Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Представим, что одноканальный прибор выделяет из исследуемого спектра источника N независимых интервалов, на измерение каждого из интервалов затрачивается время At = t/N. В многоканальном приборе на измерения N независимых интервалов затрачивается время t, что эквивалентно числу измерений спектра N = = t/At. Таким образом, многоканальный прибор позволяет при прочих равных условиях увеличить отношение сигнал/шум в У N раз по сравнению с одноканальным прибором.
19
2. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
В состав типового спектрального прибора входят (рис. 6) источник излучения /, передающая оптическая система 2> диспергирующее устройство 3 (устройство для разложения излучения в спектр), приемная оптическая система 4, приемник излучения 5 и регистрирующее устройство 6.
Источник излучения создает материальный носитель полезной информации — поток излучения. Источник излучения может конструктивно входить в состав прибора или быть удален от него на значительное расстояние. Он может также служить высокотемпературным излучателем, обеспечивающим возбуждение спектра исследуемой пробы. Для излучения спектров поглощения источники используются как средство образования сплошного спектра, на фоне которого наблюдаются линии или полосы поглощения. Важная роль принадлежит источникам света как устройствам для калибровки и градуировки спектральных энергетических характеристик приборов. Следует отметить, что весьма широкий класс источников является непосредственным объектом исследования (например, астрономические, астрофизические объекты, специальные типы источников излучения и т. п.).
Оптическая передающая система формирует поток от источника излучения и направляет его на диспергирующее устройство. В подавляющем большинстве спектральных приборов используются кол-лиматорные системы.
Диспергирующее устройство — это наиболее важная часть спектрального прибора, так как именно оно осуществляет разложение излучения сложного состава на монохроматические составляющие, т. е. образует спектр.
Приемная оптическая система предназначена для формирования на приемнике потока, разложенного в спектр излучения.
Приемник энергии излучения служит для преобразования сигнала, переносимого потоком, или в электрический сигнал, или в изменение оптической плотности почернения фотопластинки, или в зрительные ощущения наблюдателя.
Регистрирующее устройство служит для усиления электрических сигналов приемника, преобразования их к наиболее удобному виду и записи спектра.
Рассмотрим более подробную структуру типового спектрального прибора (рис. 7) с диспергирующим устройством в виде спектрального селективного фильтра.
Источник света У, конденсорная система 2 и диафрагма 3 составляют осветительную часть I прибора. Задача конденсорной системы — равномерное освещение диафрагмы или входного зрачка прибора.
QHZHZHIHIHZ] Рис. б. Обобщенная структурная схема спектрального прибора
20
ш
ж
\T\-~ 8
цпг
10
12
11
Г!
13
Рис. 7. Структурная схема спектрального прибора со селективным фильтром
В оптическую (спектральную) часть II входят объектив коллиматора 4, диспергирующее устройство 5 и выходной (камерный) объектив 6. Фокальная плоскость (в общем случае — поверхность) камерного объектива совмещается с фокальной плоскостью окуляра (при визуальном наблюдении спектра), фотопластинкой или фотопленкой (при фотографической регистрации спектра) или выходной диафрагмой (при фотоэлектрической регистрации спектра).
Приемно-регистрирующая часть III состоит из окуляра 7 и глаза наблюдателя 5, фотопластинки (фотопленки) 12, фотоприемника Р, усилительного 10 и регистрирующего 11 устройств, индикатора 13.
Следует отметить, что отдельные элементы оптической системы в спектральных приборах некоторых типов могут отсутствовать или быть совмещены в одном устройстве.
Кроме перечисленных узлов в состав спектральных приборов часто входят дополнительные элементы (модуляторы, компенсаторы, устройства программного управления режимом работы, сканирующие механизмы и т. п.), а также приставки для проведения специальных измерений.
3. СПОСОБЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В СПЕКТР
Кратко рассмотрим физические явления, используемые в диспергирующих устройствах для разложения излучения в спектр способами спектральной селективной фильтрации (пространственного разделения излучения по длинам волн) и спектральной селективной модуляции.
Действие диспергирующих устройств селективного фильтра основано на явлениях физической оптики: дисперсии, интерференции и дифракции света.
Дисперсия света — это зависимость оптических характеристик вещества от длины волны (частоты) падающего на него света. Под дисперсией обычно понимается зависимость показателя преломления п вещества от длины волны или частоты, т. е. п = f (К) или п = / (v).
Чем больше дисперсия вещества, тем больше разность скоростей распространения лучей света различной длины волны. В спектральных приборах используется нормальная дисперсия (d/i/dX < < 0), когда показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны % (рис. 8, а). Явление дисперсии для разложения излу-
