СПЕКТРОСКОП

Полезная модель относится к области физической оптики, а именно к оптическим спектральным приборам и может быть использована для быстрой качественной оценки спектра различных источников света, в частности электрических ламп.
Из уровня техники известно устройство по патенту РФ на изобретение №2359239 (Воротников B.C., Никулин В.Б. (Россия). МПК G01J 3/22, опубл. 20.06.2009 г.) - спектральный прибор с продольным разложением света в спектр, состоящий из канала излучения, плоского зеркала, диспергирующего элемента в виде компакт-диска, на котором при помощи маски сохранена узкая кольцевая щель, при этом зеркальная поверхность компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света, кроме того, введен светочувствительный датчик с шаговым приводом или линейка фотодиодов.
Недостатками данного спектрального прибора являются громоздкость, сложность схемы и невозможность визуального наблюдения или фотографирования спектра без изменения конструкции устройства.
Известен малогабаритный самодельный спектроскоп (Форум аквариумистов. Самодельный спектроскоп (изучение спектров аквариумных ламп) http://aquariymist.4admins.ru/viewtopic.php?f=32&t=3226). Спектроскоп, изготовленный в непрозрачном корпусе из спичечных коробок, имеет входную щель с одной стороны коробки и выходное окно с другой стороны. Прозрачная дифракционная решетка, размещенная между входной щелью и выходным окном, изготовлена из DVD-диска.
Недостатком данного самодельного спектроскопа является малая дисперсия, то есть визуально наблюдается спектр небольшой ширины, следовательно, трудно различить близко расположенные спектральные линии. Другим недостатком малогабаритного спектроскопа является то, что дифракционная картина одинаковой яркости получается только при наблюдении протяженных источников света, от которых после щели получается расходящийся пучок лучей света, освещающий всю дифракционную решетку. Если же источник света точечный, то от щели спектроскопа распространяется узкий луч света, освещающий лишь узкую часть дифракционной решетки. Поэтому глазом хорошо различима сравнительно небольшая яркая часть из всего видимого спектра и, чтобы рассмотреть весь спектр целиком, необходимо поворачивать спектроскоп из стороны в сторону относительно источника света, что является неудобством в использовании спектроскопа.
Известно техническое решение по патенту РФ на изобретение №2472117 (Чигак А.С., Шерьязов С.К. (Россия). МПК G01J 3/18, G02F 1/00, опубл. 10.01.2013 г.) - прибор спектрального разложения света и измерения длин волн, содержащий непрозрачный корпус, диспергирующий элемент, установленный внутри корпуса, и расположенного вне корпуса цифрового фотоаппарата для регистрации спектра излучения, к экрану которого прикреплена шкала измерения длин световых волн. Объектив фотоаппарата вставлен в прикрепленную к внутренней стенке корпуса трубку, внутренний диаметр которой соответствует внешнему диаметру объектива, через отверстие, выполненное в передней стенке корпуса. Слева от отверстия расположен канал излучения в виде щели. Диспергирующий элемент представляет собой фрагмент компакт-диска, вырезанного перпендикулярно направлению дорожек диска, шириной не менее высоты канала излучения и прикрепленного к противоположной стороне корпуса перпендикулярно трубке с объективом. Трубка внутри корпуса предназначена для исключения световых помех при съемке.
Недостатком данного технического решения являются большие габариты устройства. Вторым недостатком является неудобство проведения измерений, поскольку входная щель и фотоаппарат находятся на передней стенке корпуса прибора, вследствие чего при близком расположении источника света происходит засветка экрана фотоаппарата и глаз наблюдателя прямыми лучами источника света, а при дальнем расположении источника света (за спиной наблюдателя) возникают трудности с нацеливанием прибора на источник света. Третьим недостатком является необходимость очень точного ориентирования источника света относительно оптической оси прибора - иначе дифракционная картина смещается в сторону и не попадает полностью в объектив фотоаппарата.
6
Известно также техническое решение по патенту РФ на изобретение №2069323 (Васильев Е.А., Герасимов Г.Н., Муравьев А.А., Савушкин А.В., Тверитинов М.П., Храмов В.Ю. (Россия). МПК G01J 3/18, опубл. 20.11.1996), выбранное в качестве наиболее близкого аналога (прототипа): спектроскоп, состоящий из канала излучения, включающего оптически связанные входную щель, вогнутое сферическое зеркало, плоскую дифракционную решетку и выходное окно, при этом входная щель и выходное окно расположены с противоположных сторон корпуса. Кроме того, спектроскоп содержит канал шкалы, включающий шкалу длин волн, плоское зеркало и вогнутое сферическое зеркало, которое через зону прозрачности плоской дифракционной решетки оптически связано с выходным окном. Входная щель и шкала установлены с возможностью перемещения вдоль оптических осей канала излучения и канала шкалы. Шкала и входная щель имеют единую диоптрийную подвижку, что обеспечивает настройку спектроскопа под индивидуальный глаз наблюдателя.
К недостаткам данного спектроскопа можно отнести сравнительно большие габариты из-за наличия механизмов перемещения входной щели и шкалы, а также необходимость затрат времени на подготовку к измерениям, поскольку требуется установка источника света строго вдоль оптической оси канала излучения и наводка на резкое изображение спектра.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка переносного, малогабаритного и удобного спектроскопа для быстрой качественной оценки спектра различных источников света, в частности для выбора электроламп с благоприятным для глаз спектром излучения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении удобства пользования спектроскопом путем уменьшения времени на подготовку к наблюдениям спектра за счет исключения необходимости в точной ориентации на источник света и настройке на резкость, при одновременном достижении компактности спектроскопа за счет уменьшения его размеров и массы.
Указанный технический результат достигается тем, что в спектроскопе, имеющем непрозрачный корпус и состоящем из канала излучения, включающего оптически связанные входную щель, криволинейное зеркало, дифракционную решетку и выходное окно, при этом входная щель и выходное окно расположены на противоположных сторонах корпуса, в соответствии с предлагаемым техническим решением зеркало выполнено цилиндрическим выпуклым, а в качестве дифракционной решетки использован фрагмент-пластина DVD-диска с дугообразными дорожками, образующими штрихи дифракционной решетки. Дифракционная решетка установлена под углом 16°-22° относительно вертикальной стенки корпуса, имеющей входную щель. Ориентация дифракционной решетки такова, что хорды ее дугообразных дорожек, входная щель и образующая цилиндрической поверхности зеркала взаимно параллельны, а вогнутые стороны дорожек обращены к цилиндрическому выпуклому зеркалу. Кроме того, между входной щелью и выходным окном размещена непрозрачная перегородка, которая предотвращает попадание прямых лучей из входной щели в выходное окно и гасит блики света от стенок корпуса.
Использование фрагмента вместо целого DVD-диска позволяет уменьшить размеры и массу спектроскопа.
При малых размерах спектроскопа применение выпуклого цилиндрического зеркала после входной щели обеспечивает преобразование узкого луча света от источника в расходящийся пучок для освещения всей дифракционной решетки, что позволяет получить изображение спектра с достаточной яркостью всех спектральных линий.
Для изготовления дифракционной решетки предпочтительно использовать DVD-диск, а не компакт-диск (CD), поскольку у первого шаг дорожек (период решетки) более чем в 2 раза меньше (DVD - 0,74 мкм, CD - 1,6 мм), поэтому наблюдаемый спектр будет более широким.
Цилиндрическое зеркало расположено практически вплотную к входной щели таким образом, что расстояние от входной щели до участка зеркала, отражающего свет в направлении дифракционной решетки, оптимально составляет около 5 мм. Хотя и при других параметрах установки цилиндрического зеркала при сохранении его оптической связи с дифракционной решеткой гарантировано достижение указанного технического результата. Дифракционная решетка установлена под углом 16°-22° относительно той же стенки корпуса с входной щелью. Такое совместное расположение цилиндрического зеркала и дифракционной решетки позволяет направлять от зеркала на решетку лучи с большими углами падения (60°-85°), а также направлять сформировавшийся спектр от решетки в выходное окно. Большие углы падения лучей на плоскость дифракционной решетки позволяют получить геометрически в несколько раз меньший период дифракционной решетки, чем реальный. При этом во столько же раз увеличивается угловая дисперсия дифракционной решетки, что выражается в увеличении ширины спектральной картины, видимой наблюдателем. Причем дифракционная картина видна с четкими спектральными линиями, не требующими настройки на резкость.
Указанный технический результат достигается в частном случае выполнения также тем, что расстояние от геометрического центра дифракционной решетки до выходного окна составляет 3-5 см.
Указанный технический результат достигается в частном случае выполнения также тем, что ширина входной щели составляет 1-7 мм.
Из практического опыта известно, что цветную дифракционную картину на DVD-диске можно наблюдать на различных расстояниях от его поверхности. Однако, если глаз наблюдателя находится на оптимальном расстоянии от поверхности диска, то дифракционная картина будет видна наибольшего размера. Это объясняется тем, что спиральные штрихи-дорожки дифракционной решетки обладают свойством увеличивать высоту изображения спектра. Оптимальное расстояние для диска диаметром 12 см составляет 5-7 см. Поэтому при наблюдении спектра в спектроскоп предпочтительно, чтобы глаз наблюдателя (или фотоаппарат) располагался на оптимальном расстоянии от поверхности дифракционной решетки из DVD-диска. При этом наблюдатель видит большую дифракционную картину спектра, по площади практически равную всей поверхности фрагмента диска. Вследствие того, что глаз наблюдателя может приблизиться к выходному окну спектроскопа только на расстояние 1-2 см (ближе - мешают ресницы и переносица), то для обеспечения оптимального расстояния от глаза до дифракционной решетки 5-7 см, ее геометрический центр должен находиться на расстоянии 3-5 см от выходного окна. При других расстояниях дифракционная картина будет также наблюдаться, но меньшего размера.
Поскольку при отражении от цилиндрического выпуклого зеркала с радиусом кривизны 1-2 см большинство источников света превращаются в узкую ярко светящуюся полоску, то именно она в данном спектроскопе является источником излучения для дифракционной решетки, а не входная щель. Поэтому ширина входной щели по сравнению с известными спектроскопами может быть увеличена до 1-7 мм. Это позволяет увеличить общую яркость изображения дифракционной картины. Кроме того, это позволяет получить новый эффект - эффект «самонаведения» спектроскопа на источник света, заключающийся в том, что для наблюдения спектра не требуется точного расположения источника света на оптической оси спектроскопа. Эффект «самонаведения» объясняется следующим образом. Из практического опыта известно, что отражение яркого источника света на цилиндрической зеркальной поверхности можно наблюдать почти со всех направлений, кроме диаметрально противоположного источнику света. Ширина входной щели спектроскопа обеспечивает некоторый «сектор наблюдения» для выпуклого цилиндрического зеркала, и где бы не находился источник света в «секторе наблюдения», обязательно найдется участок цилиндрической поверхности, который отразит свет в направлении дифракционной решетки, установленной под углом 16°-22° к стенке корпуса со входной щелью.
Малое число элементов оптической схемы спектроскопа и возможность их близкого расположения позволяют разместить конструкцию спектроскопа в объеме спичечной коробки.
Таким образом, из вышеописанного следует, что совокупность признаков предлагаемой конструкции спектроскопа, а именно: «зеркало выполнено цилиндрическим выпуклым, а в качестве дифракционной решетки использован фрагмент DVD-диска с дугообразными дорожками, образующими штрихи дифракционной решетки, при этом указанный фрагмент установлен под углом 16°-22° относительно вертикальной стенки корпуса, имеющей входную щель, а входная щель, хорды дугообразных дорожек дифракционной решетки и образующая цилиндрической поверхности зеркала взаимно параллельны, при этом вогнутые стороны дорожек обращены к цилиндрическому выпуклому зеркалу, кроме того между входной щелью и выходным окном размещена непрозрачная перегородка» - позволяет достичь указанный технический результат, поскольку для исследования спектра достаточно просто поднести к глазу небольшой спектроскоп по направлению взгляда на источник света, и на месте видимого источника света сразу же появляется его спектр. Причем нет необходимости затрачивать время на точную ориентацию спектроскопа на источник света, и не требуется настройка на резкость, что повышает удобство эксплуатации.
Предложенное решение поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 представлена схема спектроскопа (вид сверху).
На фиг. 2 представлена фотография внешнего вида рабочего макета спектроскопа в корпусе от спичечной коробки (пример конкретного выполнения).
На фиг. 3 представлен линейчатый спектр компактной люминесцентной лампы, сфотографированный через выходное окно предлагаемого спектроскопа.
На фиг. 4 представлен спектр с улучшенной цветопередачей компактной люминесцентной лампы, сфотографированный через выходное окно спектроскопа.
На фиг. 5 представлен линейчатый спектр компактной люминесцентной лампы, представленный на фиг. 3, но в цветном изображении.
На фиг. 6 представлен спектр с улучшенной цветопередачей компактной люминесцентной лампы, представленный на фиг. 4, но в цветном изображении.
Спектроскоп (фиг. 1 и фиг. 2) содержит в непрозрачном корпусе 1 последовательно расположенные на оптической оси входную щель 2, цилиндрическое выпуклое зеркало 3, отражательную дифракционную решетку 4, выполненную из фрагмента DVD-диска, выходное окно 5, а также непрозрачную перегородку 6. Дифракционная решетка 4, изготовленная из диска диаметром 12 см и с шагом дорожек 0,74 мкм, установлена под углом 16°-22° относительно вертикальной стенки, в которой расположена входная щель 2. Входная щель 2, хорды дугообразных дорожек дифракционной решетки 4 и образующая цилиндрической поверхности зеркала 3 взаимно параллельны, при этом вогнутые стороны дорожек обращены к цилиндрическому выпуклому зеркалу 3. Входная щель 2 и выходное окно 5 изготовлены на противоположных стенках корпуса 1.
Спектроскоп работает следующим образом (фиг. 1 и фиг. 2).
Излучение исследуемого источника света попадает внутрь корпуса 1 через входную щель 2, отражается от цилиндрического выпуклого зеркала 3 и расходящимся пучком освещает всю поверхность дифракционной решетки 4. Лучи, отражаясь от дифракционной решетки 4 под разными углами, зависящими от длины волны, образуют спектр, который направляется в выходное окно 5 для наблюдения или фотографирования. Непрозрачная перегородка 6 предотвращает попадание излучения из входной щели 2 напрямую в выходное окно 5, а также устраняет световые помехи внутри корпуса 1.
В настоящее время широкое распространение получили энергосберегающие лампы, в том числе и компактные люминесцентные, одним из недостатков которых является их линейчатый спектр, вызывающий искажения цвета освещенных предметов и приводящий к повышенной усталости глаз. На фиг. 3 и фиг. 5 показан спектр такой лампы, сфотографированный через выходное окно 5 спектроскопа. Часть люминесцентных ламп (с улучшенной цветопередачей) имеют спектр более близкий к сплошному (естественному). Пример такого спектра, который можно наблюдать в предлагаемый спектроскоп, показан на фиг. 4 и фиг. 6. Фотографии, представленные на фиг. 3-6 доказывают, что предложенная конструкция спектроскопа обеспечивает достаточно четкое изображение спектра, не требующее дополнительной настройки на резкость. Изогнутость спектральных линий на фотографиях объясняется кривизной спиральных дорожек на DVD-диске. Однако это не мешает качественно оценить наблюдаемый спектр - является ли он линейчатым или сплошным.
Был изготовлен рабочий макет спектроскопа в корпусе от спичечной коробки (фиг. 2), размеры которой являются одним из бытовых «эталонов» малости размеров для технических устройств (хотя подойдет и любой другой корпус небольших размеров из пластмассы, металла или дерева).
Во внешнем корпусе спичечной коробки выполнены окна, соответствующие входной щели 2 (шириной 5 мм и высотой 14 мм) и выходному окну 5 (шириной 24 мм и высотой 14 мм), которые закрыты тонким прозрачным пластиком для предотвращения попадания пыли внутрь спектроскопа. Цилиндрическое зеркало 3 выполнено из фрагмента металлической трубки (внешним диаметром 26 мм и высотой 14 мм) с гладкой и хорошо отражающей поверхностью. Дифракционная решетка размерами 33×14 мм изготовлена из DVD-диска диаметром 12 см и с шагом дорожек 0,74 мкм. Угол наклона плоскости фрагмента диска относительно вертикальной стенки, имеющей входную щель, составляет 19°. Высота элементов оптической схемы (14 мм) определяется высотой спичечной коробки. Масса макета спектроскопа составляла 7 г. Результаты экспериментальной проверки спектроскопа, показанные на фиг. 3-6, подтвердили его работоспособность и достижение указанного технического результата.
В результате проведенного поиска по патентной, научно-технической литературе и электронным источникам не выявлены технические решения, обладающие заявленной в данной техническом решении совокупностью существенных признаков и дающие такой же технический результат, что указывает на соответствие полезной модели критерию патентоспособности -«новизна».
Заявленная полезная модель может быть изготовлена на любом промышленном предприятии или в мастерской, а также самостоятельно, и может быть использована в быту, в учебных заведениях (как демонстрационное или лабораторное оборудование), а также в виде оптической детской игрушки (наряду с калейдоскопом, микроскопом и биноклем), что говорит о ее соответствии критерию патентоспособности - «промышленная применимость».
Малые габариты и масса спектроскопа, простота конструкции и изготовления, отсутствие механизмов настройки, удобство хранения и транспортировки (в кармане одежды), быстрота применения - «поднести спектроскоп к глазу и сразу увидеть спектр» - создают существенные удобства для пользователя, например при выборе электроламп с благоприятным для глаз спектром излучения.