Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения
Изобретение относится к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения, предназначенным для спектроскопических исследований. Цель изобретения - получение двух независимых углов падения изучения на грань полного внутреннего отражения (ПВО) при использовании одного исходного пучка. Элемент имеет вид прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань ПВО, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости , пересекающей под прямым углом середину грани ПВО, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии и грани ПВО и которые составляют с этой гранью углы См и Cte, удовлетворяющие соотношению СИ 0.2 90°, где См - угол между гранью ПВО и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности , причем элемент снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью ПВО и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина элемента вдоль грани ПВО равна Imax (V tg IJ2 + ctg 02) -а,высота tmax элемента равна tmax V + 3/2-a, а высота tmin нерабочих граней, отсчитываемая в направлении, перпендикулярном грани ПВО, равна tmin V - 1 /2 -а, где V - параметр призмы, удовлетворяющий соотношению V (ctg Qi + ct-gQ2) ctg Ui + 2/tg L)2 ctg Ui - 1, где 1)2, Ui - заданные углы падения излучения на грань ПВО, реализуемые , соответственно, при преломлении на ближайшей к грани ПВО входной грани и на более отделенной грани и удовлетворяющие соотношению Qi,2 arctgsin Ui,2 - cos Ui,2, где По - показатель преломления материала призмы; а - размер световых отверстий входных (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении , перпендикулярном грани ПВО. 1 ил. СП с XI Ю vj О о 4
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 02 В 5/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4765377/10 (22) 14.11.89 (46) 15.04.92. Бюл. ¹ 14 (75) В.Б.Яковлев (53) 535.8 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1652952, кл.G 02 В 5/03, 1988.
Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир, 1970, с. 97. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптическим элементам нарушенного полного внутреннего отражения, предназначенным для спектроскопических исследований. Цель изобретения — получение двух независимых углов падения изучения на грань полного внутреннего отражения (ПВО) при использовании одного исходного пучка. Элемент имеет вид прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань ПВО, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани ПВО, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметИзобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно — к устройству оптических элементов нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) с изменяемым углом падения излучения, предназначенных для спектроскопических исследований. Известны элементы НПВО, предназначенные для получения спектров
<19> SU ац 1727094А1 рии и грани ПВО и которые составляют с этой гранью углы Q< и Q2,.удовлетворяющие соотношению О1 < С12 < 900. где С11 — угол между гранью ПВО и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности, причем элемент снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью
ПВО и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина элемента вдоль гРани ПВО Равна Imax = (V tg 02+ ctg
Q2) а,ВЫСОта tmax ЭЛЕМЕНта РаВНа tmax = V +
3/2 а. а высота tmln неРабочих гРаней, отсчитываемая в направлении, перпендикулярном грани ПВО, равна tmln = V — 1/2 а, где V — параметр призмы, удовлетворяющий соотношению V =(ctg 01+ ct.gQã) ctg 01+ 2/tg
02 ctg 01 — 1, где 02, 01 — заданные углы падения излучения на грань ПВО, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к грани ПВО входной грани и на более отделенной грани и удовлетворяющие соотношению Q>,г = arctgsin
Ul,2 — n з соз U>,2, где п0 — показатель преломления материала призмы; а — размер световых отверстий входных (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении, перпендикулярном грани ПВО. 1 ил. при двух различных углах падения, что позволяет применять их для исследования сильно поглощающих образцов и определения оптических постоянных без необходимости в воспроизведении контакта между объектом и элементом. Такие элементы представляют собой симметричную призму, имеющую две взаимно параллельные грани
1727094 полного внутреннего отражения (ПВО), входную поверхность в виде плоской грани, угол между которой и нижней гранью ПВО достаточно мал, чтобы обеспечить дополнительное ПВО от входной грани для части пучка отраженного от нижней грани ПВО.
Сформированный таким образом пучок распространяется в направлении верхней грани П ВО, испытывая отражение от последней под углом В = 180 — 3U, где U— угол падения на верхнюк} грань ПВО пучка не испытавшего llBO от входной грани.
Ввиду наличия функциональной связи между углами Р и U выбор сочетаний этих углов ограничен, что не позволяетобеспечивать получение контрастных спектров для обоих углов падения и ограничивает возможности получения спектральной информации в поверхности слоях исследуемого объекта. Кроме того, из-за разницы размеров световых отверстий призмы ее пропускание ограничено, так же как и из-за большой длины хода, обусловленной дополнительными ПВО от входной и нижней граней, а также из-за срезания света технологическими фасками, наносимыми на острые кромки.
Указанные недостатки устранены в элементах НПВО, входные (выходные) поверхности которых состоят из нескольких граней. Известный элемент НПВО представляет собой симметричную призму, входные грани которой наклонены к грани
ПВО под углом Oi = Оь где i — номер грани входной поверхности; 0 — угол падения на грань ПВО пучка, пропущенного 1-й гранью.
Применение данного элемента не обеспечивает получения двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка.
Цель изобретения — получение двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка.
Указанная цель достигается тем, что известный оптический элемент НПВО с изменяемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань ПВО, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани ПВО, и образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии и грани ПВО и которые составляют с этой гранью углы 0> и, удовлетворяющие соотношению 0 < Ог< 90, где
0 — угол между гранью ПВО и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности, снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью ПВО и бли5 жайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина Imax элемента вдоль грани IlBO равна
Imax = (V tg 0 + ctg %)а, 10
v+3 высота tmaxэлемента равна tmax= 2 а, а высота tmin нерабочих граней, отсчитываемая в направлении, перпендикулярном гра15 ни ПВО, равна ч — 1
tmtn = 2 а, 20 где V — параметр призмы, удовлетворяющей соотношению
V—
tg 02СЩ U> 1
25 где Uz, U> — заданные углы падения излучения на грань ПВО, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к грани ПВО входной грани и на более отда30 ленной грани и удовлетворяющие соотношению — 1
sin U1,2 — по
О р = arctg
35 соз 0>,z где п - показатель преломления материала призмы; а — размер световых отверстий входных
40 (выходных) граней элемента, отсчитываемый в направлении, перпендикулярном грани IlBO.
Выполнение указанных соотношений позволяет использовать для освещения элемента один исходный пучок.
Изобретение поясняется чертежом.
Оптический элемент содержит входные грани 1 и 2, грань 3 ПВО и выходные грани
4 и 5.
Оптический элемент работает следующим образом, Падающий на входную грань 1 параллельно грани ПВО 3 осевой луч пучка Ь преломляется ею в направлении грани RBO 3, 55 отразившись от которой он направляется к выходной грани 4, преломившись на которой, выходит из призмы, оставаясь на одной прямой с подающим лучом b. Осевой луч пучка с, параллельный осевому лучу пучка Ь, падает на входную грань 2, преломившись
1727094
v+3
tmax = 2 а
tg U2ctg 01 — 1
55 на которой он направляется на грань ПВО
3, от которой испытывает отражение в направлении выходной грани 5 и после преломления на последней покидает призму, оставаясь на одной прямой с лучом с. 5
Выполнение приведенных выше соотношений для угловых и линейных параметров оптического элемента позволяет значительно повысить оперативность проведения измерений оптических спектров 10
НПВО и резко упростить конструкцию устройств для проведения измерений оптических постоянных природных и искусственных материалов. Проведенные испытания показали, что скорость измене- 15 ния угла падения на грань ПВО у предлагаемой призмы по сравнению с прототипом увеличилась не менее, чем в 30 раз, продольный габаритный размер устройства для установки оптического элемента уменьшил- 20 ся в 3,5 раза, вес устройства уменьшился в
6 раз.
Формула изобретения
Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражения с изменяемым углом падения излучения, выполненный в виде прямой призмы, содержащей входную и выходную поверхности, а также грань пол- 30 ного внутреннего отражения, причем входная и выходная поверхности симметричны относительно плоскости, пересекающей под прямым углом середину грани полного внутреннего отражения, и 35 образованы двумя гранями, общее ребро между которыми ориентировано параллельно плоскости симметрии грани полного внутреннего отражения и которые составляют с этой гранью углы 01 и, удовлетво- 40 ряющие соотношению
01< С 90, где 0z — угол между гранью полного внутреннего отражения и ближайшей к ней 45 гранью входной (выходной) поверхности;
01 — угол между гранью полного внутреннего отражения и более удаленной от нее гранью входной (выходной) поверхности, 50 отличающийся тем, что, с целью получения двух независимых углов падения излучения на грань полного внутреннего отражения при использовании одного исходного пучка, элемент снабжен нерабочими гранями, расположенными между гранью полного внутреннего отражения и ближайшей к ней гранью входной (выходной) поверхности, длина Imax элемента вдоль грани полного внутреннего отражения равна
Imax = (V tg 02 + Ctg % )a, высота tmax элемента равна а высота tmtn нерабочих граней, отсчитываемаяя внаправлении,,перпендикулярном грани полного внутреннего отражения, равна ч — 1
2 где V — параметр призмы, удовлетворяющий соотношению где 02, 01 — заданные углы падения излучения на грань полного внутреннего отражения, реализуемые, соответственно, при преломлении на ближайшей к грани полного внутреннего отражения входной грани и на более отдаленной входной грани и удовлетворяющие соотношению arcsin и, <
U1,< 02 < 90 где
sIA 01 2 по — 1
01,2 =arCtg
cos U1,2
n<> — показатель преломления материала призмы; а — размер световых отверстий входных (выходн ых) граней элемента, отсчиты ваемый в направлении, перпендикулярном грани полного внутреннего отражения.
1727094
Составитель А.Агуреев
Редактор Т.Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая
Заказ 1277 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
