Оптико-механическое сканирующее устройство

 

п11 422976

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз СоветскиХ

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 23.02.71 (21) 1628849126-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 05.04.74. Бюллетень № 13

Дата опубликования описания 12.09.74 (51) М. Кл. G 01j 3,/06

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изооретвний н открытий ((53) УДК 535.681.4 (088.8) (72) Авторы пзоорстсппя

К. И. Тарасов, К. Н. Чиков и В. В. Гуд

Ленинградский институт точной мсхапикп и оптики (71) Заявитель (54) ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКОЕ СКАНИРУ1ОЩЕЕ УСТРОЙСТВО

g=-f

d5

i. = const -= с.

d /.

Изобретение относится к области спектра Ibного 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 волны выходящс"0 из монохроматора 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:

d; k1V — для однократной дифракции, Нл cos s

d3 2kN, — для двукратной дифракции.

cos где k — порядок спектра; NI — число штрихов а 1 мм; P — угол дифракции; а — угол падения света на решетку; Х вЂ” длина волны света.

Очевидно, что для обеспечения постоянства кривизны спектральных линий угловая дисперсия должна меняться обратно пропорционально дл|шс волны, так как радиус кривизны спектральных линий не будет зависеть от Х, если выполняется условие:

В этих формулах f — фокусное расстояние зеркального объектива выходного коллиматора.

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

/гМЧ, -- sin з+ sin p = ссоз р — для однократной дифракции, ВЛ, = sins+ sin8 = — cos — для двукратной дифракции.

25 Известны устройства, с помощью которых можно выполнить эти соотношения, например кулачковые механизмы, а также электрические и электромагнитные механизмы, рабочий закон которых задается функциональным

30 потенциометром.

422976

Недостатком подобных устройств является их невысокая технологичность, что приводит к воспроизведению указанных соотношений со значительнымн ошиоками.

Для обеспечения постоянства кривизны спектральных линий Во всем рабочем диапазоне длин волн в предложенном оптико-механическом устройстве с дифракционной решеткой

11013оротн1.111 31c. аl!из. .1 диф1)акпиоппой д11снсргнрующей системы выполнен в виде рычаж- 10 но-кулисного синусно-косннусного механизма в соединении с косинусным мсханпзмом ввода длин волн.

На фиг. 1 и 2 изображены кинематические схемы предло>кенного оптико-механического 15 сканирующего устройства, варианты.

Устройство, показанное на фиг. 1, используется в случае однократной дифракции. Это устройство решает систему уравнений:

20 ЬЛ, ==- с.cos/

I з 1п а + sin = с cos I3, т. е.

cos:3

kN

25 с cos f — sin ) = sin а.

X cos ), если длину равной = Z

/.N, 65

В схему, показанную на фиг. 1, входят: ходовой винт 1, гайка 2, соединенная с косинусньп| механизмом ввода длин волн, состоящим 30 из кулисы, жестко соедипепой с гайкой 2, нолзуна 3 и кривошина 4 с осью вращения О.

Вдоль кривошипа 4 может перемещаться ползун 5 с двумя кулисами 6 и 7, связанными с муфтами 8 и 9. Муфта 9 шарнирно соеди- 35 иена с рычагом 10, вращающимся вокруг оси

О. Рычаг 10 и ходовой винт 1 соединены таким образом, что ось вращения ходового винта неизменно ориентирована вдоль рычага.

Дифракционная решетка 11, имеющая ось 40 вращения О, установлена перпендикулярно кривошипу 4, а поворотный зеркальный объектив 12 выходного коллиматора жестко прикреплен к рычагу 10 и вместе с пим вращается вокруг оси О. 45

Ведущим звеном является ходовой винт 1, ведомым — рычаг 10. Передача вращательного движения от электродвигателя к ходовому винту может быть осуществлена с помощью гибкого вала. 50

Перемещение гайки 2 с кулисой на величину Z приводит в движение ползун 3 и вызывает поворот кривошипа 4 вокруг оси О на угол (относительно рычага 10. При таком перемещении гайки с кулисой воспроизводится 55 зависимость z = Z cos 8, где L — длина кривошипа 4; P — угол между кривошипом 4 и рычагом 10, равный углу дифракции.

Воспроизведение зависимости z Z cos 3

60 позволяет решить первое уравнение 1, =

/гЮ, кривошипа 4 выбрать

Поворот кривошипа 4 вокруг оси О вызывает перемещение ползуlla 5 с двумя кулисами

6 и 7 на величину х: — 1 cos . — r ctgy.sin ) где r — фиксированное расстояние от оси âðàщения О до оси муфты 9, соединенной шарнирно с рычагом 10; у — жесткий угол между ползуном 5 и прикрепленной к нему кулисой

6. Перемещение на 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 r=c и r.ctg = 1

1 3 т. е. т =- arctg — ), то уравнение Х= r cos )— с ) — r ctgy sin ) принимает вид: Х=-с cos 3 — sin (3.

А так как на перемещение ползуна 5 с кулисами 6 и 7 влияет положение муфты 8, то величина перемещения Х=- с cos 3 — sin 1> определяется одновременно и уравнением Х=l;х, X sin а, где l — расстояние от оси О до шарнира муфты 8 (t 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, Х=- с (Y cos) — sin 13 и Х=- 1 з1п а, а поэтому с >,"

X cos ) — sin (= :sin а, т. е. второе уравнение решено.

На фиг. 2 показано устройство, применяемое при двукратной дифракции. Это устройcrI o рсшает систему уравнений

k1N,: — — cos x

2 т. е.

sin + sin I3 = — cos а, С

С

/,: cos а

2kN с — соз а — sin а: — sin ).

В схему, показанную на фиг. 2, входят: ходовой винт 13, гайка 14 соединенная с косинусным механизмом ввода длин волн, состоящим из шатуна 15, шарнирно соединенного с гайкой 14, и кривошипа 16 с осью вращения

О. Вдоль кривошипа 16 может перемещаться ползун 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 О, Ось ходового винта 13 неизменно ориентирована вдоль направления падающего светового потока, дифракционная решетка 23, имеющая ось вращения 01, установлена перпендикулярно кривошипу 16, поворотное зеркало (илп система зеркал) 24 жестко прикреплено к рычагу 22 и вместе с ним вращается вокруг оси 01. Ведущим звеном является винт 13, ведомым — прямоугольный рычаг 22.

Перемещение гайки 14 на величину z приводит в движение шатун 15 и вызывает поворот кривошипа 16 вокруг оси 01 на угол а, 422976

i.= cos, 2/гФ(с х: — cos а — sin а.

При таком перемещении гайки 14 воспроизводится зависимость z;= 2! cos а, где

L — длина шатуна 15, равная плечу О(А кривошипа 16; а — угол между кривошипом 16 и направлением падающего светового потока, равный углу падения света на решетку 23.

Воспроизведение зависимости z: 2L cos а позволяет решить первое уравнение: если величину плеча кривошипа 16 выбрать с равной I —.. Поворот кривошипа 16 во4/гЮ( круг оси О, вызывает перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 и 19 на величину х -= r cos а — r ctgy sin а, где r — фиксированное расстояние от оси вращения О(до оси муфты 20; у — жесткий угол между ползуном 17 и прикрепленной к нему

С кулисой 19. Если выбрать r: — и (ctgy—

2

=1, т. е. y = arctg —, то уравнение х =-- r,< с

Q cos a — r ct 1. sin а примет вид:

Так как ползун 21, скользящий вдоль кулисы

18 шарнирно соединен с прямоугольным рычагом 22, имеющим ось вращения О, то перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 и

С

19 на величину х: — cos а — sin а вызывает

2 поворот рычага 22 вокруг оси 01 согласно уравнению х.—.. 1.sin 8, где l — расстояние от оси 01 до шарнира ползуна 21 (l выбирается равным единице масштаба); P — угол между кулисой 18 и малым плечом прямоугольного рычага 22, равный углу дифракции.

С

Следовательно,х = — cos а — sinn и х:-=

С

:. sin 3, тогда — cos а — sin а: sin (i, т. е.

У

1 второе уравнение решено.

Применение описанного оптико-механического сканирующего устройства в монохромяторах иллюстрируется фиг. 3 и 4: а — вид сбоку; б — вид сверху.

На фиг. 3 представлена оптическая схема дифракционного монохроматора с однократной дифракцией. Поступающий в монохромятор 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 Р 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, 5

50 обеспечивающего одновременное вращсцпс решетки 27 и поворотного зеркального объектива 28 вокруг общей оси, проходящей napaëлельно штрихам решетки и делящей пополам ее рабочую поверхность. При этом скорости поворота объектива 28 и решетки 27 связаны таким образом, что косинус угла дифрлкццц прямо процорпионален длине волны выделяемого излучения. Для всех длин волн, пропускаемых монохромлтором, соблюдается условие постоянства кривизны спс(стральных линий и обеспечивлстся ее IIox(ne((can(((; во всем диапазоне 11цт(вочч.

На фиг. 4 представлена оптическая схема дифракцио(п(ого моцохроматоря с двукратной цифр акцией.

Поступающий в з!Онохро (лтор через входную щель 30 церязло>кснный свсT цопядлст ил объектив 31 входного коллимnòîрл, вьшо.чцс",1 ный в ви.Тс вцеоссво-о пярлболо. дал(,ного зеркала, отражается от цсго и плраллсльць(м пучком падает нл п,чоску(о дпфрлкццоццу?n решетку 32 по (уг,чом а.

После первичного дцфряг(тровлцця поч углом (световь(е пучин. плда?ст ца поворотное плоское зеркaëo 33. отразив(и?(сь от которого, снова попадя(от цл ре(цетку 3?, Ио уже цо., мглом падения R..ri?Iô(Taã((ðosaâ втор(чт(о I!a решетк", 32, пу (к(? лучей под угчом .Ч(тфрл(сции а нлправля(0тся от рец(еч.?сц к объе?стиву

34 выходного кочл тмлтора. представляющего собой внеосевос "рябочоид льное зеркало, с помощь(о которого фо(сус!(ру(отся в плоскости вь(холцой щс.чц 35

Скан(трован(е спс(стцл осуц(ествчястся с

ИО .,ТоиТь(О устр011ствл. ИОкязлпнОГО ц", с(и(Г. 2, ооссцечцвл 0 тт,".10 Од(то"-,т(с (ст?1 Ос в " цс ц(тс решетки 32 ц т;.(оско-о зсрк.-.,",-", 3"; nn(;.рмг Обшей

ОСЦ T".Рохо тяп(С((n:"Р тno,т(,Т(О Ц(тц(?ХЛМ Рпп(еткц р. дс". (пе?1 сс рябо ?1(поверх (ость поИОЧЛ (. Пр((ЭГО (С «ОТ(ОСTn ппппппТО ann(;,1,?Л

33 ц 001?1ет (Я2 СВЧЗ Л Н(((Лт;? 1т п 1r(n ЗО »тО

КОСИНУС УГЛЛ с П(1Я (О ПРОПС rl(>((n(!a.TÅ (n.(nnе

P07Hh! т?ЬТ "СЧРС тО? "(ИЗ ЧМЧСЦ(ТЯ

Т (и ВОСТ," -? .т»? ° ВО ((! ПРОИ»с КЛ С ((? Х Э ((ТМ ,то(тохром(лт000..(. сс бч(0длстся ус.(СОИ((с постояцствл (с?1 (в(s ?1 Гис(тт(л.тlл (тх,чти1ИЙ TI Обс спсчивяст я се ".Омцсислц(тя Rn»сс..т . (лплзо! .Е Д, Т Ц(Т ВОЛ ТТ.

Прс 1 тст .! Лоб бпе . сц? т

Оптико-.»c a ническос склциру(ощсс устройство, содержащее тцфра(сц(тонную решетку, зеркальную систему и поворотцьш механизм. отл ич а ю щ с cс я тем, что, с цель(о повьццсния TОчцости 0 т!!0!;Ис (с(1ИOГО 3 Г-(ОИОГО ис рс41 щения дпфрлкпиош(ой решетк(т и зерклльцой системы кяк црц о ?(0(срлт(той. та(с и цайт(двукратной лиф р л к((и(, поворотньш мехл И((за!

ВЫ(ТОЛНЕИ В В?(ДС n?.1 ?ЛжНО-КУЛИС((ОГО С(ТТ(,СЦОКОСИНУСНОГO МСХЛ?(ИЗМЛ В СОСДШ(ЕШТЦ(С КОСЦпусным механизмом вводя величии(я длшт волн.