по выходного коллилштора и выходную iuejiF 2j.

Целью изобретения является раситрение функциональных возможностей монохроматора.

Достигается это тем, что монохроматор снабжен светоделителем, например ахроматической бипризмой, совмещенной с прямоугольной диафрагмой. Светоделитель установлен между входной щелью и зеркалом входного коллиматора или перед входной щелью и снабжен средствами для поворота вокруг и смещения вдоль оптической оси входного коллиматора, а между выходной щелью и зеркалом выходного коллиматора в ходе разделенных световых пучков установлены оптические элементы, например подвижные зеркала.

На фиг. 1 приведена одна из возможных оптических схем двухлучевого монохроматора, в которой дифракционная решетка расположена в фокальной плоскости входного и выходного коллиматоров; на фиг. 2 поI казан ход центрального луча одного из полунучков в двухлучевом монохроматоре, у которого дифракционная решетка распо- на расстоянии от зеркала входного коллиматора меньшем его фокусного расстояния. Предлагаемый монохроматор содержит входную щель 1, прямоугольную диафраг- му 2, светоделитель 3, зеркало 4 входного коллиматора, дифракционную решетку 5, зеркало 6 выхсэдного коллиматора, выходную щель 7. Основание разделительной призмы пер- пендшсулярно оптической оси коллиматора. Разделительное ребро призмы лежит в плос Кости дисперсии, а прямоугольная диафрагма совмещена с основанием призмы. Плос кость дисперсии перпендикулярна штрихам решетки и проходит через опткгаеские оси коллиматоров { см. фиг. 1). Монохроматор работает следующим образом. Идущий из входной щели 1 световой поток ограничивается прямоугольной диафрагмой 2 и делится разделительным ребро призмы 3 на два полупучка со строго равными прямоугольными сечениями и интенсивностями. Центральные лучи .полупучков (жирные линии) и оптическая ось коллиматора 4 лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии. Светоделитель осуществляет поворот каждого полупу1ка, как единого целого, навстречу друг другу таким образов;, что центральные лучи полу.пучксч. .юспь светоделителя идут параллель но оптической оси входного коллиматора. Поэтому после отражения от коллимационно го зеркала центральные лучи пересекутся в его фокальной плоскости. Точка их пересечения расположена в центре дифракционной решетки 5. Поскольку полу)1учки после входного коллиматора из расходящихся становятся параллельными, то на поверхности решетки произойдетстрогое совмещение двух разделенных полупучков, что необходимо для достшкения строгого равенства интенсивностей монохроматических пучков одинаковых длин волн во всем спектрально диапазоне работы монохрома гора. Угловые размеры диафрагмы должны быть согласова с относительным отверстием монохроматор чтобы совмещенные полупучки полностью вписывались в заштрихованную поверхность решетки. После отра гения от зеркала выхо ного коллиматора 6 центральные лучи буду идти параллельно его оптической оси, а сходящиеся полупучки образуют на его фокальной, поверхности, в плоскости выходной щели 7, два параллельных друг другу спек ра. Совмещение разделенных светоделителе полупучков на диспергирующем элементе возможно и тогда, когда последний не расположен в фокальной поверхности входного коллиматора. В этом случае центральные лучи полупучков после светоделителя будут идти под углом к его оптической оси. . На фиг. 2 пунктиром показаны продолжения падающего на светоделитель и идущего после него центрального луча, указаны также расстояния между оптическими элементами монохроматора и обозначены углы. Радиус ОО2 зеркала входного коллиматора проведен в точку падения на него центрального луча. Отрезок параллелен оптической оси -j коллиматора, К АА2. Можно показать, что для параксиальных лучей при условии совмещения полупу 1ков на решетке справедливы соотношения /-KIцентральным лучом и оптической осью коллиматора сС. - угол поворота полупучков; - расстояние между входной щелью и светоделителем; 4 б - угловые разме1)ы прямоугольной диафра1-мы в плоскоспа. ае)- пендикулярной плоскости дисперсии. Для схемы двухлучевого монохроматора (см. фиг. 1), у которого FJ , будут иметь место равенства J--- ( д , (-, физический смысл которых очевиден. Тагсим образом, при заданных характеристиках двухлучевого монохроматора - фокусных расстояниях входного F и выходного F коллиматоров, расстоянии зО диспергирующего элемента от зеркала входного коллиматора и относительном отверстии монохроматора, определяющем угловые размеры прямоугольной диафрагмы - угол поворота по- лупучков. светоделителем и положение по следнего определяются расстоянием 2К-, на которое требуется развести монохроматические пучки на выходной щели. Равенства Д1)-(3) остаются в силе, если оС и о1 отрицательны. Отрицательное значение означает, что светоделитель должен быть расположен перед входной , монохроматора. Отрицательное же значениеозначает, что светоделитель осушествляет поворот полупучков не навстречу друг дрзту, когда об было условно принято положительным, а в противоположных направлениях. Следует отметить, что светоделитель не приводит к уменьшению светосилы монохроматора, а лишь требует применения соответствующего, более светосильного осветителя и некоторого увеличения рабочей поверхнос коллиматоров, поскольку рабочая поверхнос диспергирующего элемента двухлучевого м нохроматора может быть полностью освещ на светом каждого из разделенных полупуч ков. Путем технически простых модификаци двухлучевого монохроматора можно сушест венно расширить его функциональные возможности. Так, легко можно осуществить двухлучевой монохроматор с фиксированной малой разницей длин волн двух монохроматических пучков света путем поворота светоделителя и прямоугольной диафрагмы вокруг оптической оси входного коллиматора. Зта операция приводит к смещению снектров вдоль дисперсии во взаимонротивоиоложных направлениях на величину, пропорциональную модулю синуса угла поворота, величине Kj и обратной линейной дисперсии. Такой монохроматор может быть испо зован, например, в спектральных приборах регистрирующих иервую производную спект ра поглощения (излучения). При повороте их на 9О монохроматор превращается в бихроматор. Двухлучевой монохромато;; легко преобразовать в двухволновой мс нохромато.р .с регулируемой разницей волн, снабдив светоделитель средствами для смещения вдоль и (или) поворота вокруг оптической оси коллиматора. Дальнейщее расширение функциональных возмож ностей осуществляется путем установки перед выходной щелью, где спектры пространственно разнесены, различных оптических элементов, например подвижных зеркал, плоскопараллельных пластинок, оптических клиньев, поляроидов и т. д. Применение многофункционального моно хроматора позволяет, например, выполнить двухволновой спектрофотометр, используя только один диспергирующий элемент; спек трометр с высокой точностью регул1фовки и отсчета разности длин волн, а также осуществить спектральную установку для регистрации первой и второй производной кривой спектра поглощения (излучения) без присущего ей дифференцирующего узла Применение его в двухлучевых спектро фотометрах позволяет существенно упростить конструкцию последних, повысить спектрофотометрическую точность, чувст вительность и надежность их работы. Испытуемые образцы и обтюраторный дисК для Попеременного освещения их могут быть установлены непосредственно за вы- -I ходио11 щолыо двухлучеього моиох1)ОМс1Тс ра. Возможность осуществления двухлуче- вого монохроматора со светоделителом, помещенным перед его входной JHOJILKJ, позво;щет успешно применять 11аоб 1етеине в готовых cnoKTpOij)OTOMeT}3ax. 1ак, н П Моне- ние его позволило наготовить niaioop, у которого уход нулевой линии в рабочем диапазоне 35О-7ОО нм не нревышает 5-10 единиц оптнческой плотности, а шумы не при- выщают 2-iO единицы оптнмеский HJIOI ности при иснользован1Н1 ламны накаливания с йодным циклом мощностью 7О Вт и нри оптической ширине щели 2 нм. Но э1им характеристикам прибор П1:)евосходит лучщие зарубежные регистрирующие дь} wiy- чевые спектрофотометры, такие как Кэри 14. Формула и 3 о б р е г е к и я 1.Монохроматор, соде|)жа1ц11Й LlX(., шель, зеркало входного коллиматора, д)-фракционную решетку, зеркало выходного коллнтч атора и выходную щель, о т л и - чающийся тем, что, с целью- расширения его функцнональных возможносч-еи, он снабл ен светоделителем, например ахромат1гческой бипризмой, совмешенноп с прямоугольной диафрагмой. 2.Монохроматор по п. 1, от л и чающийся тем, чте светоделитель установлен между входной ще.пью и зеркалом входного коллиматора. 3.А онохроматор по пп. 1и 2, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что светоделн- тель установлен перед входной щелып. 4.Монохроматор по пп. 1-3, о т .п и - чающийся тем, что светоделитель снабжен средствами для поворота вокруг и смещения вдоль оптической оси входного коллиматора. 0.Монохроматор по пп. 1-4, о т л и чающийся тем, что мелшу выходной щелью и зepкaлo I выходного коллиматора в ходе разделенных световых пучков установлены оптические элементы, например подвижные зеркала. Источники информации, пр1шятые во вн1а-1ание при экспертизе 1.Тарасов К. И. Спектральные приборы. Л., Машиностроение, 1968, с. 197-258. 2.Патент США № 352О614, кл. ЗГ)С5-97, 1970.

Плоскость дисперсии