Мини-спектрограф для полевых измерений

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным спектральным приборам, предназначенным для проведения различного вида спектрального анализа оптического излучения в полевых условиях в режиме реального времени, и может быть использована в различных областях народного хозяйства.
Известен «Мини-спектрометр для смартфона» (см. патент РФ №184760, G01J 3/18, G02F 1/00, G01T 7/00, опубл. 07.11.2018, Бюл. №31), состоящий из непрозрачного корпуса, внутри которого размещено оптически однородное монолитное тело из акрила, с одной стороны которого вклеена проходная пластиковая дифракционная решетка, с другой стороны сформировано выходное зеркало для проецирования спектра на камеру смартфона. Камерой смартфона производится регистрация спектра излучения, процессором смартфона производится обработка параметров регистрируемого спектра согласно специально разработанной программе, результат обработки спектра выводится на экран смартфона.
Основным недостатком данного устройства является узкий измеряемый спектральный диапазон, ограниченный спектральной характеристикой камеры смартфона, работающей в видимом диапазоне длин волн 400-760 нм.
Наиболее близким по техническому решению является спектрограф, содержащий оптически связанные входную щель, вогнутую сферическую дифракционную решетку с криволинейными неравно-отстоящими штрихами и регистрирующее устройство с плоской приемной поверхностью, перед которой установлен оптический элемент, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде моноблока из оптически прозрачного материала таким образом, что дифракционная решетка, регистрирующее устройство и входная щель расположены на поверхности моноблока, причем входная щель расположена на плоскости, а дифракционная решетка и регистрирующее устройство - соответственно на сферических поверхностях моноблока с радиусами кривизны r и R, где r - радиус кривизны вогнутой сферической решетки, a R=(0,8-1,2)r, взятый за прототип (см. патент РФ №2329476, G01J 3/18, 20.07.2008, Бюл. №20).
Основным недостатком данного устройства является дороговизна приобретения сферической вогнутой дифракционной решетки с криволинейными неравно-отстоящими штрихами, сложность обработки моноблока из оптически прозрачного материала при изготовлении.
Задачей полезной модели является создание широкополосного мини-спектрографа для смартфона.
Технический результат - упрощение изготовления и обработки монолита моноблока мини-спектрографа.
Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве мини-спектрографа для смартфона, выполненном с возможностью подключения к смартфону и содержащем оптически связанную входную щель, плоскую отражающую штриховую дифракционную решетку, два сферических зеркала и регистрирующий элемент, оптический элемент выполнен в виде моноблока из оптически прозрачного акрила с коэффициентом преломления 1,50 и конфигурацией Черни-Тернера таким образом, что входная щель, входное зеркало радиуса R и дифракционная решетка расположены на поверхности моноблока и обеспечивают дифракцию в видимом спектре во втором порядке, а выходное сферическое зеркало радиуса R собирает дифрагированный свет и фокусирует его на выходную поверхность с регистрирующим элементом, а в качестве регистрирующего элемента используется линейная матрица фотодиодов.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид спектрографа в корпусе, укрепленного на смартфоне.
На фиг. 2 представлено графическое изображение монолитного тела мини-спектрографа.
На фиг. 3 представлена схема расположения комплектующих спектрографа, находящихся в корпусе, который укреплен на смартфоне и состоит из волоконно-оптического кабеля, мини-спектрографа, платы электронной регистрации с интерфейсом USB, интерфейсного кабеля для подключения к смартфону и смартфона.
Мини-спектрограф (фиг. 2) состоит из монолитного тела 1, входной поверхности 2 на которой приклеена входная щель 3, входного зеркала 4, вклеенной дифракционной решетки 5, выходного зеркала 6, выходной поверхности 7, на которую приклеен модуль регистрирующего устройства - линейная матрица фотодиодов 8. Монолитное тело 1 мини-спектрографа представляет собой монолитно-акриловый компонент, изготовленный из оптического акрила марки ПММА. Акрил имеет относительно высокий показатель преломления (~1,50) и спектр пропускания до 350 нм. Акрил относительно жесткий прозрачный и оптически однородный материал и может обрабатываться без особых мер предосторожности.
Прибор работает следующим образом (фиг. 3).
Излучение от исследуемого источника по волоконно-оптическому кабелю подается на входную щель монолитного тела спектрографа. Далее световой пучок, пройдя монолитное тело спектрографа, падает на входное зеркало, после чего отраженный коллимируемый луч падает на дифракционную решетку. Дифрагированный свет, отраженный от решетки, собирается и фокусируется выходным зеркалом на выходную поверхность с регистрирующим элементом. Данные с линейки фотодиодов посредством гибкого полиамидного шлейфа поступают на плату электронной регистрации с интерфейсом USB и далее, посредством интерфейсного кабеля, на разъем USB смартфона для дальнейшей обработки.
Монолитный мини-спектрограф, имеющий габаритные размеры 5×8,5×2,5 см представляет собой прочный, устойчивый к вибрации, недорогой компактный прибор, способный к одновременным многоканальным измерениям длин волн и полос пропускания источников в видимом свете и ближнем инфракрасном спектре и имеет разрешение, более чем достаточное для разрешения ближних инфракрасных длин волн 1060 нм в первом порядке от оптических длин волн 454, 472, 488, 496, 514 и 532 нм во втором порядке. Мини-спектрограф имеет линейное пространство в выходной фокальной плоскости, достаточное для того, чтобы представляющие интерес длины волны были распределены примерно на расстоянии в два сантиметра. Входное и выходное зеркала покрыты алюминием и фторидом магния для защиты от воздуха. Радиус кривизны для обоих зеркал составляет R=10,0 см. Мини-спектрограф использует решетку с большим количеством штрихов (GR13-1205 - отражающая штриховая дифракционная решетка, 1200 штр./мм, размер: 2,5 см×2,5 см×6 мм, Thorlabs). Решетка прикреплена оптическим клеем с коэффициентом преломления примерно равным коэффициенту преломления акрила. Неиспользуемые поверхности акрилового тела покрываются черным эпоксидным клеем с показателем преломления приблизительно равным показателю преломления акрилового тела.
Предлагаемая монолитная конструкция отличается температурной и вибрационной нерасстраиваемостью, позволяющей использовать прибор в технологических линиях, полевых условиях и т.д. Повышенная пылевлагозащищенность дает возможность работы в условиях повышенной агрессивности окружающей среды.
Другим преимуществом монолитной схемы является существенное упрощение конструкции ввиду практического отсутствия механических деталей узлов входной щели, решетки и фотоприемного устройства. В результате значительно упрощается сборка и юстировка оптической схемы, кроме этого, отпадает необходимость в массивном основании, фиксирующем положение элементов схемы, ввиду этого требования к корпусу значительно ослабляются. Все вышеперечисленное ведет к существенному удешевлению прибора в серийном производстве.