СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к оптической спектрометрии и может быть использовано при проведении измерений спектрального состава излучения, в том числе и пространственно-неоднородных объектов.

Известные способы определения спектрального состава излучения с помощью рефракции, дифракции, интерференционной модуляции (Фурье-спектрометры, сисамы) предусматривают использование оптических схем, требующих тщательной юстировки, что обусловливает сложность процедуры определения спектрального состава излучения, а также значительные вес и габариты спектральных приборов. Кроме того, известные способы характеризуются низкой оперативностью получения информации о пространственном распределении силы излучения спектральных составляющих, либо получение такой информации ограничено условиями, накладываемыми на угловые размеры источников излучения (бесщелевые спектрометры).

Известен способ определения спектрального состава оптического излучения, заключающийся в том, что поток излучения поляризуют с помощью первого поляризатора, затем направляют на элемент с изменяемой длиной оптического пути проходящего через него излучения (модулируют длину оптического пути), после чего направляют на второй поляризатор и фокусируют на фоточувствительном элементе, реакцию которого преобразуют в спектр излучения (Тарасов К. И. Спектральные приборы. Л. : Машиностроение, 1968, с. 11).

Недостатками существующего способа являются: сложность процедуры модуляции длины оптического пути, обусловленная сложностью кинематической схемы устройств, осуществляющих такую модуляцию, и низкая оперативность получения информации о пространственном распределении спектральных составляющих. Последний недостаток обусловлен необходимостью регистрации изменяющегося во времени сигнала фоточувствительного элемента при модуляции длины оптического пути. Этим ограничиваются возможности использования многоэлементных фотоприемников. так как каждый элемент такого приемника должен подключаться к усилительному тракту и регистратору для последующего преобразования в спектр излучения. Таким образом, получение пространственно-спектральной информации в известном способе может быть осуществлено лишь при механическом сканировании поля обзора, что обусловливает низкую оперативность.

Целью изобретения является повышение оперативности и упрощение процедуры получения пространственного распределения спектральных составляющих оптического излучения.

Цель достигается тем, что в известном способе, включающем поляризацию излучения с помощью первого поляризатора, последующее пропускание его через второй поляризатор, фокусировку на фоточувствительном элементе и преобразование реакции последнего в спектр излучения, плоскость поляризации излучения, поляризованного первым поляризатором, поворачивают вокруг направления распространения излучения и направляют на второй поляризатор, который вращают в плоскости расположения векторов поляризации спектральных составляющих излучения.

Известно, что ряд так называемых оптически активных веществ обладает свойством вращения плоскости поляризации, причем угол поворота на единице длины оптического пути излучения является функцией длины волны излучения (А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах. М. : Мир, 1987, с. 104). Это означает, что спектральные составляющие поляризованного первым поляризатором излучения после прохождения слоя оптически активного вещества (например, пластинки кварца) будут обладать различным положением плоскости поляризации. Толщину слоя оптически активного вещества можно подобрать таким образом, что вектора поляризации спектральных составляющих излучения в заданном диапазоне спектра будут располагаться, например, в пределах угла 180^о. При вращении второго поляризатора осуществляется модуляция потока, падающего на фоточувствительный элемент, в соответствии с величиной потока, приходящегося на ту или иную спектральную составляющую. Модулированная реакция фоточувствительного элемента в дальнейшем преобразуется в спектр излучения.

Принципиальным отличием настоящего способа от известного является использование для разложения излучения в спектр поворота плоскости поляризации.

Вращение второго поляризатора может быть осуществлено с высокой скоростью и технически реализуется значительно проще, чем возвратно-поступательное перемещение элементов, используемое в известном способе при модуляции длины оптического пути. Это позволяет упростить процедуру и повысить скорость получения информации о спектре излучения в предлагаемом способе по сравнению с известным.

Возможность покадровой регистрации падающего излучения при различных положениях второго поляризатора в предлагаемом способе, в отличие от известного, позволяет использовать матричный фотоприемник или фотопленку, что значительно упрощает процедуру получения пространственного распределения спектральных составляющих поля излучения.

Таким образом, предлагаемый способ определения спектрального состава оптического излучения обладает существенными отличительными признаками и новизной по сравнению с известными и позволяет повысить оперативность и упростить процедуру получения пространственного распределения спектральных составляющих оптического излучения.

Пример спектрометра, реализующего предлагаемый способ, приведен на фиг. 1.

Спектрометр состоит из первого поляризатора 1, элемента, вращающего плоскость поляризации, в виде пластины 2 кварца толщиной 3 мм, второго поляризатора с приводом вращения от электродвигателя 3, объектива 4, фотоприемника 5, усилителя 6 и блока 7 обработки и индикации, в качестве которого используется персональная ЭВМ с соответствующим интерфейсом, включающим аналого-цифровой преобразователь. Работа блока 7 синхронизируется с вращением поляризатора 3 посредством устройства 8 синхронизации, которое выполнено в виде пары светодиод-фотодиод, расположенной по разные стороны внешнего обода второго поляризатора, снабженного отверстиями, отвечающими положению плоскости поляризации излучения данным поляризатором. Устройство 8 установлено в положении, отвечающем нулевому повороту плоскости поляризации излучения, прошедшего первый поляризатор.

Очевидно, что для n спектральных составляющих потока, плоскости поляризации которых распределены после поворота плоскости поляризации элементом 3 в пределах угла 180^о, падающий на фотоприемник поток определяется выражением
J₁+J₂ | cos(ф₁₂) | +. . . +J_n | cos ф_1n | = I₁, где углы (ф₁₂. . . ф_1n)< 180 град, отсчитываются от положения плоскости поляризации первой составляющей J₁;
I₁ - величина сигнала фоточувствительного элемента при положении второго поляризатора, соответствующем положению плоскости поляризации первой спектральной составляющей.

Величины J₁. . . J_n рассматриваются здесь с учетом квантовой эффективности фоточувствительного элемента на соответствующей длине волны.

Производя n отсчетов сигнала фотоприемника при различных положениях второго поляризатора в пределах угла поворота 180^о, получают систему уравнений:
J₁ +J₂ cos(ф₁₂) +. . . +J_n cos(ф_1n) = I₁
J₁ cos(ф₂₁) +J₂ +. . . +J_n cos(ф_2n) = I₂
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

J₁ cos(ф_n1) +J₂ cos(ф_2n) +. . . . +J_n cos(ф_nn) = I_n
Очевидно, что в данной системе cos(ф_ij)= сos(ф_ji), поскольку существенное значение имеет лишь относительное положение плоскостей поляризации.

Решение системы относительно J₁. . . J_n осуществляется методом обращения матрицы коэффициентов. На фиг. 2 приведен пример исходного спектра (9), сигнала фоточувствительного элемента (10) и восстановленного по этому сигналу спектра (11). По оси абсцисс отложены номера отсчетов, однозначно соответствующие длины волны излучения.

Использование предлагаемого способа определения спектрального состава оптического излучения обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: простота технической реализации, обусловленная некритичностью способа к качеству юстировки оптической схемы; возможность получения пространственно-спектральной информации о нестационарных процессах, например, при покадровой съемке объекта при различных положениях второго поляризатора с помощью скоростной кинокамеры; малые вес и габариты спектрометров, реализующих предлагаемый метод.

(56) Ярив А. и Юх П. Оптические волны в кристаллах/М. : Мир, 1987, с. 104.

Тарасов К. И. Спектральные приборы. Л. : Машиностроение, 1968, с. 11.

Использование: измерение спектрального состава излучения, в том числе и пространственно-неоднородных объектов. Сущность изобретения: разложение излучения в спектр осуществляется в плоскопараллельной системе элементов поляризатор-слой, вращающей плоскость поляризации-поляризатор, выполняющей функцию анализатора спектра. Преобразование сигнала фоточувствительного элемента, облучаемого потоком, прошедшим указанную систему элементов, в спектр излучения осуществляют путем совместного анализа сигналов, полученных при различных углах поворота второго поляризатора. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий поляризацию излучения с помощью первого поляризатора, пропускание его через второй поляризатор, фокусировку на фоточувствительном элементе и преобразование реакции элемента в спектр излучения, отличающийся тем, что плоскость поляризации излучения, поляризованного первым поляризатором, поворачивают вокруг направления распространения излучения, а второй поляризатор вращают в плоскости расположения векторов поляризации спектральных составляющих излучения.