Патент на изобретение №2276336

(54) СПЕКТРОРАДИОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Спектрорадиометр включает оптически сопряженные входной объектив, монохроматор, построенный по схеме Уолша, и приемник излучения, при этом зеркало Литтрова зафиксировано в положении, обеспечивающем вписывание полного изображения исследуемого спектра внутри выходной щели монохроматора, в плоскости которой размещено сканирующее устройство, включающее непрозрачный элемент, сканирующий в направлении дисперсии. Технический результат – повышение точности результатов спектральных измерений. 3 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при исследованиях спектроэнергетических характеристик излучения подвижных нестационарных объектов.

В практике полевых измерений наиболее широкое применение нашли сравнительно простые и компактные спектрометры, построенные по схеме Уолша (см., например, книгу В.А.Ватина и др. “Светосильные спектральные приборы”, м.1988, стр.19). Они включают входной объектив, призменный монохроматор со сканирующим зеркалом Литтрова, приемник излучения и электронный тракт. Для того чтобы в электронном тракте использовать усилители переменного тока в оптическую схему спектрометров вводят модулятор излучения, устанавливаемый, как правило, в непосредственной близости от входной щели монохроматора. Типичной погрешностью таких спектрометров, вызванной необходимостью иметь достаточно большое мгновенное поле зрения, является погрешность привязки регистрируемых спектров к шкале длин волн, возникающая за счет перемещения изображения источника излучения внутри входной щели в процессе сопровождения исследуемого объекта.

Избавиться от этой погрешности позволило введение в конструкцию прибора опорного источника излучения и дополнительного приемника излучения, оптически сопряженных через модулятор. Это устройство позволило распознавать перемещение изображения объекта в пределах входной щели путем измерения разности фаз между опорным и регистрируемым сигналами.

Однако указанная конструкция обладает рядом недостатков, снижающих точность результатов измерений. Основной причиной погрешностей является зеркало Литтрова, совершающее возвратно-вращательное движение. Возникающие при этом люфты вносят погрешности в привязку спектров к шкале длин волн. Кроме того, сравнительно низкое быстродействие спектрометра, ограниченное инерционностью сканирующего устройства, приводит к возможности появления погрешности, связанной с изменением характеристик излучения объекта за время регистрации спектра.

Техническим результатом изобретения является повышение точности результатов спектральных измерений.

Спектрорадиометр включает оптически сопряженные входной объектив, монохроматор, построенный по схеме Уолша, и приемник излучения, при этом зеркало Литтрова зафиксировано в положении, обеспечивающем вписывание полного изображения исследуемого спектра внутри выходной щели монохроматора, в плоскости которой размещено сканирующее устройство, включающее непрозрачный элемент, сканирующий в направлении дисперсии.

Для достижения поставленной цели предлагается зафиксировать зеркало Литтрова в положении, обеспечивающем формирование полного изображения исследуемого спектра в плоскости выходной щели монохроматора, которая раскрывается настолько, чтобы вписать этот спектр. В плоскости выходной щели устанавливается сканирующее устройство, осуществляющее перекрытие части изображения, спектра непрозрачным элементом, перемещающимся в направлении дисперсии.

Предложенная конструкция полевого спектрорадиометра характеризуется следующими отличительными признаками:

а) зеркало Литтрова зафиксировано;

б) положение зеркала Литтрова обеспечивает вписывание полного изображения спектра внутри выходной щели монохроматора;

в) сканирующее устройство размещено в плоскости выходной щели монохроматора;

г) сканирование по спектру осуществляется перемещением в направлении дисперсии непрозрачного элемента.

На фиг.1 представлена оптическая схема спектрометра, включающая входной объектив 1, входную щель монохроматора 2, объектив монохроматора 3, призму 4, зеркало Литтрова 5 и сканирующее устройство 6, оптически сопряженное с помощью дополнительной оптической системы 7 с приемником излучения 8. Возможные варианты конструкций сканирующего устройства показаны на фиг.2 и фиг.3. На фиг.2 приведен вариант выполнения сканирующего устройства в виде замкнутого транспортера 9, натянутого на валы 10 и 11, один из которых является приводным. Непрозрачный элемент (элементы) 12, закрепленный на транспортере, перекрывает часть изображения спектра в выходной щели монохроматора 13. Фиг.3 демонстрирует выполнение сканирующего элемента в виде спирального растра, вращающегося вокруг своей оси.

Изображение исследуемого объекта (см. фиг.1) формируется объективом 1 в плоскости входной щели 2. Монохроматор, построенный по автоколлимационной схеме, осуществляет дисперсию излучения (диспергированная часть показана пунктиром) и создает изображение спектра в фокальной плоскости объектива 3, где размещается сканирующее устройство. Изображение спектра проецируется на чувствительную площадку приемника излучения 8 с помощью объектива 7. Величина потока излучения, падающего на приемник, представляет собой разность между полным потоком и потоком, вырезаемым из спектра непрозрачным элементом:

где – поток, регистрируемый приемником излучения;

– длина волны излучения;

₁ и ₂ – границы исследуемого спектрального диапазона;

Ф() – спектральная плотность потока излучения;

– спектральная ширина непрозрачного элемента.

Если входной поток за время сканирования по спектру не изменяется, то первый интеграл в выражении (1) представляет собой константу и результат измерений зависит только от спектрального состава излучения исследуемого объекта. В противном случае, предложенное устройство позволяет контролировать величину интегрального потока в те моменты, когда значение второго интеграла в выражении (1) равно 0. Это происходит, когда непрозрачный элемент находится за пределами исследуемого спектрального интервала или когда центр непрозрачного элемента совпадает с центром сильной полосы поглощения, если спектральная ширина непрозрачного элемента не превышает ширины этой полосы. При измерениях в ПК области спектра такими полосами могут служить достаточно широкие полосы атмосферного поглощения Н₂О в районе 2,7 мкм и СО в районе 4,3 мкм, где происходит практически полное поглощение даже на сравнительно коротких измерительных трассах.

Кроме контроля интегрального потока, предложенное устройство дает возможность повысить быстродействие и точность измерений за счет отсутствия люфтов при одностороннем и равномерном движении сканирующего устройства. Особенно перспективной представляется конструкция сканирующего устройства, показанная на фиг.3, в которой имеется принципиальная возможность изменять режимы сканирования при постоянной скорости вращения растра за счет изменения формы и ширины спирали.

Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

– предлагаемое устройство предназначено для использования в промышленности, а именно при исследованиях спектроэнергетических характеристик излучения;

– для заявленного устройства в том виде, как оно изложено выше, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Формула изобретения

Спектрорадиометр, включающий оптически сопряженные входной объектив, монохроматор, построенный по схеме Уолша, и приемник излучения, отличающийся тем, что зеркало Литтрова зафиксировано в положении, обеспечивающем вписывание полного изображения исследуемого спектра внутри выходной щели монохроматора, в плоскости которой размещено сканирующее устройство, включающее непрозрачный элемент, сканирующий в направлении дисперсии.

РИСУНКИ