Устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения Советский патент 1981 года по МПК G01J3/32 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к спектраль ному приборостроению и может быть ис пользовано при создании спектрофотометров, предназначенных для научных исследований. Известны спектральные приборы, предназначенные для измерения спектральных коэффициентов пропускания, в которых для измерения спектральных коэффициентов отражения в кюветные отделения необходимо устанавливать приставки. Это приводит к затрате времени на их установку и юстировкуСП. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, содержащее оптически сопряженные осветительную систему с поворотным выходным зеркалом, моно хроматор, приемную систему и проекционную систему с входным зеркалом и держатель образцов 2j. К недостаткам можно отнести то, что процесс измерения требует перемещения образца (либо образцов) при снятии отсчетов на каждой длине волны, известное устройство непригодно для определения спектральных коэффициентов пропускания и отражения образцов, которые по тем, либо другим причинам нельзя двигать без нарушения их спектрофотометрических характеристик. К ним относятся образцы, охлаждаемые в криостатах, нагреваемые в термостатах, либо подвергаемые другим видам воздействий. По той же причине невозможна работа с крупногабаритными образцами, например, с многовходовыми газовыми кюветами и проведение сравнительных измерений двух и более образцов, один из которых может рассматриваться в качестве .стандартного. Цель изобретения - расширение аналитических возможностей устройства для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, т.е. обеспечение возможности решения с его помощью таких задач, как измерение пропускания и отражения образцов, которые в процессе спектрофотометрирования нельзя двигать без потери точности. К ним относятся образцы, имеющие одновременно большую толщину и показатель преломления, отличный от единицы, а также образцы, помещенные в криостаты, термостаты, в многовходовые кюветы и т.п.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, содержащем оптически сопряженные осветительную систему с поворотным выходным зеркалом, монохроматор, приемную cViCTeMy и проекционную систему с входным зеркалом и держатель образцов, входные зеркало проекционной системы и держатель образцов выполнены поворотными и в устройство введены два взаимно параллельных отражателя, расположенные по обе стороны от держателя образцов и обращенные к нему своими отражающими поверхностями, несущая отражатели каретка, установленная с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей отражателей, и призма с двумя отражающими гранями, установленная с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения каретки, и поворота вокруг оси, проходящей через центры отражающих поверхностей поворотного выходного зеркала осветительной системы и входного зеркала проекционной системы при этом оси поворота указанных зеркал расположены перпендикулярно плоскости перемещения каретки.

На чертеже показана оптическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит осветительную систему, схематично изображенную на чертеже в виде источника 1 излучения, вогнутого зеркала 2 и плоского выходного зеркала 3, монохроматор и проекционную систему, изображенную в виде плоского входного зеркала 5 и вогнутого зеркала 6. Между выходными зеркалом 3 осветительной системы и входным зеркалом 5 проекционной системы расположено кюветное отделение, в котором установлен держатель 7 образцов. В изображенном на чертеже варианте изобретения держатель

выполнен поворотным вокруг вертикальной оси и предназначен для закрепления двух образцов 8 и 9.

В кюветное отделение введены два 5 взаимно параллельных отражателя 10 и 11, расположенные по обе стороны держателя 7 образцов и обращенные к нему своими отражающими поверхностями. Угол между этими поверхностями и гоЮ ризонтальной линией 0 , соединяющей центры отражателей 10 и 11, выбирают равным 45°. Каретка 12, i.ecyщая отражатели 10 и 11, установлена с возможностью перемещения в гориts зонтальной п/ рскости в направлении, перпендикулярном линии 0 0 , Кроме того, в кюветное отделение устройства введена призма 13 с двумя отражательными гранями, установленная на равном расстоянии от зеркал 3 и 5 с

возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости перемещения каретки 12. Призма 13 имеет также возможность поворота вокруг эси г, проходящей через центры ОоО„ отражающих поверхностей выходного зеркала 3 осветительной системы и входного зеркала .5 проекционной системы. При этом угол cL между отражающими гранями выбран равным 90 +i, где t - заданный #гол падения излучения на поверхность образца 8 или 9«

Зеркала 3 и 5 выполнены поворотными, оси их поворота вертикальны, т.е. перпендикулярны плоскости перемещения каретки 12. Угол поворота зеркал выб 1рают равным , где - угол между пинией 0 0 и осью ОлОд- проведенной через центры зеркал 3 1 5.

Образцы 8 и 9 закреплены в держателе 7 параллельно друг другу со взаимным смещением в направлении, перпендикулярном оси ОаО. Зоны держателя 7 образцов, в которых расположены образцы 8 и 9, оптически сопряжены с помощью отражателя 11 и проекционной системы 5 и 6 с приемной системой 14.

0 Устройство работает в двух режимах измерения пропускания и измерения отражения. При реализации основных вариантов каждого режима для любой . длины волны /(. обеспечивается снятие S двух отсчетов. Первый отсчет пропорционален спектральному коэффициенту пропускания Т (Л) либо отражения ROt) исследуемого образца 8, второй отсчет пропорционален Тэ(Я) либо Яд(Д,) эталонного образца 9. При работе устройства излучение от источника 1, пройдя черезлмонохро матор k, выделяющий узкий спектральный интервал вблизи длины волны X, последовательно падает на зеркала 3 и 5 осветительной системы. Выходное зеркапо 3 этой системы повернуто вокруг вертикальной оси таким образом чт.обы излучение падало на отражатель 10,направляющий излучение по оси кюветного отделения, т.е. вдоль линии 0, . Перемещение каретки 12, несущей отражатели 10 и 11, приводит к смещению пучка излучения параллельно самому себе. При этом изображение выходной щели монохроматора Ц, формируемому между отражателями 10 и 11,смещается вдоль линии, расположенной под углом 5 к оси пучка (линии ). Это позволяет непод вижно установить исследуемый и эталонный образа;ы 8 и 9 с взаимным сме щением вдоль линии 0 , что удобн для оптимальной установки образцов при использовании криостатов или термостатируемых кювет, имеющих боль шие поперечные размеры. Ход лучей че рез эталонный образец 9 показан пун тиром. При измерении пропускания призма 13 перемещением в направле нии, перпендикулярном плоскости перемещения каретки 12, выведена из хода лучей. Излучение, прошедшее через образец 8 или 9, направляется отражателем 11 на входное зеркало 5 проекци онной системы. Зеркало 5 повернуто вокруг вертикальной оси таким образом, чтобы направить излучение на вогнутое зеркало 6 проекционной сис темы, которое фокусирует пучок излучения на входе приемной системы Н. При этом перемещение отражателей 10 и 11 вместе с кареткой 12 не приводит к расфокусировке пуска, по скольку общая длина хода лучей межд зеркалами 3 и 5 остается постоянной Приемная система последовательно формирует сигналы, пропорциональные Т(Х) и Тд(Я), которые затем могут преобразовываться в отсчеты оптичес кой плотности, концентрации и т.д. Для осуществления абсолютных изм рений пропускания достаточно снять эталонный образец 9 с держателя 7 образцов. При переходе к измерению спектральных коэффициентов отражения зеркала 3 и 5 поворачиваются вокруг вертикальных осей, призма 13 устанавливается на оси ОзОр (это ее положение изображено пунктиром). Держатель 7 образцов поворачивается вокруг вертикальной оси так, чтобы линия, соединяющая центры образцов 8 и 9, стала перпендикулярна оси ОаОг- При выполнении этих требованийпучок излучения после отражения от зеркала 3 падает на одну из отражающих граней призмы 13, а затем под заданным углом ( - на поверхность исследуемого образца 8. Отраженный пучок падает на вторую грань призмы 13, затем попадает на входное зеркало 5 проекционной системы, йалее на зеркало 6 и на вход приемной системы Т. При повороте призмы 13 на 180 вокруг оси ОоО пучок излучения падает под углом i на поверхность эталонного образца 9. В этом случае приемная система 1 последовательно формирует сигналы, пропорциональные К(Л) , Нд(Д-). Помимо описанных вариантов измерений пропускания и отражения при неподвижных образцах устройство при минимальных модификациях позволяет реализовать несколько дополнительных вариантов измерений. Подключение привода возвратно-поступательного перемещения не к каретке 12, а к держателю 7 образцов позволяет вести измерения Т(Я-) и Тд(Х.) при неподвижных отражателях 10 и II с поочередным введением в ход лучей образцов 8 и 9. Такой вариант обеспечивает наибольшую фотометрическую точность при измерениях тонких, например пленочных, образцов. При измерении спектральных коэффициентов отражения призму 13 развертывают на 90 вокруг оси . относительно положения, показанного на чертеже, и закрепляют ее неподвижно, а образцы закрепляют на столике (не показан) таким образом, чтобы отражающие поверхности образцов были горизонтальны. 8 этом варианте переход от измерений R(Xi к R() осуществляется поворотом столика. Если исследуемые образцы твердые, то столик совмещают с верхней крышкой кюветного отделения, что максимально упрощает смену образцов. При измерении отражения жидких и сыпучих образцов, перемец ать которые в процессе измерений нецелесообразно, исследуемый образец 8 устанавливается под призмой 13, а твердый эталонный образец 9 устанавливается вертикально (см. чертеж) или в любом удобном положении, соответствующем повороту призмы 13 вокруг оси 0,0р на выбранный угол например 180 .

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать различ ные варианты измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, оптимизированные с учетом поставленных задач и условий измерения. В частности, обеспечивается возможность как абсолютных, так и сравнительных измерений пропускания, а также измерения отражения при неподвижных образцах как твердых, так и жидких или сыпучих.

Формула изобретения

Устройство для измерения спектральных коэффициентов пропускания и отражения, содержащее оптически сопряженные осветительную систему с поворотным выходным зеркалом, монохроматор, приемную систему и проекционную систему с входным зеркалом и держатель образцов, отличающееся тем, что, с целью рас9 37 . 8

ширения аналитических возможностей устройства, входное зеркало проекционной системы и держатель образцов выполнены поворотными и в устройст$ во введены два взаимно параллельных отражателя, расположенные по обе стороны держателя образцов и обращенные к нему своими отражающими поверхностями, несущая отражатели каретка, установленная с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей центры

отражателей, и, призма с двумя отражающими гранями, установленная с воз1J можностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения каретки, и поворота вокруг оси, проходящей через центры отражающих поверхностей поворотного выходного

20 зеркала осветительной системы и входного зеркала проекционной системы, при этом оси поворота указанных зеркал расположены перпендикулярно плоскости перемещения каретки.

Источники информации,,

принятые во внимание при экспертизе

3(, use ioith Gary Й or 17 series spectrophotometers. Rev.Sci.Iftstrum.,1976, k7, N 9, 1193-1195.

2.Патент США f 3687519, КЛ.359-96, опублик. в 1972.