PL223483B1 - Sposób ustawienia elementu soczewkowego względem zwierciadła w urządzeniu skupiającym promieniowanie źródła światła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób ustawienia elementu soczewkowego względem zwierciadła w urządzeniu skupiającym promieniowanie źródła światła, takim jak oświetlacz lub kondensor, którego zadaniem jest maksymalizowanie gęstości mocy promieniowania optycznego źródła na szczelinie wejściowej monochromatora.

Dla celów pomiarów optycznych prowadzonych z użyciem monochromatora, pomiędzy źródłem promieniowania a szczeliną wejściową monochromatora umieszcza się optyczny układ soczewkowy lub zwierciadlany, bądź zawierający oba te rodzaje elementów optycznych łącznie. Ich zadaniem jest zebranie maksymalnego strumienia światła na szczelinie monochromatora z zachowaniem kątów aperturowych obu tych urządzeń, a tym samym na poddanym badaniom optycznym oświetlanych elementach. Układ taki jest zazwyczaj obudowany i ma możliwość regulacji położenia elementów tak, aby jak najlepiej dostosować wiązkę świetlną emitowaną przez źródło światła do oświetlenia szczeliny wejściowej monochromatora pod względem kąta aperturowego i gęstości mocy. Dopasowanie kątów aperturowych kondensora i monochromatora wykonuje się przez ustalenie wartości średnicy czynnej elementów kondensora. Istotny jest natomiast problem formowania planiki skupienia w płaszczyźnie szczeliny wejściowej monochromatora. Stosowane źródła promieniowania optycznego są zwykle elementami handlowymi i mają różne typy obudów, które w różnym stopniu pozwalają wykorzystać handlowe elementy optyczne. W licznych przypadkach konieczne jest stosowanie konstrukcji mieszanych to jest soczewkowych i sferycznych zwierciadlanych łącznie z tego względu, że elementy zwierciadlane mają na ogół duże wymiary gabarytowe i nie mogą być umieszczane w żądanej odległości od źródła promieniowania (np. od środka łuku wyładowania żarnika lampy żarowej lub obszaru wyładowania iskrowego).

Znane są na przykład kondensory produkowane przez firmę Oriel, w których pomiędzy środkiem łuku lampy spektralnej a szczeliną wejściową monochromatora znajduje się jedna, dwie lub więcej soczewek ze szkła kwarcowego. Źródło promieniowania znajduje się na osi optycznej tych elementów. Takie rozwiązanie ma wadę w postaci aberracji chromatycznej oraz na ogół aberracji sferycznej, Zastosowanie przeogniskowania w celu uzyskania lepszego obrazu źródła promieniowania na szczelinie wejściowej monochromatora ma tę wadę, że ocena skutku takiego zabiegu jest wizualna, ponadto obraz źródła tworzy się przed lub za szczeliną. Dlatego też preferuje się kondensory zbudowane z pojedynczej soczewki i z jednego zwierciadła asferycznego.

W znanych konstrukcjach mieszanych kondensorów, elementy refrakcyjne (na przykład soczewki) usytuowane są jako pierwsze - najbliżej źródła promieniowania a części achromatyczne w postaci sferycznych elementów zwierciadlanych usytuowane są za elementami refrakcyjnymi. Takie konstrukcje są stosowane najczęściej, gdy korzysta się z handlowych źródeł promieniowania lub w przypadku gdy korzysta się z kilku źródeł promieniowania, ponieważ pozwalają na łatwe przełączanie źródeł promieniowania przy zmianie długości fali. Najłatwiej jest to zrobić regulując położenie soczewki lub zespołu soczewek, ponieważ są to elementy, które mogą być umieszczone blisko źródła promieniowania, nawet na styk ze szklaną obudową źródła. W znanym urządzeniu („domki” oświetleniowe firmy Siemens) wyposażonym w kondensor, przesuw soczewki lub zespołu soczewek jest realizowany jest tak, że na całej zewnętrznej powierzchni obudowy znajduje się spiralny rowek, w którym znajduje się suwakowy element regulujący związany z przesuwaną soczewką. Przesuwając element regulujący zmienia się położenie soczewki a tym samym parametry optyczne układu kondensora. Pomimo precyzyjnego wykonania takiego kondensora nadal występują niedokładności w sterowaniu wiązką promieniowania, prowadzące do błędów pomiarowych.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu ustawienia elementu soczewkowego względem zwierciadła, w urządzeniu skupiającym promieniowanie źródła światła, który pozwoliłby uzyskać maksymalną gęstość mocy promieniowania optycznego źródła o różnych długościach fali w szczelinie wejściowej monochromatora.

Sposób według wynalazku dotyczy ustawienia elementu soczewkowego względem zwierciadła w urządzeniach, posiadających część soczewkową, w której wychodząca ze źródła promieniowania wiązka jest kolimowana oraz bezaberacyjną część zwierciadlaną, w której na elemencie ogniskującym jest zakrzywiana pod kątem 90° i kierowana na szczelinę wejściową monochromatora znajdującą się w stałej odległości od elementu ogniskującego. W sposobie tym, dla długości fali z przedziału 190700 nm transmitowanej przez monochromator, element soczewkowy ustawia się w takiej odległości od centralnego źródła promieniowania, która spełnia warunek najmniejszą wartości średniego kwadratoPL 223 483 B1 wego odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej elementu soczewkowego od sferycznej powierzchni odniesienia tego elementu.

Sposób według wynalazku pozwala na maksymalne wykorzystanie mocy źródła promieniowania do oświetlania szczeliny monochromatora.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie ustawienia soczewki względem zwierciadła w przykładowym kondensorze. Fig. 1 rysunku przedstawia schemat urządzenia, a Fig. 2 przykładową soczewkę.

Przykładowy kondensor posiada, część soczewkową, w której wychodząca ze źródła promieniowania wiązka jest kolimowana oraz bezaberacyjną część zwierciadlaną. W części zwierciadlanej, na elemencie ogniskującym wiązka jest zakrzywiana pod kątem 90° i kierowana na szczelinę wejściową monochromatora znajdującą się w stałej odległości L od elementu ogniskującego.

Kondensor posiada jednostronnie wypukłą soczewkę 2 ze szkła kwarcowego SUPRASIL o średnicy φ - 50 mm, o promieniu krzywizny r = 60 mm i wysokości h = 8 mm umieszczoną między źródłem 1 a asferycznym zwierciadłem 3 o odległości ogniskowej 119 mm. Taki układ optyczny jest umieszczony w dwudzielnej obudowie. Promieniowanie źródła 1 w postaci lampy wyładowczej umieszczone w jednej z ogniskowych soczewki 2, jest przetwarzane w wiązkę fal quasi-równoległych padających na asferyczne zwierciadło 3, które skupia je w płaszczyźnie szczeliny wejściowej 4 monochromatora oddalonej o stałą odległość L od soczewki. Dla każdej długości fali emitowanej przez źródło, punkt ten będzie leżał w innym miejscu, stąd konieczność przesuwania soczewki 2 wzdłuż jej osi optycznej. Aby uzyskać maksymalną gęstość mocy plamki skupienia w szczelinie monochromatora 4, soczewkę przemieszcza się wzdłuż osi optycznej w dokładnie określone miejsce. Soczewkę 2 ustawia się w taki sposób, aby dla każdej długości fali emitowanej przez źródło jej odległość od źródła 1 spełniała warunek minimalizacji średniego kwadratowego odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej tworzonej przez tą soczewkę od sferycznej powierzchni odniesienia.

W tabeli przedstawiono odległość źródła Światła od powierzchni płaskiej przykładowej soczewki (Fig. 2) i jej przeogniskowanie dla fali o długości z zakresu 190-700 nm.

Długość fali w nm	Odległość czołowa w mm	Wartość przeogniskowania w mm
190	100,022	0
220	107,321	7,299
350	119,328	19,306
400	121,101	21,079
450	122,321	22,299
500	123,203	23,181
600	124,391	24,369
700	125,163	25,141

Termin „odległość czołowa” w tabeli oznacza odległość centralnego punktu źródła promieniowania od pierwszej powierzchni soczewki, dla której spełniony jest warunek minimalizacji średniego kwadratowego odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej od sferycznej powierzchni odniesienia. Powierzchnia płaska jest również powierzchnią sferyczną o nieskończenie długim promieniu krzywizny.

Odległość ogniskowa zwierciadła paraboidalnego wynosi 119 mm, i jest to jednocześnie odległość L mierzona od środka zwierciadła 3 (od punktu, w którym promień główny wiązki pada na powierzchnię zwierciadła) do powierzchni szczeliny monochromatora.

Dla precyzyjnego przemieszczania soczewka osadzona jest w pierścieniu połączonym z silnikiem krokowym, który pozycjonuje ją (przesuwa) automatycznie wzdłuż osi optycznej w zależności od długości fali jaka na nią pada. Przedstawiony sposób umożliwia znalezienie centralnego punktu źródła promieniowania na osi optycznej układu będącego „najlepszym ogniskiem” dla określonego położenia źródła promieniowania względem płaskiej powierzchni soczewki 2. Wybór takiego punktu na ogół prowadzi się z uwzględnieniem dwóch kryteriów wyboru. Pierwsze kryterium wyboru centralnego punktu źródła dotyczy minimalizacji średnicy plamki rozproszenia, niestety za cenę pojawienia się tła.

PL 223 483 B1

To kryterium sprawia, że w części centralnej średnica plamki jest wprawdzie mniejsza, lecz jednorodność oświetlenia - znacznie gorsza.

Drugie kryterium wiąże się z lepszym jakościowo odwzorowaniem. Ponieważ źródłem zniekształceń powierzchni falowej jest soczewka 2, to konieczne jest uwzględnienie deformacji odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej na jej wyjściowej powierzchni czyli minimalizacja średniego kwadratowego odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej soczewki względem sferycznej powierzchni odniesienia. W przykładzie, do obliczeń wykorzystano program komputerowy ZEMAX, który na podstawie rozkładu prążków dla danej długości fali i ich rozmieszczenia na powierzchni sferycznej soczewki 2 oraz zmierzonej deformacji czoła fali umożliwia wybranie wartości, której kwadrat odchylenia jest najmniejszy.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób ustawienia elementu soczewkowego względem zwierciadła w urządzeniu skupiającym promieniowanie źródła światła, posiadającym część soczewkową, w której wychodząca ze źródła promieniowania wiązka jest kolimowana oraz bezaberacyjną część zwierciadlaną, w której na elemencie ogniskującym jest zakrzywiana pod kątem 90° i kierowana na szczelinę wejściową monochromatora znajdującą się w stałej odległości od elementu ogniskującego, znamienny tym, że dla fali o długości z przedziału 190-700 nm, transmitowanej przez monochromator, element soczewkowy ustawia się w takiej odległości od centralnego źródła promieniowania, która spełnia warunek najmniejszej wartości średniego kwadratowego odchylenia rzeczywistej powierzchni falowej elementu soczewkowego od sferycznej powierzchni odniesienia tego elementu.