RU221799U1 - Фурье-спектрометр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и касается Фурье-спектрометра. Спектрометр содержит источники исследуемого и референтного излучения, светоделитель, неподвижный отражатель и установленный в приводе подвижный отражатель, плоское зеркало, фокусирующую линзу, опторазъем, в котором укреплен оптоволоконный жгут, являющийся входом двух оптоволоконных зондов, выполненных с возможностью зондирования соответственно первого и второго исследуемого объекта, первая собирающая линза, выполненная с возможностью подачи излучения с выхода первого оптоволоконного зонда на первый фотоприемник и вторая собирающая линза, выполненная с возможностью подачи излучения с выхода второго оптоволоконного зонда на второй фотоприемник. Привод подвижного отражателя выполнен в виде линейной рельсовой шариковой направляющей и двух линейных двигателей. Технический результат заключается в повышении точности спектральных измерений за счет повышения спектрального разрешения. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к спектральному приборостроению, и может быть использована при создании Фурье-спектрометров для исследования объектов различного назначения, преимущественно, спектральных характеристик нефтепродуктов, растворов, газов и т.п.

Предложенное техническое решение представляет собой устройство, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.

Известен Фурье-спектрометр [RU 49977 U1, G01B 9/021, 10.12.2005], содержащий корпус, светоделитель, компенсатор, отражатели, при этом в корпусе расположено параллелограммное устройство, светоделитель, компенсатор, причем, отражатели расположены внутри параллелограммного устройства, а один из отражателей закреплен на каретке параллелограммного устройства. В этом Фурье-спектрометре параллелограммное устройство дополнительно содержит основание, опоры и прижимные устройства, опоры шарнирно соединены с основанием и кареткой, в качестве прижимных устройств используют пружины, основание является днищем корпуса спектрометра, в опорах, основании и каретке выполнены углубления для шарниров, каретка выполнена с отверстием для прохождения потока излучения, опоры выполнены с отверстиями для прохождения потока излучения, каждый из отражателей содержит корпус отражателя и отражающий элемент, закрепленный в корпусе отражателя или закрепленный на корпусе отражателя, отражающий элемент содержит две поверхности, на которых расположены отражающие покрытия, в корпусе расположены устройства для передвижения платформы и каретки параллелограммного устройства, в качестве устройства для передвижения платформы с отражателем используют винты, причем винты выполнены с дифференциальной резьбой, в качестве устройства для передвижения каретки с отражателем используют электромагнитное устройство, содержащее постоянные магниты и катушку индуктивности, расположенную между постоянными магнитами с возможностью перемещения относительно магнитов, постоянные магниты закреплены на каретке, катушка индуктивности закреплена на кронштейне, соединенном с корпусом, а спектрометр содержит объектив, фотоприемники, разъемы для соединения с компьютером.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая точность спектральных измерений, обусловленная использованием плоских зеркальных отражателей и небольшим спектральным разрешением.

Известен также Фурье-спектрометр [RU 2287784 C1, G01J 3/00, 20.11.2006], содержащий корпус, излучатель светового потока, светоделитель, компенсатор, отражатели, фотоприемники, отличающийся тем, что в корпусе расположено параллелограммное устройство, причем светоделитель, компенсатор, отражатели расположены внутри параллелограммного устройства и один из отражателей закреплен на параллелограммном устройстве с возможностью одновременного передвижения вдоль светового потока и в боковом направлении от светового потока, при этом предусмотрена возможность изменения относительного положения отражателей и светоделителя с компенсатором.

Особенностью этого технического решения является то, что параллелограммное устройство содержит основание, каретку, опоры и прижимные устройства, опоры шарнирно соединены с основанием и кареткой, в качестве прижимных устройств используют пружины, основание является днищем корпуса спектрометра, в опорах, основании и каретке выполнены углубления для шарниров, каретка выполнена с отверстием для прохождения потока излучения, опоры выполнены с отверстиями для прохождения потока излучения, каждый из отражателей содержит корпус отражателя и отражающий элемент, закрепленный в корпусе отражателя или закрепленный на корпусе отражателя, отражающий элемент содержит две поверхности и на поверхностях расположены отражающие покрытия, причем оно содержит объектив, фотоприемники, разъемы для соединения с компьютером и платформу, которая закреплена на основании, и в корпусе расположены устройства для передвижения платформы и каретки параллелограммного устройства, в качестве устройства для передвижения платформы с отражателем используют винты, причем винты выполнены с дифференциальной резьбой, в качестве устройства для передвижения каретки с отражателем используют электромагнитное устройство, содержащее постоянные магниты и катушку индуктивности, расположенную между постоянными магнитами с возможностью перемещения относительно магнитов, постоянные магниты закреплены на каретке, а катушка индуктивности закреплена на кронштейне, соединенном с корпусом.

Недостатком этого технического решения также является относительно низкая точность спектральных измерений, обусловленная небольшим спектральным разрешением, реализуемым в этой схеме.

Кроме того, известен Фурье-спектрометр [RU 157021 U1, G0173/45, 20.11.2006], содержащий установленные в корпусе светоделитель, выполненный с возможностью подачи на него и деления излучения от источника исследуемого излучения и источника референтного излучения, а также неподвижный отражатель и подвижный отражатель, установленный в параллелограммном блоке, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя на светоделитель, а также фотоприемник, отличающийся тем, что введены плоское зеркало, оптоволоконный зонд, выполненный с возможностью зондирования исследуемого объекта, фокусирующая линза, выполненная с возможностью подачи излучения, поступающего на нее от светоделителя через плоское зеркало, на вход оптоволоконного зонда, собирающая линза, выполненная с возможность подачи излучения с выхода оптоволоконного зонда на вход фотоприемника, причем, неподвижный отражатель выполнен с возможностью отражения на светоделитель поступающего от него излучения, параллелограммный блок выполнен с возможностью подачи излучения от светоделителя на установленный в нем подвижный отражатель, а подвижный и неподвижный отражатели выполнены в виде уголковых отражателей.

Недостатком этого технического решения является его относительно низкая универсальность, поскольку не обеспечивается, в частности возможность выполнения одновременных спектральных измерений при наличии нескольких объектов, например, при одновременной записи спектров эталона и образца.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является Фурье-спектрометр [RU 167678 U1, G01J 3/45, 10.01.2017], содержащий установленные в корпусе светоделитель, выполненный с возможностью подачи на него и деления излучения от источника исследуемого излучения и источника референтного излучения, неподвижный отражатель, подвижный отражатель, установленный в параллелограммном блоке, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя на светоделитель, а также два фотоприемника, плоское зеркало, фокусирующая линза, выполненная с возможностью подачи излучения, поступающего от светоделителя через плоское зеркало, на вход двух оптоволоконных зондов, выполненных с возможностью зондирования исследуемых объектов, на выходе каждого оптоволоконного зонда, установлена собирающая линза, выполненная с возможность подачи излучения с выхода оптоволоконного зонда на вход фотоприемника, а также опторазъем, в котором укреплен оптоволоконный жгут, состоящий из входных оптоволокон вышеуказанных зондов.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность спектральных измерений, обусловленная тем, что параллелограммный блок, в котором установлен подвижный отражатель, обеспечивает относительно небольшой диапазон перемещения подвижного отражателя, что ограничивает спектральное разрешение, достигаемое на таком Фурье-спектрометре.

Задача, решаемая в предложенной полезной модели, заключается в разработке Фурье-спектрометра, в котором обеспечивается более высокий диапазон перемещения подвижного отражателя и, соответственно более высокое спектральное разрешение в спектральных измерениях.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности спектральных измерений, обусловленном более высоким спектральным разрешением.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в Фурье-спектрометр, содержащий установленные на основании в корпусе светоделитель, выполненный с возможностью подачи на него и деления излучения от источника исследуемого излучения и источника референтного излучения, неподвижный отражатель, оснащенный линейным приводом подвижный отражатель, выполненный с возможностью подачи излучения от него на светоделитель, а также фокусирующая линза, выполненная с возможностью подачи излучения, поступающего от светоделителя через плоское зеркало на входные оптоволокна двух оптоволоконных зондов, собранных в оптоволоконный жгут, закрепленный в общем опторазъеме, на выходе каждого оптоволоконного зонда, выполненного с возможностью зондирования исследуемого объекта, установлена собирающая линза, выполненная с возможность подачи излучения с выхода зонда на вход соответствующего фотоприемника, согласно полезно модели, привод подвижного отражателя выполнен в виде линейной рельсовой шариковой направляющей, включающей в себя рельс и каретку, двух линейных двигателей, магнитные системы которых выполнены из двух магнитопроводов с обмотками, расположенными на них, соединенные между собой немагнитными перемычками, магнит, размещенный в воздушном зазоре между магнитопроводами и подвижный отражатель, при этом, рельс установлен на основании, магнитные системы линейных двигателей расположены симметрично относительно рельса и закреплены на основании, а подвижный отражатель и магниты закреплены на кронштейне, который установлен на каретке линейной рельсовой шариковой направляющей. На чертеже представлены:

на фиг.1 - оптико-механическая схема Фурье-спектрометра совместно с источником исследуемого излучения, источником референтного излучения и исследуемым объектом;

на фиг.2 - привод подвижного отражателя.

На чертежах обозначены:

1 - источник референтного излучения;

2 - источник исследуемого излучения;

3 - внеосевое параболическое зеркало;

4 и 5 - соответственно, первое и второе направляющие плоские зеркала референтного излучения;

6 - неподвижный уголковый зеркальный отражатель;

7 - подвижный уголковый зеркальный отражатель, установленный в приводе подвижного отражателя;

8 - светоделитель;

9 - фотодиод референтного излучения;

10 - вспомогательное плоское зеркало;

11 - фокусирующая линза;

12 - опторазъем;

13 - оптоволоконный жгут;

14 - первый оптоволоконный зонд;

15 - второй оптоволоконный зонд;

16 - первая собирающая линза;

17 - вторая собирающая линза;

18 - первый фотоприемник;

19 - второй фотоприемник;

20 - первый исследуемый объект;

21 - второй исследуемый объект;

22 - рельс линейной рельсовой шариковой направляющей;

23 - магнитные системы линейных двигателей;

24 - каретка линейной рельсовой шариковой направляющей;

25 - кронштейн;

26 - магниты;

27 - подвижный уголковый зеркальный отражатель;

28 - обмотки линейных двигателей.

Предложенный Фурье-спектрометр содержит светоделитель 8, выполненный с возможностью подачи на него и деления излучения источника 2 исследуемого излучения и источника 1 референтного излучения.

Кроме того, Фурье-спектрометр содержит неподвижный отражатель 6 и подвижный отражатель 7, установленный в линейном приводе подвижного отражателя, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя 7 на светоделитель 8.

Фурье-спектрометр содержит также первый фотоприемник 18 и второй фотоприемник 19, плоское зеркало 10, опторазъем 12, оптоволоконный жгут 13, первый 14 и второй 15 оптоволоконные зонды, выполненные с возможностью зондирования первого 20 и второго 21 исследуемых объектов, фокусирующую линзу 11, выполненную с возможностью подачи излучения, поступающего на нее от светоделителя 8 через плоское зеркало 10, на вход опторазъема 12, и первая 16 и вторая 17 собирающие линзы, выполненные с возможностью подачи излучения с выхода первого 14 и второго 15 оптоволоконных зондов на входы первого 18 и второго 19 фотоприемников.

В Фурье-спектрометре неподвижный отражатель 6 выполнен с возможностью отражения на светоделитель 8 поступающего от него излучения, привод подвижного отражателя выполнен с возможностью подачи излучения от светоделителя 8 на установленный в нем подвижный отражатель 7, причем подвижный 7 и неподвижный 6 отражатели выполнены в виде уголковых отражателей.

Особенностью возможного выполнения предложенного Фурье-спектрометра является то, что каждый из первого 14 и второго 15 оптоволоконных зондов исследует свой, соответственно, первый 20 и второй 21 объекты через свой, соответственно, первый 18 и второй 19 фотоприемники. Фотоприемники могут быть отдельные или расположенные на единой матрице.

Привод подвижного отражателя (фиг.2) выполнен на основе линейной рельсовой шариковой направляющей и двух линейных двигателей. Рельс 22 установлен на основании прибора, магнитные системы линейных двигателей 23 также установлены на основании прибора симметрично относительно рельса. На каретке 24 линейной рельсовой шариковой направляющей, перемещающейся по рельсу, установлен кронштейн 25, на котором закреплены магниты 26 линейных двигателей и подвижный отражатель 27. Магниты расположены между обмотками 28 магнитных систем линейных двигателей.

Работает Фурье-спектрометр следующим образом.

Основным элементом спектрометра является интерферометр, образованный светоделителем 8 и подвижным 7 и неподвижным 6 отражателями (зеркальными уголковыми отражателями) в плечах интерферометра. При освещении интерферометра коллимированным излучением оно делится светоделителем 8 на два пучка, каждый из которых направляется в свое плечо интерферометра. Отразившись от соответствующего отражателя, эти пучки возвращаются на светоделитель 8, где интерферируют. В результате на выходе правильно отъюстированного интерферометра получается проинтерферировавший поток излучения или интерферограмма, которая далее направляется на исследуемые первый 20 и второй 21 объекты и первый 18 и второй 19 фотоприемники. Значения сигналов (интерферограмм), измеряемых первым 18 и второго 19 фотоприемниками, зависит от оптической разности хода, проходимого разделенными пучками в плечах интерферометра. Если записать эти интерферограммы, как функции изменяемой оптической разности хода в интерферометре, то после Фурье-преобразования этой функции получается спектр излучения, падающего на первый 18 и второй 19 фотоприемники, как функцию длины волны электромагнитного излучения (например, инфракрасного диапазона при использовании источника 2 исследуемого излучения в виде источника ИК излучения) или как функцию волнового числа, обратного длине волны излучения (спектральной частоты).

Запись интерферограммы осуществляется посредством перемещения подвижного уголкового зеркального отражатель 7, установленного в приводе подвижного отражателя. Для измерения оптической разности хода используется референтный канал, непрерывно измеряющий оптическую разность хода. Этот канал состоит из источника 1 референтного излучения (лазера), генерирующего поток монохроматического излучения, первого 4 и второго 5 плоских зеркал, направляющих это излучение в интерферометр и далее проинтерферировавшее лазерное излучение на фотодиод 9 референтного излучения. Сигнал, измеряемый фотодиодом 9, имеет синусоидальную зависимость от оптической разности хода, что и позволяет вырабатывать систему управляющих импульсов и с их помощью стабилизировать скорость перемещения уголкового зеркального отражателя 7, что позволяет точно измерять оптическую разность хода.

Таким образом, излучение источника 2 направляется в интерферометр посредством коллимационной системы (внеосевое параболическое зеркало 3, в фокусе которого и установлен источник 2 исследуемого излучения). Далее с выхода интерферометра излучение основного канала направляется посредством конденсора (фокусирующей линзы 11) на опторазъем 12, к которому подключается оптоволоконный жгут 13, состоящий из входных оптоволокон отдельных первого 14 и второго 15 зондов. С выходов первого 14 и второго 15 оптоволоконных зондов излучение (несущее информацию об объектах 20 и 21, исследуемых с помощью первого 14 и второго 15 оптоволоконных зондов) посредством конденсоров (первой 16 и второй 17 собирающих линз) направляется на приемную поверхность первого 18 и второго 19 фотоприемников, являющихся фотоприемниками ИК излучения.

В результате, перемещая уголковый подвижный отражатель 7, реализуется возможность регистрации излучения (интерферограммы), как функции оптической разности хода. Произведя последующую обработку интерферограмм с первого 14 и второго 15 зондов можно получить интересующие спектрограммы первого 20 и второго 21 исследуемых объектов.

При этом возможны следующие алгоритмы работы. Например, в диалоге задается номер зонда и после чего происходит стандартное измерение интересующих характеристик исследуемого с помощью этого зонда объекта. Но возможно одновременное измерение различных объектов с помощью имеющейся системы зондов, например, эталонного объекта и объекта-образца.

При подаче тока в обмотки двигателей привода на магниты действует сила в направлении перемещения каретки линейной направляющей, в результате каретка перемещается. При смене направления тока каретка перемещается в противоположном направлении.

В результате обеспечивается регистрация интерферограммы исследуемого излучения с большим диапазоном изменения оптической разности хода, что обеспечивает достижение требуемого технического результата (получения спектров с высоким разрешением.

Предложенный Фурье-спектрометр является двухканальным прибором и обладает существенно более высокой точностью спектральных измерений (позволяет получить более высокое спектральное разрешение) относительно прототипа. Этим самым достигается требуемый технический результат.

Claims (1)

1. Фурье-спектрометр, содержащий установленные в корпусе светоделитель, выполненный с возможностью подачи на него и деления излучения от источника исследуемого излучения и источника референтного излучения, неподвижный отражатель, подвижный отражатель, установленный в приводе подвижного отражателя, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя на светоделитель, а также плоское зеркало, фокусирующая линза, опторазъем, в котором укреплен оптоволоконный жгут, являющийся входом двух оптоволоконных зондов, первый оптоволоконный зонд, выполненный с возможностью зондирования первого исследуемого объекта, первый фотоприемник, первая собирающая линза, выполненная с возможностью подачи излучения с выхода первого оптоволоконного зонда на вход первого фотоприемника, второй оптоволоконный зонд, выполненный с возможностью зондирования второго исследуемого объекта, второй фотоприемник, вторая собирающая линза, выполненная с возможность подачи излучения с выхода второго оптоволоконного зонда на вход второго фотоприемника, отличающийся тем, что привод подвижного отражателя выполнен в виде линейной рельсовой шариковой направляющей, включающей в себя рельс и каретку, двух линейных двигателей, магнитные системы которых выполнены из двух магнитопроводов с обмотками, расположенными на них, соединенные между собой немагнитными перемычками, магнит, размещенный в воздушном зазоре между магнитопроводами и подвижный отражатель, при этом рельс установлен на основании, магнитные системы линейных двигателей расположены симметрично относительно рельса и закреплены на основании, а подвижный отражатель и магниты закреплены на кронштейне, который установлен на каретке линейной рельсовой шариковой направляющей.