Спектрометрический прибор



Спектрометрический прибор
Спектрометрический прибор
Спектрометрический прибор
Спектрометрический прибор
Спектрометрический прибор

 


Владельцы патента RU 2586393:

ФОСС Аналитикал А/С (DK)

Изобретение относится к области спектроскопии и касается спектроскопического прибора. Спектрометрический прибор включает в себя сканирующий интерферометр. Интерферометр включает в себя светоделитель, источник монохроматического опорного излучения и источник наблюдаемого излучения. Опорный луч распространяется по первой траектории и падает на лицевую поверхность светоделителя. Наблюдаемое оптическое излучение распространяется по второй траектории, падает на лицевую поверхность светоделителя и перекрывается с опорным пучком на первой лицевой поверхности светоделителя. Траектории распространения опорного и наблюдаемого лучей расположены относительно друг друга под углом большим, чем половинный угол расходимости наблюдаемого луча. Технический результат заключается в повышении полной мощности наблюдаемого луча. 2 н. и 6 з.п. ф-лы. 4 ил.

 

[0001] Настоящее изобретение относится к спектрометрическому прибору, содержащему сканирующий интерферометр и, конкретнее, содержащему сканирующий интерферометр, действующий по принципу Майкельсона или производному от него принципу (в общем именуемый в данном описании интерферометром майкельсоновского типа).

[0002] Известные сканирующие интерферометры, такие как интерферометры майкельсоновского типа, обычно содержат светоделитель (как правило, также содержащий компенсатор) и два или большее количество отражателей, таких как зеркала или световозвращатели, где, по меньшей мере, один из отражателей располагается так, чтобы он был перемещаемым возвратно-поступательно. С интерферометром могут быть связаны коллиматоры или другие оптические устройства, но они не являются фундаментальными для принципа его работы, который, по существу, рассчитан на наличие светоделителя и относительно подвижных отражателей.

[0003] Понятно, что сканирующий интерферометр относится к оптической схеме, в которой луч первоначально расщепляется светоделителем на две составляющие, которые впоследствии рекомбинируются для интерференции друг с другом, после чего каждая из них проходит отличающийся путь, который ограничен соответствующим одним из двух относительно подвижных отражателей. Затем из спектрального состава интерференции можно получить информацию, которая относится к свойству образца, с которым луч вступил во взаимодействие.

[0004] Когда указанный интерферометр, например, используется в спектрометрическом приборе, предназначенном для оптической спектроскопии, наблюдаемый луч, состоящий из излучения в относительно широком диапазоне в представляющей интерес области длин волн, впускается в интерферометр для падения на светоделитель. В данном контексте термин «впускаемый» относится к лучу, который проходит из последнего оптического элемента, такого как источник света, торец оптического волокна, линза или другой оптический элемент, который может оказывать влияние на траекторию или форму луча. Указанный наблюдаемый луч расщепляется светоделителем на две части с существенно равной интенсивностью. Первый луч отражается светоделителем и двигается по первому «плечу» интерферометра к первому отражателю, от которого он отражается обратно к светоделителю. Второй луч проходит через светоделитель и движется по второму «плечу» ко второму отражателю, от которого он также отражается обратно к светоделителю для перекрытия с отраженным первым лучом. Запаздывание, δ, - это разность между длинами оптических путей двух плеч, и, в зависимости от запаздывания, каждая длина волны спектрального источника при перекрытии обратно отраженного в двух плечах света может интерферировать на светоделителе деструктивно или конструктивно. Распределение по интенсивности перекрывающегося, интерферирующего света как функция запаздывания известно как интерферограмма. Интерферограмма регистрируется детектором по мере того, как один или несколько отражателей перемещаются для создания циклических смещений связанного оптического пути и, таким образом, циклической разности длин оптических путей между первым и вторым лучами. В результате каждая длина волны в наблюдаемом луче модулируется на отличающейся частоте. Спектральная информация может затем извлекаться из указанной наблюдаемой интерферограммы путем численного выполнения преобразования Фурье (FT).

[0005] Дискретизация выходного сигнала связанного детектора в точно равноотстоящих положениях перемещаемого отражателя является решающей для избежания ошибки при регистрации наблюдаемой интерферограммы, в особенности при использовании способа так называемого быстрого FT.

[0006] В FT-спектроскопии хорошо обоснованной практикой является использование для генерирования опорного луча монохроматического источника излучения с известной длиной волны, λ, такого как лазер. Указанный опорный луч в сканирующем интерферометре служит для определения требуемых точно равноотстоящих положений, и один такой FT-интерферометр раскрыт в патенте США №6654125. Здесь, как обычно, опорный луч впускается в сканирующий интерферометр одновременно с наблюдаемым лучом и следует через оптические компоненты интерферометра по световому пути, который, в значительной мере, параллелен тому, по которому следует наблюдаемый луч. Как и наблюдаемый луч, опорный луч расщепляется светоделителем на два луча с существенно равной интенсивностью. Опорная интерферограмма, предназначенная для регистрации связанным детектором, генерируется двумя обратно отраженными частями опорного луча при их перекрытии на светоделителе. Указанная опорная интерферограмма является синусоидальной и имеет период колебаний на оси запаздывания δper, который прямо связан с длиной волны: δper=λ/2 (1).

[0007] Поскольку длина волны опорного луча точно известна, то периодически встречающиеся характерные признаки, такие как положения перехода через нуль, опорной интерферограммы могут служить для точного определения приращения перемещений и/или скорости перемещаемого отражателя в интерферометре. Таким образом, можно точно определить время выборки наблюдаемой интерферограммы.

[0008] Трудность, связанная с известной конструкцией сканирующего интерферометра, заключается в том, что впуск опорного луча в интерферометр или требует дополнительных оптических компонентов, или преграждает траекторию наблюдаемого луча. Опорный луч может, например, впускаться путем использования перископических зеркал или через отверстие в любом из коллиматоров для наблюдаемого луча. В обоих случаях, однако, часть наблюдаемого луча блокируется. В альтернативном варианте опорный луч может впускаться в интерферометр с использованием дихроического зеркала, но это также вызывает снижение полной мощности наблюдаемого луча, проходящего через интерферометр, а также требует свободного пространства на траектории наблюдаемого луча.

[0009] Согласно первой особенности настоящего изобретения, предоставлен спектрометрический прибор, который содержит: сканирующий интерферометр, содержащий светоделитель, предназначенный для разделения падающего оптического излучения на отраженный луч и прошедший луч; источник монохроматического оптического излучения, предназначенный для впуска опорного луча в интерферометр так, чтобы он вначале падал на первую лицевую поверхность светоделителя; источник наблюдаемого оптического излучения, предназначенный для впуска наблюдаемого луча в интерферометр так, чтобы он вначале падал на первую лицевую поверхность светоделителя и перекрывался с опорным лучом на первой лицевой поверхности; где источники излучения совместно действуют для генерирования между траекториями двух лучей на первой лицевой поверхности первого угла, который больше, чем половинный угол копланарной расходимости наблюдаемого луча.

[0010] Хорошо известно, что все излучаемые лучи имеют угол расходимости, который описывает степень уширения луча с расстоянием. Он может рассматриваться, например, как угол между двумя направлениями на противоположных сторонах оси светового луча, параллельной траектории луча, и в той же плоскости, что и ось, на которой интенсивность света, как правило, становится равной заданной процентной доле опорной интенсивности. Если луч был коллимирован с использованием линзы или другого фокусирующего элемента, ожидаемую расходимость можно известным образом вычислить, исходя из двух параметров: диаметра, D, самой узкой точки луча перед линзой и фокусного расстояния линзы, f. Половинным углом расходимости является, как подразумевает его наименование, угол, величина которого составляет половину величины угла расходимости.

[0011] Таким образом, вводя опорный и наблюдаемый лучи в интерферометр так, чтобы угол между направлениями их распространения на первой лицевой поверхности светоделителя, на которую они оба падают вначале, был больше, чем половинный угол копланарной расходимости наблюдаемого луча, становится возможным впуск опорного луча снаружи наблюдаемого луча для перекрытия с наблюдаемым лучом на первой лицевой поверхности светоделителя без необходимости в каких-либо дополнительных оптических компонентах; без создания препятствий для наблюдаемого луча и без необходимости в увеличении размера светоделителя и других оптических компонентов.

[0012] Кроме того, расположение траекторий лучей под углом согласно настоящему изобретению обеспечивает пространственную фильтрацию опорного луча и наблюдаемого луча так, чтобы можно было сконструировать прибор, в котором фоновое излучение на связанном детекторе, вызванное другим лучом, значительно снижалось или даже устранялось.

[0013] Использование компьютера является эффективным для извлечения информации из наблюдаемой интерферограммы, регистрируемой связанным детектором, где компьютер специально математически приспособлен для компенсации ошибок длины волны, вносимых в спектральную информацию из-за относительного расположения опорного и наблюдаемого лучей под углом согласно настоящему изобретению. Коррекция шкалы длин волн, которая применяется в компьютере, обеспечивает повышенную точность измерений, осуществляемых с использованием интерферометра.

[0014] Согласно второй особенности настоящего изобретения, предоставлен способ эксплуатации спектрометрического прибора, содержащего сканирующий интерферометр согласно первой особенности настоящего изобретения, где способ содержит этап одновременного впуска опорного луча и расходящегося наблюдаемого луча в направлении светоделителя для того, чтобы они вначале падали на его первую лицевую поверхность, где лучи впускаются так, чтобы обеспечить на светоделителе первый угол между их оптическими путями, который больше, чем половинный угол расходимости наблюдаемого луча.

[0015] Один из вариантов осуществления изобретения будет описан ниже только в качестве примера и с отсылкой к графическим материалам сопроводительных чертежей, на которых:

фиг.1 иллюстрирует вид в разрезе плоскости X/Y интерферометра майкельсоновского типа согласно настоящему изобретению;

фиг.2 иллюстрирует вид в разрезе плоскости Y/Z интерферометра майкельсоновского типа по фиг.1;

фиг.3 графически иллюстрирует ограничения критериев конструирования интерферометра, проиллюстрированного на фиг.1 и 2; и

фиг.4 иллюстрирует вид в разрезе дополнительного варианта осуществления интерферометра майкельсоновского типа согласно настоящему изобретению.

[0016] Рассмотрим пример осуществления спектрометрического прибора 2 согласно настоящему изобретению, который, как проиллюстрировано на фиг.1 и 2, теперь сконфигурирован для того, чтобы он содержал сканирующий интерферометр майкельсоновского типа. Поскольку общий принцип работы такого сканирующего интерферометра хорошо известен, здесь он будет описан только в тех подробностях, которые необходимы для понимания настоящего изобретения. Проиллюстрированный сканирующий интерферометр содержит светоделитель, здесь - круглый светоделитель 4, и два отражателя, которые здесь находятся в форме круглых плоских зеркал 6, 8. Одно из зеркал монтируется для возвратно-поступательного перемещения (проиллюстрированного двунаправленной стрелкой) на расстояние, показанное как 2L, а другое зеркало 8 фиксировано. Светоделитель 4 в данном варианте осуществления изобретения заключается в корпусе 10 интерферометра вместе с двумя отражателями 6, 8. Также иллюстрируемый прибор 2 содержит источник 12 монохроматического оптического излучения, предназначенный для генерирования опорного луча и его впуска в общем по траектории 14 распространения, не прерываемой дополнительными оптическими элементами, в направлении первой лицевой поверхности 4' светоделителя 4 интерферометра (4, 6, 8), и источник 16 наблюдаемого оптического излучения, предназначенный для генерирования расходящегося наблюдаемого луча 18 и его впуска в направлении первой лицевой поверхности 4' светоделителя 4 интерферометра (4, 6, 8) в общем по траектории 20 распространения между источником 12 и светоделителем 4 без прохождения через дополнительные оптические элементы, которые могли бы повлиять на направление распространения (т.е. траекторию распространения) этого луча 18. Следует признать, что если бы другие варианты осуществления прибора согласно настоящему изобретению содержали оптические элементы или другие компоненты, помещенные между источниками 12, 16 и светоделителем 4, которые могут изменять любую из траекторий 20, 14 распространения, то траекториями распространения согласно настоящему изобретению были бы направления распространения соответствующего луча между последним таким оптическим элементом и светоделителем 4. Термин «впуск» будет интерпретироваться соответственно.

[0017] Как известно, светоделитель 4 рассматривается как первый элемент сканирующего интерферометра (4, 6, 8) и конструируется так, чтобы падающий луч расщеплялся на лучи с существенно равной интенсивностью, предназначенные для прохождения по траектории 22 прошедшего луча и по траектории 24 отраженного луча. Подвижное зеркало 6 располагается относительно светоделителя 4 так, чтобы оно возвращало луч, проходящий по траектории 22 прошедшего луча, обратно к светоделителю 4 по мере того, как он возвратно-поступательно перемещается. Второе, фиксированное зеркало 8 расположено относительно светоделителя 4 так, чтобы оно возвращало луч, проходящий по траектории 24 отраженного луча, обратно к светоделителю 4 для перекрытия с возвратным лучом, следующим по траектории 22 прошедшего луча, и, таким образом, для каждого из лучей, опорного луча из источника 12 опорного луча и наблюдаемого луча 18 из наблюдаемого источника 16, генерируется интерферограмма.

[0018] Соответствующие детекторы 26, 28 излучения опорного луча и наблюдаемого луча соответственно также предоставляются как часть спектрометрического прибора 2. Детектор 26 излучения опорного луча расположен в корпусе интерферометра 10 и предназначен для регистрации опорной интерферограммы, генерируемой из отраженных составляющих впущенного опорного луча, который проходит по траектории 36 опорного луча. Детектор 28 излучения опорного луча сходным образом расположен в корпусе интерферометра 10 и предназначен для регистрации наблюдаемой интерферограммы, генерируемой из отраженных составляющих впущенного наблюдаемого луча, который проходит по траектории 34 наблюдаемого луча. Эффективно и согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения детектор 26 излучения опорного луча может располагаться снаружи наблюдаемого луча, который проходит по траектории 34 луча от светоделителя 4 в направлении детектора 28 наблюдаемого луча. Это позволяет максимизировать доступное излучение, которое падает на детектор 28 наблюдаемого луча, и обеспечивает пространственную фильтрацию траектории 34 наблюдаемого луча и траектории 36 опорного луча в соответствующих детекторах 28, 26. Указанный эффект пространственной фильтрации имеет то преимущество, что фоновый шум в соответствующих детекторах 28, 26, вызванный светом из другого луча (т.е. светом из наблюдаемого луча, падающим на опорный детектор 26 и наоборот), значительно понижается и даже может быть устранен.

[0019] Все указанные детекторы 26, 28 опорного луча и наблюдаемого луча в настоящем варианте осуществления изобретения расположены внутри корпуса 10 интерферометра, но следует понимать, что один или несколько из них могут располагаться снаружи корпуса 10 и оптически связываться с корпусом 10, например, посредством пригодных оптических волокон. Сходным образом один или оба источника, источник 12 монохроматического оптического излучения и источник 16 наблюдаемого оптического излучения, могут располагаться снаружи корпуса 10 и оптически связываться с ним так, чтобы следовать по траекториям лучей так, как показано на фиг.1 и 2 и как описано в данном документе.

[0020] Процессор данных, такой как соответствующим образом запрограммированный компьютер 30, может оперативно соединяться с каждым из детекторов 26, 28 опорного луча и наблюдаемого луча для приема сигналов, служащих признаками соответствующих регистрируемых интерферограмм, опорной интерферограммы и наблюдаемой интерферограммы, и для обработки этих сигналов с целью получения спектральной информации из наблюдаемой интерферограммы, как правило, путем подвергания наблюдаемой интерферограммы анализу Фурье. В настоящем варианте осуществления изобретения компьютер 30 проиллюстрирован как являющийся единичным устройством, но следует понимать, что в настоящем контексте термин «компьютер» может быть предназначен для того, чтобы означать одно или несколько устройств, сконфигурированных с использованием традиционных способов программирования и электронной техники для автоматического выполнения требуемых вычислений. Любое одно или несколько из таких одного или нескольких устройств, которые составляют процессор 30 данных, может составлять одно целое с корпусом 10 или может предоставляться снаружи корпуса 10 в локальной (как показано посредством фиксированного соединения) или дистанционной коммуникационной связи (как, например, через телекоммуникационную линию связи, интранет- или интернет-соединения).

[0021] Когда спектрометрический прибор 2 используется в оптической спектроскопии, на траектории 20 наблюдаемого луча может располагаться прозрачная или полупрозрачная кювета или другой держатель образца 32, и он конфигурируется так, чтобы не изменять главное направление траектории 20 луча между источником 16 и первой лицевой поверхностью 4' светоделителя 4. В настоящем варианте осуществления изобретения и только в качестве примера держатель 32 образца располагается перед светоделителем 4 (в направлении распространения наблюдаемого луча 18 по траектории 20), однако он может располагаться после светоделителя 4 или даже располагаться перед светоделителем 4 снаружи корпуса 10, если источник 16 наблюдаемого оптического излучения также располагается снаружи корпуса 10. Некоторые длины волн наблюдаемого луча 18 будут больше, чем другие, взаимодействовать с материалом образца в держателе 32. Это создает зависящее от длины волны изменение в интенсивности наблюдаемого луча 18, что является характерным признаком материала, находящегося в держателе 32 образца. Эта спектральная информация может извлекаться из обращения свертки наблюдаемой интерферограммы, как, например, посредством преобразования Фурье, в компьютере 30.

[0022] Настоящая конфигурация имеет то преимущество, что смещение прошедшей части 22 опорного луча через светоделитель 4 (снос) по мере того, как подвижное зеркало 6 возвратно-поступательно перемещается, минимизируется по сравнению с другими относительными ориентациями источника 12 монохроматического оптического излучения и источника 16 наблюдаемого оптического излучения. Следует, однако, понимать, что без отступления от изобретения согласно формуле изобретения могут употребляться другие относительные ориентации источников 12, 16 вокруг оси Y (здесь эквивалентной траектории 20 распространения).

[0023] Не все конструкционные параметры интерферометра (4, 6, 8) могут быть выбраны независимо, и интерферометр 2 по фиг.1 и 2 может конструироваться с учетом конструкционных параметров, которые обсуждаются ниже:

[0024] Рассмотрим наблюдаемый луч 18, который впускается из источника 16 в интерферометр (4, 6, 8) так, чтобы вначале он падал на первую лицевую поверхность 4' светоделителя 4, который в настоящем варианте осуществления изобретения сконфигурирован и ориентирован так, чтобы расходимость луча была симметрична относительно главного направления распространения 20 луча (как, например, определена направлением распространения центра луча или максимума распределения мощности луча). Такой наблюдаемый луч 18 имеет половинный угол расходимости, α, относительно главного направления распространения 20 луча. Одновременно с этим в интерферометр (4, 6, 8) впускается опорный луч по траектории 14 опорного луча так, чтобы он вначале падал на первую лицевую поверхность 4' светоделителя под углом, θ, к траектории 20 распространения наблюдаемого луча 18 в плоскости (показанной здесь, как плоскость Z-X), содержащей половинный угол α расходимости, где, согласно настоящему изобретению, θ>α. Смещение подвижного зеркала 6 варьируется между -L и +L. Таким образом, полное смещение зеркала 6 составляет Ltot=2L, и запаздывание варьируется между -2L и 2L. Максимальное запаздывание составляет δmax=2L.

[0025] Когда запаздывание интерферометра (4, 6, 8) равно нулю, возвратные составляющие опорного луча будут иметь на светоделителе 4 максимальное перекрытие. Однако, поскольку θ не равен нулю, возвратные составляющие опорного луча, когда абсолютное значение запаздывания больше нуля, будут отдаляться друг от друга на светоделителе 4. Это - так называемый эффект сноса. При наибольшем абсолютном запаздывании, δmax, расстояние между центрами составляющих возвратного опорного луча составляет: 2Lsin(θ)=δmaxsin(θ) (2).

[0026] Амплитуда опорной интерферограммы имеет вид интеграла перекрытия распределений напряженности электрического поля для двух составляющих возвратного опорного луча, и это означает, что амплитуда является постоянной, только если dref>>δmaxSin(θ), где dref - полная ширина на уровне полумаксимума (FWHM) возвратного опорного луча (т.е. того, который проходит часть траектории 22 распространения между зеркалом 6 светоделителем 4) на светоделителе 4. Перекрытие величин напряженности электрического поля будет уменьшаться из-за эффекта сноса, так как две возвратные составляющие луча отдаляются на светоделителе 4. Предпочтительно, источник 12 монохроматического излучения представляет собой лазерный источник, генерирующий опорный луч, который имеет единственную пространственную волну, и перетяжку луча, которая располагается на первой лицевой поверхности 4' светоделителя 4. Таким образом, фазовый фронт опорного луча делается в значительной мере параллельным, что максимизирует пространственную когерентность и поэтому максимизирует допустимый снос.

[0027] Если генерируется опорный луч, имеющий высокую пространственную когерентность, например одномодовый или дифракционно-ограниченный луч, то снос луча главным образом будет влиять на амплитуду опорной интерферограммы. На практике приемлема некоторая огибающая амплитуды на опорной интерферограмме и требование к размеру возвратного опорного луча, dref, может ослабляться до: dref>εδmaxsin(θ) (3), где ε - экспериментально определяемая константа, выбираемая так, чтобы отношение сигнал/шум на детекторе 26 было достаточным для того, чтобы позволить, исходя из опорной интерферограммы, осуществлять определения на основе периодически повторяющихся характерных признаков, как правило, определения переходов через нуль.

[0028] Из экспериментов на конкретной конфигурации изобретения, проиллюстрированной на фиг.1 и 2, и только в качестве примера, с учетом типичных допусков в оптике и конструкции, было обнаружено, что разумным значением было ε≈50. Например, если размер возвратного опорного луча составляет dref=2 мм, и θ=10 градусов, то для поддержания достаточной огибающей амплитуды опорной интерферограммы максимальное запаздывание, δmax, должно быть меньше 0,23 мм.

[0029] Другое важное конструкционное ограничение существует между половинным углом расходимости, α, наблюдаемого луча 18, требуемым спектральным разрешением спектрометрического прибора 2, Δυ, и максимальным волновым числом, υmax, при котором достигается разрешение Δυ. Разрешение обратно пропорционально максимальному запаздыванию, поэтому его можно определить как:

δmax=1/(Δυ) (4), верхний предел расходимости луча можно выразить как: αmax=(δmaxυmax) (5).

[0030] Тогда если, например, δmax=0,23 мм (как указано выше) и, как правило, максимальное волновое число υmax=3000 см-1, максимально допустимая расходимость луча составляет αmax=0,085 радиан (или 4,9 градусов). Получаемое в этом случае разрешение составляет 22 см-1 - ограничено перемещением зеркала.

[0031] Приведенный выше пример иллюстрирует возможность конфигурирования сканирующего интерферометра (4, 6, 8) опорным лучом, имеющим угол θ падения на первую лицевую поверхность 4' светоделителя 4 больше, чем половинный угол расходимости наблюдаемого луча, α, а также получение разрешения, ограничиваемого движением зеркала (запаздыванием). Однако также можно видеть, что такого рода конструкция неблагоприятна для достижения высокого разрешения, что можно оценить, исходя из следующего рассмотрения: следуя приведенному выше примеру, угол падения опорного луча можно уменьшить до θ=1 градусов для того, чтобы допустить максимальное запаздывание 2,3 мм, что соответствует улучшенному разрешению 2,2 см-1. Однако тогда требование к верхнему пределу расходимости наблюдаемого луча составляет αmax=0,027 радиан (или 1,5 градусов), т.е. αmax>θ. Это означает, что конструкция по фиг.1 и 2 не может быть реализована, или что не может быть использован максимальный телесный угол наблюдаемого луча. В последнем случае снижается коэффициент использования световой энергии, что понижает отношение сигнал/шум на детекторе.

[0032] Два вышеописанных примера проиллюстрированы на общем графике на фиг.3. Ось абсцисс показывает, соответственно, угол падения лазерного опорного луча и угол расходимости наблюдаемого луча, и ось ординат показывает соответствующее максимальное запаздывание при условии, что размер лазерного пятна d=2 мм и максимальное волновое число υmax=3000 см-1. Описанные выше конструкции с низким и высоким разрешением показаны пунктирными линиями. График показывает, что для используемых здесь параметров возможен только угол падения лазера (опорного источника) больше, чем угол расходимости, если максимальное запаздывание меньше чем приблизительно 1 мм. Для большего запаздывания, т.е. для большего разрешения, невозможно воспользоваться полным телесным углом наблюдаемого луча 18.

[0033] Другим потенциальным ограничением точности интерферометра 2 согласно настоящему изобретению является кажущийся сдвиг длины волны, задаваемый периодом опорной интерферограммы в сравнении с физической длиной волны, λ, монохроматического опорного луча. При угле падения 9 запаздывание опорного луча в cos(θ)-1 раз длиннее, чем перемещение зеркала 6. Поэтому опорная интерферограмма будет содержать в cos(θ)-1 раз больше переходов через нуль (или других периодически встречающихся характерных признаков), чем для нулевого угла падения опорного луча, и будет выглядеть как источник с длиной волны (cos(θ)·λ).

[0034] Так как θ известен с высокой точностью из конструкции интерферометра, то, с целью компенсации указанного кажущегося сдвига длины волны, можно легко вычислить поправочный коэффициент.

[0035] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения указанный поправочный коэффициент употребляется в компьютере 30 при определении времени выборки для наблюдаемой интерферограммы.

[0036] Известна, например, из заявки на патент США №2008/0290279 коррекция шкалы длин волн спектральной информации, извлекаемой из интерферограммы, основывающейся на измерениях опорного образца, имеющего спектральную картину, которая содержит характерные признаки с известной характеристической длиной волны (длинами волн). В указанной публикации для этой цели в интерферометре употребляется спектральная картина, связанная с CO2 воздуха, которая регистрируется как составляющая наблюдаемой интерферограммы. Таким образом, согласно настоящему изобретению, коррекция шкалы длин волн в компьютере 30 может осуществляться с использованием одной или обеих спектральных картин, полученных из опорных образцов, и коэффициента, зависящего от угла падения, θ, опорного луча на светоделитель 4.

[0037] Следующий иллюстративный вариант осуществления спектрометрического прибора 38 согласно настоящему изобретению показан на фиг.4. Спектрометрический прибор 38 в целом сходен по конструкции с прибором 2, проиллюстрированным на фиг.1, и содержит светоделитель 40, фиксированное зеркало 42 и подвижное зеркало 44, которые сконфигурированы в геометрии интерферометра майкельсоновского типа так, как описывалось выше в отношении прибора 2 по фиг.1. В настоящем варианте осуществления изобретения светоделитель 40 и зеркала 42, 44 копланарны с источником 46 наблюдаемого оптического излучения (содержащим здесь источник излучения 48 и взаимодействующий с ним вогнутый фокусирующий элемент 50) и источником 52 опорного излучения (таким, как источник монохроматического лазерного излучения). Здесь источники излучения 46, 52 совместно со связанным детектором 54 наблюдаемого луча и детектором 56 излучения опорного луча (и, как проиллюстрировано в настоящем документе, кюветой 58 с образцом и с соответствующим образом запрограммированным компьютером 30) располагаются снаружи корпуса 60 интерферометра, в котором расположен светоделитель 40 и зеркала 42, 44. В одной из реализаций настоящего варианта осуществления изобретения согласно фиг.2 один или несколько из элементов - источников 46, 48 и детекторов 54, 56 - будут оптически связаны с корпусом интерферометра посредством волоконно-оптических кабелей или других пригодных световодов (не показаны), позволяющих сделать конфигурацию спектрометрического прибора 38 более гибкой.

[0038] Как также описывалось в отношении прибора 2 по фиг.1, здесь источник 52 монохроматического опорного излучения генерирует опорный луч и впускает его по траектории 62 распространения в корпусе 60 интерферометра, не прерываемой дополнительными оптическими элементами, которые могли бы приводить к отклонению траектории 62 распространения, для того, чтобы вначале он падал на первую лицевую поверхность 40' светоделителя 40. Источник 46 наблюдаемого оптического излучения генерирует расходящийся наблюдаемый луч 64, предназначенный для прохождения траектории 66 распространения и падения вначале на первую лицевую поверхность 40' светоделителя 40 в присутствии опорного луча. Наблюдаемый луч 64, который впускается в интерферометр (40, 42, 44), имеет половинный угол расходимости α относительно траектории 66 его распространения, и траектория 62 распространения опорного луча располагается под углом θ к траектории 66 распространения наблюдаемого луча 64, где, согласно настоящему изобретению, θ>α.

[0039] Спектрометрический прибор 38 согласно второму варианту осуществления изобретения был реализован со следующими конструкционными параметрами:

[0040] Наблюдаемый источник 46:

Фокусное расстояние зеркала 50, f=14 мм

Диаметр источника 48 излучения, d=2 мм

Угол расходимости, 2α=d/f=8,2°

Половинный угол расходимости, α=4,1°

[0041] Лазер, источник 52 монохроматического излучения: угол падения, θ=18°

[0042] Интерферометр 40, 42, 44:

Максимальное оптимальное запаздывание, δmax=2L=2*0,24 мм=0,048 мм

Максимальное (наблюдаемое) волновое число, υmax=3300 см-1

Расходимость, ограниченная разрешением, αmax=(2*0,024*3300)=4,6°

При условии ε=10, из уравнения (3), dref=1,5 мм

[0043] Таким образом, αmax>α, т.е. размер лазерного пятна больше чем 1,5 мм, что и требуется настоящим изобретением.

1. Спектрометрический прибор (2; 38), который содержит: сканирующий интерферометр (4, 6, 8; 40, 42, 44), содержащий светоделитель (4; 40), предназначенный для расщепления падающего оптического излучения на отраженный луч и прошедший луч; источник (12; 52) монохроматического оптического излучения, предназначенный для впуска опорного луча в интерферометр (4, 6, 8; 40, 42, 44) по первой траектории (14; 62) распространения так, чтобы он вначале падал на первую лицевую поверхность (4'; 40') светоделителя (4; 40); источник (16; 46) наблюдаемого оптического излучения, предназначенный для впуска наблюдаемого луча (18; 64) в интерферометр (4, 6, 8; 40, 42, 44) по второй траектории (20; 66) распространения так, чтобы он вначале падал на первую лицевую поверхность (4'; 40') светоделителя (4; 40) и перекрывался с опорным лучом на первой лицевой поверхности (4'; 40'); где источники (12; 16; 52; 46) излучения совместно действуют для создания между соответствующими первой (14; 62) и второй (20; 66) траекториями распространения на лицевой поверхности (4'; 40') первого угла (θ), который превышает половинный угол расходимости (α) наблюдаемого луча (18; 64).

2. Спектрометрический прибор (2; 38) по п.1, который дополнительно содержит опорный детектор (26; 56), предназначенный для регистрации опорной интерферограммы, генерируемой из впущенного опорного луча, и детектор (28; 54) наблюдения, предназначенный для регистрации наблюдаемой интерферограммы из впущенного наблюдаемого луча (18; 64), где каждый детектор (26; 28; 56; 54) располагается вне траектории (36; 34; 62; 64) другого луча.

3. Спектрометрический прибор (2; 38) по п.2, который дополнительно содержит процессор (30) данных, подключенный для приема выходного сигнала каждого из детекторов (26; 28; 56; 54), соответствующего регистрируемым интерферограммам, при этом процессор (30) данных приспособлен для обработки принимаемых выходных сигналов для коррекции ошибок в спектральной информации, извлекаемой из наблюдаемой интерферограммы, регистрируемой детектором (28; 54) наблюдения, являющихся результатом впуска опорного луча под первым углом (θ).

4. Спектрометрический прибор (2; 38) по п.3, в котором опорный луч имеет диаметр луча и источник (12; 52) монохроматического излучения сконфигурирован для впуска опорного луча под первым углом (θ), коррелирующим с диаметром луча, для достижения степени перекрытия на первой лицевой поверхности (4'; 40') светоделителя (4; 40), выбранной для обеспечения минимального отношения сигнал/шум в выходном сигнале наблюдаемого детектора (26), когда зеркало (6) перемещается достаточно для того, чтобы позволить определить в процессоре (30) данных периодически повторяющиеся характерные признаки, исходя из опорной интерферограммы.

5. Способ эксплуатации спектрометрического прибора (2; 38) по п.1, который содержит этап одновременного впуска опорного луча из источника (12; 52) монохроматического излучения и расходящегося наблюдаемого луча (18; 64) из источника (16; 46) наблюдаемого оптического излучения по соответствующим траекториям (14; 20; 62; 66) распространения в направлении первой лицевой поверхности (4'; 40') светоделителя (4; 40) интерферометра (4, 6, 8; 40, 42, 44), при этом опорный луч впускают по его траектории распространения (14; 62) для падения на первую лицевую поверхность (4'; 40') под первым углом (θ) относительно траектории (20; 66) распространения наблюдаемого луча, где первый угол больше, чем половинный угол (α) расходимости наблюдаемого луча (18; 64).

6. Способ по п.5, который также содержит этап обработки в процессоре (30) данных интерферограммы, полученной из наблюдаемого луча (18; 64), для коррекции ошибок в спектральной информации, получаемой из него, возникающих в результате впуска опорного луча под первым углом (θ).

7. Способ по п.6, в котором коррекция содержит компенсацию того, что опорный луч имеет кажущуюся длину волны, которая отличается от фактической длины волны множителем cos(θ).

8. Способ по одному из пп.5-7, который дополнительно содержит этапы пропускания наблюдаемого луча (18; 64) через материал образца и обработки в процессоре (30) данных интерферограммы, полученной из наблюдаемого луча (18; 64), для извлечения спектральной информации, характерной для материала образца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к спектрометрии. .

Изобретение относится к области интерференционной спектроскопии, предназначено для оценки, по меньшей мере, одного химического и/или физического свойства образца или пробы и предлагает альтернативную стратегию корреляции интерференционной информации с химическими и/или физическими свойствами образца, а также способ стандартизации интерферометра.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается интерферометра Майкельсона с колеблющимися зеркалами. Интерферометр включает в себя n зеркал, причем n≥2.

Способ получения оптических трёхмерных и спектральных изображений микрообъектов включает в себя коллимирование широкополосного оптического излучения источника, разделение на два пучка - референтный и объектный, формирование интерференционной картины за счёт сведения указанных пучков, регистрация её матричным приемником.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоит из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа.

Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам. Сущность решения заключается в использовании электродинамической головки, у которой резонансная частота fr, обуславливающая паразитные вибрации, эффективно подавляется с помощью активной системы с обратной связью, за счет того, что достаточно удалена на частотной оси относительно частоты колебания зеркала f.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа компенсации дрейфа частоты опорного источника энергии в спектрометрическом приборе на основе FT-интерферометра.

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и касается способа компенсации световых потерь.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей. В способе голографического контроля формируется первый опорный пучок с помощью светоделителя и зеркал и объектный пучок, включающий проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы.

Изобретение относится к области для измерения концевых мер длины. Двусторонний интерферометр содержит два лазера со стабилизированной частотой излучения, кольцевой трехзеркальный интерферометр и две наложенные голограммы, одна из которых записана излучением одного лазера, другая - другого лазера.

Изобретение относится к способу голографической визуализации быстропротекающих процессов - двухфазных потоков «твердые частицы - газ». При реализации способа посредством оптических элементов создают два объектных и два опорных пучка.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимоортогональным осям. Интерферометр содержит одночастотный лазер, коллиматор для ввода излучения в транспортное волокно, коллиматор, вводящий излучение в оптическую схему, акустооптический модулятор, формирующий опорное и измерительное плечи интерферометра, поляризационный светоделитель, позволяющий развести лучи на расстояние, достаточное для их независимого использования зеркалами, систему зеркал, которая расположена вокруг пьезоэлектрического стола, триппель-призмы, закрепленные на пьезоэлектрическом столе так, что их оси симметрии проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, фотоприемники, подключенные к соответствующим измерительным входам фазометра, а также генератор сдвиговой частоты, связанный с акустооптическим модулятором и опорным входом фазометра. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов оптической системы, уменьшение собственных шумов за счет уменьшения колебаний значений показателя преломления воздуха и уменьшения ошибки Аббе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх