Однообъективная многоходовая система с регулируемым числом прохождений

 

Изобретение относится к фотометрии и спектрофотометрии и может использоваться для фотометрирования малых объемов газов или малых образцов в газоанализаторах, в нагреваемых или охлаждаемых системах, лазерной технике, ударных трубах и т.д. Сущность изобретения: устройство содержит источник и приемник излучения, плоское зеркало, расположенное между зеркальными коллективом и объективом, причем плоское зеркало жестко прикреплено к объективу с возможностью совместного с ним поворота. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, а конкретно к фотометрии и спектрофотометрии, и может быть использовано для фотометрирования малых объемов слабопоглощающих газов или малых образцов.

Известна компактная однообъективная шестиходовая кювета Чернина [1] Недостаток она не допускает изменения и регулировки числа прохождения света.

Прототипом изобретения является однообъективная многоходовая система с регулируемым числом прохождений [2] содержащая источник и приемник излучения в виде входной и выходной щелей, зеркальный коллектив, зеркальный объектив, установленный с возможностью поворота и снабженный механизмом регулировки числа прохождений, и плоское зеркало, расположенное между коллективом и объективом.

В прототипе плоское зеркало неподвижно, регулировка числа прохождений производится поворотом одного объектива относительно плоского зеркала. При этом изменяетcя раccтояние между поверхноcтью плоcкого зеркала и центром кривизны объектива. Шаг расстановки изображений по поверхности коллектива в прототипе пропорционален этому расстоянию. При малом числе прохождений изображения разведены шире, при большем располагаются ближе друг к другу.

Недостатком прототипа является плохая виброустойчивость: в нем зеркально умножается поворот объектива не только из-за вибрации механизма регулировки числа прохождений, но и из-за деформации корпуса.

Кроме того, в системе большие полевые углы, поэтому заметный астигматизм и т.п. даже для малого числа прохождений.

Целью изобретения повышение стабильности и виброустойчивости выходного изображения и уменьшение аберраций в известной компактной однообъективной многоходовой системе с регулируемым числом прохождений.

Сущность изобретения состоит в том, что в однообъективной многоходовой системе с регулируемым числом прохождений, содержащей источник излучения и приемник излучения, зеркальные коллектив и объектив, установленный с возможностью поворота и снабженный механизмом регулировки числа прохождений, и плоское зеркало, расположенное между коллективом и объективом, плоское зеркало жестко прикреплено к объективу с возможностью совместного с ним поворота.

При этом расстояние от отражающей плоскости этого зеркала до центра кривизны объектива остается строго постоянным, а положение относительно коллектива меняется соответственно числу прохождений.

Как и в прототипе, шаг расстановки изображений в этой системе пропорционален дистанции между центром кривизны и плоским зеркалом. Но тут эта дистанция и, следовательно, шаг при любом числе прохождений постоянны.

Так получается требуемый технический эффект: исчезает явление зеркального умножения вибрации корпуса и механизма регулировки числа прохождений. Для большинства прохождений подвижка изображения из-за поворота объектива на некоторый угол компенсируется смещением плоского зеркала, так что выходное, нечетное изображение будет иметь амплитуду вибрации, как если бы оно было результатом однократного отражения от объектива, т.е. вибрация снизилась в N раз.

Кроме того, промежуточные изображения расположены на коллективе с постоянным минимально возможным шагом, а не разбегаются по всей его поверхности. Поэтому при малых числах прохождений можно значительно снизить астигматизм и другие полевые аберрации за счет уменьшения полевых углов.

На чертеже дана в плане оптическая схема и прохождение главного луча в простой однообъективной многоходовой системе с одной строкой изображений.

Для упрощения приводятся случаи настройки системы на малое число прохождений.

В устройстве источник излучения 1, приемник 2 (или входное и выходное окно, или зеркала, вводящие и выводящие излучение, или любые другие устройства с той же функцией) расположены у края основного коллектива 3. Напротив них установлен объектив 4, жестко скрепленный с длинным плоским зеркалом 5. Винто-рычажный механизм 6 позволяет поворачивать объектив 4 вместе с плоским зеркалом 5 для настройки системы на нужное число прохождений вокруг оси, проходящей через точку К, являющуюся центром кривизны коллектива 3. Именно здесь примыкают друг к другу объектив 4 и плоское зеркало 5.

Объектив 4 и коллектив 3 имеют одинаковые радиусы кривизны и центр кривизны С объектива 4 лежит на отражающей поверхности коллектива 3. Так как объектив 4 жестко скреплен с плоским зеркалом 5, дистанция от его центра кривизны С до поверхности этого зеркала d строго постоянна.

Прохождение света в системе можно проследить по главному лучу, показанному на чертеже пунктирной линией. Вид пунктира специально меняется по ходу луча, чтобы облегчить понимание последовательности прохождений.

Свет от источника 1 поступает на объектив 4 и отклоняется сначала на плоское зеркало 5, а потом на коллектив 3. Далее лучи отражаются от зеркал 4, 3, 4, 5, 3, 4 и выходят на приемник или окно 2.

На коллективе 3 формируются промежуточные изображения. В данном варианте выполнения шаг между парами изображений (и между источником излучения и крайним изображением) равен 2d. Для регулировки числа прохождений с помощью механизма 6 поворачивают объектив 4 и зеркало 5 вокруг точки К. При этом центр кривизны скользит по коллективу 3 и зеркало 5 открывает все большую часть его поверхности для размещения изображений (с тем же шагом). Совмещение выходного изображения с приемником 2 происходит только при определенных дискретных позициях этого механизма, практически равноотстоящих друг от друга. При этом погрешности механизма 6 и вибрации сказываются на положении выходного изображения с коэффициентом только 2, при любом числе ходов N (в отличие от 2N у прототипа).

Дистанция d определяется из конструктивных соображений, учитывая размеры источника 1, расходимость лучей на участке между концом плоского зеркала 5 и коллективом 3 и запас на аберрации и погрешности оптики. С этой точки зрения выгодно протянуть плоское зеркало сквозь всю систему почти до коллектива, если система достаточно короткофокусная.

На чертеже приводится случай 10 прохождений, хотя возможно любое число из ряда 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30 и т.д. Максимальное число прохождений определяется конструктивно разумными размерами коллектива и поперечного сечения системы. Например, для 54 прохождений через всю систему нужно сформировать 27 изображений или 14 столбиков изображений, разнесенных вдоль грани коллектива 3, что при шаге 10 мм потребует минимум 140 мм светового размера оптики на "коллективном" конце.

Часть поверхности коллектива 3 пока свободна и будет занята при большем числе столбцов и строк. Так что полевые углы при малом числе прохождений минимальны и минимальны связанные с ними аберрации.

Дополнительные потери света из-за отражений от плоского зеркала 5 вполне компенсируются в этих системах возможностью использования большей апертуры.

Преимуществом этих систем является высокая концентрация излучения в малом объеме фотометрируемого газа или на малом образце при большом и регулируемым в широких пределах числе прохождений. Это полезно при исследованиях в газоанализаторах, особенно, портативных, в нагреваемых или охлаждаемых системах, лазерной технике, ударных трубах.

Одним из возможных ее применений могло быть построение компактного абсолютного мультирефлектометра для плоских зеркал.

Формула изобретения

ОДНООБЪЕКТИВНАЯ МНОГОХОДОВАЯ СИСТЕМА С РЕГУЛИРУЕМЫМ ЧИСЛОМ ПРОХОЖДЕНИЙ, содержащая источник и приемник излучения, зеркальные коллектив и сферический объектив, установленный с возможностью поворота и снабженный механизмом регулировки числа прохождений, и плоское зеркало, расположенное между коллективом и объективом, отличающаяся тем, что плоское зеркало жестко прикреплено к объективу с возможностью совместного с ним поворота.

РИСУНКИ

Рисунок 1