Содержание задания.

1. Определение всех размеров оптической системы призменного монохроматора.

   1. Определение размеров входной и выходной щелей монохроматора.

   2. Расчет основных параметров конденсора.

   3. Определение положения главных плоскостей объектива.

2. Кинематический расчет юстируемой диспергирующей призмы.

   1. Определение показателей преломления n_λ призмы для заданных длин волн λ.

   2. Расчет максимального угла поворота призмы.

   3. Определение длины хода юстировочного винта.

   4. Определение размеров юстировочного винта и барабана винта.

3. Разработка корпуса монохроматора и определение способов крепления в нем отдельных деталей.

Техническое задание на проект.

Вариант №2.

1. Источник излучения – ртутная лампа ДРС-50 с основными параметрами:

 _колб. = 33мм;

l _колб. = 165мм;

h_ц = 105мм (до центра колбы);

размер дуги 5 x 15 (h x H).

2. Спектр излучения ртутной лампы:

_h=404,7 нм;

_g=435,8 нм;

_e=546,1 нм;

=577 нм.

3. Основные параметры объективов (вариант б):

=110; D_св = 50, 5 2 =14⁰.

r₁ =66,66; d₁ =15;

r₂ =-48,31; d₂ =3;

r₃ =-154,07;

4. Марка стекла призмы - тяжелый флинт ТФ2.

5. Вершинный угол призмы – 60 ^о.

Введение.

1. Общая характеристика спектральных приборов.

Спектральными приборами называют все оптические приборы, в которых тем или иным способом осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие. Такие приборы используют для качественного и количественного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого веществом – исследования, позволяющие судить о свойствах вещества, об его химическом составе и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом.

Применяют спектральные приборы для получения излучения заданного спектрального состава.

В курсовой работе предложено рассмотреть тип спектрального прибора – монохроматор. Этот прибор позволяет выделять из всего спектра достаточно узкие спектральные участки. Достигается это применением второй щели, которая помещается на месте фокальной плоскости.

Перемещая либо щель вдоль спектра, либо спектр относительно щели, можно получать за выходной щелью световые пучки различного спектрального состава. Являясь, по существу, механическим делителем спектра, монохроматор представляет значительные удобства при расширении не только спектроаналитических задач, но и задач, в которых объектом излучения является не сам спектр, а результат действия света на вещество. Монохроматор не связан с определенным индикатором лучистой энергии. Для измерения энергии монохроматических пучков может применяться любой приемник, обладающий чувствительностью к выделяемому излучению: газ, фотопластинка, фотоэлемент, термоэлемент, болометр и т.п.

Поэтому, область применения монохроматора охватывает весь оптический спектр, а в инфракрасной области спектра, к которой ни глаз, ни фотопленка не чувствительны, монохроматоры играют важную роль.

2. Основные характеристики монохроматоров.

Простейшая оптическая схема монохроматора такова: входная щель, первый объектив, призма, второй объектив, выходная щель. Входная щель ограничивает входящий пучок, первый объектив делает пучок параллельным, призма диспергирует сложный пучок на монохроматические составляющие, второй объектив собирает эти пучки в плоскости выходной щели, образуя спектр, из которого выходная щель вырезает узкий спектральный участок.

Все перечисленные детали объединяются в три основных узла: первый, или входной, коллиматор, диспергирующую систему и второй, или выходной, коллиматор.

Первый коллиматор включает входную щель и первый объектив; его назначение – превращать расходящийся пучок в параллельный. Второй коллиматор, состоящий из выходной щели и второго объектива, выполняет обратную задачу: превращает параллельные монохроматические пучки в сходящиеся. В большинстве случаев коллиматоры делаются совершенно одинаковых габаритов, и отличить один от другого можно только по расположению скосов ножей. У входной щели скосы обращены внутрь прибора, у выходной - наружу.

Основные характеристики монохроматора:

- степень монохроматизации, или ширина выделяемого спектрального интервала;

- мощность выходящих монохроматических пучков.

Спектральная ширина выделяемых монохроматором пучков и их мощность находится в простой взаимной зависимости: чем уже спектральный прибор излучения, тем меньше его мощность. Вследствие этого при выборе конструкции монохроматора приходиться учитывать его назначением. Так, от прибора, предназначенного для измерительных целей, прежде всего, требуется достаточная степень монохроматизации. Но так как при повышении степени монохроматизации понижается мощность выделяемых пучков, то минимальная рабочая ширина спектрального интервала нередко определяется не возможностями монохроматора, а чувствительностью приемного устройства.

Приборы, предназначенные для получения мощных монохроматических пучков, какие, например, требуются для фотохимических или люминесцентных целей, не позволяют выделить узких спектральных полос. Только в сочетании с мощными источниками линейчатого излучения с редко расположенными линиями такие монохроматоры могут удовлетворять обоим требованиям.

В монохроматорах, применяющихся для абсолютных измерений лучистой энергии, особенно существенно постоянство геометрии монохроматических пучков по всему спектру. Поэтому в этих приборах должно быть обращено особое внимание, как на совершенство оптики, так и на качество механической системы, обуславливающей перемещение отдельных элементов прибора (вращение призмы, перемещение щели, фокусировка линз и т.п.).

3. Описание оптических узлов монохроматора.

Основными частями монохроматора являются входной коллиматор, диспергирующий узел и выходной коллиматор. Для работы с монохроматором очень важно знать величину монохроматического светового потока (мощность излучения), выходящего из него.

В большинстве призменных монохроматоров применяется автоколлимационная схема Литтрова, основным достоинством которого является простота конструкции и двукратное использование материала призмы. Присущее этой схеме увеличение комы и астигматизма сферического зеркального объектива для многих приборов несущественно. Там же, где требуется более чистый спектр, применяют параболические зеркала.

Оптическая схема простого монохроматора включает входную щель, коллиматорный объектив, диспергирвющее устройство, фокусирующий объектив и выходную щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Необходимой частью любого монохроматора является также механическое устройство для изменения спектрального состава излучения, направляемого на выходную щель. В принципе безразлично, движется ли щель вдоль спектра или спектр относительно щели. В типовых конструкциях монохроматоров обе щели неподвижны и направления пучков, входящих в прибор и выходящих из него, постоянны, а движение спектра по щели (“сканирование” спектра) осуществляется изменением положения диспергирующей системы по отношению к падающему пучку лучей.

Основными характеристиками монохроматора, определяющими выбор параметров его оптической системы, являются: лучистый поток F’, проходящий через выходную щель, и светосила по потоку G; предел разрешения δλ или разрешающая способность К=λ/δλ – для монохроматора, входящего в состав спектрометра (спектрофотометра); ширина выделяемого спектрального интервала λ, и спектральное распределение энергии внутри этого интервала – для монохроматического осветителя.

3.1. Источник излучения.

В оптико – электронных приборах используются ртутно – кварцевые газоразрядные лампы высокого и сверхвысокого давления. В лампах с ртутным наполнением давление паров ртути сильно влияет на спектральный состав и интенсивность излучения.

Ртутно – кварцевые лампы излучают свет видимой и ультрафиолетовой области спектра. Разрядный промежуток имеет малые размеры и очень большую яркость, что создает возможность использования ламп в различных оптических приборах для получения узкого пучка света большой интенсивности.

Ртутные лампы могут работать при значении температуры окружающей среды 25°С и в большинстве не требуют охлаждения. Недостатки ртутных ламп: высокое напряжение поджига и необходимость охлаждения ламп перед повторным включением.

В курсовой работе предложено использовать газоразрядную спектральную лампу с линейчатым спектром излучения ДРС-50.

Все лампы имеют диаметр колбы 33мм, длину 165 мм и высоту центра светящейся области 105 мм.

Лампа ДРС-50 дает спектр из раздельных линий, лежащих в диапазоне λ = 253,7 … 577 нм.

Ртутная газоразрядная лампа сверхвысокого давления является неравноярким излучателем, а ее коэффициент яркости зависит от типа лампы.

3.2. Конденсоры.

Конденсор служит для отклонения к оси пучков лучей, идущих от источника света.

Основными параметрами конденсора являются угол охвата σ_охв. и линейное увеличение β_к. Зная эти параметры, полученные из габаритного расчета, можно выбрать схему конденсора. В оптико – электронных приборах в основном находят применение линзовые конденсоры.

Несмотря на то, что к качеству изображения, даваемого конденсорами, не предъявляют высоких требований, тем не менее стремятся исправить их сферическую аберрацию и отступления от условия синусов. Поэтому при увеличении угла охвата σ_охв. в целях обеспечения лучших энергетических соотношений схема конденсора усложняется.

При конструировании узлов конденсоров наряду со способами крепления резьбовыми кольцами или завальцовкой, широко используются и другие более простые способы, которые вполне удовлетворяют требованиям к качеству закрепления конденсорных линз.

Крепление проволочным кольцом применяют в тех случаях, когда нет жестких требований к точности центровки, прочности и герметичности закрепления.

Крепление круглых оптических деталей лапками, кольцами с лапками или пружинными планками применяют в случае невозможности установки зажимного резьбового кольца по конструктивным соображениям, а также для деталей, работающих в условиях резких колебаний температур, что обычно имеет место в конденсорах передающих оптических систем.

В отдельных случаях в качестве конденсоров могут быть использованы сферические или асферические зеркала. В этих случаях узлы конденсоров конструируются в соответствии с правилами конструирования узлов крепления зеркал. В передающих оптических системах зеркала могут служить в качестве дополнительных отражателей в сочетании с конденсором, что в ряде случаев позволяет повысить эффективность конденсорной системы.

3.3. Объектив.

К важнейшим габаритным параметрам объектива относятся: диаметр входного зрачка D, фокусное расстояние ƒ, относительное отверстие D/ƒ, угловое поле 2ω, длина оптической системы объектива L, задний фокальный отрезок S’_F.

Основными энергетическими показателями являются коэффициент пропускания τ₀, спектральная характеристика пропускания τ₀ = τ₀ (λ), а иногда геометрическая светосила (D/ƒ), физическая светосила τ₀(D/ƒ) и коэффициент усиления объектива оптической системы k_опт.

Важное значение при выборе объектива имеет анализ параметров и характеристик, определяющих качество оптического изображения. Критериями качества объектива могут служить его аберрации, зная которые можно найти диаметр кружка рассеяния и распределения энергии в нем.

К конструкциям объективов предъявляют следующие требования. Они должны обеспечивать: возможность подвижки всего объектива вдоль оптической оси в целях совмещения плоскости изображения (например, фокальной) с плоскостью анализа; взаимное перемещение компонентов объективов для компенсации погрешностей выполнения их фокусного расстояния; центрировку объектива; совмещение оптической оси объектива с геометрической осью прибора.

Простым по конструкции и широко применяемыми являются двухлинзовые склеенные и не склеенные объективы. Их устанавливают в оправе. Для крепления линз объективов обычно используют резьбовые кольца. Резьбовые кольца выполняются с наружной и внутренней резьбой. Размеры колец определяют на основе требуемого светового диаметрами шага применяемой резьбы.

Конструкция оправы для крепления объектива обуславливается способом крепления и числом устанавливаемых в нее деталей, а также характером установки оправы в приборе. Наиболее распространенными являются круглые оправы, так как они просты по конструкции и технологичны.

4. Описание оптических деталей монохроматора.

4.1. Щели.

Щели являются ответственными частями монохроматора. Они ограничивают входящий и выходящий пучки, определяют энергию выходящего пучка и его спектральную ширину.

К щелям можно предъявить следующие требования:

- ширина щели по всей ее высоте должна быть одинакова, т.е. края ножей щели должны быть строго параллельны на всем их протяжении.

- края ножей не должны иметь зазубрин и должны лежать в одной плоскости.

- ширина и высота щели должны быть переменными.

- механизм, управляющий раскрытием щели должен обеспечивать плавное и симметричное движение ножей и быть достаточно точным; если минимальная ширина щели составляет несколько сотых долей миллиметра, то раскрытие щели должно воспроизводиться с точностью до 0,001 – 0,002 мм.

4.2. Призма.

С помощью призм в оптико – электронных приборах решают самые разнообразные задачи: изменяют направление пучков лучей; оборачивают изображения; разделяют или совмещают пучки лучей и т.д.

Отражающие покрытия призм всегда являются внутренними и вследствие этого не требуют специальной защиты и устойчивы к внешним воздействиям. Во многих призмах возможно использование эффекта полного внутреннего отражения , что выгодно с энергетической точки зрения.

Однако, призменным системам свойственны потери энергии на входных, выходных и отражающих гранях, а также в толще пропускающего материала.

Наиболее широко в оптико – электронных приборах используются отражательные призмы. Основными конструктивными элементами отражательных призм являются рабочие грани: преломляющие, через которые пучки лучей входят в призму и выходят из нее, и отражательные; угол отклонения выходящего из призмы осевого луча относительно входящего; углы между гранями призмы; наибольший световой диаметр призмы; геометрическая длина хода лучей в призме; фаски на ребрах призмы.

При креплении призм используются установочные винты, пружины, накладки, планки, угольники, стойки, шпонки и другие элементы. Иногда призмы крепят приклеиванием.

Крепление призмы плоской пружиной целесообразно выполнять, если призма устанавливается в гнездо корпуса. Достоинствами способа являются надежность фиксации и отсутствие деформаций в призме при изменении температуры.

Для более надежной фиксации призмы в корпусе и предотвращения ее поперечных смещений помимо пружины могут быть использованы установочные винты и эластичные прокладки.

При конструировании узлов крепления призм следует учитывать необходимость их юстировки. В процессе разработки оптической части прибора обычно определяется характер котировочных движений оптических деталей и их диапазон, поэтому соответствующие юстировки детали при конструировании ее оправы известны заранее.

Небольшие перемещения детали могут быть обеспечены с помощью установочных винтов. Если указанных перемещений для юстировки системы недостаточно, конструкция узла крепления усложняется. При этом обычно перемещается или разворачивается оправа вместе с деталью.