ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР

Область техники
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 нефтепродуктов, растворов, газов и т.п.
Уровень техники
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.
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.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является Фурье-спектрометр [RU 157021, U1, G01J 3/45, G01B 9/02, 20.11.2015], 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 наиболее близкого технического решения является невозможность выполнения одновременных спектральных измерений различных объектов, а также одновременной записи спектров эталона и образца, что снижает точность спектральных измерений.
Раскрытие сущности полезной модели
Задача, решаемая в предложенной полезной модели, заключается в повышении точности спектральных измерений.
Требуемый технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, заключается в повышении точности спектральных измерений.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в 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 параллелограммном блоке, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя на светоделитель, а также фотоприемник, 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, согласно полезной модели, дополнительно введены, фотоприемник, оптоволоконный зонд, выполненный с возможностью зондирования исследуемого объекта, 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.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - оптико-механическая схема Фурье-спектрометра совместно с источником исследуемого излучения, источником референтного излучения и исследуемым объектом;
на фиг. 2 - параллелограммный блок;
На чертежах обозначены:
1 - источник референтного излучения;
2 - источник исследуемого излучения;
3 - внеосевое параболическое зеркало;
4 и 5 - первое и второе направляющие плоские зеркала референтного излучения;
6 - неподвижный уголковый зеркальный отражатель;
7 - подвижный уголковый зеркальный отражатель, установленный в параллелограммном блоке;
8 - светоделитель;
9 - фотодиод референтного излучения;
10 - вспомогательное плоское зеркало;
11 - фокусирующая линза;
12 - опторазъем;
13 - оптоволоконный жгут;
14 и 15 - первый и второй оптоволоконные зонды;
16 и 17 - первая и вторая собирающие линзы;
18 и 19 - первый и второй фотоприемники;
20 и 21 - первый и второй исследуемые объекты;
22 - параллелограммный блок с установленным в нем на электромагнитном двигательном элементе 23 подвижным уголковым отражателем 7.
Осуществление полезной модели
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 параллелограммном блоке 22, выполненном с возможностью подачи излучения от подвижного отражателя 7 на светоделитель 8.
Фурье-спектрометр содержит также фотоприемники 18 и 19, плоское зеркало 10, опторазъем 12, оптоволоконный жгут 13, оптоволоконные зонды 14 и 15, выполненные с возможностью зондирования исследуемых объектов 20 и 21, фокусирующую линзу 11, выполненную с возможностью подачи излучения, поступающего на нее от светоделителя 8 через плоское зеркало 10, на вход опторазъема 12, и собирающие линзы 16 и 17, выполненные с возможностью подачи излучения с выхода оптоволоконных зондов 14 и 15 на вход фотоприемников 18 и 19.
В Фурье-спектрометре неподвижный отражатель 6 выполнен с возможностью отражения на светоделитель 8 поступающего от него излучения, параллелограммный блок 22 выполнен с возможностью подачи излучения от светоделителя 8 на установленный в нем подвижный отражатель 7, а подвижный 7 и неподвижный 6 отражатели выполнены в виде уголковых отражателей.
Особенностью возможного выполнения предложенного Фурье-спектрометра является то, что каждый из оптоволоконных зондов 14 и 15 исследует свой объект 20 и 21 через свой приемник 18 и 19. Приемники могут быть отдельные или расположенные на матрице.
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 объекты 20 и 21 и фотоприемники 18 и 19. Величина сигналов (интерферограмм), измеряемых приемниками 18 и 19, зависит от оптической разности хода, проходимого разделенными пучками в плечах интерферометра. Если записать эти интерферограммы как функции изменяемой оптической разности хода в интерферометре, то сделав далее Фурье-преобразование этой функции, получим спектр излучения, падающего на фотоприемники 18 и 19, 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 как функции оптической разности осуществляется посредством перемещения подвижного отражателя 7 посредством параллелограммного блока 22. 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 подвижного 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).
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 оптоволоконных зондов 14 и 15. С выхода оптоволоконных зондов 14 и 15 излучение (несущее информацию об объектах 20 и 21, исследуемых с помощью оптоволоконных зондов 14 и 15) посредством конденсоров (собирающих линз 16 и 17) направляется на приемные площадки фотоприемников 18 и 19, являющихся фотоприемниками ИК излучения. В результате, перемещая подвижный отражатель 7, реализуется возможность регистрации излучения (интерферограммы) как функции оптической разности хода. Произведя последующую обработку интерферограмм с зондов 14 и 15 можно получить интересующие спектрограммы объектов 20 и 21.
Возможные алгоритмы работы:
1. В диалоге задается номер зонда. После чего происходит стандартное измерение интересующих характеристик исследуемого с помощью этого зонда объекта.
2. Происходит одновременное измерение двух объектов (например, эталона и образца) с помощью двух оптоволоконных зондов.
Предложенный Фурье-спектрометр является двухканальным прибором и обладает существенно более высокой точностью спектральных измерений относительно прототипа. Это обусловлено возможностью записи в реальном времени спектров эталона и образца одновременно, тем самым устраняя искажения в спектре пропускания, связанные с дрейфом спектрометра.