ДИСПЕРСИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2016 года по МПК G01F3/02 G01J3/28 

[0001] Настоящее изобретение относится к спектрометру дисперсионного типа и, в частности, к спектрометру, содержащему адресуемую матрицу детекторных элементов.

[0002] Спектрометры дисперсионного типа хорошо известны в данной области техники, и, как правило, их применяют при исследовании свойств материалов путем регистрации зависящих от длины волны изменений интенсивности лучистой энергии после ее взаимодействия с материалом. Такие спектрометры обычно содержат волновой дисперсионный элемент, расположенный на пути падающей лучистой энергии, и детектор, предназначенный для обнаружения падающей лучистой энергии, рассеиваемой дисперсионным элементом.

[0003] В зависимости от намеченного применения спектрометра падающая лучистая энергия будет состоят из некоторой или всех частей электромагнитного спектра от ультрафиолетового излучения включительно до инфракрасного излучения включительно, и выражение «лучистая энергия» будет использоваться во всем данном документе для обозначения всего этого спектра.

[0004] Дисперсионный элемент, как правило, представляет собой статическую или подвижную дифракционную решетку, которая может представлять собой либо пропускающую решетку, либо отражающую решетку.

[0005] Детектором может являться любой светочувствительный детектор, используемый, как известно, в таких спектрометрах, и он может представлять собой, например, фотоумножитель, светочувствительное полупроводниковое устройство, адресуемую матрицу детекторных элементов, такую как матрица фотодиодов, например матрица CMOS или NMOS или прибор с зарядовой связью. Общий характерный признак всех таких детекторов заключается в том, что они имеют эксплуатационные параметры (время накопления и/или коэффициент усиления чувствительности), которые могут регулироваться для изменения характеристик выходного сигнала детектора, который генерируется в ответ на обнаруживаемую лучистую энергию.

[0006] Вышеупомянутые эксплуатационные параметры часто необходимо регулировать в ходе работы спектрометра с целью введения поправок на изменения в интенсивности падающей лучистой энергии по причине изменений в материале, исследуемом с использованием этого спектрометра. Вручную или автоматически известная процедура регулирования обычно выполняется по рекурсивному алгоритму, при котором регулируемый параметр пошагово изменяют на известную величину, на материале выполняют измерение, сигнал на детекторе регистрируют и на основе этого сигнала принимают решение о том, продолжать регулировку или нет. Это может повторяться много раз до тех пор, пока не будет достигнута требуемая характеристика сигнала (как правило, отношение сигнал-шум, «S/N»).

[0007] Трудность, связанная с данной известной процедурой регулировки, заключается в том, что в ходе этой процедуры нельзя проводить исследования. Эта трудность заслуживает особого внимания, когда исследуемый материал является движущимся, и либо движение следует прекратить, либо некоторое количество, часто значительные количества, материала не будут исследованы. Дополнительная трудность, связанная с таким подходом «проб и ошибок», заключается в том, что детектор может непреднамеренно насыщаться, что в результате приводит к некоторому времени восстановления, которое в таком случае необходимо для возвращения детектора в пригодное к эксплуатации состояние, перед тем как процедура регулировки сможет быть продолжена. Эта трудность заслуживает особого внимания в детекторах с адресуемой матрицей, где в случае когда заряд на пикселе матрицы превышает уровень насыщения и этот заряд начинает заполнять смежные пикселы, возникает «расплывание». Другая трудность возникает, когда интенсивность падающей лучистой энергии является относительно низкой и интенсивность рассеянной энергии, соответственно, является еще меньшей, что приводит к необходимости в более длительных периодах накопления и, таким образом, к большим задержкам при выполнении измерений.

[0008] Целью настоящего изобретения является, по меньшей мере, смягчение вышеупомянутых трудностей.

[0009] Соответственно, обеспечен дисперсионный спектрометр, содержащий волновой дисперсионный элемент, расположенный на пути падающей лучистой энергии; первый детектор, предназначенный для обнаружения падающего излучения, рассеиваемого дисперсионным элементом, и второй детектор, сконфигурированный для регистрации, по меньшей мере, части падающего излучения без рассеяния и сконфигурированный для генерирования зависящего от регистрируемой интенсивности сигнала, который используется в спектрометре для регулировки одного или нескольких эксплуатационных параметров первого детектора. Таким образом, первый детектор в процедуре регулировки не используют, и поэтому возможность насыщения первого детектора в ходе этой процедуры значительно снижается или даже устраняется. Более того, поскольку второй детектор обнаруживает лучистую энергию перед ее рассеянием и распространением на первый детектор, первый детектор можно регулировать, по существу, в «реальном времени», посредством чего сокращается время недоступности спектрометра для выполнения измерений в ходе его работы. Кроме того, измерение перед рассеянием обеспечивает значительно большую интенсивность лучистой энергии на втором детекторе, чем на первом, что улучшает чувствительность и скорость этих контрольных измерений по сравнению с измерениями после рассеяния, используемыми в известных спектрометрах.

[0010] Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут очевидны при рассмотрении нижеследующего описания иллюстративного варианта осуществления изобретения, которое выполнено со ссылками на графические материалы, представленными на нижеследующих фигурах, на которых:

[0011] фиг. 1 показывает схематическое частичное представление спектрометра согласно настоящему изобретению.

[0012] Со ссылкой на фиг. 1 показаны элементы дисперсионного спектрометра 2, которые являются значимыми для понимания настоящего изобретения. Предусмотрен корпус 4, содержащий входную апертуру 6 и выходную апертуру 8. В настоящем варианте осуществления изобретения входная апертура 6 снабжена соединением 10 (проиллюстрированным как резьбовое соединение) для подключения входной апертуры 6 к волоконной оптике (не показана) с целью доставки лучистой энергии к входной апертуре 6.

[0013] Дисперсионный элемент здесь представлен в форме зафиксированной пропускающей решетки 12, расположен на пути (проиллюстрированном стрелкой 14) падающей лучистой энергии через корпус 4. Первый детектор соединен с выходной апертурой 8 с целью обнаружения падающей лучистой энергии после ее рассеяния решеткой 12, зависящего от длины волны. Второй детектор 18 предназначен для регистрации интенсивности падающей лучистой энергии перед рассеянием и для генерирования выходного сигнала, характеризующего эту интенсивность. Второй детектор 18, в настоящем варианте осуществления изобретения расположен внутри корпуса 4 для регистрации падающей лучистой энергии, которая отражается от решетки 12. Следует принять во внимание, что согласно хорошо известным уравнениям Френеля относительные количества лучистой энергии, отражаемой и пропускаемой решеткой 12, фактически будут оставаться постоянными при изменении длины волны для фиксированной геометрии. В настоящем варианте осуществления изобретения, где решетка 12 сформирована на стеклянной подложке и расположена под углом 45° к пути падающего излучения 14 из входной апертуры 6, отраженная часть будет составлять около 10% от падающей лучистой энергии. В одной из альтернативных компоновок (проиллюстрированной на фиг. 1 пунктирными линиями) второй детектор 18 может быть предназначен для регистрации сигнала дифракции нулевого порядка (т.е. нерассеянной лучистой энергии) от решетки 12.

[0014] В настоящем варианте осуществления изобретения и только лишь на примере спектрометр 2 предназначен для применения при регистрации падающего излучения в ближней инфракрасной области. Первый детектор 16 представляет собой адресуемую матрицу, здесь представлена индивидуально адресуемая линейная матрица, состоящая из детекторных элементов 16a…16n NMOS. Каждый элемент, или «пиксел», матрицы можно считать отдельным конденсатором, который способен удерживать заряд, величина которого зависит как от интенсивности падающего излучения, так и от времени, в течение которого допускается рост заряда перед разрядом конденсатора. Это время может рассматриваться в качестве «времени накопления» первого детектора 16. В настоящей конфигурации спектрометра 2 каждый элемент массива 16a…16n подвергается действию отличающейся узкой полосы длин волн падающей лучистой энергии, которая являлась длиной волны, рассеянной элементом 12.

[0015] Второй детектор представляет собой ИК-детектор, такой как кремниевый детектор, который сконфигурирован для генерирования выходного сигнала, пропорционального интенсивности регистрируемой лучистой энергии, в данном примере - сигнала, имеющего частоту, которая является линейно пропорциональной энергетической яркости. Следует, однако, принять во внимание, что выбор первого и второго детекторов зависит от намеченного применения спектрометра.

[0016] В качестве элемента спектрометра 2 предусмотрен контроллер 20, находящийся в функциональной связи как с первым детектором 16, так и со вторым детектором 18 для приема входного сигнала от второго детектора 18 и для генерирования выходного сигнала в ответ на этот входной сигнал с целью управления работой первого детектора 16, в частности управления эксплуатационными параметрами, связанными с первым детектором 16 и, в настоящем варианте осуществления изобретения, управления временем накопления детекторной матрицы 16a…16n. Следует принять во внимание, что другие варианты осуществления изобретения могут быть сконфигурированы с контроллером 20, приспособленным для управления коэффициентом усиления детектора 16 на основе входного сигнала, принимаемого от второго детектора 18 в дополнение или в качестве альтернативы времени накопления.

[0017] В настоящем варианте осуществления изобретения контроллер 20 содержит блок 22 обработки данных и блок 24 памяти, к которому имеет доступ блок 22 обработки данных и который использует алгоритм связывания интенсивности лучистой энергии, регистрируемой вторым детектором 18, с зависящим от интенсивности требуемым значением эксплуатационного параметра первого детектора 16. Этот алгоритм может, например, представлять математическое уравнение, связывающее эти две величины, или может представлять алгоритм «поиска» для данных, содержащихся в блоке 24 памяти, которые представляют требуемые значения, индексированные в зависимости от значений интенсивности. В настоящем варианте осуществления изобретения этот алгоритм представляет уравнение, которое связывает входную интенсивность с требуемым временем накопления в линейной обратной зависимости (чем больше интенсивность, регистрируемая на втором детекторе 18, тем меньше время накопления).

[0018] Блок 22 обработки данных приспособлен для приема выходного сигнала из второго детектора 18 и извлечения из него значения, представляющего интенсивность лучистой энергии, регистрируемой детектором 18. В настоящем варианте осуществления изобретения этим значением может быть значение, указывающее на частоту сигнала от детектора 18. Блок 22 обработки данных затем применяет алгоритм, хранящийся в блоке 24 памяти, к извлеченному значению с целью определения требуемого времени накопления для первого детектора 16, которое затем используют при управлении первым детектором 16. В настоящем варианте осуществления изобретения контроллером 20 периодически генерируется управляющий сигнал, который является входным сигналом в первый детектор 16, который, в свою очередь, отвечает путем запуска разряда (или очистки) каждого пиксельного элемента матрицы 16a…16n. Период генерирования устанавливают так, чтобы он соответствовал требуемому времени накопления, определенному в блоке 22 обработки данных, исходя из регистрируемой интенсивности падающей энергии, как это описано выше.

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается дисперсионного спектрометра. Спектрометр включает в себя волновой дисперсионный элемент и два детектора. Первый детектор предназначен для обнаружения падающей лучистой энергии, рассеиваемой дисперсионным элементом. Второй детектор предназначен для регистрации интенсивности нерассеянного падающего излучения и сконфигурирован для генерирования сигнала, характеризующего регистрируемую интенсивность излучения. Первый детектор выполнен с возможностью изменения его эксплуатационных параметров в форме времени накопления и/или коэффициента усиления чувствительности в ответ на величину сигнала, генерируемого вторым детектором. Технический результат заключается в повышении точности и ускорении процесса измерений. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дисперсионный спектрометр (2), содержащий волновой дисперсионный элемент (12), расположенный на пути (14) падающей лучистой энергии; и первый детектор (16), предназначенный для обнаружения падающей лучистой энергии, рассеиваемой дисперсионным элементом (12), отличающийся тем, что спектрометр (2) дополнительно содержит второй детектор (18), предназначенный для регистрации интенсивности, по меньшей мере, части падающего излучения без рассеяния и сконфигурированный для генерирования сигнала, характеризующего регистрируемую интенсивность, и при этом первый детектор (16) выполнен с возможностью получения эксплуатационных параметров, изменяемых в ответ на сигнал.

2. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 1, отличающийся тем, что первый детектор (16) выполнен таким образом, что в качестве эксплуатационных параметров он имеет изменяющиеся одно или оба время накопления и коэффициент усиления чувствительности.

3. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 2, отличающийся тем, что первый детектор (16) содержит матрицу (16a…n) фотодиодов для получения переменного времени накопления для элементов (16a…n) матрицы.

4. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 3, отличающийся тем, что первый детектор (16) содержит матрицу фотодиодов NMOS.

5. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 1, отличающийся тем, что дисперсионный элемент (12) представляет собой пропускающую дифракционную решетку и при этом второй детектор (18) сконфигурирован для регистрации части падающей лучистой энергии, отражаемой дисперсионным элементом (12).

6. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 1, отличающийся тем, что дисперсионный элемент (12) представляет собой дифракционную решетку и при этом второй детектор (18) сконфигурирован для регистрации части интенсивности дифракции нулевого порядка падающей лучистой энергии.

7. Дисперсионный спектрометр (2) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дополнительно содержит контроллер (20), приспособленный для приема сигнала от второго детектора (18), и содержит электронное запоминающее устройство (24), использующее алгоритм для связывания интенсивности, регистрируемой вторым детектором (18), с зависящим от интенсивности требуемым значением, по меньшей мере, одного эксплуатационного параметра; и устройство (22) обработки данных, предназначенное для применения алгоритма к принятому сигналу для определения требуемого значения и для генерирования на его основе управляющего сигнала для приведения в действие первого детектора (16) так, чтобы значимый эксплуатационный параметр был изменен до требуемого значения.

8. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 7, отличающийся тем, что алгоритм, используемый в электронном запоминающем устройстве (24), связывает интенсивность с требуемым временем накопления.

9. Дисперсионный спектрометр (2) по п. 7, отличающийся тем, что алгоритм, используемый в электронном запоминающем устройстве (24), связывает интенсивность с требуемым коэффициентом усиления.