Оптико-механическое сканирующее устройство

(1 422976 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскиХ Социалистических Республик) Заявлено пением заявкирисо 2) Приоритетпубликовано 05.04.74, Бюллетень13 ата опубликования описания 12.09.74 твенный комнтеМинистров СССРам изооретвний открытий Госуд Сове сод 53) УЛК 535.681.4(71) Заявител адский институт точной механики и оптики ен ЕХАНИЧЕСКОЕ СКАНИРУ 10 ЩЕЕ УСТРОЙСТ 54) ОПТ ак радиус кривиз(ально длине волны, такны спектральных линий),И),сли выполняется усне будет зависеть оловие: 1 з(1 /.рмулах- фо объектива в В этих ф зеркально кусное расстояние гходного коллима тора. Таким ва кривиз бочем дн лизовать диспсргиробразом, для об ны спектральнь апазопс длин в следующие соо ующих систем: п + з 1 п .= ссо еспечения пос гх линий во вс олн пеобходио ношения пара тоянстем рао реа- метров И), з з р - для од ной диф- дл 83 М,- дл ВЛ, = з(пх+з 1 п 8 = - с2- для двди фрак помощью тношения а также механиз функцпо де Й - порядок сп а 1 мм; р - угол ия света на решетОчевидно, что дл ивизны спектрал рсия должна ме((р пе Изобретение относится к области спектрального приборостроения.В известных дифракционных монохроматорах постоянство кривизны спектральных линий достигается введением в состав их диспергирующих систем одного или нескольких поворотных зеркал, вращающихся вокруг оси, параллельной штрихам решетки (решеток).При этом скорости вращения поворотного зеркала (зеркал) и дифракционной решетки (решеток) связаны в случае однократной дифракции таким образом, что косинус угла дифракции прямо пропорционален длине волны выходящего из монохроматора света. В случае двукратной дифракции косинус угла падения света на решетку должен быть прямо пропорционален длине волны, пропускаемой монохроматором. В таких монохроматорах угловая дисперсия определяется формулами: однократнои дифракции,двукратной дифракции,ектра; У( - число штрихов дифракции; а - угол падеку; Х - длина волны света, я обеспечения постоянства ных линий угловая дисяться обратно пропорцио 25 Известны устройства, сможно выполнить эти соо мер кулачковые механизмь ческие и электромагнитные чий закон которых задаетс 30 потенциометром,нократракци, кратной ции.которыхнапри- электриы, рабо- пальнымlгЮ, с соз - з 1 п= з 1 па,В схему, показанную на фиг. 1, входят: ходовой винт 1, гайка 2, соединенная с косинусным механизмом ввода длин волн, состоящим ЗОиз кулисы, жестко соедипепой с гайкой 2, нолзуна 3 и кривошина 4 с осью вращения О.Вдоль кривошипа 4 может перемещатьсяползун 5 с двумя кулисами 6 и 7, связаннымис муфтами 8 и 9. Муфта 9 шарнирно соедииена с рычагом 10, вращающимся вокруг осиО. Рычаг 10 и ходовой винт 1 соединены таким образом, что ось вращения ходового винта неизменно ориентирована вдоль рычага.Дифракционная решетка 11, имеющая ось 40вращения О, установлена перпендикулярнокривошипу 4, а поворотный зеркальный объектив 12 выходного коллиматора жестко прикреплен к рычагу 10 и вместе с пим вращается вокруг оси О. 45Ведущим звеном является ходовой винт 1,ведомым - рычаг 10. Передача вращательногодвижения от электродвигателя к ходовомувинту может быть осуществлена с помощьюгибкого вала. 50Перемещение гайки 2 с кулисой на величину 2 приводит в движение ползун 3 и вызывает поворот кривошипа 4 вокруг оси 0 наугол р относительно рычага 10. При таком перемещении гайки с кулисой воспроизводится 55зависимость г : Е соз В, где Е - длина кривошипа 4; Р - угол между кривошипом 4 ирычагом 10, равный углу дифракции.Воспроизведение зависимости г Е соз 3с 60позволяет решить первое уравнение г, =йЮ,кривошипа 4 выбрать;к, соз , если длинуравной = Ей,65 Недостатком подобных устройств является их невысокая технологичность, что приводит к воспроизведению указанных соотношений со значительными ошиоками,Для обеспечения постоянства кривизны 5 спектральных линий во всем рабочем диапазоне длин волн в предложенном оптико-механическом устройстве с дифракционной решеткой новоро сный манизм дифракпионной диснср гнрующей системы выполнен в виде рычаж но-кулисного синусно-косннусного механизма в соединении с косинусным механизмом ввода длин волн.На фиг. 1 и 2 изображены кинематические схемы предложенного оптико-механического 15 сканирующего устройства, варианты.Устройство, показанное на фиг. 1, используется в случае однократной дифракции. Это устройство решает систему уравнений: 4Поворот кривошипа 4 вокруг оси 0 вызывает перемещение ползуна 5 с двумя кулисами 6 и 7 на величину х: -соз 1 - г сф 1 япгде г - фиксированное расстояние от оси вращения 0 до оси муфты 9, соединенной шарнирно с рычагом 10; у - жесткий угол между ползуном 5 и прикрепленной к нему кулисой 6. Перемещение на величину х ползуна 5 с кулисами вызывает поворот вокруг оси 0 рычага 10 и жестко связанного с ним зеркального объектива 12.Если при этом выбрать г=с и г с 1 д, = 11т. е. т =- агсф - ), то уравнение Х= г соз-с )- г сфт з 1 ппринимает вид: Х=с соз 3 - з 1 п ,А так как на перемещение ползуна 5 с кулисами 6 и 7 влияет положение муфты 8, то величина перемещения Х=- с соз 3 - яп 3 определяется одновременно и уравнением Х=1)( ( з 1 п а, где 1 - расстояние от оси 0 до шарнира муфты 8 (1 выбирается равным единице масштаба), а - угол между кулисой 7 и прямой, соединяющей ось 0 и шарнир муфты 8, равный углу падения света на дифракционную решетку 11. Следовательно, Х=- с Х М соз) - япи Х: - 1 яп а, а поэтому с У; К соз- яп 3 =. яп а, т. е. второе уравнение решено.На фиг. 2 показано устройство, применяемое при двукратной дифракции. Это устройсгво рсшает систему уравненийАИг,: -- соз а2т. е.з 1 па+ яп = - соза,С2С/,: соз а 2 йХ,с- соз а - яп а: - яп .2В схему, показанную на фиг. 2, входят: ходовой винт 13, гайка 14 соединенная с косинусным механизмом ввода длин волн, состоящим из шатуна 15, шарнирно соединенного с гайкой 14, и кривошипа 16 с осью вращения О. Вдоль кривошипа 16 может перемещаться ползун 17 с двумя кулисами 18 и 19, связанными с муфтой 20 и ползуном 21 соответственно. Ползун 21 шарнирно соединен с прямоугольным рычагом 22, вращающимся вокруг оси О,Ось ходового винта 13 неизменно ориентирована вдоль направления падающего светового потока, дифракционная решетка 23, имеющая ось вращения Оь установлена перпендикулярно кривошипу 16, поворотное зеркало (илп система зеркал) 24 жестко прикреплено к рычагу 22 и вместе с ним вращается вокруг оси Оь Ведущим звеном является винт 13, ведомым - прямоугольный рычаг 22.Перемещение гайки 14 на величину г приводит в движение шатун 15 и вызывает поворот кривошипа 16 вокруг оси О, на угол а, 4229761,= сова, 2 ггЮ,сх: - соз а - яп а. 2 55 60 При таком перемещении гайки 14 воспроизводится зависимость г;= 2. сов а, где Е - длина шатуна 15, равная плечу ОА кривошипа 16; а - угол между кривошипом 16 и направлением падающего светового потока, равный углу падения света на решетку 23,Воспроизведение зависимости г . - . 2 Е сов а позволяет решить первое уравнение: если величину плеча кривошипа 16 выбратьсравной Х. - . Поворот кривошипа 16 во 4 АЮкруг оси О, вызывает перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 и 19 на величинуХ = ГСОЗа - ГС 1 д 1 ЯП а,где Г - фиксированное расстояние от оси вращения 01 до оси муфты 20; у - жесткий угол между ползуном 17 и прикрепленной к немуСкулисой 19, Если выбрать Г: - и 1 с 1 дт -22= 1, т. е. т = агс 1 О - , то уравнение х =-: Г ;СсМ СОЗа - ГС 11 Яца ПРИМЕТ ВИД: Так как ползун 21, скользящий вдоль кулисы 18 шарнирно соединен с прямоугольным рычагом 22, имеющим ось вращения О, то перемещение ползуна 17 с двумя кулисами 18 иС19 на величину х .: -- сов а - яп а вызывает2поворот рычага 22 вокруг оси О, согласно уравнению х .в1 зп 3, где с - расстояние от оси 01 до шарнира ползуна 21 (1 выбирается равным единице масштаба); р - угол между кулисой 18 и малым плечом прямоугольного рычага 22, равный углу дифракции.ССледовательно,х = - сов а - япа и х: - :гС: яп 3, тогда - соз а - зТп а:. з 1 п 8, т. е.21 второе уравнение решено.Применение описанного оптико-механического сканирующего устройства в монохромлторах иллюстрируется фиг. 3 и 4: а - вил сбоку; б - вид сверху.На фиг. 3 представлена оптическая схема дифракционного монохроматора с однократной дифракцией. Поступающий в монохромятор через входную щель 25 неразложенный свет попадает на зеркальный объектив 26 входного коллиматора, отражается от него и параллельным пучком падает на плоскую дифракционную решетку 27 под углом а.После дифрагирования под углом Р световые пучки падают на поворотный зеркальный объектив 28 выходного коллиматора, который Фокусирует их в плоскости выходной щели 29. Сканирование спектра осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг. 1,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 обеспечивающего одновременное вращсии;с решетки 27 и поворотного зеркального объектива 28 вокруг оощей оси, проходящей параллельно штрихам решетки и делящей пополам ее рабочую поверхность. Прц этом скорости поворота объектива 28 и решетки 27 связаны таким образом, что косинус угла дцфрлкциипрямо процорпионален длине волны вьдсляемого излучения. Для всех длин волн, пропускаемых монохроматором, соблюдается условие постоянства крцвизны спектральных линий и обеспечцвястся ее компенсация во всем диапазоне длин волн.На фиг. 4 представлена оптическая схема дифракциотпгого моцохроматорл с двукратттой цифр акцией.Поступающий в монохроатор чепез входную щель 30 церлзложснный свет попаллст ил объектив 31 входного коллимлторл, вьшочтс",- ный в ви:те втеоссвого паплболотглял,ного зеркала, отражается от цсго ц плраллсльцьм пучком падает нл плоскуто дпфрлкццоццуто решетку 32 пол уг,чом ст.После первичного дцфрлгировлция пол углом р световые пучкц палаот ца поворотное плоское зеркало 33. отрязивцись от которого, снова цопя,члОт цл петиетку 3, цо уже пол УГЛОМ ЦаЛЕНИЯ Я.,ЧТфПЯГТРОВЛВ ВтОРИчНО ЦЛ решеткс 32, пучктт,ччет поЧ мгчохт .Чцфрлкцци а нлправляРтся от ретеГст к объетстцву 34 выходного ко тлтмлтора, представляюпего собой внеосевос "пябочоттлллт.ное зертсало, С ПОМ 01 ПЬЮ ТСОТОРОГО С 10 КУСТТПУТОТСТ Г 1 ПЛОСТСО- сти выходТОЙ тцси 35Стслнтроттлцтте спсктпа осуцгествчястся с по.гощьР устроттствл. оказанного цл с 111 Г, 2, ООССЦЕЧЦВЛ;РТРГО ОЛТОВПСЪСТ 1 ОР В"ТТС 11 С Т 1 Р- шеткп 32 тт т;10 скозспк."л 33 ИОсрмг Обс"т ОСИ ПРхочг 1 Ст П Пл тС Т Р 11 тП,ХЛ 1 птеткц н лсТпе 1 РР ПлбомР повс Пхость ИОРОЛЛ. Прт Этй ССоТОСТИ ПРВРПРТЛ ЗСПКЛ Л 33 и ПР 11 стСТ 32 С ВЧЗЛу 1 Лт;1 т Обц яр что КОСИНУС УГЛЛ Р ППТТ 0 ПРОПСТТгЦОЦЛ ТЕ Ч.ТЦЦС ВО.ЧТТЬТ ВЫЛСЛЯР "ОГО ТТЛЛЧСТТТТЯ.1 Тя Г С. т 11 Р 11 ППОПт.СТСЛС 1,Х ЭтцМ .ттотйхпотлтРР. ГРбчР.глстс яяцств;1 Тсп твтз тт,т спстссплч,Тх,ч 111 Й тт Обсс псчцвастся се .сосслтгття во се дТлплзоЕ ЛЛ И 1 ВОЛИ. П и л .т; Р т 1 з Р б 11 е; ." 1 и т Оптико-хСхл нцческос стслтттр Тощеестпойство, содержащее дцфракционную решетку, зеркальную систему и поворотиьш мсхлццзм, отличаю щссся техт, что, с целью повьццения ТОчттостт 11 чиР 1 тсс 11 ОГО мг РИРГР цс рсР- щентя лифплсццоцОЙ реи 1 еткц ц зерклльцОЙ системы кяк ипц отокрлтной, тлк ц црц двукратной лцфплкццц, поворотньш механизм ВЫГОЛНЕЦ В ВТЛС П.1 ЛжНО-ТСУЛЦСТОГО СТТГТУСЦОКОСИНУСНОГО МСХЛТТИЗМЛ В СОСДИНЕНИИ С КОСТТ- пусным механизмом вводя величиня длиц волн.