СПЕКТРОМЕТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при построении приборов для анализа спектрального состава оптических излучений - спектрометров.

Известны спектрометры, содержащие преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения (ПАЧХ) и расположенный за ним по пути распространения преобразованного потока излучения приемник излучения (ПИ). В этих устройствах ПАЧХ состоят чаще всего из спектральных призм или дифракционных решеток, реже используются светофильтры и интерферометры Фабри-Перо [1]. Недостатком спектрометров с диспергирующими элементами (призмами и дифракционными решетками) является низкая светосила, обусловленная необходимостью при их реализации уменьшать по одной координате (лежащей в плоскости дисперсии) сечение входного пучка (т.е. устанавливать на входе щель, чтобы избежать перекрытия на выходе лучей с разными длинами волн).

Недостатком спектрометров со светофильтрами и интерферометрами Фабри-Перо является недостаточный для многих практических применений спектральный диапазон [1,2].

Наиболее близким к предлагаемому спектрометру по технической сущности (по принципу действия) является Фурье- спектрометр [2]. Фурье-спектрометр содержит расположенные последовательно по ходу потока исследуемого излучения ПАЧХ исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу ПИ в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики. В Фурье-спектрометре в качестве ПАЧХ используется сканирующий интерферометр Майкельсона. Это устройство принято за прототип.

Основным недостатком Фурье-спектрометров является сложность их оптико-механического устройства. Требование высокой точности исполнения узлов конструкции и настройки делает эти приборы дорогими и не простыми в использовании. Кроме того, приборы очень чувствительны к вибрации и ударам. С этим можно мириться, когда речь идет об их ограниченном применении, но эти недостатки становятся существенными, если иметь в виду задачи экологического мониторинга и использования в контрольно-измерительных системах, где важны тиражирование устройств и простота их эксплуатации. Поиск новых принципов и схем построения светосильных и недорогих спектральных приборов таким образом еще остается актуальным.

Целью изобретения является упрощение конструкции прибора и уменьшение чувствительности к вибрации и ударам, а также уменьшение трудоемкости его изготовления и наладки.

Указанная цель достигается тем, что в спектрометре, содержащем расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения ПАЧХ исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу ПИ в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, ПАЧХ исследуемого излучения выполнен из двух идентичных, прямых призм с основаниями в виде прямоугольных треугольников, изготовленных из материала с известной спектральной характеристикой поглощения в исследуемой области спектра и установленных с возможностью контролируемого блоком регистрации и обработки их синхронного перемещения относительно друг друга в направлении, перпендикулярном ребрам призм, с сохранением положения противолежащих прямому углу граней призм в одной плоскости, причем, все одноименные грани одной призмы параллельны соответствующим граням другой, грани призм, противолежащие прямым углам призм, обращены друг к другу, а грани каждой призмы, противолежащие большему из острых углов, перпендикулярны направлению распространения исследуемого потока оптического излучения.

В другом варианте выполнения устройства в спектрометре, содержащем расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения ПАЧХ исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу ПИ в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, ПАЧХ излучения выполнен из расположенных последовательно по ходу потока излучения по меньшей мере двух призм, из которых по меньшей мере первая по ходу излучения является призмой полного внутреннего отражения, изготовленных из материала прозрачного для исследуемого излучения в рабочей спектральной области спектрометра, причем обращенные друг к другу (смежные) грани призм, по меньшей мере из которых первая по ходу излучения грань - грань полного внутреннего отражения, параллельны друг другу, установленных с возможностью контролируемого блоком регистрации и обработки перемещения по меньшей мере одной призмы относительно другой в направлении, перпендикулярном смежным граням призм, с сохранением взаимной параллельности этих граней.

В третьем варианте предлагаемого устройства в спектрометре, содержащем расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения ПАЧХ исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу ПИ в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, ПАЧХ и ПИ выполнены в виде линейки фоторезисторов, последовательно расположенных друг за другом по ходу распространения излучения, выход каждого из которых подключен ко входу блока обработки и регистрации.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема первого варианта заявленного спектрометра, на фиг. 2 - блок-схема второго варианта и на фиг.3 - блок-схема третьего варианта. Предлагаемый спектрометр содержит ПАЧХ 1, выполненный в первых двух вариантах в виде призм, расположенный по ходу потока излучения за ПАЧХ ПИ 2, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки 3. При необходимости для фокусирования на ПИ преобразованного ПАЧХ излучения может использоваться линза 4. Перемещение призм относительно друг друга может осуществляться устройством 5. Сплошными стрелками показано направление распространения исследуемого излучения. Пунктирные стрелки на фиг.1 и фиг.2 показывают направления перемещения призм в первом и втором вариантах, а штрих-пунктирные стрелки на фиг.2 показывают часть потока исследуемого излучения, отраженную от грани полного внутреннего отражения.

В первом варианте заявляемого спектрометра обе призмы ПАЧХ - идентичны, имеют в основании прямоугольный треугольник и изготовлены из материала с известной спектральной характеристикой поглощения в рабочей спектральной области спектрометра. Все одноименные грани одной призмы параллельны соответствующим граням другой. Грани призм, противолежащие прямым углам призм, обращены друг к другу, а грани каждой призмы, противолежащие большему из острых углов, перпендикулярны направлению распространения исследуемого потока оптического излучения. При всех перемещениях грань каждой призы, противолежащая прямому углу, остается в одной плоскости.

Во втором варианте заявляемого спектрометра призмы изготовлены из материала прозрачного для исследуемого излучения. Первая по ходу потока исследуемого излучения призма является призмой полного внутреннего отражения. При всех перемещениях призм относительно друг друга их смежные грани сохраняют взаимную параллельность.

В третьем варианте заявляемого спектрометра ПАЧХ и ПИ выполнены в виде линейки фоторезисторов 1(2), расположенных друг за другом по ходу потока исследуемого излучения. Выходной сигнал с каждого фоторезистора подается на вход блока регистрации и обработки 3.

Спектрометры работают следующим образом.

Исследуемое излучение взаимодействует с ПАЧХ 1, и его амплитудно-частотная характеристика преобразуется по известному закону (заданному в каждом из предложенных вариантов спектрометра конкретным конструктивным исполнением ПАЧХ), преобразованное излучение регистрируется приемником, сигналы с которого поступают на блок регистрации и обработки, который по известному закону преобразования средствами вычислительной техники, восстанавливает исходную амплитудно-частотную характеристику исследуемого излучения.

Сущность работы каждого из предложенных вариантов конструкции заключается в следующем.

Пусть анализируемое излучение (световой поток со спектральным составом f(λ)), при его взаимодействии с ПАЧХ преобразуется по такому закону, что электрический сигнал на выходе ПИ I(p) определяется следующим выражением:

где λ- длина волны излучения, s(λ)- спектральная чувствительность ПИ, Z(p,λ) - определяется физическим механизмом преобразования амплитудно-частотной характеристики излучения.

Формула (I) представляет собой интегральное уравнение Фредгольма первого рода относительно f(λ). При этом ядро уравнения: T(p,λ)~s(λ)·Z(p,λ), можно рассматривать как оператор, зависящий от параметра p и преобразующий функцию f(λ) в I(p)B.

Уравнение Фредгольма первого рода имеет точное решение для интегралов Фурье (т.е. когда T(p,λ) имеет вид: T(p,λ)~cos(2·π·p/λ), и параметр p - разность хода в плечах интерферометра) и некоторых тривиальных случаев. Например, если T(p,λ)=s(λ)·δ(λ_p-λ) (где λ_p- однозначная функция параметра p), то I(p)~f(λ_p). Этот случай в интересующем нас аспекте соответствует спектральному анализу в дисперсионных приборах (при этом p соответствует углу отклонения пучка, а λ_p выражается через уравнение угловой дисперсии призмы спектрометра). К этому же случаю сводится и работа дифракционных спектральных приборов, в которых однозначность зависимости λ_p от p достигается использованием светофильтров для выделения интерференционных порядков. В общем случае решение уравнений Фредгольма первого рода относится в математике к классу некорректно поставленных задач, практическое решение которых стало возможным сравнительно недавно благодаря развитию вычислительной техники и разработке соответствующих алгоритмов [3].

Из изложенного выше следует,
во-первых, что существующие методы спектрального анализа оптического излучения (дисперсионные, дифракционные и интерференционные) соответствуют точным решениям уравнений (I), при этом в этих методах преобразование анализируемого излучения связано с узкополосной селекцией его спектрального состава, поэтому в этих методах в каждый данный момент времени приемник регистрирует не все спектральные компоненты анализируемого излучения,
во-вторых, что конкретный вид оператора T(p,λ), преобразующего f(λ), не ограничивает сейчас принципиальных и технических возможностей решения этих уравнений (по крайней мере, численного) и таким образом возможно использование для целей спектрального анализа более широкого круга физических явлений и при этом возможно преобразовывать анализируемый спектр по другим законам, которые не использовались в известных конструкциях и не связаны с технически сложной спектральной селекцией анализируемого излучения и позволяют регистрировать в каждый данный момент времени все спектральные компоненты анализируемого излучения.

Во всех трех предложенных вариантах реализации спектрометр содержит ПАЧХ, преобразующий анализируемое излучение по известному закону T(p,λ)~s(λ)·Z(p,λ), и блок обработки и регистрации, восстанавливающий спектр излучения по сигналу ПИ и заданному T(p,λ) путем численного решения уравнения типа (I). T(p,λ) выражается через те или иные физические характеристики (спектральные характеристики показателей поглощения и преломления, чувствительности ПИ и т.п.).

При работе устройства, представленного на фиг.1 (первый вариант спектрометра), анализ спектрального состава анализируемого излучения производится следующим образом.

При прохождении светового пучка, имеющего спектральное распределение интенсивности f(λ), пути p в среде (призмы 1) с показателем поглощения α(λ) его интенсивность меняется как

Линза 4 фокусирует преобразованный световой поток на ПИ 2. При этом сигнал ПИ, регистрирующего прошедший через среду свет, описывается как

где s(λ), как и раньше, спектральная чувствительность ПИ.

В формуле (II) оператором, преобразующим спектр f(λ), является
T(p,λ)=exp(-α(λ)·p)·s(λ). (IV)
Активным элементом спектрометра является пара оптических призм 1, изготовленных из материала, спектральная характеристика показателя поглощения которого определяет рабочую спектральную область прибора. Устройство перемещения 5 обеспечивает прецизионное перемещение обоих призм 1 относительно друг друга в направлении перпендикулярном их ребрам, таким образом, чтобы при всех перемещениях грань каждой призмы, противолежащая прямому углу, оставалась в одной плоскости. Относительное взаимное перемещение призм 1 позволяет плавно (непрерывно в процессе перемещения призм) изменять путь p пучка света в поглощающей среде 1. ПИ 2 регистрирует прошедший через призмы свет, и его выходной сигнал поступает в блок регистрации и обработки 3, который выполняет по соответствующим алгоритмам [3] вычислительные операции, необходимые для восстановления спектрального состава анализируемого излучения.

При работе устройства, представленного на фиг.2 (второй вариант спектрометра, вариант с использованием явления нарушения полного внутреннего отражения), анализ спектрального состава исследуемого излучения производится следующим образом.

При падении светового пучка на границу между двумя средами под углом Ψ происходит его полное отражение при условии, что свет падает со стороны более оптически плотной среды, и Ψ≥Ψ_пво, где Ψ_пво=arcsin(n₂/n₁)- предельный угол полного внутреннего отражения (n₁ и n₂ - показатели преломления более и менее оптически плотных сред, соответственно). В структуре (более плотная среда)/(менее плотная среда)/(более плотная среда), такой, например, какая показана на фиг.2 (две смежные призмы 1), происходит полное внутреннее отражение только тех спектральных компонент светового пучка, для которых выполняется условие (p - расстояние между смежными гранями призм 1). Компоненты, для которых справедливо обратное соотношение между длиной волны и зазором p, проходят во вторую призму. В общем случае пропускание двух призм описывается для неполяризованного света формулой [4]:

Сигнал с ПИ 2, регистрирующего прошедший через обе призмы свет, при этом следует формуле:

В этой схеме преобразующая спектр функция соответствует
T(p,λ)=s(λ)·T_e(p,λ). (VII)
Анализируемый световой пучок падает изнутри первой призмы на ее грань полного внутреннего отражения под углом равным или большим предельного значения угла полного внутреннего отражения. Коротковолновая часть спектрального состава исследуемого излучения испытывает полное отражение от этой грани, а длинноволновые компоненты излучения проходят через обе призмы 1, разделенные воздушным промежутком p. При этом спектральная граница между отраженной и прошедшей во вторую призму частями определяется величиной зазора p и смещается при изменении этой величины. Прошедший через обе призмы пучок фокусируется линзой 4 на ПИ 2, выходной сигнал с ПИ 2 поступает на блок регистрации и обработки 3, который выполняет по соответствующим алгоритмам [3] вычислительные операции, необходимые для восстановления спектрального состава анализируемого излучения.

Для спектрального анализа также может быть использована схема, в которой ПИ регистрируется часть излучения, отраженная при нарушении условий полного внутреннего отражения, и схемы, в которых последовательно используется несколько пар призм 1.

При работе устройства, представленного на фиг. 3 (третий вариант спектрометра), анализ спектрального состава анализируемого излучения производится следующим образом.

Если ПИ представляет линейку фоторезисторов, расположенную относительно направления распространения излучения таким образом, что свет, постепенно ослабляясь за счет поглощения, проходит через все фоторезисторы, то для сигнала, снимаемого с p-того фоторезистора, можно записать:

где t - линейный размер фоторезистора в направлении распространения света, α(λ)- показатель поглощения материала фоторезисторов, p - порядковый номер фоторезистора.

В формуле (VIII) оператором, преобразующим спектр f(λ), является
_{T(p,λ)=exp(-α(λ)·t·(p-1))·s(λ).(IX)}
Анализируемый световой пучок попадает на линейку фоторезисторов 1(2), совмещающую функции преобразования амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и детектирования интенсивности преобразованного излучения. Каждый фоторезистор детектирует поглощенную в нем часть излучения и преобразует прошедшую сквозь него часть, которая детектируется следующими за ним фоторезисторами. Выходной сигнал с каждого фоторезистора подается на вход блока регистрации и обработки 3, который выполняет по соответствующим алгоритмам [3] вычислительные операции, необходимые для восстановления спектрального состава анализируемого излучения.

В первом варианте предлагаемого спектрометра призмы могут быть изготовлены из CaF₂, который имеет почти линейную зависимость показателя поглощения от длины волны в спектральном диапазоне 6-9 мкм (при толщине 10 мм), в этом случае именно этот спектральный диапазон и будет рабочим диапазоном спектрометра.

Во втором варианте призмы могут быть изготовлены, например, из Ge. В этом случае рабочим диапазоном спектрометра будет 1,5 - 15 мкм, в котором этот материал прозрачен.

В качестве блока регистрации и обработки используется микропроцессор.

Для осуществления прецизионного перемещения призм друг относительно друга в первых двух вариантах спектрометра призмы могут быть размещены в электромеханическом устройстве, сигнал с которого поступает в микропроцессор, который тем самым контролирует взаимное положение призм, и вместе с сигналом ПИ используется для воссоздания спектра исследуемого излучения.

В третьем варианте спектрометра в качестве ПАЧХ ПИ может быть использована линейка расположенных друг за другом по ходу потока излучения фоторезисторов из Si: As (в этом случае рабочий диапазон спектрометра может быть 5 -15 мкм). Выходные сигналы каждого фоторезистора отдельно подаются в микропроцессор, который воссоздает по ним спектр исследуемого излучения.

Из приведенных описаний предлагаемых вариантов спектрометров видно, что они менее сложны в изготовлении и использовании и менее подвержены вредному влиянию вибраций и ударов, чем прототип (Фурье-спектрометр, содержащий сканирующий интерферометр). Особенно прост и не содержит никаких движущихся узлов вариант спектрометра, в котором преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и приемник излучения представляют единое полупроводниковое устройство, совмещающее функции преобразования амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и регистрации интенсивности преобразованного излучения.

Источники информации
1. В. И.Малышев. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979, с. 6-34.

2. В.А.Вагин, М.А.Гершун, Г.Н.Жижин, К.И.Тарасов. Светосильные спектральные приборы. M.: Наука, 1988, с. 146-156 (прототип).

3. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. M.: Наука, 1974.

4. N.J.Harrick and А.I.Carlson. Internal reflection spectroscopy: validity of effective thickness equations. Applied Optics, 10 (1), p. 19-23, (1971).

Использование: область оптического приборостроения, разработка приборов для спектрального анализа оптических излучений - спектрометров. Сущность изобретения: спектрометры содержат преобразователь амплитудно-частотной характеристики, преобразующий анализируемое излучение по известному закону, фотоприемное устройство и блок обработки и регистрации, управляющий преобразованием и восстанавливающий спектр излучения путем численной обработки сигнала фотоприемника и известного закона преобразования излучения. Закон преобразования выражается через те или иные физические характеристики (спектральные характеристики показателей поглощения и преломления, чувствительности фотоприемника и т.п.). В трех вариантах устройства используются соответственно три физических механизма преобразования: абсорбционный, нарушения полного внутреннего отражения и управление спектральной характеристикой чувствительности фотоприемных структур. Техническим результатом является упрощение конструкции, уменьшение чувствительности к вибрациям и ударам, уменьшение трудоемкости изготовления и наладки. 3 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Спектрометр, содержащий расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу приемника в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения выполнен из двух идентичных, прямых призм с основаниями в виде прямоугольных треугольников, изготовленных из материала с известной спектральной характеристикой поглощения в исследуемой области спектра и установленных с возможностью контролируемого синхронного перемещения их относительно друг друга в направлении, перпендикулярном ребрам призм, с сохранением положения противолежащих прямому углу граней призм в одной плоскости, причем все одноименные грани одной призмы параллельны соответствующим граням другой, грани призм, противолежащие прямым углам призм, обращены друг к другу, а грани каждой призмы, противолежащие большему из острых углов, перпендикулярны направлению распространения исследуемого потока оптического излучения. 2. Спектрометр, содержащий расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу приемника в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что преобразователь амплитудно-частотной характеристики излучения выполнен из расположенных последовательно по ходу потока излучения по меньшей мере двух призм, из которых по меньшей мере первая по ходу излучения является призмой полного внутреннего отражения, изготовленных из материала, прозрачного для исследуемого излучения в рабочей спектральной области спектрометра, причем обращенные друг к другу (смежные) грани призм, по меньшей мере из которых первая по ходу излучения грань - грань полного внутреннего отражения, параллельны друг к другу, установленных с возможностью контролируемого перемещения по меньшей мере одной призмы относительно другой в направлении, перпендикулярном смежным граням призм, с сохранением взаимной параллельности этих граней. 3. Спектрометр, содержащий расположенные последовательно по ходу потока исследуемого оптического излучения преобразователь амплитудно-частотной характеристики исследуемого излучения и приемник преобразованного потока излучения, выход которого подключен ко входу блока регистрации и обработки, воссоздающего спектр исследуемого излучения по сигналу приемника в соответствии с законом преобразования амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что преобразователь амплитудно-частотной характеристики и приемник преобразованного потока излучения выполнены в виде линейки фоторезисторов, последовательно расположенных друг за другом по ходу распространения излучения, выход каждого из которых подключен ко входу блока обработки и регистрации.