[go: up one dir, main page]

RU2375686C2 - Multichannel spectrometre - Google Patents

Multichannel spectrometre Download PDF

Info

Publication number
RU2375686C2
RU2375686C2 RU2007126261/28A RU2007126261A RU2375686C2 RU 2375686 C2 RU2375686 C2 RU 2375686C2 RU 2007126261/28 A RU2007126261/28 A RU 2007126261/28A RU 2007126261 A RU2007126261 A RU 2007126261A RU 2375686 C2 RU2375686 C2 RU 2375686C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diffraction grating
output mirror
photodetector
mirror
output
Prior art date
Application number
RU2007126261/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007126261A (en
Inventor
Владимир Александрович Лабусов (RU)
Владимир Александрович Лабусов
Игорь Александрович Зарубин (RU)
Игорь Александрович Зарубин
Максим Сергеевич Саушкин (RU)
Максим Сергеевич Саушкин
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Вмк-Оптоэлектроника"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Вмк-Оптоэлектроника" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Вмк-Оптоэлектроника"
Priority to RU2007126261/28A priority Critical patent/RU2375686C2/en
Publication of RU2007126261A publication Critical patent/RU2007126261A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2375686C2 publication Critical patent/RU2375686C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics; optics.
SUBSTANCE: invention relates to analytical instrument making. The spectrometer has an entrance slit lying at the focus of a concave input mirror, optically connected to a plane diffraction grating which lies at a distance of 0.85 of the focal length of the concave output mirror, at the focus of which there is a multi-element photodetector, which is connected to an electronic unit for controlling the said photodetector and processing its output signals. The novelty is that, the diffraction grating and the output mirror can rotate about axes which pass through the centres of their surfaces and perpendicular the meridian plane. Arresting devices are fitted for the said diffraction grating and output mirror, which prevents the zero order of the diffraction grating, reflected from the output mirror, from falling on the working surface of the diffraction grating.
EFFECT: reduced detection limits due to reduced level of background radiation.
9 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к спектральным приборам, и может быть использовано, например, для создания малогабаритного, высокочувствительного и широкополосного многоканального спектрометра.The invention relates to analytical instrumentation, namely to spectral devices, and can be used, for example, to create a small, highly sensitive and broadband multi-channel spectrometer.

Спектральные приборы осуществляют разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие для качественного и количественного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого либо рассеиваемого веществом. Исследования позволяют судить о химическом составе вещества и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом. При проведении исследований в условиях мобильных лабораторий необходимо, чтобы спектральный прибор отвечал следующим требованиям:Spectral devices decompose the electromagnetic radiation of the optical range into monochromatic components for a qualitative and quantitative study of the spectral composition of the light emitted, absorbed, reflected or scattered by the substance. Studies allow us to judge the chemical composition of matter and the nature of physical processes associated with the emission or interaction of light with matter. When conducting research in the conditions of mobile laboratories, it is necessary that the spectral device meets the following requirements:

- был компактным из-за ограниченного объема мобильной лаборатории, которая может располагаться на базе легкового автомобиля;- It was compact due to the limited volume of the mobile laboratory, which can be located on the basis of a car;

- обладал возможностью выбора рабочего спектрального диапазона и разрешения для решения разных задач, связанных с обнаружением широкого круга веществ;- had the ability to choose the working spectral range and resolution for solving various problems associated with the detection of a wide range of substances;

- имел высокое быстродействие для получения результатов измерений в реальном времени;- had high speed to obtain measurement results in real time;

- обладал высокой надежностью и долговечностью, что обеспечивает высокую работоспособность при длительном сроке эксплуатации;- It had high reliability and durability, which ensures high performance with a long service life;

- имел низкие пределы обнаружения, позволяющие с высокой точностью проводить количественный анализ проб.- had low detection limits, allowing quantitative analysis of samples with high accuracy.

Известен спектральный прибор производства Carl Zeiss, содержащий корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система, состоящая из входной щели и вогнутой дифракционной решетки, расположенных по схеме Пашена-Рунге. Выход оптической системы соединен с регистрирующим устройством на основе линейного многоэлементного фотодетектора (http://www.tec5hellma.com/Download/Literature/Product%20Information/Spectrometers/MCSPDA_t5U.pdf). Благодаря малому количеству оптических элементов спектральный прибор обладает низким уровнем фонового излучения.A known spectral device manufactured by Carl Zeiss, comprising a housing with an entrance window, inside which an optical system is installed, consisting of an entrance slit and a concave diffraction grating, arranged according to the Paschen-Runge scheme. The output of the optical system is connected to a recording device based on a linear multi-element photodetector (http://www.tec5hellma.com/Download/Literature/Product%20Information/Spectrometers/MCSPDA_t5U.pdf). Due to the small number of optical elements, the spectral device has a low level of background radiation.

Основным недостатком указанного спектрометра является кривизна поверхности фокусировки, значительно ухудшающая спектральное разрешение спектрометра (в 4-5 раз), за счет ее отклонения от плоской поверхности фотодетектора на 0,5 мм при глубине фокуса 0,15 мм.The main disadvantage of this spectrometer is the curvature of the focusing surface, which significantly degrades the spectral resolution of the spectrometer (4-5 times) due to its deviation from the flat surface of the photodetector by 0.5 mm at a focal depth of 0.15 mm.

Известен спектральный прибор, содержащий корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система, состоящая из входной щели, двух вогнутых зеркал и плоской дифракционной решетки, расположенных по горизонтальной схеме Эберта-Фасти. Выход оптической системы соединен с регистрирующим устройством на основе фотопластинок (см. И.В.Пейсахсон Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб. - Л.: Машиностроение, 1975 г., 312 с.). Спектральный прибор имеет широкий рабочий спектральный диапазон, позволяет проводить изменение спектрального диапазона путем вращения дифракционной решетки и имеет высокое разрешение.A known spectral device containing a housing with an entrance window, inside which an optical system is installed, consisting of an entrance slit, two concave mirrors and a flat diffraction grating, located according to the horizontal Ebert-Fasti scheme. The output of the optical system is connected to a recording device based on photographic plates (see I.V. Peysakhson Optics of Spectral Instruments. Ed. 2nd, add. And revised. - L .: Mashinostroenie, 1975, 312 p.). The spectral device has a wide operating spectral range, allows you to change the spectral range by rotating the diffraction grating and has a high resolution.

Основными недостатками указанного спектрометра являются: во-первых, повышенный уровень фонового излучения при углах поворота дифракционной решетки, обеспечивающих требуемые рабочие спектральные диапазоны, но при этом допускающих попадание отраженного нулевого порядка на дифракционную решетку.The main disadvantages of this spectrometer are: firstly, the increased level of background radiation at the angles of rotation of the diffraction grating, providing the required working spectral ranges, but at the same time allowing the reflection of the zero order on the diffraction grating.

Во-вторых, использование устаревшей системы регистрации спектров на основе фотопластинок требует длительного и сложного процесса проявления, что ограничивает использование прибора в составе мобильной лаборатории, работающей в реальном времени.Secondly, the use of an outdated system for recording spectra based on photographic plates requires a long and complex development process, which limits the use of the device as part of a real-time mobile laboratory.

Наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является многоканальный спектрометр «Колибри» (см. Лабусов В.А. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Многоканальные анализаторы оптических изображений для атомно-эмиссионного спектрального анализа», ИАиЭ СО РАН, 2005 г., 241 с.). Спектрометр состоит из корпуса с входным окном, внутри которого расположена оптическая система, состоящая из входной щели, двух вогнутых зеркал и плоской дифракционной решетки, расположенных по горизонтальной схеме Эберта-Фасти. Выход оптической системы соединен с регистрирующим устройством на основе линейного многоэлементного фотодетектора. Спектрометр позволяет проводить измерения одновременно в широком спектральном диапазоне в реальном времени, имеет малые габариты.The closest to the claimed device (prototype) is a multiband spectrometer "Hummingbird" (see Labusov VA. Thesis for the degree of candidate of technical sciences "Multichannel optical image analyzers for atomic emission spectral analysis", IAE SB RAS, 2005 , 241 p.). The spectrometer consists of a housing with an entrance window, inside of which there is an optical system consisting of an entrance slit, two concave mirrors and a flat diffraction grating, arranged according to the horizontal Ebert-Fasti scheme. The output of the optical system is connected to a recording device based on a linear multi-element photodetector. The spectrometer allows measurements to be taken simultaneously in a wide spectral range in real time, and has small dimensions.

Основным недостатком указанного спектрометра является то, оптическая схема, как и у вышеприведенного аналога, допускает попадание «нулевого порядка» на рабочую поверхность дифракционной решетки, который раскладывается в «паразитный» спектр, фокусируемый выходным зеркалом на поверхности фотодетектора. Это приводит к существенному повышению уровня рассеянного излучения.The main disadvantage of this spectrometer is that the optical scheme, like that of the above analogue, allows a “zero order” to hit the working surface of the diffraction grating, which is expanded into a “spurious” spectrum focused by the output mirror on the photodetector surface. This leads to a significant increase in the level of scattered radiation.

Задачей заявленного изобретения является устранение указанного недостатка, а именно снижение пределов обнаружения искомых веществ за счет снижения уровня фонового излучения.The objective of the claimed invention is to eliminate this drawback, namely, reducing the detection limits of the desired substances by reducing the level of background radiation.

Указанная задача в многоканальном спектрометре, содержащем корпус с горизонтальной оптической схемой, включающей входную щель, находящуюся в фокусе вогнутого входного зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой, расположенной на расстоянии 0,85 фокусного расстояния вогнутого выходного зеркала, в фокусе которого расположен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления фотодетектора и обработки его выходных сигналов, решена тем, что дифракционная решетка и выходное зеркало установлены на поворотных платформах с возможностью вращения относительно оси, проходящей через центры их поверхностей и перпендикулярные меридиональной плоскости, оборудованных ограничителями поворота, при этом ограничители поворота выходного зеркала не допускают попадание нормали, восстановленной к краю зеркальной поверхности выходного зеркала, ближайшего к входному зеркалу, на рабочую поверхность дифракционной решетки.The indicated problem is in a multichannel spectrometer containing a housing with a horizontal optical circuit including an entrance slit located in the focus of a concave input mirror optically coupled to a plane diffraction grating located at a distance of 0.85 of the focal length of the concave output mirror, in the focus of which there is a multi-element photodetector, connected to the electronic control unit of the photodetector and processing its output signals, it is decided that the diffraction grating and the output mirror are mounted on rotating platforms with the possibility of rotation about an axis passing through the centers of their surfaces and perpendicular to the meridional plane equipped with rotation limiters, while the rotation limiters of the output mirror do not allow the normal restored to the edge of the mirror surface of the output mirror closest to the input mirror to the diffraction working surface lattice.

Известно, что для компенсации комы децентрировки центрального луча горизонтальной оптической схемы Эберта-Фасти существует строгая математическая формула:It is known that to compensate for the coma of decentration of the central beam of the horizontal optical Ebert-Fasti scheme, there is a strict mathematical formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где α1 и α2 - углы между падающими и отраженными от зеркал главными лучами, φ - угол падения на дифракционную решетку, φ' - угол дифракции для средней длины волны рабочего спектрального диапазона. В этом случае наилучшее разрешение достигается в середине рабочего спектрального диапазона. Однако при изменении рабочего спектрального диапазона за счет поворота дифракционной решетки, для некоторых углов ее поворота нулевой порядок, попадая на выходное зеркало и отражаясь от него, возвращается на дифракционную решетку и раскладывается в «паразитный» спектр, повышающий уровень фона в зарегистрированном спектре и соответственно повышающий (ухудшающий) пределы обнаружения.where α 1 and α 2 are the angles between the main rays incident and reflected from the mirrors, φ is the angle of incidence on the diffraction grating, φ 'is the diffraction angle for the average wavelength of the working spectral range. In this case, the best resolution is achieved in the middle of the working spectral range. However, when the working spectral range is changed due to rotation of the diffraction grating, for some angles of rotation, the zeroth order, falling on the output mirror and reflected from it, returns to the diffraction grating and decomposes into a “spurious” spectrum, which increases the background level in the recorded spectrum and accordingly increases (degrading) detection limits.

Возможность вращения выходного зеркала позволяет устанавливать его в соответствии с формулой (1) при изменении угла падения на дифракционную решетку.The possibility of rotation of the output mirror allows you to set it in accordance with formula (1) when changing the angle of incidence on the diffraction grating.

Для определенных углов падения на дифракционную решетку положение выходного зеркала, удовлетворяющее формуле (1), таково, что отраженный от нее нулевой порядок попадает на дифракционную решетку. Чтобы устранить попадание нулевого порядка на дифракционную решетку, установлены ограничители поворота выходного зеркала, задающие максимально возможный угол поворота выходного зеркала. При таком угле нормаль, восстановленная к краю выходного зеркала, ближайшему к входному зеркалу, не попадает на рабочую поверхность дифракционной решетки.For certain angles of incidence on the diffraction grating, the position of the output mirror, satisfying formula (1), is such that the zero order reflected from it falls onto the diffraction grating. To eliminate the entry of a zero order onto the diffraction grating, the output mirror rotation limiters are installed, which specify the maximum possible angle of rotation of the output mirror. At such an angle, the normal restored to the edge of the output mirror closest to the input mirror does not fall on the working surface of the diffraction grating.

Таким образом, при любом угле поворота дифракционной решетки отраженный нулевой порядок не попадает на нее, тем самым значительно снижается уровень фонового излучения, из-за которого повышаются пределы обнаружения элементов проб.Thus, at any angle of rotation of the diffraction grating, the reflected zero order does not fall on it, thereby significantly reducing the level of background radiation, due to which the limits of detection of sample elements are increased.

В качестве ограничителей поворота могут быть использованы механические упоры, препятствующие повороту выходного зеркала на запрещенный угол, при котором нормаль, восстановленная к краю выходного зеркала, пересекает край рабочей поверхности дифракционной решетки.As stops of rotation, mechanical stops can be used that prevent the output mirror from turning at a forbidden angle at which the normal restored to the edge of the output mirror crosses the edge of the working surface of the diffraction grating.

Также в качестве ограничителей поворота может быть использован механический привод с ручным управлением или электромеханический привод, управляемый с помощью компьютерной программы и позволяющий наиболее точно позиционировать выходное зеркало по отношению к дифракционной решетке и тем самым получать наилучшее спектральное разрешение прибора.Also, as a rotation limiter, a manually controlled mechanical drive or an electromechanical drive controlled by a computer program can be used and allows the most accurate positioning of the output mirror with respect to the diffraction grating and thereby obtain the best spectral resolution of the device.

Для упрощения юстировки спектрометра изменение угла поворота дифракционной решетки осуществляется с помощью поворотной платформы, оборудованной механическим приводом с ручным управлением или электромеханическим приводом, управляемым с помощью компьютерной программы.To simplify the adjustment of the spectrometer, the angle of rotation of the diffraction grating is changed using a rotary platform equipped with a mechanical drive with manual control or an electromechanical drive controlled by a computer program.

Для предотвращения попадания излучения, отраженного от фоточувствительной области фотодетектора, на выходное зеркало фотодетектор установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. За счет этого отраженное от фотодетектора излучение направляется выше или ниже выходного зеркала, где поглощается на антибликовой поверхности корпуса, которая может быть выполнена, например, в виде анодно-оксидированного покрытия черного цвета.To prevent the radiation reflected from the photosensitive region of the photodetector from getting into the output mirror, the photodetector is mounted for rotation around its longitudinal axis. Due to this, the radiation reflected from the photodetector is directed above or below the output mirror, where it is absorbed on the anti-reflective surface of the housing, which can be made, for example, in the form of an anodized oxide coating of black color.

Для точной установки в плоскость фокусировки спектра фотодетектор расположен на подвижной платформе, установленной с возможностью перемещения перпендикулярно продольной оси детектора и поворота вокруг нормали к меридиональной плоскости, восстановленной из центра фотодетектора.For accurate installation in the spectrum focusing plane, the photodetector is located on a movable platform mounted to move perpendicularly to the longitudinal axis of the detector and rotate around the normal to the meridional plane recovered from the center of the photodetector.

Таким образом, устранение попадания отраженного нулевого порядка на дифракционную решетку и использование наклонного подвижного фотодетектора позволяет существенно уменьшить уровень фоновой засветки внутри спектрометра, тем самым значительно понизить пределы обнаружения спектрометра, что не имеет аналогов среди технических решений, используемых в современных спектрометрах, а значит, заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».Thus, the elimination of the reflection of the zero order on the diffraction grating and the use of an inclined movable photodetector can significantly reduce the level of background illumination inside the spectrometer, thereby significantly lowering the detection limits of the spectrometer, which has no analogues among the technical solutions used in modern spectrometers, which means that the claimed the solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 и фиг.2 представлены схемы заявляемого устройства в меридиональной плоскости, поясняющие принцип работы заявляемого спектрометра.Figure 1 and figure 2 presents a diagram of the inventive device in the meridional plane, explaining the principle of operation of the inventive spectrometer.

На фиг.3 представлен вид фотодетектора, установленного на подвижной платформе, в сагиттальной плоскости.Figure 3 presents the view of the photodetector mounted on a movable platform in the sagittal plane.

На фиг.4 представлены примеры регистрируемых спектральных интервалов для трех дифракционных решеток с разным количеством штрихов на мм.Figure 4 presents examples of the recorded spectral intervals for three diffraction gratings with a different number of strokes per mm.

На фиг.5 показаны спектральные линии в центре рабочего спектрального диапазона для прототипа и для заявляемого устройства, полученные путем моделирования в программе Zemax.Figure 5 shows the spectral lines in the center of the working spectral range for the prototype and for the inventive device, obtained by simulation in the Zemax program.

На фиг.6 показан уровень фона внутри корпуса заявляемого спектрометра и прототипа.Figure 6 shows the background level inside the housing of the claimed spectrometer and prototype.

Спектрометр (фиг.1) содержит корпус 1, входное окно 2, входную щель переменной ширины 3, входное сферическое зеркало 4, плоскую дифракционную решетку 5, выходное сферическое зеркало 6, фотодетектор 7, подвижную платформу 8, юстировочные винты 9, электронной блок управления и регистрации сигналов многоэлементного фотодетектора 10, компьютер 11, входное излучение 12, ограничители поворота дифракционной решетки 13, ограничители поворота выходного зеркала 14, нулевой порядок 15, продольную ось фотодетектора 16, подвижные платформы 17 и 18.The spectrometer (Fig. 1) comprises a housing 1, an entrance window 2, an entrance slit of variable width 3, an input spherical mirror 4, a flat diffraction grating 5, an output spherical mirror 6, a photodetector 7, a movable platform 8, alignment screws 9, an electronic control unit and registration of signals of a multi-element photodetector 10, computer 11, input radiation 12, rotation limiters of the diffraction grating 13, rotation limiters of the output mirror 14, zero order 15, the longitudinal axis of the photodetector 16, movable platforms 17 and 18.

Спектрометр (фиг.2) дополнительно содержит электроприводы 19 и 20.The spectrometer (figure 2) further comprises electric drives 19 and 20.

Вид А (фиг.3) дополнительно содержит перпендикуляр к меридиональной плоскости 21, проведенный через центр фотодетектора, радиатор 22 фотодетектора.View A (FIG. 3) further comprises a perpendicular to the meridional plane 21, drawn through the center of the photodetector, the photodetector radiator 22.

Рассмотрим работу спектрометра, представленного на фиг.1. Излучение 12, направляемое в спектрометр, проходит через входное окно 2 и входную щель 3. Из входной щели излучение падает на сферическое коллимирующее зеркало 4, которое преобразует расходящийся пучок в параллельный. Далее свет попадает на дифракционную решетку 5, имеющую ограничители поворота 13. Решетка раскладывает излучение в спектр разных порядков. При этом нулевой порядок может попасть на выходное зеркало 6 и, отразившись от него, вернуться на дифракционную решетку 5 и далее разложиться в паразитный спектр, который значительно повысит уровень фона внутри корпуса спектрометра (см. график 25, фиг.6). За счет ограничения угла поворота выходного зеркала 6 исключено попадание нулевого порядка на дифракционную решетку. Спектр рабочего порядка дифракции направляется на выходное зеркало 6, которое преобразует параллельные монохроматические пучки в сходящиеся, с фокусировкой на фотодетекторе 7. Для точной установки в плоскость фокусировки спектра фотодетектор расположен на платформе 8, вращаемой вокруг перпендикуляра 21 с помощью юстировочных винтов 9. Часть падающего на фотодетектор излучения отражается, но благодаря наклону фотодетектора вокруг его продольной оси 16 исключено попадание отраженного излучения на выходное зеркало 6. Сигнал с фотодетектора поступает в электронный блок управления и регистрации сигналов 10 многоэлементного фотодетектора 7. Данные с электронного блока 10 передаются в компьютер 11 по кабелю Ethernet. Математическая обработка выходного сигнала, его визуализация и т.д. проводится с помощью программы «Атом». Возможность вращения и смены дифракционной решетки позволяет изменять рабочий спектральный диапазон и спектральное разрешение прибора. Это, в свою очередь, позволяет регистрировать (см. фиг.4) на заявляемом спектрометре как обзорный спектр с низкой дисперсией (К15) для оценки состава пробы, так и спектральные интервалы (M13, М35) и (N12, N24 и N45) со средней и высокой дисперсией, необходимой для количественного анализа состава пробы.Consider the operation of the spectrometer shown in figure 1. Radiation 12 directed to the spectrometer passes through the input window 2 and the input slit 3. From the input slit, the radiation is incident on a spherical collimating mirror 4, which converts the diverging beam into a parallel one. Next, the light enters the diffraction grating 5, which has rotation limiters 13. The grating spreads the radiation into a spectrum of different orders. In this case, the zeroth order can fall on the output mirror 6 and, reflected from it, return to the diffraction grating 5 and then decompose into a spurious spectrum, which will significantly increase the background level inside the spectrometer case (see graph 25, Fig. 6). Due to the limitation of the angle of rotation of the output mirror 6, it is impossible to get a zero order on the diffraction grating. The spectrum of the working diffraction order is directed to the output mirror 6, which converts the parallel monochromatic beams to converging, focusing on the photodetector 7. For accurate installation in the plane of focusing of the spectrum, the photodetector is located on platform 8, rotated around perpendicular 21 using adjustment screws 9. Part of the incident on the radiation photodetector is reflected, but due to the tilt of the photodetector around its longitudinal axis 16, the reflected radiation is prevented from reaching the output mirror 6. Signal from the photodetector enters into the electronic control unit 10 and signal detection multielement photodetector 7. The data from the electronic control unit 10 are transmitted to the computer 11 by Ethernet cable. Mathematical processing of the output signal, its visualization, etc. conducted using the Atom program. The possibility of rotation and change of the diffraction grating allows you to change the operating spectral range and spectral resolution of the device. This, in turn, allows you to record (see figure 4) on the inventive spectrometer as an overview spectrum with low dispersion (K 15 ) for assessing the composition of the sample, and spectral ranges (M 13 , M 35 ) and (N 12 , N 24 and N 45 ) with medium and high dispersion necessary for the quantitative analysis of the composition of the sample.

При повороте дифракционной решетки выходное зеркало необходимо поворачивать на угол, определяемый из формулы (1), это позволяет получить наилучшее спектральное разрешение прибора в центре рабочего спектрального диапазона и минимальное ухудшение на его краях. Если угол падения на дифракционную решетку и угол поворота выходного зеркала, определямый из формулы (1) таковы, что отраженный от выходного зеркала нулевой порядок попадает на дифракционную решетку, то поворот выходного зеркала задается таким, чтобы нормаль, восстановленная к краю выходного зеркала, ближайшему к входному зеркалу, не попадала на рабочую область дифракционной решетки. Для этого служат ограничители поворота выходного зеркала.When rotating the diffraction grating, the output mirror must be rotated by an angle determined from formula (1), this allows one to obtain the best spectral resolution of the device at the center of the working spectral range and minimal deterioration at its edges. If the angle of incidence on the diffraction grating and the angle of rotation of the output mirror, determined from formula (1), are such that the zeroth order reflected from the output mirror hits the diffraction grating, then the rotation of the output mirror is set so that the normal restored to the edge of the output mirror closest to input mirror, did not fall on the working area of the diffraction grating. To do this, limit the rotation of the output mirror.

Аналогичным образом работает спектрометр, представленный на фиг.2. В этом случае синхронный поворот выходного зеркала 6 и дифракционной решетки 5 проводится с помощью компьютера 11 программным способом за счет изменения углов положения поворотных платформ 17 и 18. Например, для детального рассмотрения спектрального диапазона с границами λ1…λ5 (см. фиг.4), полученной при использовании дифракционной решетки с числом штр/мм - К и угле падения К15, оператор в зависимости от необходимой ему дисперсии устанавливает в прибор дифракционную решетку с числом штр/мм - М или N и далее выбирает анализируемый спектральный диапазон путем поворота дифракционной решетки на соответствующий угол. Примеры используемых решеток, углы падения на них и соответствующие рабочие спектральные диапазоны и дисперсии прибора приведены в таблице.The spectrometer shown in FIG. 2 operates in a similar manner. In this case, the synchronous rotation of the output mirror 6 and the diffraction grating 5 is carried out using a computer 11 programmatically by changing the angles of the position of the rotary platforms 17 and 18. For example, for a detailed consideration of the spectral range with boundaries λ 1 ... λ 5 (see figure 4 ) obtained using a diffraction grating with a number of lines / mm - K and an incidence angle of K 15 , the operator, depending on the dispersion he needs, installs a diffraction grating with a number of lines / mm - M or N in the device and then selects the analyzed spectral range by rotating the diffraction grating at an appropriate angle. Examples of used gratings, angles of incidence on them and the corresponding working spectral ranges and dispersions of the device are given in the table.

Штр/ммShtr / mm Угол паденияAngle of incidence Спектральный интервалSpectral range ДисперсияDispersion К=320K = 320 К15=11.1°K 15 = 11.1 ° λ1…λ5=190…1100 нмλ 1 ... λ 5 = 190 ... 1100 nm 28 нм/мм28 nm / mm М=660M = 660 M13=9.62°M 13 = 9.62 ° λ1…λ3=190…645 нмλ 1 ... λ 3 = 190 ... 645 nm 14 нм/мм14 nm / mm М35=2.2°M 35 = 2.2 ° λ3…λ5=645…1100 нмλ 3 ... λ 5 = 645 ... 1100 nm 14 нм/мм14 nm / mm N=1000N = 1000 N12=7.97°N 12 = 7.97 ° λ1…λ2=190…493 нмλ 1 ... λ 2 = 190 ... 493 nm 9,3 нм/мм9.3 nm / mm N24=0.77°N 24 = 0.77 ° λ2…λ4=493…797 нмλ 2 ... λ 4 = 493 ... 797 nm 9,3 нм/мм9.3 nm / mm N45=-5.39°N 45 = -5.39 ° λ4…λ5=797…1100 нмλ 4 ... λ 5 = 797 ... 1100 nm 9,3 нм/мм9.3 nm / mm

Компьютерное моделирование в программе Zemax (www.zemax.com) позволяет получить контур спектральной линии (см. фиг.5) без учета дискретности фотодетектора. При учете дискретности полученное уширение на 7% спектральной линии 24 по сравнению с линией 23 практически не ухудшает спектральное разрешение прибора, но за счет исключения попадания отраженного нулевого порядка на дифракционную решетку уровень фона внутри заявляемого спектрометра (25) уменьшился по сравнению с уровнем фона прототипа (26) на 500%, что позволяет говорить о резком снижении у заявляемого спектрометра пределов обнаружения элементов в пробе.Computer simulation in the Zemax program (www.zemax.com) allows you to get the contour of the spectral line (see figure 5) without taking into account the resolution of the photodetector. When taking into account the discreteness, the obtained broadening by 7% of the spectral line 24 compared to line 23 practically does not degrade the spectral resolution of the device, but due to the exclusion of the reflected zero order on the diffraction grating, the background level inside the inventive spectrometer (25) decreased compared to the background level of the prototype ( 26) by 500%, which allows us to talk about a sharp decrease in the inventive spectrometer of the detection limits of elements in the sample.

Примеры реализацииImplementation examples

Вариант выполнения 1. Был изготовлен макет малогабаритного спектрометра по оптической схеме Эберта-Фасти. Оптическая схема спектрометра включала входную щель шириной 15 мкм. В качестве входного и выходного зеркал использовались два зеркала с одинаковым радиусом кривизны 200 мм. Перед входным окном спектрометра была установлена линза для фокусировки анализируемого излучения на входной щели. Изменение рабочего спектрального диапазона осуществлялось поворотом платформ, на которых установлены дифракционная решетка и выходное зеркало. В качестве многоэлементного фотодетектора использовалась линейка фотодиодов БЛПП-369 (количество фотодиодов 2580, шаг размещения 12,5 мкм и высота 1 мм, динамический диапазон 104).Embodiment 1. A small-sized spectrometer was manufactured according to the Ebert-Fasti optical scheme. The optical scheme of the spectrometer included an entrance slit 15 μm wide. Two mirrors with the same radius of curvature of 200 mm were used as input and output mirrors. A lens was mounted in front of the spectrometer's input window to focus the analyzed radiation on the input slit. The change in the working spectral range was carried out by turning the platforms on which the diffraction grating and the exit mirror were installed. The BLPP-369 line of photodiodes was used as a multi-element photodetector (the number of photodiodes is 2580, the placement step is 12.5 μm and the height is 1 mm, the dynamic range is 10 4 ).

Фоточувствительная поверхность линейки устанавливается в область наилучшей фокусировки спектра с помощью винтов с микрометрической резьбой, установленных по краям платформы и позволяющих юстировать фотодетектор в плоскости регистрации. В качестве электронного блока использовался блок электронной регистрации многоканального анализатора атомно-эмиссионного спектра (МАЭС), являющегося средством измерения интенсивности спектральных линий (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений РФ под №21013-01) и производимый предприятием ООО «ВМК-Оптоэлектроника», г.Новосибирск. Данные с электронного блока передавались в компьютер по кабелю Ethernet. Математическая обработка выходного сигнала, его визуализация и т.д. проводились с помощью программы «Атом» (свидетельство регистрации №2004611127). Спектрометр имел следующие технические характеристики: рабочий спектральный диапазон - 390-860 нм; обратная линейная дисперсия - 0,19 нм/диод; фокусное расстояние - 100 мм; относительное отверстие - 1:6; минимальное время экспозиции - 10 мс; максимальное время экспозиции - не ограничено; габариты - 150×200×80 мм3; вес - 3 кг.The photosensitive surface of the ruler is installed in the region of the best focusing of the spectrum with the help of screws with micrometric thread mounted on the edges of the platform and allowing you to align the photo detector in the registration plane. As an electronic unit, we used the electronic registration unit of a multi-channel atomic emission spectrum analyzer (MAES), which is a means of measuring the intensity of spectral lines (registered in the State Register of Measuring Instruments of the Russian Federation under No. 21013-01) and manufactured by LLC VMK-Optoelectronics, g. Novosibirsk Data from the electronic unit was transferred to the computer via an Ethernet cable. Mathematical processing of the output signal, its visualization, etc. were carried out using the Atom program (certificate of registration No. 2004611127). The spectrometer had the following technical characteristics: operating spectral range - 390-860 nm; inverse linear dispersion - 0.19 nm / diode; focal length - 100 mm; relative aperture - 1: 6; minimum exposure time - 10 ms; maximum exposure time - not limited; dimensions - 150 × 200 × 80 mm 3 ; weight - 3 kg.

Вариант выполнения 2. Конструкция спектрометра, оптическая схема и ее основные элементы были выполнены аналогично варианту выполнения 1, но при этом поворотные платформы дифракционной решетки и выходного зеркала оборудованы программно-управляемыми электромеханическими приводами на базе шаговых двигателей 4118М-10Р фирмы «LIN ENGINEERING», благодаря которым оператор устанавливает необходимый рабочий спектральный диапазон с большей точностью, нежели в варианте выполнения 1. Другие технические характеристики спектрометра аналогичны варианту выполнения 1.Embodiment 2. The design of the spectrometer, the optical scheme and its main elements were performed similarly to Embodiment 1, but the rotary platforms of the diffraction grating and the output mirror were equipped with programmable electromechanical drives based on LIN ENGINEERING 4118M-10P stepper motors, due to by which the operator sets the required operating spectral range with greater accuracy than in embodiment 1. Other technical characteristics of the spectrometer are similar to the variant complements 1.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет за счет снижения уровня фонового излучения понизить предел обнаружения излучения.Thus, the claimed device allows to reduce the detection limit of radiation by reducing the level of background radiation.

Claims (9)

1. Многоканальный спектрометр, содержащий корпус с горизонтальной оптической схемой, включающей входную щель, находящуюся в фокусе вогнутого входного зеркала, оптически связанного с плоской дифракционной решеткой, расположенной на расстоянии 0,85 фокусного расстояния вогнутого выходного зеркала, в фокусе которого расположен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком управления и регистрации выходных сигналов, отличающийся тем, что дифракционная решетка и выходное зеркало установлены на поворотных платформах с возможностью вращения относительно осей, проходящих через центры их поверхностей и перпендикулярных меридиональной плоскости, оборудованных ограничителями поворота, при этом ограничители поворота выходного зеркала не допускают попадание нормали, восстановленной к краю зеркальной поверхности выходного зеркала, ближайшего к входному зеркалу, на рабочую поверхность дифракционной решетки.1. A multi-channel spectrometer comprising a housing with a horizontal optical circuit including an entrance slit located in the focus of a concave input mirror optically coupled to a flat diffraction grating located at a distance of 0.85 of the focal length of the concave output mirror, in the focus of which is a multi-element photodetector connected with an electronic control unit and registration of output signals, characterized in that the diffraction grating and the output mirror are mounted on rotary platforms with the possibility of rotation relative to the axes passing through the centers of their surfaces and perpendicular to the meridional plane equipped with rotation limiters, while the rotation limiters of the output mirror do not allow the normal, restored to the edge of the mirror surface of the output mirror closest to the input mirror, to the working surface of the diffraction grating. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ограничителей поворота поворотной платформы выходного зеркала использованы механические упоры.2. The device according to claim 1, characterized in that mechanical stops are used as limiters for turning the rotary platform of the output mirror. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотная платформа выходного зеркала оборудована механическим приводом.3. The device according to claim 1, characterized in that the rotary platform of the output mirror is equipped with a mechanical drive. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотная платформа выходного зеркала оборудована программно-управляемым электромеханическим приводом.4. The device according to claim 1, characterized in that the rotary platform of the output mirror is equipped with a program-controlled electromechanical drive. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотная платформа дифракционной решетки оборудована механическим или электромеханическим программно-управляемым приводом.5. The device according to claim 1, characterized in that the rotary platform of the diffraction grating is equipped with a mechanical or electromechanical program-controlled drive. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотодетектор установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси.6. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is mounted to rotate around its longitudinal axis. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотодетектор расположен на платформе, установленной с возможностью перемещения перпендикулярно продольной оси детектора и поворота вокруг нормали к меридиональной плоскости, восстановленной из центра фотодетектора.7. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is located on a platform mounted to move perpendicular to the longitudinal axis of the detector and rotate around the normal to the meridional plane, restored from the center of the photodetector. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена антибликовой, например в виде анодно-оксидированного покрытия черного цвета.8. The device according to claim 1, characterized in that the inner surface of the housing is made anti-reflective, for example in the form of an anodized oxidized coating of black color. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что фотодетектор установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. 9. The device according to claim 8, characterized in that the photodetector is mounted to rotate around its longitudinal axis.
RU2007126261/28A 2007-07-10 2007-07-10 Multichannel spectrometre RU2375686C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126261/28A RU2375686C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Multichannel spectrometre

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126261/28A RU2375686C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Multichannel spectrometre

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007126261A RU2007126261A (en) 2009-01-20
RU2375686C2 true RU2375686C2 (en) 2009-12-10

Family

ID=40375571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007126261/28A RU2375686C2 (en) 2007-07-10 2007-07-10 Multichannel spectrometre

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2375686C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU202136U1 (en) * 2020-08-03 2021-02-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации CONSTRUCTION OF A TWO-CHANNEL SPECTRORADIOMETER FOR MEASURING THE RADIATION FORCE OF A ROCKET TORCH

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1763903A1 (en) * 1987-12-22 1992-09-23 Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко High-speed spectrometer
DE19528855A1 (en) * 1995-08-05 1997-02-06 Leybold Ag Method and device for spectral reflectance and transmission measurement
RU2177605C1 (en) * 2000-12-04 2001-12-27 Атнашев Виталий Борисович Spectrometry process and device for its realization ( variants )
RU60208U1 (en) * 2006-05-30 2007-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТерРаЛаб Системс" DOUBLE MONOCHROMATOR

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1763903A1 (en) * 1987-12-22 1992-09-23 Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко High-speed spectrometer
DE19528855A1 (en) * 1995-08-05 1997-02-06 Leybold Ag Method and device for spectral reflectance and transmission measurement
RU2177605C1 (en) * 2000-12-04 2001-12-27 Атнашев Виталий Борисович Spectrometry process and device for its realization ( variants )
RU60208U1 (en) * 2006-05-30 2007-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТерРаЛаб Системс" DOUBLE MONOCHROMATOR

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU202136U1 (en) * 2020-08-03 2021-02-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации CONSTRUCTION OF A TWO-CHANNEL SPECTRORADIOMETER FOR MEASURING THE RADIATION FORCE OF A ROCKET TORCH

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007126261A (en) 2009-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI714716B (en) System and method for hyperspectral imaging metrology
CN1224829C (en) Differential numerical aperture method and device
KR102373283B1 (en) Spectral Beam Profile Overlay Metrology
JP6113730B2 (en) Emission and transmission optical spectrometers
CN102656431B (en) Spectrometer device
JP2005530144A (en) Single structure optical measurement
US9551612B2 (en) Tandem dispersive range monochromator
US3011391A (en) High speed plane grating spectrograph and monochromator
CN102155990A (en) Debugging method of echelle grating spectrograph
US6943880B2 (en) Spectroscopic ellipsometer with adjustable detection area
US20170010157A1 (en) Spectroscopic detector
JPH0584451B2 (en)
US9546903B2 (en) Data knitting tandem dispersive range monochromator
CN102589691A (en) Auto-collimation straight grating spectrometer
Bingham Grating spectrometers and spectrographs re-examined
CN101802572B (en) Spectrometer arrangement
WO2019204928A1 (en) High resolution and high throughput spectrometer
RU2375686C2 (en) Multichannel spectrometre
US3414356A (en) Monochromator having linear readout of wavenumber
RU81800U1 (en) MULTI-CHANNEL SPECTROMETER
CN210603594U (en) Spectrum appearance
CN113188767A (en) Ultraviolet lens reverse transmittance and transmittance test and ultraviolet imaging system calibration device and method
CN115389022B (en) Ellipsometer
US10215635B2 (en) Data blending multiple dispersive range monochromator
CN115683334A (en) Rapid spectrum test method and system for gradient filter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140711

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160127