Многоканальный оптический спектрометр

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 J 3/18

ГОсудАРстВеннЫй кОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4859062/25 (22) 13.08.90 (46) 15.11.92. Бюл. Q 42 (71) Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова (72) В.А,Арутюнов, И.Г,Городецкий, В.Б.Лапук, В.И.Пчелкин, С.Я.Петров, Е.А.Соколова и C.Ï.Ñoëoâüåâ (56) Проспект фирмы Jobin-Yvon CP200,"Imaging spectrograph". (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ

СПЕКТРОМЕТР (57) Использование: изобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано для получения и изучения спектров излучения, поглощения, отражеИзобретение относится к спектральным приборам и может быть использовано в научных и заводских лабораториях для получения 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 CP-200 французской фирмы

Жобен-Ивон, содержащий полихроматор с вогнутой дифракционной решеткой, много Ы 1775621 А1 ния 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. канальный приемник и контроллер. Такой прибор при более высоком, чем у вышеназванных светопропускании, обладает динамическим диапазоном около .10", 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 спект1775621 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 отра>кения решетки представлены на фиг.

3 — 6: 3 — решетка 600 мм, работающая в области 200 — 400 нм; 4 — решетка 300 мм 1 работающая в области 400-800 нм; 5 — решетка 400 мм, работающая в области 300—

-1

600 нм; 6 — решетка 225 мм ", работающая в области 550-1100 нм, Из рисунков видно, что оптимальным для решетки 600 мм является угол блеска, приблизительно равный

4О, для решетки 300 мм — 3", 400 мм — 3" и 225 мм — 4, При углах блеска, меньших оптимального, суммарный коэффициент пропускания прибора слишком низок, что снижает его чувствительность, при углах блеска, больших оптимального, он резко изменяется 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 R»< границами рабочего спектрального диапазона Л1 и Лг, постоянной решетки d и длиной волны максимальной чувствительности фотоприемника Лз:

Лг — Л1 (4 4)г (1)

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

k ùäx = 2d .COSv/2 siny, (2) где k — порядок спектра, v /2 — половина угла между падающим и дифрагированным пучками.

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

55 приборе с фотоприемником с зарядовой связью;

l(col> (3)

Лг — Л1 4.Лз г гдес= =Л1 + ()

При невыполнении соотношения (3) поток 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 содер>кит 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 полихроматора с вогнутой дифракционной решеткой с радиусом кривизны 100 мм и размером 36х36 мм, обеспечивающий разрешающую способность 1-2 нм и позволяющий работать в следующих областях спектра: 200 — 400 нм с решеткой 600 мм

300 — 600 нм с решеткой 400 мм, 400 — 800 нм с решеткой 300мм и 550-1100 нм с решет-1 кой 225 мм т, и приемника по А.С.N1316513, имеющего 500 каналов на длине 13 мм,и совокупный динамический диапазон 10".

Габариты полихроматора 200х100х90 мм, контроллера 480х300х118 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 дифракцион)775621

100,им 800,УОО АОО 500 600 700

Фиг.1

У

Од

02 ная ре ешетка установлена та, у к что гол блешению ска у со ответствует соотноше

km

У = аГСВ П 2d cosu 2 — 1 4 Ъ 2 гдеc= = - — — - — ()

K — порядок спектра;

d — частота штрихов решеткй;

v — средний угол между направлениями ю ель и при вершин решетки íà входную ц емник излучения;

1И 2 и 2 ачало и конеЧ рабоче о

5 ральн6го диапазона:

Яэ — длина волны максимальной чувствительности приемника.

3775621

Эцио 9

1775621

0, 0,8

Q,2

03 0,9

6И0,5

1775621

Составитель В.Арутюнов

Техред M.Moðãåíòàë Корректор С.Патрушева

Редактор

Заказ 4029 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101