Призменный монохроматор

Калибровочный график.dwg

Калибровочный график
КП-2068752-200203-ПР-1-19-12

Титульник.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БЮДЖЕТНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Факультет (филиал) КБ специальность 200400
Кафедра «Оптико-электронные приборы и системы»
Курсовой проект на тему:
«Призменный монохроматор»
подпись дата инициалы и фамилия
Группа КБ6–1102 шифр 110036
Обозначение курсовой работы КП–2068752–200400–КБ6–19–15
Работа защищена на оценку
Руководитель работы А.П. Величко
подпись дата инициалы и фамилия

Спецификация.dwg

КП-2068752-200400-КБ6-19-15
Микрометрический винт
Резьбовое кольцо М18
Резьбовое кольцо М22
Резьбовое кольцо М30х1

Схема оптическая.dwg

КП-2068752-200400-КБ6-19-15

Сборочный чертеж 1.dwg

КП-2068752-200400-КБ6-19-15

Спецификация 2.dwg

КП-2068752-200400-КБ6-19-15
Планка крепления лампы

KurSovik Egor.docx

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный университет приборостроения и информатики»
914017970500Кафедра Оптико-электронные приборы и системы
3441519685000Дисциплина ОПИПС
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту на тему:
9156518732500«Призменный монохроматор»
246519939000Студент Гурин Е.А.
подпись дата инициалы и фамилия
298651771650060579017716500ГруппаКБ-6шифр 110036
6319020066000Обозначение курсового проекта КП-2068752-200203-ПР-1-19-13
1551516065500Проект защищен на оценку
5356518732500Руководитель проекта
5826517335500Члены комиссии
подпись дата инициалы и фамилия
Задание на курсовой проект
Источник излучения – ртутная лампа ДРС-50 с основными параметрами:
размер дуги 5×15мм (h×H).
Спектр излучения ртутной лампы:
Основные параметры объектива:
Марка стекла призмы – тяжелый флинт ТФ4
Вершинный угол призмы - 60.
Задание на курсовой проект 2
1 Определение минимальных размеров щелей монохроматора 6
2 Определение основных параметров конденсора 7
3 Определение радиусов кривизны конденсора 9
4 Определение положения главных плоскостей конденсора 11
5 Расчет показателей преломления призмы для данных длин волн 12
6 Расчет угла поворота призмы Δα и ее размеров 16
7 Определение главных плоскостей объектива 16
Кинематический расчет 18
1 Расчет системы поворота призмы 18
2 Определение параметров отсчетного барабана 20
Расчет калибровочного графика 22
Конструкторский раздел 25
Список использованных источников 27
Спектральные приборы широко применяются для анализа состава вещества путем измерения спектрального состава (спектра) излучения испускаемого или поглощаемого веществом. Спектральный прибор измеряет и регистрирует спектральный состав излучения т. е. зависимость интенсивности излучения от длины волны.
Принцип работы оптического спектрального прибора основан на упорядоченном расположении в пространстве излучения различных длин волн. Это достигается с помощью дисперсионных или интерференционных элементов используемых в спектральном приборе.
Типовая оптическая схема спектрального прибора показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Оптическая схема спектрального прибора
Входная щель 1 освещаемая исследуемым излучением находится в фокальной плоскости объектива 2 направляющего лучи в диспергирующее устройство 3. Последнее отклоняет лучи на различные углы в зависимости от длины волны излучения λ.
Основными диспергирующими элементами в спектральном приборе являются призма дифракционная решетка и эталон Фабри – Перо. Фокусирующий объектив 4 создает в своей фокальной плоскости 5 монохроматические изображения щели совокупность которых и образует спектр. Поверхность изображения 5 может быть плоской или цилиндрической.
Оптическая система спектрального прибора включает также осветительную часть с источником излучения и приемно-регистрирующую часть с приемником лучистой энергии. Осветительная система обычно представляет собой линзовый или зеркальный конденсор проектирующий изображение источника на входную щель коллиматора. Конденсорные системы бывают большей частью однолинзовые и трехлинзовые. В качестве однолинзовых конденсорных систем используются сферические цилиндрические и сфероцилиндрические линзы.
Схема приемной части прибора определяется методом регистрации спектра. При визуальной регистрации приемная часть представляет собой зрительную трубу при фотографической – фотокамеру.
Монохроматор выделяет одновременно только одну спектральную линию или один достаточно узкий спектральный интервал поэтому для проведения измерений в широком участке спектра необходимо последовательное изменение длины волны излучения направляемого на выходную щель. Это осуществляется разворотом диспергирующего устройства относительно падающего пучка лучей.
1 Определение минимальных размеров щелей монохроматора
Размеры входной щели определяются из следующих соображений. Чем меньше ширина S входной и выходной щели монохроматора тем выше предел разрешения прибора. Однако минимальный размер ограничивается дифракционными явлениями. Поэтому минимальное значение ширины входной щели когда дифракционным уширением можно пренебречь будет равна:
Smin=λfоб1'Dсв1 (1.1)
где λ – максимальная длина волны спектра;
fоб1'- фокусное расстояние переднего объектива;
Dсв1 - световой диаметр объектива.
По формуле (1.1) находим минимальное значение ширины входной щели:
Smin=57710-610025=230810-3 мм
Высота входной щели H1 зависит от угла поля зрения переднего объектива и определяется выражением:
где fоб1'- фокусное расстояние переднего объектива;
- половина угла поля зрения этого объектива;
H1=2100tg5°=174977 мм.
2 Определение основных параметров конденсора
Исходя из полученных данных и зная габаритные размеры источника излучения можно определить основные параметры конденсора.
где H1- высота входной щели;
H- высота источника излучения (дуги).
k=174977 15=1166 мм.
Фокусные расстояния конденсора fk' и fk.
Переднее фокусное расстояние конденсора fk определяется из выражения:
где x- расстояние от фокальной плоскости конденсора до источника
излучения (рабочий отрезок); выбирается из конструктивных
соображений x≥Dколбы2.
-fk=-xk=-1651166 =-19239 мм.
Так как конденсор находится в однородной среде то:
где fk'- заднее фокусное расстояние.
Положение конденсора (его главной плоскости) относительно источника излучения (предметная плоскость) ak:
ak=-19239-165=-35739 мм.
Положение конденсора относительно входной щели монохроматора (плоскость изображений) ak' определяется из выражения:
ak'=fk'akfk'+ak . (1.7)
ak'=19239-3573919239-35739=416716 мм.
Световой диаметр конденсора Dсв.к.:
Dсв.к.=ak'Dсв1fоб1' (1.8)
где Dсв1- световой диаметр объектива;
fоб1'- фокусное расстояние объектива.
Dсв.к.=416716 25100=104179 мм.
Угол охвата конденсора 2U:
tgU=Dсв.к.2ak. (1.9)
U=arctg104179235739 =8292°.
3 Определение радиусов кривизны конденсора
Радиусы кривизны конденсора r1 и r2 можно получить из формулы:
fk=nk-11r1-1r2+nk-12nkr1r2d (1.10)
где fk – фокусное расстояние конденсора;
d – толщина конденсора по оптической оси;
r1 и r2 – радиусы кривизны конденсора;
nk – показатель преломления конденсора.
Материал конденсора: оптическое стекло К8 nk=15183.
Если взять линзу с равными радиусами кривизны разных знаков то формула линзы примет вид:
fk=2nk-1rk+nk-12nkrk2d. (1.11)
Выражение (1.11) имеет два неизвестных. Для его решения рассмотрим таблицу связывающую световой диаметр линзы и толщину линзы по краю.
Световой диаметр конденсора Dсв.к. [мм]
Припуск на крепление линзы D[мм]
Толщина края линзы t [мм]
Полный диаметр линзы находится по формуле:
Dполн=Dсв.к.+D. (1.12)
Dполн=104179 +1=114179 мм.
Толщина линзы по оси равна:
d=t+Dполн24r. (1.13)
Подставив формулу (1.13) в формулу (1.11) и решив полученное уравнение найдем радиусы конденсора:
По формуле (1.13) найдем d:
d=2+1141792419915=3137 мм.
4 Определение положения главных плоскостей конденсора
Параметры конденсора:
Путем просчета нулевых лучей (параллельных оптической оси) определим положение главных плоскостей пересчитанного конденсора относительно передней и задней поверхностей используя формулы:
Результаты расчета для обратного хода лучей будут равняться результатам расчета для прямого хода лучей т.к. конденсор симметричен.
Принимаем α1=0; h1=Dсв.к.4.
Полученные результаты расчетов сведены в таблицу 2.
5 Расчет показателей преломления призмы для данных длин волн.
Призма является основным элементом оптической части прибора. Параллельный световой пучок проходя через призму и отклоняясь к её основанию разлагается на монохроматические составляющие. При этом пучки с меньшей длиной волны отклоняются сильнее. В основе этого явления лежит зависимость показателя преломления материала от длины волны света т.е. средняя дисперсия материала.
В спектральном приборе призма устанавливается так чтобы линия пересечения её преломляющих граней и (рисунок 1) т.е. преломляющее ребро была параллельно щели. Плоскость перпендикулярная преломляющему ребру называется плоскость главного сечения призмы. Двухгранный угол образуемый двумя рабочими поверхностями – это преломляющий угол призмы равный .
Рассмотрим ход одного из лучей падающего на призму пучка.
Обозначим через и углы падения луча на грани призмы и соответственно и - углы преломления на этих гранях.
Рисунок 1 - Ход лучей в призме в главном сечении
Угол - это угол отклонения луча призмой. Если обеспечить условие (т.е. направление луча в призме параллельно основанию призмы) то в этом случае угловое увеличение призмы и поэтому отсутствует дополнительное уширение изображения щели. Тогда размеры выходной щели будут соответствовать размерам входной что значительно упрощает расчёты.
где А - вершинный угол призмы.
Так как показатель преломления призмы:
n=sini1sini1'=sini2'sini2. (1.17)
Так как показатель преломления призмы для определённой длины волны постоянен то:
Для обеспечения этого условия для различных длин волн необходимо различное положение призмы по отношению к падающему лучу.
Чтобы рассчитать угол поворота призмы относительно точки для данного спектра излучения нужно знать показатели преломления лучей с наибольшей и наименьшей длиной волны спектра т.е. и и как следствие углы падения лучей этих длин волн и .
Разность этих углов и будет составлять угол поворота призмы :
Показатели преломления для различных длин волн можно определить из формулы Гартмана:
Принимая составляется система уравнений для трёх постоянных неизвестных: используя известные .
После чего рассчитываются требуемые и определяется .
Данные для стекла ТФ4 взяты из ГОСТ 13659-78 «Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры»
Таблица 3 – Соотношение показателей преломления к длинам волн
Составив систему из трёх уравнений Гартмана используя nD nF ne получим:
nD=n0+cλD-λ0nF=n0+cλF-λ0ne=n0+cλe-λ0
λ0=λD-nF-neλD-λFnF-nDλe-λFλe1-nF-neλD-λFnF-nDλe-λF=22644 нм
с=nF-neλF-λ0λe-λ0λe-λF=1726 нм
Для длины волны λd'=577нм рассчитаем показатель преломления по формуле (1.22):
nd'=n0+cλd'-λ0=17414.
Для расчета угла поворота призмы Δα подставим (1.21) в (1.22) и получим:
Δα=arcsinnhsin(30°)-arcsinnd'sin30° (1.23)
Δα=arcsin17886005-arcsin174140.5=2878°.
Размеры призмы выбираются с учетом светового диаметра падающего на нее пучка лучей Dсв.об.1 припусков для крепления призмы и угла падения пучка лучей максимальной длины волны на грань а:
a=b=c=Dсв.об.1cos(i1max)+ (1.24)
i1max= arcsinnhsin(30°)=arcsin17106805=63419°
a=b=c=25ммcos(63419°)+3мм=5887 мм.
7 Определение главных плоскостей объектива
Путем просчета нулевых лучей (параллельных оптической оси) определим положение главных плоскостей пересчитанного объектива относительно передней и задней поверхностей используя формулы (1.15) (116) и (117):
Расчет объектива в прямом ходе лучей:
Принимаем α1=0; h1=Dсв.об.14=625 мм.
Полученные результаты расчетов сведены в таблицу 4.
fоб'=h1tgα4=6196400108=1042073 мм;
Sfоб''=h3tgα4=6118800108=1001689 мм;
=Sfоб''-fоб'=1001689-1042073=-40384 мм.
Расчет объектива в обратном ходе лучей.
Найдем теперь . Для этого рассмотрим обратный ход лучей. При этом радиусы кривизны толщины и показатели преломления берём в обратном порядке (т.е. 1 становится последним; 2 становится предпоследним и т.д.) знаки радиусов кривизны меняем на обратные. Используя формулы (1.15) (116) и (117):
Полученные результаты расчетов сведены в таблицу 5.
fоб=-h1tgα4=-62500797=-1042073 мм;
SF'=-h3tgα4=-6094600797=-1032996 мм;
'=SF'-fоб=-1032996+1042073=09077 мм.
Кинематический расчет
1 Расчет системы поворота призмы
Поворот призмы осуществляется качанием юстировочного столика на котором она закреплена относительно точки O (рис. 2) с помощью юстировочного винта.
Рисунок 2- Юстировочный столик
Максимальное значение плеча dmax силы P создаваемой поступательным движением юстировочного винта и обеспечивающей поворот призмы на угол α составит:
dmax=05acos(α) (2.1)
где a – длина юстировочного столика равная основанию призмы.
dmax=055887 ммcos(2878°)=2947 мм.
Линейное перемещение юстировочного винта определяется из формулы:
где l – максимальное линейное перемещение юстировочного винта.
lmax=dmaxtgα=2564tg2878°=1451 мм.
Причем разрешение прибора amin между ближайшими спектральными линиями будет зависть кроме всего и от величины d.
Для обеспечения поворота призмы закреплённой на юстировочном столике можно применить винтовой механизм преобразующий вращательное движение винта в поступательное.
Принимаем P=025мм для диаметра резьбы M5 в соответствии с ГОСТ 24705-81 из общетехнического справочника [5] т.к. при данном шаге достигается необходимая точность перемещения винта. φ – угол поворота винта (рад):
φ=lmax2P=0883 2314025=3646 рад.
2 Определение параметров отсчетного барабана
Для определения параметров отсчётного барабана (anD) необходимо знать разрешение спектрального прибора.
Наименьшее расстояние между спектральными линиями λ разрешаемое монохроматором должно соответствовать удвоенной минимальной ширине щели Smin.
λ=2Smin=fоб'tg(amin) (2.4)
где amin – минимальный угол поворота призмы.
Из формулы (2.4) следует:
amin=arctg2Sminfоб'. (2.5)
amin=arctg2230810-3 100=2644810-3°.
Минимальный угол поворота отсчетного барабана определяется из формулы:
φmin=2dmaxtg(amin)P. (2.6)
φmin=23142947tg(2644810-3°)025=00342 рад.
Зная минимальный угол поворота отсчетного барабана определяют количество делений на барабане:
n=231400342 =183719.
Как правило в микрометрических механизмах для удобства измерений отсчетный барабан разбивают на 100; 200;250;500 делений. Поэтому из этих чисел выберем ближайшее большее по сравнению с расчетным т.к. при этом увеличится точность прибора.
Так как количество делений изменено чтобы не изменилась точность измерений монохроматора (amin) необходимо уточнить величину минимального угла поворота барабана и d.
Величину минимального угла поворота барабана φmin находим из формулы (2.7):
φmin=2314200=00314 рад.
Цена деления a отсчётного барабана равная min линейному перемещению винта будет равна:
Так как цена деления a отсчетного барабана равна минимальному перемещению винта используя формулы (2.4) и (2.2) получим:
d=atg(amin)=afоб'2Smin. (2.10)
d=00012510022644810-3=2363 мм.
Следовательно расстояние между делениями:
lдел=2363tg2878°=1188 мм.
Расстояние между делениями выбираем равным 0.5 мм.
Диаметр барабана равен соответственно:
Рекомендуются следующее соотношение длины винта к его среднему диаметру:
Расчет калибровочного графика
Рассчитаем зависимость длины хода юстировочного винта от длины волны излучения для калибровочного графика:
Спектр излучения ртутной лампы и соответствующие показатели преломления на этих длинах волн:
nh=178860 λh=4047 нм
ng=177454 λg=4358 нм
ne=174623 λe=5461 нм
nd'=17414 λd'=577 нм.
Углы выхода лучей из призмы:
ih=arcsinnhsin30°=63419°
ig=arcsinngsin30°=62532°
ie=arcsinnesin30°=60823°
id'=arcsinnd'sin30°=6054°.
Выбрав λh как исходную длину волны найдем углы на которые необходимо повернуть призму для настройки монохроматора на нужную длину волны:
Найдём перемещение юстировочного винта необходимое для настройки на данные длины волн:
Найдём число делений на которое необходимо повернуть барабан микрометрического винта для настройки на данные длины волн:
где a – цена деления отсчетного барабана.
Конструкторский раздел
В конструкторском разделе будет рассмотрена конструкция монохроматора.
Ртутная лампа (8) находится в цилиндрическом корпусе (1) закреплена таким образом чтобы контактные клеммы не контактировали с корпусом. Крепление к корпусу (1) при помощи планок (24) Планки крепятся к корпусу (1) при помощи винтов (26). К лампе планки крепятся при помощи шайб (29) и гаек (30).
К корпусу ртутной лампы при помощи винтов (26) присоединяется часть корпуса на которой закрепляется конденсор (10). Конденсор находится в оправе (9) с помощью которой крепится к корпусу (2). Линза (конденсор) закреплена в оправе при помощи резьбового кольца (13) т.к. световой диаметр линзы >10 мм. Далее корпус конденсора (2) прикрепляется к корпусу в котором расположена диафрагма с объективом (3). Данный корпус имеет цилиндрическую форму. На одном его конце делается паз в который будет крепиться оправа с диафрагмой и закрепляться стопорным винтом (27) для предотвращения выпадения. Диафрагма крепится резьбовым кольцом (15).
На другом конце нарезается резьба куда будет вкручиваться оправа (16) с объективом (14) который закреплён резьбовым кольцом (17). Чтобы не было перекосов оправа фиксируется стопорным винтом (27). Объектив (14) является формирующей оптикой поэтому способ его крепления должен соответствовать как можно более высокой точности и надежности.
Корпус крепления призмы (18) состоит из основания (4) на которое крепится столик с призмой (21) и крышкой сферической формы (5) которая крепятся к корпусу объектива с диафрагмой. Призма (18) прикреплена при помощи установочных винтов (28). Этот тип крепления обеспечивает очень стабильное положение призмы и гарантию того что она не упадет с крепления. Под столиком на котором закреплена призма находится толкатель микрометрического винта (7) (с одной стороны) и пружина (20) подающая призму на микрометрический винт тем самым обеспечивающая согласование между делениями на микрометрическом винте и длиной волны выходящего излучения.
Конструкция микрометрического винта (7) стандартная крепление к корпусу (4) производится винтами (26).
Корпус (3) привинчивается к корпусу (4) винтами (26).
Конструкция корпуса (6) и креплений оптических деталей (12) (14) стоящих после призмы в точности соответствуют креплениям оптических деталей (12) (14) и корпусов стоящих до призмы.
Крепления к корпусу (5) корпуса (6) производится аналогично корпусу (3).
Список использованных источников
«Справочник конструктора оптико-механических приборов». М.Я. Кругер В.А. Панов В.В. Кулагин и др. Машиностроение 1967г.
«Спектральные приборы». Тарасов К.И. Машиностроение 1968 г.
«Проектирование оптико-электронных приборов». Павлюсов Ю.Б. Солдатов В.П. Якушенков Ю.Г. Машиностроение 1990 г.
«Оптика спектральных приборов». Пейсаксол И.В. Машиностроение 1970г.
«Общетехнический справочник». Малов А.Н. Машиностроение1982г.
Конспекты лекций по дисциплине «Проектирование ОЭП». Гущин Р.А. -2014г.