| Реферат |
Предлагаемое техническое решение относится к области физической оптики и предназначено для получения монохроматических изображений в различных областях, например в астрофизике. Заявленное устройство компенсации температурного дрейфа рабочей длины волны интерференционного фильтра содержит фильтр и его оправу, включающую внутреннюю и внешнюю оправы. Причем внутренняя оправа, в которую помещен фильтр, выполнена с возможностью наклона относительно внешней неподвижной оправы с помощью термочувствительного регулятора угла наклона фильтра, размещенного во внешней оправе.
Предлагаемое техническое решение относится к области физической оптики и предназначено для получения монохроматических изображений в различных областях, например, в астрофизике.
Рабочая длина волны интерференционного фильтра зависит от температуры; с увеличением температуры длина волны света, пропускаемого фильтром, увеличивается (т.е. смещается в красную сторону) и наоборот уменьшается при снижении температуры. Численное значение смещения полосы пропускания для большинства интерференционных фильтров составляет 0.2-0.3 ангстрема на градус (Å/град) см. Blifford J.H., Applied Optics, V.5, рр105, (1966). Примеры можно найти в интернете, например по ссылке https://phcloud.ru/index.php/optika/product/view/4/581. Суточные перепады температуры окружающей среды нередко могут достигать 20-30 градусов Цельсия. При этом температурное смещение рабочей длины достигает 4-9 ангстрем. Для узкополосных фильтров (с шириной полосы 1-10 ангстрем и более узких), применяемых в астрофизике, спектроскопии и оптическом приборостроении, это недопустимо. Для устранения подобных смещений рабочей длины волны интерференционный фильтр помещают в термостат, поддерживающий рабочую температуру постоянной с точностью до десятых и сотых долей градуса. При этом значительно усложняется конструкция устройства, добавляется электрическая схема терморегулирования, возрастают габариты и вес, увеличиваются световые потери в дополнительных оптических элементах термостата. В итоге на порядки увеличивается стоимость таких устройств. В качестве примера приведем узкополосный фильтр, производимый фирмой DayStar (https://www.astroshop.eu/mounted-glass-filters/daystar-filters-0-5a-h-alpha-quantum-pe-filter/p,12816#description). В обычной практике широко используются интерференционные фильтры с шириной полосы 10-30 ангстрем. Но и для них приведенные выше температурные вариации рабочей длины волны крайне нежелательны.
Предлагаемое в заявке техническое решение основано на зависимости рабочей длины волны интерференционного фильтра от угла наклона нормали к поверхности фильтра относительно падающего на него луча. Причем увеличение этого угла приводит к смещению полосы в фиолетовую сторону (т.е. к уменьшению рабочей длины волны фильтра). Зависимость квадратичная и описывается формулой λ=Сλ0θ2
где λ0 - исходная длина волны при нулевом значении угла наклона θ, С - коэффициент пропорциональности, точное значение которого определяется опытным путем для каждого типа фильтра, θ - текущий угол, λ - текущая длина волны. При подборе фильтра на требуемую длину волны этот фактор обязательно учитывают .В статье Фурмана Ш.А., « Влияние температуры, угла падения и дисперсии показателей преломления слоев на положение полос пропускания диэлектрического узкополосного фильтра», опубликованной в журнале «Оптика и спектроскопия», 1970, том 28, выпуск 2, стр. 407 в Таблице 2 приведены экспериментальные и теоретические данные по зависимости λ от угла падения для двух фильтров. Угол падения измеряется относительно нормали к плоскости фильтра. Из таблицы следует, что при изменении угла падения от нуля до 20 градусов рабочая длина волны для 17-слойного фильтра смещается в фиолетовую сторону, что соответствует ее уменьшению на 7.9 нанометра (79 ангстрем) в эксперименте и на 8,84 нанометра (88,4 ангстрема) согласно теоретических расчетов. Приведенная нами кривая на Рис. 1 показывает зависимость Δλ от угла наклона фильтра, где Δλ=λ-λ0, и соответствует теории. Поскольку увеличение температуры и угла наклона вызывают смещение длины волны в противоположных направлениях, то одновременное действие их можно использовать для компенсации смещений полосы пропускания. Для этого устройство должно содержать термочувствительный элемент который при увеличении температуры обеспечивает увеличение угла наклона фильтра на требуемую величину. Для того чтобы избежать бликов и интерференционных полос на изображении узкополосные интерференционные фильтры при использовании обычно наклоняют на угол 5-15 градусов между нормалью к поверхности фильтра и падающим лучом. В этом случае выбранная рабочая длина волны определяется углом наклона. Для примера, на Рис. 1 указаны три значения угла наклона. При угле 5 градусов уменьшение длины волны Δλ составит 5 ангстрем. При изменении угла от 4 до 6 градусов Δλ изменится от 3.5 ангстрем до 7.5 ангстрем, т.е. на 4 ангстрема. Расчеты показывают, что такая величина компенсирует увеличение длины волны, вызванное ростом температуры на 15-20 градусов Цельсия. При исходном угле наклона 10 градусов аналогичное изменение угла на 2 градуса (от 9 до 11 градусов) вызовет изменение Δλ уже на 9 ангстрем. Для того, чтобы в этой точке кривой компенсировать увеличение длины волны, вызванное ростом температуры на 15-20 градусов Цельсия, угол наклона достаточно увеличить на величину меньше одного градуса. Соответственно, для исходного угла наклона 15 градусов эта величина еще меньше (около 0.6-0.7 градуса).
Сразу заметим, что конкретная конструкция термочувствительного регулятора угла наклона не столь принципиальна. В качестве термочувствительного регулятора угла наклона может быть использован, например, обычный гидроцилиндр, заполненный рабочей жидкостью, в качестве которой можно использовать технические масла, спирт, ацетон, глицерин или другие жидкости, ориентируясь на величину теплового объемного расширения.
В принципе, возможно использование твердых материалов с большим тепловым расширением, например, полиэтилена. Необходимо разместить термочувствительный регулятор угла наклона на таком расстоянии от оси вращения подвижной оправы, чтобы диапазон изменений рабочей длины волны, производимый им, как можно ближе соответствовал диапазону температурных вариаций рабочей длины волны.
Устройство работает следующим образом, первоначальный угол наклона фильтра, определяющий выбор рабочей точки на кривой Рис 1, устанавливается при помощи ввинчиваемого во внешнюю оправу корпуса регулятора угла наклона 6 и регулировочного винта 5. При возрастании температуры длина рабочей волны фильтра увеличивается на +Δλ. Одновременно термочувствительный регулятор угла наклона 6 увеличит угол наклона внутренней оправы 2 с фильтр на величину Δθ, что приведет к уменьшению рабочей длины волны на - Δλ. Таким образом смещение рабочей длины волны в красную сторону оказывается скомпенсированным близким по величине смещением в фиолетовую сторону.
Расчеты и эксперимент показывают, что достигаемый технический эффект заключается в уменьшении до 10 раз смещений рабочей длины фильтра, вызванных вариациями температуры в диапазоне ±15 градусов Цельсия.
Список литературных источников
1. Blifford J.H., Applied Optics, V. 5, рр105, (1966)
2. https://phcloud.ru/index.php/optika/product/view/4/581.
3. Фильтр, производимый фирмой DayStar (https://www.astroshop.eu/mounted-glass-filters/daystar-filters-0-5a-h-alpha-quantum-pe-filter/p,12816#description).
4. Оптика и спектроскопия», 1970, том 28, выпуск 2, стр. 407.
Формула изобретения
Устройство компенсации температурного дрейфа рабочей длины волны интерференционного фильтра, содержащее фильтр и его оправу, отличающееся тем, что оправа содержит внутреннюю и внешнюю оправы, причем внутренняя оправа, в которую помещен фильтр, выполнена с возможностью наклона относительно внешней неподвижной оправы с помощью термочувствительного регулятора угла наклона фильтра, размещенного во внешней оправе.
|
