СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/01 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при разработке контрольно-измерительной техники, предназначенной для измерения коэффициентов поглощения, рассеяния, спектральных характеристик различных сред и материалов, для дистанционного контроля размеров образцов /например, роста кристаллов/, скорости протекания химических реакций и т. д. а также при создании датчиков концентрации, анализаторов химического состава и т.д. работающих в интервале от радиоволн до оптического диапазона, которые могут найти применение в различных отраслях машиностроения, химической промышленности, в медицине и экологии.

Известны способы определения спектральных характеристик исследуемых объектов, в основе которых лежит определение отношения интенсивностей до и после прохождения образца /падающего и прошедшего/ лучей.

Как правило, для определения искомого отношения используют следующую последовательность действий: формуют опорные и измерительные лучи, причем измерительный луч пропускают через образец, обеспечивают поочередный ввод излучения в измерительный канал, после чего измеряют интенсивность введенного в канал излучения. Производят преобразование в цифровую информацию величин интенсивностей с последующим вычислением их отношения с помощью ЭВМ, либо находят искомые отношения величин аналитического и опорного сигналов с помощью логарифмов /А.С. СССР N 1672315, кл. G 01 N 21/63/.

Однако основным недостатком этих способов является то, что измерительный и опорный лучи пропускают через исследуемый образец и вводят в измерительный канал попеременно, что приводит к увеличению погрешности измерений и снижению быстродействия.

Известен также способ определения мутности сред, в котором также формируют различные световые потоки и попеременно направляют их на исследуемый объект. Добиваются выравнивания интересующих выходных потоков через изменение величин интенсивностей входных потоков, вводя в процесс измерения дополнительную обратную связь. /А.с. СССР N 715980, кл. G 01 N 21/59/.

Однако введение дополнительной обратной связи не дает возможности полностью избавиться от нестабильностей, возникающих при формировании сигналов и при их измерении, а быстродействие ограничено постоянной времени цепи обратной связи или быстродействием оператора.

Известен также способ определения оптических характеристик материалов /А. с. СССР N 1538106, кл. G 01 N 21/21/, в котором излучение, испускаемое источником, разделяют на два потока, осуществляют их преобразование в циркулярно-поляризованные потоки с различным направлением вращения плоскости поляризации. Пропускают один из них через исследуемый материал, при этом происходит задержка фазы его колебаний на величину, пропорциональную оптической разности хода относительно другого потока. Далее оба потока суммируют и по углу поворота плоскости поляризации судят о величине разности хода, внесенной образцом.

Известен также способ измерения коэффициента ослабления /А.С. СССР N 1226193, кл. G 01 N 21/01/, заключающийся в разделении потока излучения на опорный и измерительный с последующей ортогонализацией их поляризацией. После этого один из них измерительный пропускают через исследуемый образец и по азимуту поляризации суммарного потока судят о коэффициенте ослабления исследуемого образца.

Однако в описанных способах точность измерений снижается при измерении азимута поляризации, что, кроме того, приводит к усложнению процесса измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, изложенный в литературе /Горшков М.М. Эллипсометрия. М. Советское радио, 1974, с. 138 142./ По этому способу для просвечивания исследуемого объекта формируют линейно-поляризованный пучок, модулируют его по азимуту поляризации и для каждой исследуемой точки объекта измеряют разность фаз между опорным сигналом, возникающим в канале регистрации рассеянного света. Кроме того, измеряют угол поворота объекта от референтного направления до положения, при котором сигнал в канале рассеянного света минимален, и интенсивность рассеянного света в этом же канале при последующем повороте объекта на 45^o. Полученные данные используют для определения параметров анизотропии объекта.

Основным недостатком этого способа является то, что в общем случае применяемый закон модуляции луча носит произвольный характер, что усложняет процесс обработки и интерпритации полученных данных, кроме того, способ ориентирован только на измерение поляризационных характеристик исследуемых объектов, что существенно сужает сферу его применения.

Целью изобретения является повышение точности измерений и быстродействия при упрощении процесса измерений.

Цель достигается тем, что в способе определения спектральных характеристик исследуемых объектов, заключающемся в формировании модулированных сигнала синхронизации и аналитических сигналов, один из которых, по крайней мере, пропускают через образец, измерении сдвига фаз относительно сигнала синхронизации, по которому судят о параметрах исследуемого объекта, модуляцию сигналов осуществляют по гармоническому закону, обеспечивая сдвиг фаз на величину, не равную πn по крайней мере для пары аналитических сигналов, где n произвольное целое число, и до измерения сдвига фаз осуществляют суммирование аналитических сигналов.

Кроме того, вариантом изобретения является способ, при котором сдвиг фаз обеспечивают на величину где n- целое число.

Из технической и патентной литературы известны решения, в которых решали проблему повышения точности измерения спектральных характеристик путем поочередного измерения аналитических сигналов в одном и том же приемно-измерительном канале. Однако это не обеспечивало нужного быстродействия и вносило потолок в дальнейшем повышении точности измерения. Данная проблема снята в заявляемом решении благодаря модуляции аналитических сигналов по гармоническому закону с фазовым сдвигом, отличным от πn где n - целое число. Это позволило обрабатывать их в канале измерения синхронно.

На чертеже представлена блок-схема, иллюстрирующая предлагаемый способ.

На чертеже позициями обозначены лазерные диоды 1, 2; квадратурный генератор 3; ответвитель 4; исследуемый объект 5; фотоприемник 6; усилитель 7; фазометр 8.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируют сигналы аналитические и синхронизации. Обеспечивают модуляцию вводимых сигналов, по крайней мере двух аналитических и одного сигнала синхронизации, по гармоническому закону с одной и той же частотой. По крайней мере для двух из аналитических сигналов обеспечивают разность фаз, отличную от значения πn при n, равном целому числу, любым из известных приемов
электрическим, механическим или вводя временную задержку сигнала и т.д. Затем пропускают аналитические сигналы, по крайней мере один из них, через исследуемый объект, исключая возможность внесения неконтролируемых фазовых сдвигов всех сигналов. Собирают аналитические сигналы как прошедшие, так и не прошедшие исследуемый образец, и суммируя их (например, по величинам интенсивностей), получают результирующий сигнал. Сравнивают фазу результирующего сигнала и фазу сигнала синхронизации и по разности судят об искомых параметрах исследуемого объекта.

Пример. С помощью устройства (см. чертеж), например, из двух лазерных диодов 1, 2, излучающих на различных длинах волн, и квадратурного генератора 3, модулирующего диоды по питанию, обеспечивают модуляцию интенсивности лазерного излучения с одинаковой глубиной и фазовым сдвигом тем самым формируют аналитические сигналы. Снимают часть электрического сигнала в качестве сигнала синхронизации с квадратурного генератора. На этом заканчивают формирование модулированных сигналов. Далее оба аналитических сигнала суммируют, не нарушая соотношения глубин модуляции, например с помощью волоконно-оптического Y-ответвителя 4, и пропускают суммарный сигнал через исследуемый образец 5. Прошедший сигнал детектируют, например, с помощью фотоприемника 6, выделяя огибающую оптического сигнала на частоте модуляции и усиливают. Этот сигнал результирующий. Измеряют разность фаз между сигналом синхронизации и результирующим при помощи фазометра 8. По разности фаз определяют разность показателей поглощения на двух длинах волн для исследуемого образца по формуле
,
где μ(λ₁) показатель поглощения образцом излучения 1-го лазера;
μ(λ₂) показатель поглощения образцом излучения 2-го лазера;
Φ измеренная разность фаз;
d толщина образца.

Способ был опробован для оценки изменений уровня оксигенации крови человека. В качестве источников излучения в нем были использованы арсенид-галиевые полупроводниковые лазеры с полосковой геометрией контакта с помощью излучения в непрерывном режиме ≈ 10 мВт, с длинами волн l₁=800 нм и λ₂=850 нм соответственно. Рабочее значение тока накачки выбиралось по середине линейного участка ватт-амперной характеристики лазерных диодов и составляло порядка I_н 100 120 мA, глубина модуляции по току составляла ΔI_н~10-20 мА и соответствовала размерам линейного участка ватт-амперных характеристик полупроводниковых лазеров, глубина модуляции лазерного излучения /по интенсивности/ составляла соответственно 50 60% причем заметных искажений формы огибающей не наблюдалось. Модуляция лазеров осуществлялась при помощи квадратурного генератора, обеспечивавшего постоянный фазовый сдвиг в каналах лазерных диодов с λ₁ и λ₂ ΔΦ=90^°. Излучение лазеров вводилось в многомодовый ступенчатый волоконно-оптический световод с диаметром световедущей жилы ⊘=50 мм. Суммарное затухание сигнала в Y-ответвление составляло порядка 10dВ.

В качестве образца использовался участок живой кожи человека, расположенной между указательным и большим пальцами руки. Толщина просвечиваемой кожи составляла d 5 мм. Изменение уровня концентраций оксигенированного/деоксигенированного гемоглобина достигалась путем естественной деоксигенации при полном прекращении кровотока в руке. Измерение фазового сдвига результирующего сигнала осуществлялось при помощи стандартного цифрового фазометра с временем измерения 1 с /и 10 с/ и точностью измерения 0,01^o. Максимальное изменение измеренного фазового сдвига для различных людей составляло от 2 до 4^o относительно исходного значения в 45^o. Таким образом, максимальная разность показателей поглощения образцом инфракрасного излучения на двух длинах волн λ₁=800 нм и λ₂=850 нм, вызванная полной деоксигенацией крови относительно исходного состояния /когда фазовый сдвиг был равен 45^o/, составляла
и

Использование: изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при разработке контрольно-измерительной техники. Сущность изобретения: способ определения спектральных характеристик исследуемых объектов заключается в формировании модулированных сигналов синхронизации и аналитических сигналов, один из которых по крайней мере пропускают через образец, измерении сдвига фаз относительно сигнала синхронизации, по которому судят о параметрах исследуемого объекта, причем модуляцию сигналов осуществляют по гармоническому закону, обеспечивая сдвиг фаз на величину, не равную πn, по крайней мере для пары аналитических сигналов, где n - произвольное целое число, и до измерения сдвига фаз осуществляют суммирование аналитических сигналов. Кроме того, сдвиг фаз может быть равен величине , где n - целое число. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения спектральных характеристик исследуемых объектов, заключающийся в формировании модулированных сигналов синхронизации и аналитических сигналов, один из которых по крайней мере пропускают через образец, измерении сдвига фаз относительно сигнала синхронизации, по которому судят о параметрах исследуемого объекта, отличающийся тем, что модуляцию сигналов осуществляют по гармоническому закону, обеспечивая сдвиг фаз на величину, не равную π_n, по крайней мере для пары аналитических сигналов, где n произвольное целое число, и до измерения сдвига фаз осуществляют суммирование аналитических сигналов.