RU2334957C2 - Device for spectra measurement of akh kuptsov - Google Patents
Device for spectra measurement of akh kuptsov Download PDFInfo
- Publication number
- RU2334957C2 RU2334957C2 RU2006129378/28A RU2006129378A RU2334957C2 RU 2334957 C2 RU2334957 C2 RU 2334957C2 RU 2006129378/28 A RU2006129378/28 A RU 2006129378/28A RU 2006129378 A RU2006129378 A RU 2006129378A RU 2334957 C2 RU2334957 C2 RU 2334957C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- concave
- elliptical
- mirrors
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к исследованию строения, химического состава и ряда других физико-химических свойств веществ методом измерения различных видов спектров пропускания, отражения, упругого и неупругого рассеяния в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Устройство может быть использовано со спектрометрами (спектрографами, анализаторами) данных диапазонов в виде отдельной приставки, специального объектива к микроскопам или зондирующей насадки для оптоволоконных кабелей. Устройство позволяет анализировать микрообъекты и малые участки поверхности протяженных объектов, может применяться как в научных и экспертных исследованиях, так и в промышленности.The invention relates to the study of the structure, chemical composition and a number of other physicochemical properties of substances by measuring various types of transmission, reflection, elastic and inelastic scattering spectra in the ultraviolet, visible and infrared ranges. The device can be used with spectrometers (spectrographs, analyzers) of these ranges in the form of a separate attachment, a special lens for microscopes or a probe nozzle for fiber optic cables. The device allows you to analyze microobjects and small sections of the surface of extended objects, can be used both in scientific and expert studies, and in industry.
Аналоги.Analogs
Существуют устройства для измерения спектров зеркального отражения, диффузного отражения, а также (многократного) нарушенного полного внутреннего отражения (М)НПВО.There are devices for measuring the spectra of specular reflection, diffuse reflection, as well as (multiple) impaired total internal reflection (M) of the ATR.
Устройства для измерения спектров диффузного отражения (УДО).Devices for measuring diffuse reflectance spectra (UDO).
При регистрации спектров отражения всегда одновременно наблюдают компонент зеркального (отраженного границей раздела фаз) и диффузного (рассеянного в объеме образца) отражения света. Эти компоненты имеют различную природу и взаимно искажают друг друга, причем часто спектр суммарного отражения становится непригодным для анализа. Спектр диффузного отражения трансформируется в спектр, аналогичный виду спектра поглощения, путем математических преобразований Кубелки-Мунка, а похожий на производную из-за дисперсии показателя преломления вблизи полосы поглощения спектр зеркального отражения - с помощью преобразований Крамерса-Кронига. Для раздельного измерения диффузного и зеркального отражений существуют разработанные более 20-ти лет назад специальные приставки различных конструкций, которые можно разделить на 3 типа.When recording reflection spectra, the components of specular (reflected by the phase boundary) and diffuse (light scattered in the bulk of the sample) reflection are always simultaneously observed. These components have a different nature and mutually distort each other, and often the spectrum of total reflection becomes unsuitable for analysis. The diffuse reflection spectrum is transformed into a spectrum similar to the shape of the absorption spectrum by mathematical Kubelka-Munk transformations, and the mirror reflection spectrum, similar to the derivative due to the dispersion of the refractive index near the absorption band, is converted using the Kramers-Kronig transforms. For separate measurement of diffuse and specular reflections, there are special set-top boxes of various designs developed over 20 years ago that can be divided into 3 types.
Наиболее распространенными УДО первого типа являются УДО фирм Analect (USA) и Perkin-Elmer (USA) с осевыми зеркалами, а второго - конструкции типа "Praying Mantis" (Harrick, USA) или "Seagal" (см. фиг.1) с внеосевыми зеркалами.The most common UDDs of the first type are UDDs of Analect (USA) and Perkin-Elmer (USA) firms with axial mirrors, and the second are Praying Mantis (Harrick, USA) or Seagal (see FIG. 1) designs with off-axis mirrors.
Фиг.1. Аналоги устройств для измерения спектров диффузного отражения типов I и II. 1 - плоское зеркало фокусирующей системы, 2 - фокусирующее эллиптическое зеркало («осевое» типа I, «внеосевое» типа II), 3 - объект исследования, 4 - экран или "блокер", 5 - собирающее эллиптическое зеркало («осевое» типа I, «внеосевое» типа II), 6 - плоское зеркало собирающей системы.Figure 1. Analogs of devices for measuring diffuse reflectance spectra of types I and II. 1 - a flat mirror of the focusing system, 2 - a focusing elliptical mirror ("axial" type I, "off-axis" type II), 3 - an object of research, 4 - a screen or "blocker", 5 - a collecting elliptical mirror ("axial" type I , “Off-axis” type II), 6 - a flat mirror of the collecting system.
Их достоинством является относительная простота устройства и расположение всех оптических элементов над плоскостью поверхности образца, что позволяет исследовать отдельные участки протяженных объектов [R.G.Messerschmidt, R.M.Robinson, "Diffuse reflectance monitoring apparatus ", USA Patent №5636633, June 10, 1997]. Недостатком является низкая светосила (менее 10%), обусловленная сбором только небольшой части диффузно-отраженного в полусферу над образцом света. Хотя существует патент Милошевича и Харрика на увеличение светосилы, когда над образцом помещается возвращающая зеркальная полусфера с двумя отверстиями для конусов падающего и собираемого света [М.Milosevic, N.J.Harrick, "Collecting hemispherical attachment for spectrophotometry", USA Patent №4853542, Aug. 1, 1989.]. Однако наклонная геометрия падающего пучка приводит к увеличению "вредной" доли (вдобавок к нежелательному увеличению площади анализируемого пятна) зеркального компонента и, соответственно, к уменьшению доли диффузного отражения. В случаях сильного искажения спектров из-за вклада зеркально-отраженной компоненты последняя изолируется с помощью патентованного "блокера" (позиция 4 на фиг.1 [R.G.Messerschmidt, "Blocker device for eliminating specular reflectance from a diffuse reflection spectrum ", USA Patent №4661706, April 28, 1987]), что, однако, еще более ослабляет сигнал.Their advantage is the relative simplicity of the device and the location of all optical elements above the plane of the surface of the sample, which allows us to study individual sections of extended objects [R. G. Messerschmidt, R. M. Robinson, "Diffuse reflectance monitoring apparatus", USA Patent No. 5636633, June 10, 1997]. The disadvantage is the low aperture (less than 10%), due to the collection of only a small part of the diffusely reflected in the hemisphere above the light sample. Although there is a patent by Milosevic and Harrick for increasing aperture when a returning mirror hemisphere with two holes for cones of incident and collected light is placed over the sample [M. Milosevic, N.J. Harrick, "Collecting hemispherical attachment for spectrophotometry", USA Patent No. 4853542, Aug. 1, 1989.]. However, the inclined geometry of the incident beam leads to an increase in the “harmful” fraction (in addition to an undesirable increase in the area of the analyzed spot) of the mirror component and, accordingly, to a decrease in the fraction of diffuse reflection. In cases of severe spectral distortion due to the contribution of the specularly reflected component, the latter is isolated using the patented “blocker” (
Приставки третьего типа (например, Фуллера-Гриффитса [P.R.Griffits, M.P.Fuller. "Mid-Infrared Spectrometry of Powdered Samples", in: Advances in Infrared and Raman Spectroscopy, Heyden and Sons. Ltd., Philadelphia, vol.9, chap.2, 1982, pp.63-129, T.Hirshfeld, "Optimization of Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopy Accessories", Applied Spectroscopy, vol.40, №8, 1986, pp.1082-1085, P.W.Yang, H.H.Mantsch, F.Bandais. "A Critical Evaluation of Three Types of Diffuse Reflectance Infrared Accessories", Applied Spectroscopy, vol.40, №7, 1986, pp. 974-978], см. фиг.2) с нормальным к поверхности объекта конусом падающего света могут иметь высокую (практически максимальную) светосилу, но сам образец и устройство его крепления должны быть ограниченных размеров, так как они расположены на пути лучей к фотоприемнику.Type III prefixes (e.g., Fuller-Griffiths [PRGriffits, MPFuller. "Mid-Infrared Spectrometry of Powdered Samples", in: Advances in Infrared and Raman Spectroscopy, Heyden and Sons. Ltd., Philadelphia, vol. 9, chap. 2, 1982, pp. 63-129, T. Hirshfeld, "Optimization of Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopy Accessories", Applied Spectroscopy, vol. 40, No. 8, 1986, pp. 1082-1085, PWYang, HHMantsch, F. Bandais. "A Critical Evaluation of Three Types of Diffuse Reflectance Infrared Accessories", Applied Spectroscopy, vol. 40, No. 7, 1986, pp. 974-978], see FIG. 2) with an incident light cone normal to the surface of the object have a high (almost maximum) aperture, but the sample itself and the device for its fastening should be of limited size, since and are located in the beam path to the photodetector.
Фиг.2. Аналог устройств для измерения спектров диффузного отражения типа III. 1 - плоское зеркало фокусирующей системы, 2 - внеосевое фокусирующее параболическое зеркало, 3 - образец, 5 - собирающее «осевое» эллиптическое зеркало (или система из собирающего осевого параболического вместо 5 и фокусирующего на фотоприемник параболического зеркала вместо 6), 6 - плоское зеркало собирающей системы, 7 - фотоприемник.Figure 2. An analogue of devices for measuring diffuse reflection spectra of type III. 1 - a flat mirror of the focusing system, 2 - an off-axis focusing parabolic mirror, 3 - a sample, 5 - a collecting “axial” elliptical mirror (or a system of a collecting axial parabolic instead of 5 and a parabolic mirror focusing on the photodetector instead of 6), 6 - a flat mirror of a collecting system, 7 - photodetector.
При этом во всех классических приставках для более эффективного сбора диффузно рассеянного света требуется большая площадь фотоприемника (в этом также недостаток интегрирующих сфер и сконструированной более ста лет назад полусферы Кобленца), что повышает собственный тепловой шум фотоприемника и в итоге снижает отношение сигнала к шуму в получаемых спектрах.Moreover, in all classical consoles, more efficient collection of diffusely scattered light requires a large photodetector area (this is also a lack of integrating spheres and Koblenz hemispheres constructed more than a hundred years ago), which increases the intrinsic thermal noise of the photodetector and, as a result, reduces the signal-to-noise ratio in the resulting spectra.
В существующих УДО не достигается ОДНОВРЕМЕННО следующих 5-ти важных условий:In the existing parole, the following 5 important conditions are not achieved SIMULTANEOUSLY:
1. расположение всех оптических элементов над плоскостью поверхности образца;1. the location of all optical elements above the plane of the surface of the sample;
2. максимальная конверсия падающего света в диффузно отраженный;2. maximum conversion of incident light to diffusely reflected;
3. дискриминация зеркальной и френелевой диффузной компонент;3. discrimination of the mirror and fresnel diffuse components;
4. оптимальное соотношение телесных углов облучения и сбора диффузно отраженного света (максимально высокая светосила);4. The optimal ratio of the solid angles of irradiation and the collection of diffusely reflected light (maximum high aperture);
5. возможность локального микроанализа (менее 1 мм) поверхности протяженных объектов.5. the possibility of local microanalysis (less than 1 mm) of the surface of extended objects.
Исследования и расчеты в [P.J.Brimmer, P.R.Griffits. "Angular Dependence of Diffuse Reflectance Infrared Spectra. Part III: Linearity of Kubelka-Munk Plots ", Applied Spectroscopy, vol.42, №2, 1988, pp.242-247; E.H.Korte. "Figures of Merit for a Diffuse Reflectance Accessory using an On-Axis Ellipsoidal Collecting Mirror'", Applied Spectroscopy, vol.42, №3, 1988, pp.428-433] были направлены на оптимизацию оптической схемы УДО. Оптимальная геометрия характеризуется нормальной ориентацией к поверхности образца конуса падающего света и сбором диффузно отраженного света из оставшейся за пределами конуса полусферы над образцом. При этом достигается максимальная доля диффузного по отношению к зеркальному отражению и минимальный размер пятна на поверхности. Оптимизировались и соотношения телесных углов падающего и отраженного света, а также соотношения размеров освещаемого пятна с минимально возможными размерами фотоприемника и его угловым полем зрения. Оптимизированная геометрия УДО характеризуется величинами угла конуса падения в пределах 30-40°. Сбор диффузного отражения осуществляется из оставшейся части полусферы над образцом (собираемая часть энергии, излучаемой Ламбертовской (косинусной) поверхностью, ∫cosα·sinα·dα, меняется от 75% в случае конуса падающего света с углом в 30° до 59% в случае угла 40°). Светосила оптимизированных УДО, согласно указанным расчетам с учетом всех факторов, может составлять до 40%. Очевидным недостатком УДО первого (с "осевыми" зеркалами) и второго типов (с "вне-осевыми" зеркалами) является их низкая светосила, хотя преимущество перед третьим типом - расположение всей оптики над плоскостью поверхности объекта.Research and calculations in [P.J. Brimmer, P.R. Griffits. "Angular Dependence of Diffuse Reflectance Infrared Spectra. Part III: Linearity of Kubelka-Munk Plots", Applied Spectroscopy, vol. 42, No. 2, 1988, pp.242-247; E.H. Korte. "Figures of Merit for a Diffuse Reflectance Accessory using an On-Axis Ellipsoidal Collecting Mirror '", Applied Spectroscopy, vol. 42, No. 3, 1988, pp. 428-433] were aimed at optimizing the optical design of the ultrasonic scanning system. The optimal geometry is characterized by the normal orientation of the cone of incident light to the surface of the sample and the collection of diffusely reflected light from the hemisphere remaining outside the cone above the sample. In this case, a maximum fraction of the diffuse with respect to specular reflection and a minimum spot size on the surface are achieved. The ratios of the solid angles of the incident and reflected light were optimized, as well as the ratios of the sizes of the illuminated spot with the smallest possible sizes of the photodetector and its angular field of view. The optimized UDO geometry is characterized by the values of the angle of the cone of incidence within 30-40 °. Diffuse reflection is collected from the remaining part of the hemisphere above the sample (the collected part of the energy emitted by the Lambert (cosine) surface, ∫cosα · sinα · dα, varies from 75% in the case of the incident light cone with an angle of 30 ° to 59% in the case of angle 40 °). The luminosity of optimized UDO, according to the specified calculations, taking into account all factors, can be up to 40%. An obvious drawback of the UDO of the first (with "axial" mirrors) and the second type (with "off-axis" mirrors) is their low aperture, although the advantage over the third type is the location of all the optics above the plane of the surface of the object.
Выпускающиеся коммерческие устройства имеют ограниченную применимость для микроанализа, так как в них чаще всего для измерения диффузно отраженного света необходимо, чтобы объект исследования имел поверхность размерами порядка 1×1 см2. При этом сам метод диффузного отражения, в сущности, не требует наличия больших объемов и площадей в измеряемом образце (на практике при преобразованиях Кубелки-Мунка в среднем ИК-диапазоне глубина образцов порядка 1 мм рассматривается как бесконечная).Commercially available devices have limited applicability for microanalysis, since in them most often for measuring diffusely reflected light it is necessary that the object of study has a surface with dimensions of the order of 1 × 1 cm 2 . Moreover, the diffuse reflection method itself, in essence, does not require the presence of large volumes and areas in the measured sample (in practice, when the Kubelka-Munk transforms in the mid-IR range, the depth of the samples of the order of 1 mm is considered infinite).
Существует единственное специально сконструированное УДО [Е.Н.Korte, A.Otto. "Infrared Diffuse Reflectance Accessory for Local Analysis of Bulky Samples", Applied Spectroscopy, vol.42, №1, 1988, pp.38-43], которое отвечает первым 3-м условиям при освещении участка поверхности диаметром 3 мм.There is only one specially designed UDO [E.N. Korte, A. Otto. "Infrared Diffuse Reflectance Accessory for Local Analysis of Bulky Samples", Applied Spectroscopy, vol. 42, No. 1, 1988, pp.38-43], which meets the first 3 conditions when illuminating a surface area of 3 mm in diameter.
Зеркальные объективы ИК-микроскопов отвечают условиям 1, 2 и 5, но до сих пор на практике не используются в качестве УДО, так как не разделяют диффузную и зеркальную компоненты. Однако их модернизация привлекательна и дополнительной возможностью визуализации точной настройки для микроанализа нужного участка поверхности протяженных объектов.Mirror lenses of IR microscopes correspond to
Устройства (объективы) для спектроскопии отражения при скользящих лучах и НПВО.Devices (lenses) for reflection spectroscopy with sliding beams and ATR.
Существуют разработанные более 20-ти лет назад устройства для регистрации спектров отражения-пропускания при скользящих лучах для анализа тонких пленок большой площади на зеркальных подложках, которые производятся многими фирмами.There are devices developed more than 20 years ago for recording reflection-transmission spectra with sliding beams for the analysis of large-area thin films on mirror substrates, which are produced by many companies.
Устройства МНПВО, даже имеющие конденсоры луча, также требуют не меньшей площади образца, чем УДО (обычно более 10 см2).MNIPO devices, even with beam capacitors, also require no less sample area than UDO (usually more than 10 cm 2 ).
Во всех отечественных объективах для инфракрасного диапазона используются линзовые (хотя иногда включаются и зеркальные) элементы, которые имеют два основных недостатка - ограниченную прозрачность в среднем ИК-диапазоне и хроматические аберрации ввиду зависимости коэффициента преломления от длины волны (см. например, [Юхимец П.Ф., Гришина Л.И., Бездидько С.Н. Проекционный объектив для инфракрасной области спектра. Патент РФ №2277717 С1 от 16.12.2004; Мельникова Н.Н., Грудзино Ю.Б., Давиденко В.П. Светосильный зеркально-линзовый объектив. Патент РФ №2261461 С1 от 24.08.2004]). Практически все они предназначены для использования в ближнем ИК-диапазоне и не для целей спектрального анализа. Данные недостатки отсутствуют в полностью зеркальных объективах Кассегрена или Шварцшильда, используемых в ИК-микроскопии и ИК-спектроскопии. Причем размеры изображений в них не зависят от длины волны, что позволяет настраиваться на объект в видимом диапазоне, а снимать спектры в ИК-диапазоне.In all domestic lenses for the infrared range, lens (although sometimes mirror) lenses are used, which have two main drawbacks - limited transparency in the mid-IR range and chromatic aberration due to the dependence of the refractive index on the wavelength (see, for example, [P. Yuhimets F., Grishina LI, Bezdidko SN Projection lens for the infrared region of the Russian Federation Patent of the Russian Federation No. 2277717 C1 dated December 16, 2004; Melnikova NN, Grudzino Yu.B., Davidenko VP Fast aperture lens lens. RF patent №22 61461 C1 of 08/24/2004]). Almost all of them are intended for use in the near infrared range and not for the purposes of spectral analysis. These shortcomings are absent in all-Cassegrain or Schwarzschild lenses used in IR microscopy and IR spectroscopy. Moreover, the image sizes in them do not depend on the wavelength, which allows you to tune to the object in the visible range, and to take spectra in the infrared range.
Фирмой "Spectra-Tech" (США), а затем и рядом других на базе классических зеркальных ахроматических объективов сконструирован ИК-микроскоп с полусферическим элементом НПВО в фокусе объектива (ATR-objective), позволяющий получать ИК-спектры НПВО с поверхностей в несколько десятков микрометров (фиг.3, 4).Spectra-Tech (USA), and then a number of others based on classic achromatic mirrored lenses, designed an IR microscope with a hemispherical ATR element in the lens focus (ATR objective), which allows one to obtain IR spectra of ATR from surfaces of several tens of micrometers (figure 3, 4).
Фиг.3. Типичная оптическая система зеркальных фокусирующих (внизу) и собирающих (вверху) объективов ИК-микроскопов.Figure 3. Typical optical system of mirror focusing (bottom) and collecting (top) IR microscope lenses.
"а" - оптическая геометрия для режимов визуализации образца или измерений псевдонормального отражения (или отражения-пропускания), "a" - optical geometry for visualization modes of the sample or measurements of pseudo-normal reflection (or reflection-transmission),
1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд маска), 5 - обращенное к объекту выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало собирающей системы, 6 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало собирающей системы.1 - convex axial hyperbolic (parabolic) mirror of the focusing system, 2 - concave axial elliptic mirror of the focusing system, 3 - test sample, 4 - screen (slide mask), 5 - convex axial hyperbolic (parabolic) mirror of the collecting system facing the object, 6 - concave axial elliptical mirror of the collecting system.
"b" - оптическая геометрия для режима измерения спектров отражения в скользящих лучах."b" is the optical geometry for the measurement mode of reflection spectra in moving beams.
1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, половина которого используется для сбора отраженного объектом света (вместо 5), 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, половина которого используется для сбора отраженного объектом света (вместо 6), 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд-маска).1 - a convex axial hyperbolic (parabolic) mirror of the focusing system, half of which is used to collect the light reflected by the object (instead of 5), 2 - a concave axial elliptical mirror of the focusing system, half of which is used to collect the light reflected by the object (instead of 6), 3 - studied sample, 4 - screen (slide mask).
Фронтальный вид соответствующих слайд-масок для каждого из режимов показан на фиг.3 справа.The front view of the respective slide masks for each of the modes shown in figure 3 on the right.
Фиг.4. Типичная оптическая схема НПВО-объектива для ИК-микроскопа. 1 - выпуклое осевое гиперболическое (параболическое) зеркало фокусирующей системы, вторая половина которого используется в собирающей системе зеркал (вместо 5), 2 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало фокусирующей системы, вторая половина которого используется в собирающей системе зеркал (вместо 6), 3 - исследуемый образец, 4 - экран (слайд-маска), 13 - полусферический элемент НПВО.Figure 4. Typical optical configuration of an ATR lens for an IR microscope. 1 - a convex axial hyperbolic (parabolic) mirror of the focusing system, the second half of which is used in the collecting system of mirrors (instead of 5), 2 - a concave axial elliptical mirror of the focusing system, the second half of which is used in the collecting system of mirrors (instead of 6), 3 - studied sample, 4 - screen (slide mask), 13 - hemispherical element of air defense.
Элемент НПВО либо жестко фиксирован в области фокуса объектива (если используются только прозрачные элементы НПВО, как селенид цинка), либо перемещается за пределы канала луча для визуализации настройки на образец. В НПВО-объективах также внешняя цилиндрическая часть входящего светового потока используется для измерения спектров, а внутренняя - для наблюдения, а их выбор производится с помощью масок [D.W.Sting, "ATR objective and method for sample analyzation using an ATR crystal", USA Patent №5093580, March 3, 1992], ограничивающих сигнал. Для получения неискаженных спектров НПВО необходимо такое диафрагмирование лучей перед объективом, чтобы углы падения в конусе сфокусированного пучка превышали критический угол полного внутреннего отражения на границе элемента НПВО с объектом. Для этого используется специальная диафрагма, оставляющая только внешнюю часть пучка (см. фиг.3"а" и 4). Это, наряду с необходимостью визуализации, также приводит к сильной потере светосилы НПВО-объективов. Практика показывает, что при использовании в объективах элементов НПВО с показателями преломления не выше 2.7 (KRS, ZnSe, алмаз) в спектрах большинства объектов наблюдаются сильные дисперсионные искажения, которые отсутствуют при использовании малопрозрачного германия (n=4.1). Чем более высокий коэффициент преломления имеет исследуемый объект (т.е. выше величина критического угла), тем выше должны быть углы падения (апертура) или величина коэффициента преломления элемента НПВО. Поэтому при сохранении возможностей визуализации требуется либо относительно большая площадь окружности маски, либо больший коэффициент преломления (меньшая прозрачность) элемента НПВО, что в любом случае приводит к еще большим потерям света.The ATR element is either rigidly fixed in the focus area of the lens (if only transparent elements of the ATR are used, such as zinc selenide), or it moves outside the beam channel to visualize the adjustment to the sample. In ATR lenses, the outer cylindrical part of the incoming light flux is also used to measure spectra, and the inner part is used for observation, and they are selected using masks [DWSting, "ATR objective and method for sample analyzing using an ATR crystal", USA Patent No. 5093580, March 3, 1992], restricting the signal. To obtain undistorted ATR spectra, it is necessary to diaphragm the rays in front of the lens such that the angles of incidence in the cone of the focused beam exceed the critical angle of total internal reflection at the boundary of the ATR element with the object. For this, a special diaphragm is used, leaving only the outer part of the beam (see Fig. 3 "a" and 4). This, along with the need for visualization, also leads to a strong loss of aperture ratio of ATR lenses. Practice shows that when using ATR elements in lenses with refractive indices not higher than 2.7 (KRS, ZnSe, diamond), the spectra of most objects exhibit strong dispersion distortions that are absent when using low-transparency germanium (n = 4.1). The higher the refractive index of the object under study (i.e., the higher the critical angle), the higher should be the angles of incidence (aperture) or the value of the refractive index of the ATR element. Therefore, while maintaining the visualization capabilities, either a relatively large mask circumference or a higher refractive index (lower transparency) of the ATR element is required, which in any case leads to even greater light losses.
Таким образом, требования, предъявляемые к объективам для спектроскопии НПВО и отражения при скользящих углах, где важно качество получаемого спектра с малой площади образца, противоречат требованиям к традиционным микроскопам, предназначенным для создания качественного изображения. В существующих ИК-микроскопах одни и те же зеркальные поверхности объективов являются компромиссом и для регистрации спектров, и для создания плоских изображений объектов.Thus, the requirements for lenses for ATR spectroscopy and reflection at sliding angles, where the quality of the resulting spectrum from a small sample area is important, contradict the requirements for traditional microscopes designed to create high-quality images. In existing IR microscopes, the same mirror surfaces of lenses are a compromise both for recording spectra and for creating flat images of objects.
Дополнительным недостатком существующих НПВО-объективов является следующий. Полусферический элемент НПВО, как известно, хорошо приспособлен для непрерывной вариации углов падения и соответственно глубины проникновения лучей (профилирования). Чем меньше угол падения относительно нормали к образцу, тем больше глубина проникновения затухающей волны в образец. Непрерывную вариацию углов падения было бы удобно делать с использованием ирисовой диафрагмы, если бы определяющую роль имели апертурные лучи, однако в спектроскопии НПВО решающую роль играют лучи внутренней части конуса падения, близкие к критическим углам. В существующих НПВО-объективах для глубинного профилирования пришлось бы варьировать углы только с помощью серии сменных масок с различным диаметром центрального экрана, что не удобно и существенно ограничено в вариациях ввиду изложенных выше требований к светосиле.An additional drawback of existing ATR lenses is the following. The hemispherical element of the ATR, as you know, is well suited for continuous variation of the angles of incidence and, accordingly, the depth of penetration of rays (profiling). The smaller the angle of incidence relative to the normal to the sample, the greater the depth of penetration of the damped wave into the sample. Continuous variation of the incidence angles would be conveniently done using the iris diaphragm if aperture rays had a decisive role, however, rays of the inner part of the incidence cone close to critical angles play a decisive role in the ATR spectroscopy. In existing ATR lenses for deep profiling, it would be necessary to vary the angles only with a series of replaceable masks with different diameters of the central screen, which is not convenient and significantly limited in variations due to the aforementioned requirements for aperture ratio.
Зеркальные объективы для спектроскопии отражения в скользящих лучах (grazing angle objectives) представляют короткофокусную модификацию традиционных зеркальных объективов (Кассегрена, Шварцшильда) с очень высокими степенями выпуклости центрального отражающего сферического или гиперболического зеркала и с высокой степенью вогнутости кольцевого сегмента сферического (эллиптического) зеркала (фиг.3) [D.W.Sting, "Grazing angle microscope", USA Patent №4810077, March 7, 1989]. Сечение светового потока также разделяется с помощью масок на две кольцевые части: наружную и внутреннюю (фиг.3«а» и «б»). Наружная часть используется для измерения спектров отражения при скользящих углах, а внутренняя - для визуализации настройки на образец [R.G.Messerschmidt. "Spectroscopic sampling accessory having dual measuring and viewing systems", USA Patent №5311021, May.10, 1994]. Похожие системы описаны в патентах [Y.Yamawaki, Infrared microscope and observation tube used for the same, USA Patent №6525874, Feb.25, 2003; J.Davis, Infrared microscope adapter for viewing at an angle, USA Patent №6661573, Dec.9, 2003]. Причем чем более качественное требуется изображение, тем большая доля лучей должна иметь параксиальный характер. Необходимость визуализации, таким образом, приводит к дополнительному уменьшению светосилы объектива отражения при скользящих лучах.Mirror lenses for grazing angle objectives spectroscopy represent a short-focus modification of traditional mirror lenses (Cassegrain, Schwarzschild) with very high convexity of the central reflecting spherical or hyperbolic mirror and with a high degree of concavity of the annular segment of a spherical (elliptical) mirror (Fig. 3) [DWSting, "Grazing angle microscope", USA Patent No. 4810077, March 7, 1989]. The cross section of the light flux is also divided using masks into two annular parts: external and internal (Fig.3 "a" and "b"). The outer part is used to measure the reflection spectra at moving angles, and the inner part is used to visualize the sample setup [R.G. Messerschmidt. "Spectroscopic sampling accessory having dual measuring and viewing systems", USA Patent No. 5311021, May.10, 1994]. Similar systems are described in patents [Y. Yamawaki, Infrared microscope and observation tube used for the same, USA Patent No. 6525874, Feb.25, 2003; J. Davis, Infrared microscope adapter for viewing at an angle, USA Patent No. 6661573, Dec.9, 2003]. Moreover, the higher quality the image is required, the greater the proportion of rays should be paraxial. The need for visualization, thus, leads to an additional decrease in the aperture of the reflection lens with moving rays.
Ранее для работы в режиме отражения использовали светоделитель, что давало в итоге только четверть его исходной энергии. В более поздних микроскопах стали использовать зеркала с полуотверстием (половина сечения потока пропускается, другая половина отражается), где достигается вдвое более высокая светосила. В патентах [D.W.Sting, R.G.Messerschmidt. "Aperture image beam splitter", USA Patent №4878747, Nov.7, 1989; D.W.Sting, R.G.Messerschmidt. "Reflective beam splitting objective",USA Patent №4653880, March 31, 1987] предложен вариант с подобным расщеплением луча. В патенте [W.M.Doyle, N.S.Hughes. "Reflectance infrared microscope having high radiation throughput", USA Patent №5011243, April 30, 1991] предложен вариант повышения светосилы с использованием наклонной плоскости поверхности образца, когда канал фокусировки не совпадает с каналом сбора. Очевидно, такая геометрия имеет ряд неудобств при работе с образцом.Previously, a beam splitter was used to operate in reflection mode, which resulted in only a quarter of its initial energy. In later microscopes, mirrors with a half-hole were used (half of the flow cross section is passed, the other half is reflected), where a twice higher aperture is achieved. In patents [D.W. Sting, R.G. Messerschmidt. "Aperture image beam splitter", USA Patent No. 4878747, Nov.7, 1989; D.W. Sting, R.G. Messerschmidt. "Reflective beam splitting objective", USA Patent No. 4653880, March 31, 1987] a variant with a similar beam splitting is proposed. In the patent [W.M.Doyle, N.S. Hughes. "Reflectance infrared microscope having high radiation throughput", USA Patent No. 5011243, April 30, 1991] proposed an option to increase aperture using an inclined plane of the sample surface when the focus channel does not coincide with the collection channel. Obviously, such a geometry has a number of inconveniences when working with a sample.
Некоторые современные тенденции в разработке ИК-микроскопов, отмеченные, например, в [Tague T.J., Reffner J.A. Evolution in Infrared Microspectroscopy Instrumentation. Book of Abstracts PITTCON®′98, March 1-5, 1998, USA, p.1347], характеризуются следующими направлениями:Some current trends in the development of IR microscopes, noted, for example, in [Tague T.J., Reffner J.A. Evolution in Infrared Microspectroscopy Instrumentation. Book of Abstracts PITTCON®′98, March 1-5, 1998, USA, p.1347], are characterized by the following areas:
- "корректировкой на бесконечность" (использование коллимированных пучков для повышения гибкости составных частей микроскопа в приспособлениях);- "adjustment to infinity" (the use of collimated beams to increase the flexibility of the components of the microscope in devices);
- специализацией на регистрацию спектров отражения (модели, в которых отсутствуют конденсоры лучей снизу под объективом, например [Reffner J.A., Wihlborg W.T. "Infrared microspectrometer accessory", USA Patent №5581085, Dec.3, 1996];- specialization in recording reflection spectra (models in which there are no ray condensers below the lens, for example [Reffner J.A., Wihlborg W.T. "Infrared microspectrometer accessory", USA Patent No. 5581085, Dec.3, 1996];
- разработкой многоканальных ИК-фотоприемников для картирования поверхности на определенных полосах колебаний.- the development of multichannel infrared photodetectors for mapping the surface on specific vibration bands.
Так, в патенте [Doyle W.M. "Microscope accessory which facilitates radiation transmission measurements in the reflectance mode", USA Patent №4758088, July 19, 1988] вместо нижнего конденсора используется сферическое вогнутое зеркало для возврата луча в объектив после повторного прохождения пленки образца.So, in the patent [Doyle W.M. "Microscope accessory which facilitates radiation transmission measurements in the reflectance mode", USA Patent No. 4758088, July 19, 1988] instead of the lower condenser, a spherical concave mirror is used to return the beam to the lens after repeated passage of the sample film.
ПрототипPrototype
Все существующие решения по спектральным применениям зеркальных объективов базируются на схемах Кассегрена и Шварцшильда. Существенным шагом по принципиальному расширению спектральных возможностей существующих зеркальных объективов было введение в них двойной зеркальной системы - дополнительного эллиптического зеркала и других, как отдельной собирающей системы зеркал, которые перекрывают оставшуюся часть полусферы над образцом вне конуса падающего света, которое было признано изобретением в 1990 году [Купцов А.Х. «Устройство для измерения спектров диффузного отражения», Авторское свидетельство СССР №1637520, 22 ноября 1990]. Указанные пять требований к устройствам (либо объективам) для измерения спектров диффузного отражения выполняются одновременно и практически полностью в указанном изобретении. Исключением является пункт 3 в части устранения диффузной френелевой компоненты отражения.All existing solutions for the spectral applications of mirror lenses are based on Cassegrain and Schwarzschild schemes. A significant step towards the fundamental expansion of the spectral capabilities of existing mirror lenses was the introduction of a double mirror system in them - an additional elliptical mirror and others, as a separate collecting system of mirrors that cover the remainder of the hemisphere above the sample outside the incident light cone, which was recognized by the invention in 1990 [ Kuptsov A.Kh. “A device for measuring diffuse reflection spectra”, USSR Copyright Certificate No. 1637520, November 22, 1990]. These five requirements for devices (or lenses) for measuring diffuse reflectance spectra are fulfilled simultaneously and almost completely in this invention. The exception is
Наиболее близким к заявленному решению (прототипом) является вышеуказанное авторское свидетельство.Closest to the claimed solution (prototype) is the above copyright certificate.
Устройство для измерения спектров диффузного отражения без компоненты зеркального отражения, содержащее источник излучения, оптически связанный через плоское зеркало, фокусирующую систему в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси первого эллиптического и первого параболического зеркал и собирающую систему в виде соосно установленных вдоль главной оптической оси второго эллиптического, второго параболического, сферического и плоского зеркал с фотоприемником, причем главная оптическая ось и оптические оси всех зеркал с поверхностями вращения совпадают с нормалью к плоскости установки поверхности исследуемого объекта, при этом первое эллиптическое зеркало выполнено с отверстием, расположенным на главной оптической оси, первое плоское поворотное зеркало оптически связано с первым эллиптическим зеркалом через первое параболическое зеркало, причем фокус первого параболического зеркала и первый фокус первого эллиптического зеркала совпадают, а второй фокус первого эллиптического зеркала совпадает с точкой пересечения главной оптической оси и плоскости установки поверхности исследуемого объекта, а также с первым фокусом второго эллиптического зеркала и фокусом сферического зеркала, второе эллиптическое зеркало оптически связано через второе параболическое зеркало и второе плоское поворотное зеркало с фотоприемником, сферическое зеркало оптически связано через поверхность объекта, через второе эллиптическое, второе параболическое и второе плоское поворотное зеркало с фотоприемником, а второй фокус второго эллиптического зеркала совмещен с фокусом второго параболического зеркала.A device for measuring diffuse reflection spectra without a specular reflection component, comprising a radiation source optically coupled through a flat mirror, a focusing system in the form of a first elliptical and first parabolic mirrors coaxially mounted along the main optical axis and a collecting system in the form of a second elliptical coaxially mounted along the main optical axis , the second parabolic, spherical and flat mirrors with a photodetector, and the main optical axis and the optical axis of all mirrors with the rotation surfaces coincide with the normal to the plane of installation of the surface of the object under study, the first elliptical mirror is made with a hole located on the main optical axis, the first flat rotary mirror is optically connected to the first elliptical mirror through the first parabolic mirror, with the focus of the first parabolic mirror and the first the focus of the first elliptical mirror coincides, and the second focus of the first elliptical mirror coincides with the intersection point of the main optical axis and the plane bones of mounting the surface of the object under study, as well as with the first focus of the second elliptical mirror and the focus of the spherical mirror, the second elliptical mirror is optically connected through the second parabolic mirror and the second flat rotary mirror with a photodetector, the spherical mirror is optically connected through the surface of the object, through the second elliptical, second parabolic and the second flat rotary mirror with a photodetector, and the second focus of the second elliptical mirror is combined with the focus of the second parabolic rkala.
Недостатки прототипа заключаются в том, что он не устраняет френелевскую диффузную компоненту отражения на шероховатостях поверхности, которая имеет природу зеркального отражения и тоже искажает спектр диффузного объемного отражения.The disadvantages of the prototype are that it does not eliminate the Fresnel diffuse component of the reflection on the surface roughness, which has the nature of specular reflection and also distorts the spectrum of diffuse volume reflection.
Кроме того, в прототипе не отмечены принципиально новые применения и возможности, которые может дать указанная оптическая схема для других видов спектроскопии.In addition, the prototype is not marked by a fundamentally new applications and opportunities that can give the specified optical scheme for other types of spectroscopy.
Техническими задачами настоящего изобретения являютсяThe technical objectives of the present invention are
1. Устранение упругой френелевской компоненты диффузного отражения на шероховатостях поверхности как при регистрации спектров диффузного объемного отражения, так и спектров неупругого рассеяния (флуоресценции, комбинационного рассеяния и т.п.).1. Elimination of the elastic Fresnel component of diffuse reflection on surface roughness when recording the spectra of diffuse volume reflection and inelastic scattering spectra (fluorescence, Raman scattering, etc.).
2. Реализация возможности встраивания данного устройства вместо классических зеркальных объективов в обычных ИК-микроскопах без корректированных на бесконечность (параллельных) пучков.2. The implementation of the possibility of embedding this device instead of the classic mirror lenses in conventional IR microscopes without infinity-corrected (parallel) beams.
3. Реализация возможности светосильной с полностью открытой апертурой регистрации спектров зеркального отражения, спектров пропускания-отражения в скользящих углах при одновременной визуализации изображения объекта либо одновременной регистрации разных видов спектров.3. Realization of the possibility of recording a specular reflection spectrum, transmission-reflection spectra at moving angles at a fast aperture with a fully open aperture, while simultaneously visualizing an image of an object or simultaneously recording different types of spectra.
4. Реализация возможности светосильной регистрации спектров нарушенного полного внутреннего отражения без экранировки внутренней части потока падающих лучей, а также плавной регулировки глубины проникновения ИК-лучей в образец с помощью апертурной ирисовой диафрагмы.4. Realization of the possibility of fast registration of the spectra of impaired total internal reflection without screening the internal part of the incident ray flux, as well as smooth adjustment of the depth of penetration of infrared rays into the sample using the aperture iris diaphragm.
5. Реализация возможности регистрации спектров отражения, флуоресценции или комбинационного рассеяния для микроанализа труднодоступных либо удаленных участков протяженных объектов.5. Realization of the possibility of recording reflection spectra, fluorescence or Raman scattering for microanalysis of hard-to-reach or remote sections of extended objects.
Технический результат достигается тем, чтоThe technical result is achieved by the fact that
1. Между источником и фокусирующей системой зеркал, а также между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлены скрещенные друг относительно друга поляризаторы или/и на поверхности объекта установлен экран в виде соосного усеченного полого тонкостенного конуса вершиной к объекту, образующая которого лежит между конусом падающего света фокусирующей системы и телесным углом сбора рассеянного света собирающей системы.1. Between the source and the focusing system of mirrors, as well as between the collecting system of mirrors and the photodetector, polarizers are crossed relative to each other or / and a screen is installed on the surface of the object in the form of a coaxial truncated hollow thin-walled cone with its apex toward the object, the generatrix of which lies between the cone of incident light focusing system and solid angle of scattered light collection of the collecting system.
2. В качестве фокусирующей системы используют соосные главной оптической оси и софокусные первое гиперболическое и первое эллиптическое зеркала, а в качестве собирающей системы используют соосные главной оптической оси и софокусные второе гиперболическое и второе эллиптическое зеркала.2. As the focusing system, the first hyperbolic and first elliptical mirrors coaxial with the main optical axis and confocal are used, and the second hyperbolic and second elliptical mirrors coaxial with the main optical axis and confocal are used as the focusing system.
3. Между собирающей системой зеркал и фотоприемником установлено плоское зеркало так, что часть собирающей системы зеркал оптически связана с фотоприемником, а другая часть собирающей системы оптически связана с источником в качестве фокусирующей системы.3. A flat mirror is mounted between the collecting system of mirrors and the photodetector so that part of the collecting system of mirrors is optically coupled to the photodetector, and the other part of the collecting system is optically connected to the source as a focusing system.
4. На поверхности исследуемого участка объекта рабочей гранью к нему, софокусно и соосно установлен полусферический элемент для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения, а между источником и плоским зеркалом установлена апертурная ирисовая диафрагма.4. A hemispherical element for spectroscopy of the impaired total internal reflection is mounted confocal and coaxial on the surface of the studied area of the object’s object, and an aperture iris diaphragm is installed between the source and the flat mirror.
5. В качестве плоского зеркала перед фокусирующей системой использован подводящий свет волновод, установленый вдоль главной оптической оси, а отводящий собранный вторым эллиптическим зеркалом свет волновод установлен либо в качестве второго параболического (или второго гиперболического) и второго плоского зеркал собирающей системы вдоль главной оптической оси, либо в качестве второго плоского зеркала, оптически связывающего собирающую систему с фотоприемником.5. As a planar mirror in front of the focusing system, a light-guiding waveguide installed along the main optical axis is used, and a waveguide that collects the light collected by the second elliptical mirror is installed either as a second parabolic (or second hyperbolic) and second planar mirrors of the collecting system along the main optical axis, or as a second planar mirror, optically connecting the collecting system with a photodetector.
6. На главной оптической оси установлено плоское зеркало с коаксиальным отверстием для подводящего свет волновода, а в качестве параболического (либо гиперболического) и плоского зеркала собирающей системы и отводящего волновода используют установленное зеркало, которое оптически связывает собирающее эллиптическое зеркало с фотоприемником.6. A flat mirror with a coaxial hole for the light supplying waveguide is mounted on the main optical axis, and an installed mirror is used as a parabolic (or hyperbolic) and flat mirror of the collecting system and the output waveguide, which optically couples the collecting elliptical mirror to the photodetector.
Предлагаемое техническое решение (предлагаемое изобретение) поясняется чертежами, где на фиг.1-4 демонстрируются типичные существующие устройства, а на фиг.5-10 приведены различные новые схемы работы предлагаемого устройства.The proposed technical solution (the present invention) is illustrated by drawings, where Figs. 1-4 show typical existing devices, and Figs. 5-10 show various new operation schemes of the proposed device.
Пример 1 (Фиг.5)Example 1 (Figure 5)
Принципиальная схема устройства для одновременного наблюдения образца и измерения спектров упругого диффузного и неупругих отражений. 1 - выпуклое осевое гиперболическое (сферическое или параболическое) зеркало фокусирующей системы, 2 - вогнутое осевое эллиптическое (или сферическое) зеркало фокусирующей системы, 3 - поверхность исследуемого образца, 5 - вогнутое осевое эллиптическое зеркало собирающей системы, 7 - фотоприемник.Schematic diagram of a device for simultaneous observation of a sample and measuring the spectra of elastic diffuse and inelastic reflections. 1 - convex axial hyperbolic (spherical or parabolic) mirror of the focusing system, 2 - concave axial elliptic (or spherical) mirror of the focusing system, 3 - surface of the test sample, 5 - concave axial elliptical mirror of the collecting system, 7 - photodetector.
При работе в режиме диффузного отражения падающий свет отражается выпуклым зеркалом 1 и фокусируется на объект первым вогнутым эллиптическим зеркалом 2. Отраженный различным образом свет распространяется в полусферу над образцом. Диффузное отражение собирается зеркалом 5 (вне конуса падающего и зеркально отраженного света) и направляется на фотоприемник 7. Последний может быть установлен за или перед зеркалом 1 (поскольку на главной оси имеются конусы тени) либо за пределами устройства с помощью установленных на оси зеркал, как в следующем примере.When operating in diffuse reflection mode, incident light is reflected by a
Пример 2 (Фиг.6)Example 2 (Fig.6)
Принципиальная схема устройства для одновременного наблюдения образца и измерения спектров упругого диффузного отражения раздельно от зеркальной и диффузной френелевой компоненты.Schematic diagram of a device for simultaneous observation of a sample and measuring the spectra of elastic diffuse reflection separately from the mirror and diffuse Fresnel components.
Диффузно отраженная от шероховатостей поверхности френелевская часть блокируется как внутренней стороной конического экрана 4, так и скрещенными поляризаторами 10, 11. Диффузно отраженный из объема образца свет проходит снаружи конического экрана 4, собирается с помощью второго эллиптического зеркала 5 и гиперболическим зеркалом 6 и плоским зеркалом 9 направляется к фотоприемнику. Как видно из фиг.6, устройство имеет и высокую степень сбора диффузно-отраженного света (достоинства приставки Фуллера-Гриффитса без ее недостатков) и возможность анализа малых участков протяженных объектов, так как все оптические элементы расположены над плоскостью поверхности образца. При этом используемые в качестве конденсоров устройства со "слепым пятном" в центре выпуклого зеркала хотя и имеют пониженную светосилу (общий недостаток всех зеркальных ИК-объективов), однако компенсируют ее эффективной фокусировкой света на малую площадь поверхности образца и отсутствием хроматической аберрации (их общее преимущество). Диффузное излучение Ламбертовских (косинусных) объектов характеризуется тем, что в среднюю треть полусферы, а именно телесного угла от 30 до 60 градусов излучается половина энергии, а в верхнюю и нижнюю - по четверти. Следовательно, второй эллипсоид при 30-градусной фокусирующей апертуре собирает в 12 раз больше света, чем это может собрать половина эллипсоида объектива (причем без отделения зеркальной компоненты) в классическом варианте с разделением потока.The Fresnel part that is diffusely reflected from the surface roughness is blocked by both the inner side of the
Таким образом, данное устройство может обеспечить высокую эффективность сбора селектированного объемного диффузного отражения света с очень малых участков поверхности протяженных объектов. Аналогичным образом работает данное устройство и на отсечение возбуждающего света при регистрации спектров флуоресценции или комбинационного рассеяния, где неупругая часть рассеяния собирается снаружи от экранирующего конуса. К тому же при регистрации спектров КР поляризатора в канале падающего света не требуется, так как обычно возбуждающий лазерный луч уже имеет линейную поляризацию.Thus, this device can provide high collection efficiency of the selected volumetric diffuse reflection of light from very small surface areas of extended objects. This device works similarly to cut off exciting light when recording fluorescence or Raman spectra, where the inelastic part of the scattering is collected outside the screening cone. In addition, when registering the Raman spectra of a polarizer in the incident light channel, it is not required, since usually the exciting laser beam already has linear polarization.
Предлагаемое устройство по существу пренебрегает качеством изображения исследуемого объекта в дополнительном канале в пользу преимуществ работы в различных режимах спектроскопии отражения, что не является недостатком ввиду настройки и создания изображения с помощью первого традиционного канала. В данном случае вместо выделения анализируемого участка с помощью регулируемых экранирующих масок в плоскости изображения производится регулирование размера освещаемого участка посредством регулирования с помощью апертурной диафрагмы в плоскости промежуточного изображения источника при контроле освещаемого участка через первый канал. Это является возможным и удобным благодаря тому факту, что ввиду большего коэффициента увеличения во втором канале наблюдаемая область поверхности образца превышает максимальный размер освещаемого пятна. И это обстоятельство делает удобным исследование участков различной площади как в режиме регистрации ИК-, так и КР-спектров. Требования светосильности для УДО и устройств сбора КР не противоречат друг другу, хотя ввиду преимуществ лазерных источников оптимальные соотношения телесных углов освещения и сбора в случае КР смещены в стороны увеличения угла сбора.The proposed device essentially neglects the image quality of the investigated object in the additional channel in favor of the advantages of working in different modes of reflection spectroscopy, which is not a disadvantage due to the configuration and creation of the image using the first traditional channel. In this case, instead of highlighting the analyzed area using adjustable shielding masks in the image plane, the size of the illuminated area is controlled by adjusting the aperture diaphragm in the plane of the intermediate image of the source while controlling the illuminated area through the first channel. This is possible and convenient due to the fact that, due to the larger magnification factor in the second channel, the observed region of the sample surface exceeds the maximum size of the illuminated spot. And this circumstance makes it convenient to study areas of various sizes both in the registration mode of IR and Raman spectra. The luminosity requirements for UDO and Raman collection devices do not contradict each other, although due to the advantages of laser sources, the optimal ratios of solid angles of illumination and collection in the case of Raman scattering are shifted towards increasing the angle of collection.
Пример 3 (Фиг.7)Example 3 (Fig.7)
Для регистрации спектров зеркального отражения или пропускания-отражения в скользящих лучах дополнительный канал делится как обычно с помощью зеркала с полуотверстием (или зеркала на полпотока в позиции 12) на подводящую и отводящую части. Зеркала 1 и 2 используются для наблюдения. При этом одновременно можно измерять спектры объекта с помощью зеркал 5 и 6, что особенно важно для нестабильных веществ, либо анализа процессов, либо фотохромных объектов. Существенной отличительной особенностью работы нижней части устройства по сравнению с верхней (обычными объективами) является инверсия лучей. Если наружные участки падающего пучка так и остаются снаружи после фокусировки (и обладают большими углами падения) в обычных объективах, то при направлении падающего пучка плоским зеркалом 9 на выпуклое зеркало 6 и нижний эллипсоид 5 после фокусировки большими углами падения будут обладать именно внутренние участки исходного потока. Это позволяет использовать для экранирования стандартные ирисовые апертурные диафрагмы в сфокусированном пучке лучей с меньшими углами падения (то есть исходных наружных лучей). Если также учесть, что на практике пучки лучей неоднородны и их внутренняя часть имеет более интенсивный поток, то нижняя часть устройства может использоваться в качестве объектива для скользящих лучей (grazing angle objective), позволяющего анализировать очень тонкие пленки. При этом может быть достигнута более высокая светосила.To register the specular reflection or transmission-reflection spectra in moving beams, the additional channel is divided, as usual, with a half-hole mirror (or a half-stream mirror at position 12) into the supply and output parts.
Пример 4 (Фиг.8)Example 4 (Fig. 8)
Схема для одновременного наблюдения и регистрации спектров НПВО. Элемент НПВО показан позицией 13. Режим настройки на образец при непрозрачном элементе НПВО производится при сдвинутых или поднятых в область тени положениях элемента 13. При использовании инверсионной части устройства с полусферическим элементом НПВО можно отметить следующие особенности. По мере уменьшения угла падения лучей на полусферический элемент от 90° наблюдается увеличение глубины проникновения ИК-лучей. Следовательно, глубина проникновения ограничивается диаметром варьируемой ирисовой апертуры падающего потока в дополнительном канале. Это позволяет легко (без изготовления серии масок с центральным круглым экраном разной площади в прототипах) проводить плавное глубинное спектральное профилирование в анализируемой малой зоне на поверхности простым поворотом регулятора апертуры. При этом можно регистрировать ИК-НПВО-спектры с полностью открытой апертурой до значений, соответствующих критическим углам, что позволяет получить существенный выигрыш в светосиле по сравнению с традиционным НПВО-объективом.Scheme for simultaneous observation and recording of ATR spectra. The ATR element is shown at
Пример 5 (Фиг.6 и 7)Example 5 (Fig.6 and 7)
В представленной схеме проводится одновременная регистрация ИК-спектров пропускания через классическую собирающую часть объектива (традиционно падающий ИК-поток фокусируется с помощью конденсора под объектом), роль которой выполняют фокусирующие зеркала, и комплементарных спектров КР через собирающую систему зеркал и зеркало с полуотверстием, как в примерах 2 или 3. Это важно, например, при микроанализе процессов твердофазной полимеризации полидиацетиленов. Полосы, отвечающие первоначальному состоянию и превращениям тройных связей в которых, не проявляются в ИК-спектрах, но наиболее активны в спектрах КР. Аналогичным образом, используя дополнительный канал, можно проводить одновременное с измерением ИК-спектров измерения спектров флуоресценции или иных спектров либо наблюдать (фиксировать изменение цифрового изображения) в видимом диапазоне через основной канал с одновременным измерением каких-либо спектров через дополнительный канал в одной временной шкале.In the presented scheme, the IR transmission spectra are simultaneously recorded through the classical collecting part of the lens (the traditionally incident IR stream is focused using a condenser under the object), the role of which is played by focusing mirrors, and complementary Raman spectra through the collecting system of mirrors and a mirror with a half-hole, as in examples 2 or 3. This is important, for example, in the microanalysis of solid-state polymerization of polydiacetylenes. The bands corresponding to the initial state and the transformations of triple bonds in which do not appear in the IR spectra, but are most active in the Raman spectra. Similarly, using an additional channel, it is possible to simultaneously measure the IR spectra of fluorescence spectra or other spectra, or to observe (record the change in the digital image) in the visible range through the main channel while simultaneously measuring any spectra through the additional channel in the same time scale.
Анализ цифрового изображения через основной канал может быть использован при выявлении различных спектральных эффектов, возбуждаемых через дополнительный канал при расшифровке кодирующих композиций по патенту [Купцов А.Х. Кодирующая композиция и способ распознавания ее компонентов. Патент РФ №2254354 С1 от 24.02.2004].The analysis of the digital image through the main channel can be used to identify various spectral effects excited through the additional channel when decoding the coding compositions according to the patent [A. Kuptsov. Coding composition and method for recognizing its components. RF patent No. 2254354 C1 dated February 24, 2004].
Пример 6 (Фиг.9)Example 6 (Fig. 9)
Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения либо флуоресценции или комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных микроучастков протяженных объектов. На фиг.9 показана схема, где установлены подводящие 14 и отводящие 15 свет оптоволоконные кабели или полые волноводы. При этом через центральный волновод (полый либо оптоволоконный) подведен падающий (возбуждающий) световой поток, а через расположенные вокруг подводящего периферийные волноводы отводится к фотоприемнику собранный вторым эллиптическим зеркалом 5 поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния. Особенностью данной схемы является расположение второго фокуса второго эллиптического зеркала 5 за фокусом первого параболического (гиперболического) зеркала 1 относительно объекта 3.A variant of the design of a device for recording reflection spectra or fluorescence or Raman scattering of inaccessible or remote micro-regions of extended objects. Fig. 9 shows a diagram where fiber-optic cables or hollow waveguides are installed for supplying 14 and outputting 15 light. In this case, the incident (exciting) light flux is supplied through the central waveguide (hollow or fiber-optic), and through the peripheral waveguides located around the lead, the flux of diffuse volume reflection or any inelastic scattering collected by the second
Пример 7 (Фиг.10)Example 7 (Figure 10)
Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения, флуоресценции или комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных участков. На фиг.10 показан вариант, где в канале падающего света по его оси сквозь плоское зеркало с отверстием 9 установлен подводящий волновод (полый либо оптоволоконный), а собранный вторым эллиптическим зеркалом поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния через периферийную часть этого зеркала 9 направлен на фотоприемник 7. Как и в примере 6, особенностью данного варианта является расположение второго фокуса второго эллиптического зеркала за фокусом первого параболического (гиперболического) зеркала относительно объекта.A variant of the design of a device for recording reflection spectra, fluorescence or Raman scattering of light inaccessible or remote areas. Figure 10 shows a variant where a feed waveguide (hollow or fiber optic) is mounted in its channel of incident light along its axis through a flat mirror with
Пример 8 (Фиг.5 и 9)Example 8 (Figures 5 and 9)
Вариант схемы устройства для регистрации спектров отражения, либо флуоресценции, либо комбинационного рассеяния света труднодоступных либо удаленных микроучастков протяженных объектов. Схема аналогична показанной на фиг.5 и 9, где в канале падающего света перед фокусирующими зеркалами 1 и 2 установлены подводящие и отводящие свет волноводы 14 и 15. При этом собранный вторым эллиптическим зеркалом 5 поток диффузного объемного отражения или какого-либо неупругого рассеяния вводится в окно центрального собирающего волновода 14, расположенного в позиции, где показан фотоприемник 7, а последний может быть размещен вне устройства.A variant of the design of a device for recording reflection spectra, or fluorescence, or Raman scattering of hard-to-reach or remote micro-regions of extended objects. The scheme is similar to that shown in FIGS. 5 and 9, where the input and output light guides 14 and 15 are installed in front of the focusing
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129378/28A RU2334957C2 (en) | 2006-08-15 | 2006-08-15 | Device for spectra measurement of akh kuptsov |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006129378/28A RU2334957C2 (en) | 2006-08-15 | 2006-08-15 | Device for spectra measurement of akh kuptsov |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006129378A RU2006129378A (en) | 2008-02-20 |
| RU2334957C2 true RU2334957C2 (en) | 2008-09-27 |
Family
ID=39266890
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006129378/28A RU2334957C2 (en) | 2006-08-15 | 2006-08-15 | Device for spectra measurement of akh kuptsov |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2334957C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547891C1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро специального приборостроения" | Lighting unit of small-sized spectrophotometer |
| RU2574176C2 (en) * | 2010-03-23 | 2016-02-10 | Институт Кемии Физишней Польский Академии Наук | Substrate for surface-enhanced raman-scattering analysis |
| RU178444U1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-04-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Photoluminescence Measurement Device |
-
2006
- 2006-08-15 RU RU2006129378/28A patent/RU2334957C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574176C2 (en) * | 2010-03-23 | 2016-02-10 | Институт Кемии Физишней Польский Академии Наук | Substrate for surface-enhanced raman-scattering analysis |
| RU2547891C1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро специального приборостроения" | Lighting unit of small-sized spectrophotometer |
| RU178444U1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-04-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Photoluminescence Measurement Device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006129378A (en) | 2008-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9036145B2 (en) | Conoscopic illumination optical device with a hollow cone for an optical microscope and method of optical microscopy in conoscopy | |
| USRE42822E1 (en) | Modified concentric spectrograph | |
| EP2062016B1 (en) | Spectroscope with spatial resolution control | |
| US5784158A (en) | Broad spectrum spectrometer apparatus | |
| JP5546454B2 (en) | Wide spectrometer | |
| RU2730366C2 (en) | Analytical system and method for determining hemoglobin parameters in whole blood | |
| US8437002B2 (en) | Imaging optical inspection device with a pinhole camera | |
| WO2007041458A2 (en) | Maximal-aperture reflecting objective | |
| US20040027659A1 (en) | Sample holder | |
| US7755775B1 (en) | Broadband optical metrology with reduced wave front distortion, chromatic dispersion compensation and monitoring | |
| JP2022528951A (en) | Coherent anti-Stoke Raman scattering microscope imaging device | |
| KR20150116999A (en) | Micro Raman and photo-luminescence spectral analysis apparatus for multi-channel excitation laser source switching | |
| US7324272B1 (en) | Spectroscopic microscope with multi-mode illumination | |
| RU2334957C2 (en) | Device for spectra measurement of akh kuptsov | |
| US7248364B2 (en) | Apparatus and method for optical characterization of a sample over a broadband of wavelengths with a small spot size | |
| FR2517837A1 (en) | DEVICE OPTIMIZING THE COUPLING OF TWO OPTICAL SYSTEMS FOR OBJECT OBSERVATION AND ANALYSIS | |
| JP7486178B2 (en) | Spectroscopic equipment | |
| KR100992839B1 (en) | Spectroscopic Ellipsometer with a Microspot Module | |
| US7327457B2 (en) | Apparatus and method for optical characterization of a sample over a broadband of wavelengths while minimizing polarization changes | |
| KR20160143969A (en) | Spectroscopic instrument using plane mirror and lens | |
| KR100936645B1 (en) | Raman microscope | |
| CN221572280U (en) | High-sensitivity dispersion light detection optical system | |
| AU737082B2 (en) | Broad spectrum spectrometer apparatus | |
| CN114812396A (en) | Spectrum confocal measuring system | |
| JPH07146400A (en) | Illuminating optical system and microscope using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180816 |