DE3152972T1

DE3152972T1 - Optisches system mit mehrfachdruchgangstrahlung

Info

Publication number: DE3152972T1
Application number: DE813152972T
Authority: DE
Inventors: Evgenia Grigorievna Barskaya; Semen Moiseevic Chernin; Galina Petrovna Semenova
Original assignee: INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKVA SU
Current assignee: INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKVA SU
Priority date: 1981-09-10
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1983-10-20
Also published as: WO1983000927A1; GB2117920B; GB2117920A; DE3152972C2; US4676652A; GB8311088D0

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des optischen Gerätebaus, genauer auf optische Systeme mit Mehrfachdurchgangstrahlung. "

Zugrundeliegender Stand der Technik'

Gegenwärtig gehören zur Ausstattung aller Infrarotspektralphotometer optische Systeme mit Mehrfachdurchgangstrahlung, die große optische Weglänge haben, zur Analyse von Gasen, die in niedrigen Konzentrationen enthalten bzw. deren Absorptionsbänder sehr schwach sind. Diese Systeme können sowohl zur qualitativen wie auch quantitativen Analyse verwendet werden.

Bekannt ist ein optisches System mit Mehrfachdurchgangstrahlung (Journal of the Optical Society of Amerika, 1940, ν.30, 338-342, H.D. Smith, I.R. Marshall), in dem ein Lichtbündel von einer Beleuchtungseinrichtung durch eine Eintrittsöffnung im Gehäuse auf ein Spiegel-

530-(PM 8106-M-61J-Df-E

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objektiv fällt, das um die eigene Achse drehbar im Wege des Lichtbündels angebracht ist, sodann in eine Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung gelangt, von wo das Lichtbündel erneut zum Spiegelobjektiv geleitet wird, an diesem reflektiert wird und im letzten Strahlendurchgangszyklus das System über eine Austrittsöffnung im Gehäuse verläßt. In diesem System enthält die Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung zwei ebene Spiegel, die unter einem Winkel zueinander angebracht sind.

In diesem System erfolgt beim Fokussieren von Zwischenbildern der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung an den ebenen Spiegelflächen kein Zusammendrücken der Randstrählen, wodurch bei mehrfachen Reflexionen ein beträchtlicher Teil der Strahlung hinter den Spiegelobjektivflächen zerstreut wird (es findet Vignettierung geneigter Strahlen statt).

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit Mehrfachdurchgangstrahlung zu schaffen, bei dem die Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung auf eine solche Weise ausgeführt ist, daß die Lichtdurchlässigkeit des Systems erhöht und die Regelung der Zahl von Mehrfachdurchgängen durch dasselbe vereinfacht wird.

Dies wird dadurch erreicht, daß in einem optischen System mit Mehrfachdurchgangstrahlung, bei dem der Strahlungsstrom von einer Beleuchtungseinrichtung durch eine Eintrittsöffnung im Gehäuse zu einem Spiegelobjektiv, das

um die Lichtbündelachse drehbar angebracht ist, und sodann in eine Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung gelangt, von wo das Lichtbündel erneut zum Spiegelobjektiv geleitet wird, an diesem reflektiert wird und im let^ton Durchgangszyklus des Lichtbündels durch die Austrittsöffnung im Gehäuse das System verläßt, erfindungsgemäß die Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung in Gestalt eines zusammengesetzten Kollektivs ausgeführt ist, das zwei Spiegel unterschiedlicher Krümmung enthält, die auf eine solche Weise angeordnet sind, daß die Einfallswinkel des Lichtbündels auf den Spiegel mit der größeren Oberflächenkrümmung kleiner sind als die Einfallswinkel des Lichtbündels auf den Spiegel mit der geringeren Oberflächenkrümmung.

Zweckmäßigerweise ist in dem zusammengesetzten Kollektiv der eine von den Spiegeln eben, der andere aber konkav .

Mitunter ist es wünschenswert, daß die beiden Spiegel in dem zusammengesetzten Kollektiv konkav sind.

Zur Änderung der Betriebsweise des optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahlung ist es zulässig, daß im Wege des Lichtbündels eine Probe zur Messung des Spiegelreflexionsgrads ihrer ebenen Oberfläche angeordnet wird, die in einem Halter eingespannt ist, wobei im Augenblick der Messung das Spiegelobjektiv um seine Achse längs dem Bogen gedreht wird, derart, daß das Licht abwechselnd auf das Spiegelobjektiv und auf das zusammengesetzte Kollektiv, im letzten Durchgangszyklus aber unmittelbar auf die Austrittsöffnung fällt.

Hierbei empfiehlt es sich, daß das Spiegelobjektiv um seine Achse längs dem Bogen mittels eines Hebels drehbar ist, der gleichachsig mit dem Probenhalter beweglich angebracht und an dessen Ende das Spiegelobjektiv angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Vignettierung von geneigten Strahlen im Lichtbündel bei einer beliebigen Zahl von Durchgängen dieses Lichtbündels durch das System auszuschließen, was die Lichtdurchlässigkeit des Systems verbessert und die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Durchgangstrahlungszahl verringert.

Ferner vereinfacht die vorliegende Erfindung eine Regelung der Durchgangstrahlungszahl, was die Einstellgenauigkeit des Systems auf die vorgegebene Durchgangstrahlungszahl erhöht.

Außerdem gestattet es die vorliegende Erfindung, die Meßgenauigkeit des Reflexionsgrads einer ebenen Probe geringer Abmessungen zu erhöhen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines optischen Systems mit Mehrfachdurchstrahlung bei sechsfachem Durchgang des Lichtbündels, wo das zusammengesetzte KoIlek-

tiv gemäß der Erfindung einen ebenen und einen konkaven Spiegel (im Längsschnitt) enthält;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1 gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von Fig. 1 gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein zusammengesetztes Kollektiv des optischen Systems mit Mehrfachdurchgang-. strahlung bei zehnfachem Durchgang des Lichtbündels mit vier Zwischenbildern der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung (Vorderansicht), gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Strukturschema des optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahlung bei sechsfachem Durchgang des Lichtbündels, wo das zusammengesetzte Kollektiv zwei konkave Spiegel (im Längsschnitt) enthält, gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Gesamtansicht eines optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahlung im Betriebszustand eines Reflektometers im Augenblick der Einstellung, gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Gesamtansicht eines optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahlung im Betriebszustand eines Reflektometers im Augenblick der Messung des Reflexionsgrads einer ebe-

nen Probeoberfläche gemäß der Erfindung.

Beste Ausführunqsform der Erfindung

Als Beispiel sei ein optisches System mit Mehrfachdurchgangstrahlung zur Ausführung von Messungen bei sechsfachem Durchgang des Lichtbündels betrachtet.

In diesem optischen System gelangt ein Lichtbündel 1 (Fig. 1) einer Beleuchtungseinrichtung 2 durch eine Eintrittsöffnung 3 (Fig. 1, 2), die in einem Deckel 4 eines Gehäuses 5 ausgeführt ist, auf ein Spiegelobjektiv 6 (Fig. 1, 3).

Das Objektiv 6 ist im Wege des Lichtbündels 1 in einem Halter 7 eingespannt, der um eine Achse 8 drehbar an einem Kragstück 9 befestigt ist. Am Halter 7 ist eine Leiste 10 befestigt. An der Leiste 10 liegt eine Schraube 11 zur Regelung der Zahl von Durchgängen des Lichtbündels 1 an, die durch einen Deckel 12 des Gehäuses 5 geführt ist. Die Regelung geschieht durch Drehung einer Trommel 13, die an der Schraube 10 befestigt ist. Die Lage der Leiste 10 ist durch eine flache Feder 14 fixiert, die am Deckel 12 befestigt ist.

Im Wege des vom Objektiv 6 reflektierten Lichtbündels 1 ist ein zusammengesetztes Kollektiv 15 (Fig. 1, 2) angeordnet. Das Kollektiv 15 enthält zwei Spiegel unterschiedlicher Krümmung, von denen der eine ein ebener Spiegel 16 und der andere ein konkaver Spiegel 17 ist. Die Spiegel 16 und 17 sind auf eine solche Weise

angeordnet, daß die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am konkaven Spiegel 17 kleiner sind als die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am ebenen Spiegel 16. Die Spiegel 16 und 17 sind in einem Halter 18 angeordnet, der am Deckel 4 befestigt ist. Im Deckel 4 ist über der Eintrittsöffnung 3 eine Austrittsöffnung 19 vorgesehen, durch die das Lichtbündel 1 im letzten Durchgangszyklus das System verläßt. In die Öffnungen 3 und 19 sind Fenster 20 eingesetzt, die für den jeweiligen Lichtbündel 1 transparent sind.

Das Objektiv 6 erzeugt an der Oberfläche des Spiegels 17 zwei Zwischenbilder 21 und 22 der (in der Zeichnung nicht mitabgebildeten) Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2, die in bezug auf einen Krümmungsmittelpunkt 23 des Objektivs 6 symmetrisch liegen.

Bei zehnfachem Durchgang des Lichtbündels 1 durch das zusammengesetzte Kollektiv 15 (Fig. 1, 4) erzeugt das Spiegelobjektiv 6 vier Zwischenbilder 24, 25, 26, 27 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 am Spiegel 17 des Kollektivs 15. Ein Krümmungsmittelpunkt 28 des Objektivs 6 liegt zwischen den Bildern 25 und 26.

Nach einer weiteren Ausführungsform des optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahlung enthält das zusammengesetzte Kollektiv 15 (Fig. 5) zwei konkave Spiegel 29 und 30 unterschiedlicher Krümmung, die in einem Halter 31 angeordnet sind, der am Deckel 4 befestigt ist. Die Spiegel 29 und 30 liegen in bezug auf das Lichtbündel 1 auf eine solche Weise, daß die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am Spiegel 29, der eine größere Krümmungsoberfläche aufweist, kleiner sind als die Einfalls-

winkel des Lichtbündels 1 am Spiegel 30.

Nach einer weiteren Ausführungsform des optischen Systems mit Mehrfachdurchgangstrahluhg bei sechsfachem Durchgang des Lichtbündels 1 (Fig. 6 und 7), das im Betriebszustand eines Reflektometers funktioniert, ist ein Spiegelobjektiv 31 an dem einen Ende eines Hebels 32 beweglich befestigt, während das andere Ende des letzteren auf eine zentrale Achse 33 aufgesetzt ist. Die Achse 33 ist in einem Tragkörper 34 fest gelagert. Der Halter 18 des Kollektivs 15 liegt auf einer Grundplatte 35, die auf der Achse 33 über, dem Hebel 32 feststehend befestigt ist. Im Wege des Lichtbündels 1, der durch eine Öffnung einer Blende 37 (das Gehäuse ist nicht abgebildet) geht, ist auf der Achse 33 ein drehbarer Halter 38 angebracht, in dem eine Probe 39 (Fig. 7) zur Messung des Reflexionsgrads einer ebenen (in der Zeichnung nicht abgebildet) Oberfläche untergebracht ist. Die Blende 37 (Fig. 6, 7) befindet sich auf der Grundplatte 35.

Die Grundplatte 35 ist mit einem Teilkreis 40 versehen, während der Halter 38 und der Hebel 32 jeweils mit Teilkreisanzeigern 41 und 42 versehen sind. Beim Anbringen der Probe 39 (Fig. 7) am Halter 38 ist das Objektiv 31 mittels des Hebels 32 längs des Bogens so gedreht, daß das Lichtbündel 1, nachdem es an der Probe 39 reflektiert worden ist, abwechselnd auf das Objektiv 31 und auf das Kollektiv 15, und beim letzten Durchgang unmittelbar auf eine Austrittsöffnung 43 (Fig. 6, 7) der Blende 37 fällt. Am konkaven Spiegel 17 sind Zwischenbilder 44 und 45 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 (Fig. 1) sichtbar.

Das optische System mit Mehrfachdurchgangstrahlung im Betriebszustand der spektralphotometrischen Analyse von Gasen, das auf den sechsfachen Durchgang des Lichtbündels eingestellt ist, arbeitet auf die folgende Weise.

Das Gehäuse 5 (Fig. 1) des Systems wird mit einem zu analysierenden Gas gefüllt. Das Lichtbündel 1 der Beleuchtungseinrichtung 2 gelangt durch das Fenster 20 der Eintrittsöffnung 3 auf das Spiegelobjektiv 6, das nach Reflexion an dem ebenen Spiegel 16 am oberen Teil des konkaven Spiegels 17 des zusammengesetzten Kollektivs 15 ein Zwischenbild 21 (Fig. 2) der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 (Fig. 1) erzeugt. Nach der Reflexion an den Spiegeln 16 und 17 wird das divergente Lichtbündel 1 erneut zum Objektiv 6 geleitet, an diesem reflektiert und am unteren Teil des konkaven Spiegels 17 in Form eines Zwischenbildes 22 (Fig. 2) der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 (Fig. 1) fokussiert. Danach gelangt das Lichtbündel, nachdem es an dem ebenen Spiegel 16 reflektiert worden ist, zu dem Objektiv 6, wird an diesem reflektiert und verläßt im letzten Durchgangszyklus das System durch die Austrittsöffnung 19 hindurch.

In dem Fall, daß ein zusammengesetztes Kollektiv 15 mit zwei konkaven Spiegeln 29 und 30 verwendet ist, werden manche Aberrationsfehler der Bilder der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 kompensiert. Das System arbeitet ähnlich dem vorstehend beschriebenen.

Erfindungsgemäß gewährleistet das zusammengesetzte Kollektiv 15 eine mehrfache optische Kopplung des Spiegelobjektivs 6 mit sich selber, wodurch eine Vignettie-

rung im System verhindert wird.

Bei einer Verlagerung des Krümmungsmittelpunktes (Fig. 4) des Objektivs 6 (Fig. 1) wegen einer Drehung desselben zur Stoßstelle der Spiegel 16 und 17 des Kollektivs 15 hin nimmt die Zahl der Gänge im System zu. Bei zehnfachem Durchgang des Lichtbündels 1 werden aufeinanderfolgend Zwischenbilder 24, 25, 26, 27 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 (Fig. 1) erzeugt.

Das optische System mit sechsfachem Durchgang des Lichtbündels im Betriebszustand eines Reflektometers arbeitet bei zwei verschiedenen Lagen des Spiegelobjektivs 31 (Fig. 6, 7) in bezug auf das zusammengesetzte Kollektiv 15, die der Messung mit der Probe 39 (Fig. 7) bzw. ohne dasselbe entsprechen.

Bei der Anfangsstellung des Objektivs 31 (Fig. 6) ohne Probe arbeitet das Reflektometer ähnlich dem vorstehend beschriebenen. An der Austrittsöffnung 43 des Systems wird das Signal I des Lichtbündels 1 abgegriffen.

Danach wird die Probe 39 (Fig. 7) zur Bestimmung ihres Reflexionsgrads am Halter 38 angeordnet, und das Spiegelobjektiv 31 am Hebel 32 wird längs eines Bogens um die zentrale Achse 33 auf eine solche Weise bewegt, daß das Lichtbühdel unter Reflexion an der Probe 39 zum Spiegelobjektiv 31 gelangt. Die Lage des Objektivs 31 und der Probe 39 wird von den Anzeigern 41 und 42 am Teilkreis 40 der Grundplatte 35 festgehalten. Vom Spiegelobjektiv 31 gelangt das Lichtbündel erneut zur Probe 39 und wird an dieser reflektiert und zu

/federn zusammengesetzten Kollektiv 15 geleitet, wo Zwischenbilder 44 und 45 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung erzeugt werden. Also erfolgt bei einem jeden Durchgang des Lichtbündels 1 durch das optische System eine Reflexion an der Probs 39, während die übrigen Elemente des optischen Systems an der Arbeit in derselben Weise beteiligt sind. Die Intensität I, des Signals I beim Messen der Durchlässigkeit am Ausgang eines Systems mit Probe nimmt proportional dem Reflexionsgrad R der Probenoberfläche in einem Maß ab, das der Zahl K der Durchgänge der Strahlung gleich ist. Der Reflexionsgrad R der Probe 39 wird aus der Beziehung

Κ/Ϊ

R=J-

ermittelt.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Die vorliegende Erfindung kann mit dem höchsten Effekt zur Erhöhung der instrumentalen Meßempfindlichkeit in der Infrarotabsorptionsspektralphotometrie verwendet werden.

Die Erfindung kann ferner in schnellwirkenden hochpräzisen optisch-akustischen Gasanalysatoren ohne Anwendung von Spektralgeräten verwendet werden, insbesondere zur quantitativen Bestimmung der Atmosphärenverunreinigung, was angesichts des bestehenden Problems der Umwelterhaltung von Bedeutung ist.

Außerdem kann die vorliegende Erfindung zur hochpräzisen Messung des Reflexionsgrads von ebenen Mustern bei geringen Winkeldivergenzen der Lichtbündel Anwendung finden. Das letztere hat ein beträchtliches Interesse für die Lasertechnik und für Hochenergieanlagen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Optisches System mit Mehrfachdurchgangstrahlung, bei dem ein Lichtbündel von einer Beleuchtungseinrichtung durch eine Eintrittsöffnung eines Gehäuses auf ein Spiegelobjektiv, das um seine Achse drehbar im Wege des Lichtbündels angeordnet ist, und sodann in eine Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung gelangt, von dem das Lichtbündel erneut zum Spiegelobjektiv geleitet wird und im letzten Durchgangszyklus durch die Austrittsöffnung des Gehäuses das System verläßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zwischenbildeinheit der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung (2) in Gestalt eines zusammengesetzten Kollektivs (15) ausgeführt ist, das zwei Spiegel (16 und 17; 29 und 30) unterschiedlicher Krümmung enthält, die auf eine solche Weise angeordnet sind, daß die Einfallswinkel eines Lichtbündels (1) an einem ersten Spiegel (17, 30) mit größerer Oberflächenkrümmung kleiner sind als die Einfallswinkel des Lichtbündels (1) am anderen Spiegel (16, 30) mit der geringeren Oberflächenkrümmung.

2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß im zusammengesetzten Kollektiv (15) der eine Spiegel (16) eben, der andere Spiegel (17) aber konkav ist.

3. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß im zusammengesetzten Kollektiv (15) die beiden Spiegel (29, 30) konkav sind.

4. System nach Anspruch 1,

-K-

dadurch gekennzeichnet,

daß im Wego des Lichtbündels I) eine Probe (39) zur Messung des Reflexionsgrads ii.rer ebenen Oberfläche angeordnet ist, die an einem Malter (38) angebracht ist, wobei im Augenblick der Messung das Spiegelobjektiv (31) um seine Achse längs des Bogens auf eine solche Weise gedreht ist, daß das Lichtbündel (1) abwechselnd auf das Spiegelobjektiv (31) und das zusammengesetzte Kollektiv (15), im letzten Durchgangszyklus aber unmittelbar auf eine Austrittsöffnung (43) fällt.

5. System nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Spiegelobjektiv (31) um seine Achse längs des Bogens mittels eines Hebels (32) gedreht ist, der gleichachsig mit dem Halter (38) der Probe (39) feststehend angebracht und an dessen Ende das Spiegelobjektiv (31) angeordnet ist.