АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА Российский патент 2001 года по МПК G01J3/36 

Изобретение относится к спектральному анализу и может быть использовано в различных областях техники для определения спектров источников оптического излучения, а также для классификации (распознавания) источников излучения по результатам анализа их спектров.

Из уровня техники известно устройство для измерения спектров испускания, содержащее оптически связанные источник излучения, зеркало с селективно-отражающим покрытием, сферические зеркала, конденсатор и спектрометр (авт. свид. СССР N 1117460, G 01 J 3/28).

Известен также способ регистрации спектральных линий и устройство для его осуществления, содержащее последовательно соединенные элемент перестройки, перестраиваемый лазер, поглощающий элемент, детектор, сглаживающий фильтр, аналого- цифровой преобразователь и блок регистрации (авт. свид. СССР N 1562718, G 01 J 3/12, 1988).

Наиболее близким к изобретению является автоматизированное устройство для диагностики в онкологии, включающее конструктивно объединенные канал освещения с окуляром и объективом и инструментальный канал эндоскопа, вход канала освещения через переключатель оптически связан с выходами источника видимого излучения и источника ультрафиолетового излучения, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, группу управляемых источников световых воздействий, персональную ЭВМ и две группы оптических волокон, входы оптических волокон первой группы являются оптическими входами устройства, выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам персональной ЭВМ, информационный выход которой является информационным выходом устройства, а управляющие выходы персональной ЭВМ подключены соответственно к входам группы управляемых источников световых воздействий, выходы которых оптически связаны с входами соответствующих оптических волокон второй группы, выходы которых являются оптическими выходами устройства, цветоразделительную призму и группу фотоэлектронных преобразователей, выходы которых подключены соответственно к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, причем вход цветоразделительной призмы оптически связан с выходами оптических волокон первой группы, а выходы цветоразделительной призмы оптически связаны с входами группы соответствующих фотоэлектронных преобразователей (решение о выдаче патента по заявке России N 98116617/14, А 61 В 14/00, 1998).

В известном устройстве диапазон анализируемого спектра разделен на n поддиапазонов (i = 1, n), в каждом из которых по результатам измерений определяется среднее значение амплитуды сигналов A_i на выходе фотоэлектронного преобразователя соответствующего поддиапазона λ_i. Так как для повышения точности анализа число поддиапазонов должно быть достаточно велико, то расстояние между центрами поддиапазонов оказываются соизмеримыми и даже меньшими размеров фотоэлектронных преобразователей, устанавливаемых на одной из граней цветоразделительной призмы. Невозможность установки требуемого числа поддиапазонов (фотоэлектронных преобразователей) приводит к снижению точности и достоверности результатов анализа.

Кроме этого, для существующих анализаторов спектра отсутствует общая методика выбора места расположения фотоприемников излучения в зависимости от величины угла падения анализируемого излучения и характеристик цветоразделительной призмы.

Кроме того, в известном устройстве величина светового пятна соизмерима с диаметром выхода пучка оптических волокон второй группы. Наличие на входе цветоразделительной призмы не щелевого источника излучения, а светового пятна определенных линейных размеров приводит к наложению спектров от различных точек светового пятна и, как следствие, к снижению точности и достоверности результатов анализа.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности и достоверности измерений за счет исключения наложения спектров от различных точек светового пятна.

Кроме этого, технический результат заключается в упрощении процесса настройки и перестройки анализатора за счет обеспечения возможности выбора числа диапазонов анализа спектра и места расположения приемников оптического излучения в зависимости от угла падения излучения и характеристик призмы.

Этот технический результат достигается тем, что анализатор спектра, состоящий из группы оптических волокон, входы которых являются оптическими входами анализатора, а выходы оптических волокон группы через цветоразделительную призму оптически связаны с входами фотоэлектронных преобразователей, аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены соответственно к информационным входам персональной электронно-вычислительной машины, информационные выходы которой являются информационными выходами анализатора, дополнительно содержит коммутатор, информационные входы которого подключены соответственно к выходам фотоэлектронных преобразователей, выход коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу персональной электронно-вычислительной машины, причем выходы оптических волокон группы расположены в одну линию относительно друг друга, образуя источник излучения, эквивалентный щелевому источнику излучения, а плоскость, проходящая через центры линейно расположенных оптических волокон, перпендикулярна плоскости призмы, в которой осуществляется цветовое разделение.

Дополнительный технический результат обеспечивается тем, что выходы оптических волокон группы установлены с возможностью изменения угла падения светового потока на цветоразделительную призму и с возможностью их линейного перемещения вдоль грани цветоразделительной призмы.

На фиг. 1 приведена схема анализатора, на фиг. 2 - схема, поясняющая ход лучей в цветоразделительной призме, на фиг. 3 - схема расположения выходов оптических волокон (линейчатый выход волоконно-оптического жгута), на фиг. 4 - графики, поясняющие принцип работы анализатора.

Анализатор спектра содержит группу 1 оптических волокон с входами 2 и выходами 3, цветоразделительную призму 4 и фотоэлектронные преобразователи 5, входы которых оптически связаны через цветоразделительную призму 4 с выходами 3 оптических волокон 1 группы, выходы фотоэлектронных преобразователей подключены соответственно к информационным входам коммутатора 6, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выходы которого подключены соответственно к информационным входам персональной электронно-вычислительной машины 8, информационные выходы которой являются информационными выходами анализатора, а управляющий выход соединен с управляющим входом коммутатора. Позицией R обозначена грань призмы, в которой осуществляется цветовое разделение.

На фиг. 3 позицией Р обозначена плоскость, проходящая через центры линейно расположенных оптических волокон. В качестве персональной ЭВМ может быть использована IBM совместимая ПЭВМ отечественного или зарубежного производства.

Цветоразделительная призма и каждый из подсоединенных к ней фотоэлектронных преобразователей предназначены для преобразования уровня мощности излучения на соответствующей спектральной составляющей измеряемых входных оптических сигналов в полосе спектра в соответствующий уровень аналогового электрического сигнала на выходе фотоэлектронного преобразователя.

Анализатор может работать в нескольких режимах: измерений, калибровки и классификации (распознавания) источников излучений.

В режиме измерений входы 2 волокон 1 устанавливаются у источника оптического излучения. Оптический сигнал через волокна 1 поступает на цветоразделительную призму 4, которая разлагает широкополосный оптический сигнал на спектральные составляющие. Фотоэлектронные преобразователи 5, расположенные в соответствующих участках выходной поверхности призмы (участках цветоразделения), преобразуют амплитуды соответствующей спектральной составляющей сигналов в эквивалентное значение электрического сигнала. С выхода каждого фотоэлектронного преобразователя электрические сигналы поступают на соответствующий вход коммутатора 6, который под воздействием управляющих команд от ПЭВМ 8 периодически подключает выход каждого из фотоэлектронных преобразователей 5 на вход аналого-цифрового преобразователя 7. Для повышения достоверности результатов измерений поочередное подключение каждого преобразователя 5 к аналого-цифровому преобразователю 7 производится N раз. После преобразования аналого-цифровым преобразователем 7 в цифровой код A_ik поступают на ПЭВМ 8, где определяется математическое ожидание амплитуды спектральной составляющей сигнала по известному алгоритму

Для получения относительных δ значений спектра измеряемого оптического излучения (нормированного по максимуму) после окончания измерения и получения всей совокупности значений A_i, ЭВМ также по известному алгоритму
A_max= sup A_i (2)
определяет максимальное значение амплитуды сигнала и нормирует все результаты измерений спектральных составляющих по соотношению
A _iотн= A_i/A_max. (3)
В результате получают совокупность относительных значений амплитуд сигналов
A_1отн = A₁/А_max
...................................

A_iотн = A_i/A_max ,(4)
....................................

A_nотн = A_n/A_max
которые характеризуют распределение уровней излучения по всему измеряемому спектру (λ₁≅ λ_i≅ λ_n).
Переход к относительным значениям амплитуд сигналов позволяет исключить влияние на результаты измерений следующих факторов:
случайного изменения расстояния между концами оптических волокон 8 и исследуемым источником оптического излучения;
случайного изменения интенсивности излучения или воздействия помех.

На фиг. 4 приведен пример кривой, построенный по соотношению (3). Характерным для нее является то, что хотя бы в одном из поддиапазонов ее значение равно 1. Реальные распределения могут быть произвольной формы и зависеть от вида спектра исследуемого источника оптического излучения.

Для последующего применения заявленного анализатора в режиме классификации объектов, являющихся источниками первичного или вторичного излучения, предусмотрен вспомогательный режим калибровки устройства. В режиме калибровки получают критериальные спектры (спектральные образы) различных образцов источников, принимаемых за эталонные. В результате измерения совокупности (4) относительных значений амплитуд спектральных составляющих А_i, для каждого эталонного образца получаем характеристику распределения спектра (спектральный образ), который может быть использован в качестве классификационного критерия (например, в качестве диагностического критерия в технической диагностике материалов, в медицинской диагностике и т.п.).

Для предварительного получения критериев классификации источников излучений предусмотрен режим калибровки. Сущность этих критериев заключается в том, что совокупность (4) относительных значений амплитуд сигналов A_iотн (для всех поддиапазонов длин волн λ_i спектра вторичного свечения представляет собой объективную характеристику источника излучения. При калибровке анализатора в качестве исследуемых используют образцы источников излучений с заранее известным спектром.

В результате многократных измерений эталонных источников получают устойчивые сочетания относительных значений амплитуд сигналов для каждого эталонного источника излучения

где A_ijотн (λ_i) - относительные значения амплитуд сигналов спектральных составляющих;
K_j - классификационный признак, означающий, что конкретное полученное устойчивое сочетание А_ij (λ_i) является признаком конкретного эталонного источника излучения с известным спектром.

Алгоритм работы ЭВМ в этом режиме характеризуют соотношения 1 - 4. Отличием является то, что в качестве образцов используются эталонные источники излучений с характерными распределениями спектра.

На фиг. 4в приведен пример, характеризующий принцип получения классификационных признаков, где цифрами 1 - 4 обозначены: спектры эталонных источников излучений с характерными распределениями спектра. Для каждого из типов эталонных источников максимумы могут быть расположены в различных поддиапазонах, а форма кривых спектрального распределения различна. Для последующей классификации источников необходимо правильное отождествление относительных распределений спектра, полученных от исследуемого источника излучения с одной из кривых, характеризующих спектр эталонного источника (фиг. 4в). После калибровки устройства и получения критериев классификации K_j для каждого вида эталонного источника излучений устройство пригодно к проведению распознавания источников излучений. В результате измерений спектра обследуемого источника неизвестного класса получают совокупность (4) отсчетов относительных значений амплитуд сигналов спектральных составляющих входного оптического излучения. Полученную совокупность отсчетов сравнивают поочередно со спектральными распределениями (5), полученными от эталонных. При этом калибровочные спектральные образы (5) используются в качестве критериев для оценки типа источника излучения. Сравнение спектрального распределения, полученного при измерениях обследуемого источника, с критериями (5), полученными при измерениях эталонных источников, производят по принципу наибольшего правдоподобия. Среди классификационных критериев (эталонных спектральных образов) (5) определяется тот критерий, в котором сочетание отсчетов A_iотн (λ_i) наиболее близко к спектральному распределению (4), полученному при измерениях обследуемого источника. На основании выбранного наиболее близкого критерия делается заключение об отнесении исследуемого источника излучений к соответствующему типу (или соответствующему состоянию).

Алгоритм работы ЭВМ в этом режиме может быть, например, представлен в следующем виде.

Вычисляется квадрат отклонения относительных значений амплитуд для исследуемого источника А_iотн от значений А_ijотн спектра эталонного источника по соотношению

где j = 1,2,..., n - число эталонных источников излучений;
i - номер частотного поддиапазона;
а после определяется номер (тип) эталонного источника, соответствующий минимальному квадрату отклонения
j=min E_j. (7)
Основной задачей, решаемой в режиме предварительной настройки анализатора, является выбор числа поддиапазонов измерений спектральных составляющих n, мест x_i их расположения на выходной грани призмы в зависимости от угла ω падения и коэффициента преломления материала призмы, характеризующегося углом преломления α призмы, расстояния А от края входной грани призмы до места подсоединения линейчатого выхода жгута и коэффициента преломления материала призмы n (λ_i) для излучения с длиной волны λ_i фиг. 2).

Из известного соотношения для преломляющей призмы
ϕ_i= n(λ_i)2-ω, (8)
где ϕ_i - угол выхода луча с длиной волны λ_i из выходной грани призмы из фиг. 2 можно получить соотношения

.

Тогда расстояние между соседними фотоэлектронными преобразователями будет равно
Δx_i= x_i-x_i-1, (11)
при выбранных значениях α и n (λ_i), т.е. при выбранных материале преломляющей призмы и величине ее преломляющего угла соотношения (9-11) являются функциями только величин А и ω, т.е., меняя угол падения ω и величину А, можно выбрать местоположение фотопреобразователей для каждой цветовой составляющей спектра так, чтобы обеспечить требуемое число поддиапазонов измерений и обеспечить линейное размещение фотопреобразователей вдоль выходной грани призмы. При этом плоскость P (фиг. 3) всегда перпендикулярна грани R.

Расположение выхода волоконно-оптического жгута в виде линейки оптических волокон фиг. 3 позволяет достичь нескольких технических результатов.

Во-первых, получается более четкое разделение спектральных цветовых составляющих сигнала в виде цветовых линий на выходной грани призмы, что исключает наложение соседних цветовых составляющих и обеспечивает необходимую точность измерения и цветового разделения спектра.

Во-вторых, энергия каждой цветовой спектральной составляющей, подводимая к входной грани, максимально подается на вход соответствующего фотоэлектрического преобразователя.

В-третьих, линейчатое расположение выхода жгута создает дополнительные удобства для более четкого регулирования местоположения жгута А на входной грани и угла падения ω входного светового потока относительно входной грани призмы.

Изобретение используется для исследования спектров источников оптического излучения. Анализатор содержит группу оптических волокон, входы которых являются входами анализатора. Выходы оптических волокон через цветоразделительную призму оптически связаны с входами фотоэлектронных преобразователей, выходы которых через коммутатор соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами персональной ЭВМ. Информационные выходы ЭВМ являются информационными выходами анализатора. Управляющий выход ЭВМ соединен с управляющим входом коммутатора. Выходы оптических волокон расположены в одну линию с возможностью изменения угла падения и перемещения вдоль границы цветоразделительной призмы. Повышены точность и достоверность измерений за счет исключения наложения спектров от различных точек светового пятна. Упрощен процесс настройки и перестройки анализатора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Анализатор спектра, состоящий из группы оптических волокон, входы которых являются оптическими входами анализатора, а выходы оптических волокон группы через цветоразделительную призму оптически связаны с входами фотоэлектронных преобразователей, аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены соответственно к информационным входам персональной электронно-вычислительной машины, информационные входы которой являются информационными выходами анализатора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коммутатор, информационные входы которого подключены соответственно к выходам фотоэлектронных преобразователей, выход коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу персональной электронно-вычислительной машины, причем выходы оптических волокон группы расположены в одну линию относительно друг друга, образуя источник излучения, эквивалентный щелевому источнику излучения, а плоскость, проходящая через центры линейно расположенных оптических волокон, перпендикулярна плоскости призмы, в которой осуществляется цветовое разделение. 2. Анализатор спектра по п.1, отличающийся тем, что выходы оптических волокон группы установлены с возможностью изменения угла падения светового потока на цветоразделительную призму и с возможностью их линейного перемещения вдоль грани цветоразделительной призмы.