СИСТЕМА КОМПАКТНОГО СПЕКТРОМЕТРА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ ОБРАЗЦОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ Российский патент 2018 года по МПК G01N21/31 G01J3/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптических измерений и в первую очередь предназначено для использования в области оптической спектроскопии, в частности в медицинских и носимых медицинских приборах, которые позволяют изучать спектральные зависимости рассеяния и поглощения оптических сигналов от мягких биологических тканей человека, таких как кожа, кровь, биологические жидкости и т.д.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время широкое распространение получают различные методы неинвазивной, то есть неповреждающей диагностики физических и медико-биологических параметров мягких тканей человека. Одним из наиболее универсальных и информативных методов такой диагностики является метод оптической спектроскопии.

Известно, что биологические ткани человека, такие как кожа, кровь, слизистые оболочки органов и т.д., являются для оптического излучения оптически неоднородными средами. Кроме того, мягкие ткани человека наполнены рядом светопоглощающих биохимических веществ, таких как вода, кровь, гемоглобин и т.д. Это означает, что при их освещении оптическим излучением, часть излучения, прошедшая внутрь ткани, испытывает множественные переотражения на неоднородностях анатомической и клеточной структуры ткани. При этом одновременно происходит поглощение оптического излучения наполняющими мягкие ткани биохимическими веществами. Часть излучения, обычно небольшая, после многократных переотражений и поглощения внутри ткани, выходит наружу. Эта часть излучения может быть зарегистрирована фотоприемником. Так как различные биологические (биохимические) вещества человеческого организма имеют выраженную зависимость коэффициента поглощения оптического излучения от его спектрального состава, то такая зависимость является индивидуальной характеристикой вещества и носит название спектра поглощения. Облучение биологической ткани оптическим излучением заданной мощности и спектрального состава и последующий анализ изменения мощности и спектрального состава вышедшего из ткани излучения позволяют получить информацию о спектрах поглощения и пропускания веществ, содержащихся в биологической ткани, а после дальнейшей обработки при помощи алгоритмов, и о текущей концентрации различных светопоглощающих биохимических веществ в биологической ткани.

Большинство существующих приборов для анализа спектрального состава излучения, прошедшего через какие-либо вещества, представляют собой стационарные установки значительных габаритов и веса. Однако современные тенденции развития медицинской техники требуют разработки новых портативных устройств индивидуального применения для лечения и диагностики различных заболеваний или для непрерывного текущего контроля физического и медико-биологического состояния самостоятельно, без участия медицинского работника.

Разработка таких приборов накладывает ограничения как на габаритные размеры, так и на массу прибора, так как, прежде всего, он должен являться переносным и находится при человеке. При этом для непрерывного контроля физического и медико-биологического состояния прибор должен находиться в постоянном контакте с мягкой биологической тканью человека, осуществлять непрерывное облучение этой ткани и анализ полученных результатов. При таком подходе, наиболее благоприятной биологической тканью является кожа человека (особенно в местах наименьшей толщины, таких как кожа на запястье, мочка уха и т.д.).

Известен ряд приборов и устройств, реализующих принцип определения состава неоднородной поглощающей оптической среды на основе анализа изменения спектрального состава излучения, прошедшего через данную оптическую среду.

Так, известно устройство оптического спектрометра на базе вольфрамовой лампы (т.е. лампы накаливания с вольфрамовым телом накала) (патентная заявка США № US 2014/0168636, см. фиг.1), содержащее, по меньшей мере, один излучатель оптического излучения на базе вольфрамовой лампы с широким спектральным диапазоном, направляющую и коллимирующую оптику, предназначенную для направления излучения на объект исследования, а также приемный канал с оптической системой, фотоприемником излучения и специальным элементом, для разделения излучения по спектру, выполненного в виде резонатора Фабри-Перо. Такой тип спектрометра позволяет получить довольно высокое спектральное разрешение, но в то же время обладает целым рядом существенных недостатков, а именно:

1. Использование вольфрамовой лампы определяет достаточно большие габариты устройства, что затрудняет его использование в качестве носимого устройства.

2. Крайне низкая эффективность используемого в качестве спектрально-селективного элемента резонатора Фабри-Перо. Из-за низкой эффективности, в данной схеме требуется большая мощность входного излучения излучаемого вольфрамовой лампой, что предъявляет дополнительные требования к габаритам устройства и его питанию, делающими почти невозможным компактную конструкцию.

3. Кроме того, использование резонатора Фабри-Перо накладывает существенные ограничения на спектральное разрешение устройства, а также многократно увеличивает сложность его юстировки, что приводит к большой трудоемкости его сборки и последующей отладки в процессе эксплуатации.

Также известно устройство оптического спектрометра, основанного на использовании светодиодов в качестве источников оптического излучения (международная патентная публикация WO 2010/082852), содержащее, в качестве основных элементов, набор светодиодов 3 (см. Фиг.2), волокно опорного канала 2, используемое для отвода части излучения на опорный фотодетектор 7, оптическую систему приемного канала 8 и основной фотодетектор 6. Спектральное разрешение здесь обеспечивается за счет большого набора светодиодов, каждый из которых излучает излучение своего спектрального диапазона, а общая эффективность системы достигается за счет включения светодиодов одного за другим в определенной последовательности и дальнейшей обработки полученного сигнала. Следует отметить, что использование конечного набора светодиодов приводит к невозможности получения непрерывного спектра поглощения и/или пропускания исследуемого образца.

При таком построении оптической схемы спектрометра, каждый светодиодный источник обеспечивает только одну точку на измеряемой кривой поглощения образца. Это означает, что вся измеряемая кривая поглощения будет иметь разрешение, равное ширине спектрального диапазона, в котором проводятся измерения, деленной на число используемых светодиодов.

Описанная система может рассматриваться в качестве прототипа настоящего изобретения. В качестве недостатков такой системы следует отметить, что, как указано выше, в такой системе существует только один способ улучшения спектрального разрешения, а именно увеличение числа светодиодных источников излучения, что приводит не только к увеличению габаритов устройства, но и к увеличению его энергопотребления. Такое увеличение энергопотребления делает практически невозможным компактный переносной вариант исполнения.

Задача, решаемая настоящим изобретением

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке системы компактного неинвазивного спектрометра, обеспечивающей получение непрерывного спектра поглощения и/или пропускания исследуемого образца биологической ткани человека. При этом предъявление существенно более мягких требований к габаритам системы и ее энергопотреблению по сравнению с аналогами должно обеспечить простоту, надежность и компактность всей системы в целом.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается с помощью системы компактного неинвазивного спектрометра, предназначенной для восстановления спектров поглощения и пропускания исследуемого образца биологической ткани человека. При этом предлагается вариант реализации системы в виде программно-аппаратного комплекса с рядом светодиодных источников излучения с широкими спектральными характеристиками, для каждого из которых используется несколько специальных спектральных фильтров, позволяющих получить для одного светодиодного источника несколько смещенных друг относительно друга спектральных кривых с узким спектральным диапазоном, а восстановление спектров поглощения и/или пропускания исследуемого образца достигается за счет алгоритмической обработки полученных сигналов.

Согласно первому варианту осуществления охарактеризован компактный спектрометр для неинвазивного измерения спектров поглощения или пропускания объемно-рассеивающих оптически неоднородных сред, содержащий: осветительную часть, формирующую излучение заданного спектрального состава, приемную часть, обеспечивающую детектирование оптического излучения, вышедшего из анализируемой оптически неоднородной объемно-рассеивающей среды, и состоящую из, по меньшей мере, одного приемника оптического излучения с известной спектральной чувствительностью, аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов, блока управления и алгоритмического модуля, обеспечивающих согласованную работу электронных и оптико-электронных элементов спектрометра, регистрацию излучения с последующим решением обратной задачи с целью восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды; отличающийся тем, что его осветительная часть содержит, по меньшей мере, один светодиодный источник, спектральная кривая излучения которого с помощью, по меньшей мере, двух спектральных фильтров с отличающимися спектральными кривыми пропускания разбивается на, по меньшей мере, два спектральных участка, образуя эквивалентный спектр излучения, по меньшей мере, от двух спектральных источников, а для восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды алгоритмический модуль применяет методы решения обратной задачи, построенные на основе использования априорной информации о спектральном составе излучения осветительной части, сигнале, полученном в виде отклика от оптически неоднородной среды, спектральной кривой чувствительности приемной части.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит несколько светодиодных источников излучения инфракрасного спектрального диапазона, расположенных по окружности.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит перенаправляющую оптическую систему, которая перенаправляет излучение от светодиодных источников излучения в область тестирования.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит дополнительно один или несколько оптических элементов, индивидуальных для каждого светодиодного источника излучения и предназначенных для дополнительной коллимации оптического излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному спектральному фильтру для каждого светодиодного источника излучения, расположенному после светодиодного источника излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления приемная часть содержит дополнительную оптическую систему для перенаправления оптического излучения, вышедшего из образца, на приемник излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления приемная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, один спектральный фильтр, расположенный перед приемником излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит комбинацию из, по меньшей мере, двух спектральных фильтров, позволяющую спектральной кривой первого спектрального фильтра получить максимум, совмещенный с нижней границей рабочего спектрального диапазона, причем ширина спектральной кривой частично перекрывает спектральную кривую следующего спектрального фильтра, а спектральная кривая следующего спектрального фильтра смещается относительно предыдущего таким образом, что максимумы спектральных кривых первого и второго фильтра смещаются друг относительно друга.

Согласно еще одному варианту осуществления охарактеризован компактный спектрометр для неинвазивного измерения спектров поглощения или пропускания объемно-рассеивающих оптически неоднородных сред, содержащий: осветительную часть, формирующую излучения заданного спектрального состава, приемную часть, обеспечивающую детектирование оптического излучения, вышедшего из анализируемой оптически неоднородной объемно-рассеивающей среды и состоящую из, по меньшей мере, одного приемника оптического излучения с известной спектральной чувствительностью, аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов, блока управления и алгоритмического модуля, обеспечивающих согласованную работу электронных и оптико-электронных элементов спектрометра, регистрацию излучения и последующее решение обратной задачи с целью восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды; отличающийся тем, что его осветительная часть содержит, по меньшей мере, один светодиодный источник, спектральная кривая излучения которого с помощью, по меньшей мере, двух спектральных фильтров с отличающимися спектральными кривыми пропускания разбивается на, по меньшей мере, два спектральных участка, образуя эквивалентный спектр излучения, по меньшей мере, от двух спектральных источников, для восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды алгоритмический модуль применяет методы решения обратной задачи, построенные на основе использования априорной информации о спектральном составе излучения осветительной части, сигнале, полученном в виде отклика от оптически неоднородной среды, спектральной кривой чувствительности приемной части, а для получения полной информации о спектральном составе излучения осветительной части используется опорная часть, обеспечивающая непосредственное измерение мощности оптического излучения от осветительной части и автоматическую калибровку приемной части.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит несколько светодиодных источников излучения инфракрасного спектрального диапазона, расположенных по окружности.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит перенаправляющую оптическую систему, которая перенаправляет излучение от светодиодных источников излучения в область тестирования.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит дополнительно один или несколько оптических элементов, индивидуальных для каждого светодиодного источника излучения и предназначенных для дополнительной коллимации оптического излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному спектральному фильтру для каждого светодиодного источника излучения, расположенному после светодиодного источника излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления приемная часть содержит дополнительную оптическую систему для перенаправления оптического излучения, вышедшего из образца, на приемник излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления приемная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, один спектральный фильтр, расположенный перед приемником излучения.

Согласно дополнительному варианту осуществления осветительная часть содержит комбинацию из, по меньшей мере, двух спектральных фильтров, позволяющую спектральной кривой первого спектрального фильтра получить максимум, совмещенный с нижней границей рабочего спектрального диапазона, причем ширина спектральной кривой частично перекрывает спектральную кривую следующего спектрального фильтра, а спектральная кривая следующего спектрального фильтра смещается относительно предыдущего таким образом, что максимумы спектральных кривых первого и второго фильтра оказываются сдвинутыми друг относительно друга.

Перечень чертежей

Для лучшего понимания сути изобретения далее приводятся примеры реализации изобретения со ссылками на чертежи:

Фиг.1 - Система спектрометра, основанная на спектральном элементе, делящем излучение по спектральному диапазону, известная из уровня техники;

Фиг.2 - Система прототипа, основанная на массиве светодиодов, известная из уровня техники;

Фиг.3 - Иллюстрация, поясняющая принцип работы предлагаемой системы спектрометра;

Фиг.4 - Оптическая схема спектрометра, в предпочтительном исполнении, включающая в себя осветительную и приемную части;

Фиг.5 - Блок-схема алгоритмического модуля спектрометра;

Фиг.6 - Пример восстановленного спектра исследуемого образца;

Фиг.7 - Пример спектральных характеристик светодиодных источников излучения при различных режимах длительности импульса излучения и его мощности;

Фиг.8 - Вариант исполнения оптической схемы спектрометра, включающий в себя осветительную, приемную и опорную части,

Фиг.9 - Пример кривых спектральных фильтров в сочетании со спектральными характеристиками светодиодных источников излучения;

Подробное описание изобретения

Технический результат достигается за счет применения программно-аппаратного комплекса спектрометра для неинвазивного измерения спектров поглощения или пропускания объемно-рассеивающих оптически неоднородных сред, выполненного в компактном исполнении и позволяющего получить непрерывный спектр поглощения и/или пропускания исследуемого образца мягких биологических тканей человека, а также варианта реализации оптической системы данного спектрометра и алгоритмической части восстановления спектров поглощения и/или пропускания, которые являются основными узлами заявляемой системы спектрометра.

На фигуре 3 показана иллюстрированная схема работы предлагаемой системы компактного неинвазивного спектрометра. Излучение от одного или нескольких светодиодных источников излучения 11, принадлежащих осветительной части 20, проходит через два или несколько спектральных фильтров 23 и облучает исследуемый образец мягкой биологической ткани 12. Излучение, претерпевая многочисленные переотражения в объеме оптически неоднородной биологической ткани, а также частично поглощаясь в ней, выходит из исследуемого образца в виде рассеянного излучения 13. Причем спектральный состав рассеянного излучения 13 отличается от спектрального состава излучения 17 после спектрального фильтра за счет различного поглощения для различных спектральных компонент в объеме исследуемого образца. Рассеянное излучение 13 попадает на приемник излучения 14, принадлежащий приемной части 19, который детектирует данное излучение. Полученный сигнал от приемника 14 поступает в алгоритмический модуль 15, принадлежащий аппаратной части 21. Также в алгоритмический модуль 21 поступают данные о спектральном составе излучения после спектрального фильтра 17. Далее, за счет математической обработки сигнала для представления его в нормированном виде и решения обратной задачи, в алгоритмическом модуле 16 восстанавливается спектр поглощения исследуемого образца. Контроль и управление включением светодиодных источников 11, приемника излучения 14 и алгоритмического модуля 15 осуществляются блоком управления и обработки сигналов 22.

На фигуре 4 показана оптическая схема спектрометра, в предпочтительном исполнении, включающая в себя осветительную и приемную части.

Разработанная система компактного спектрометра объединяет в себя оптическую систему и программное обеспечение в программно-аппаратный комплекс и содержит:

- осветительную часть, формирующую излучение заданного спектрального состава, изменяющегося в зависимости от управляющего сигнала, и состоящую, по меньшей мере, из одного светодиодного источника излучения и двух спектральных фильтров,

- приемную часть, обеспечивающую детектирование оптического излучения, вышедшего из анализируемой оптически неоднородной объемно-рассеивающей среды и состоящую из, по меньшей мере, одного приемника оптического излучения с известной спектральной чувствительностью,

- аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов и управления и алгоритмического модуля, обеспечивающих решение обратной задачи для восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды;

Заявляемое изобретение реализуется за счет объединения в систему спектрометра алгоритмического модуля, содержащего программное обеспечение, и оптико-механического оборудования.

Осветительная часть, которая является частью разработанной системы спектрометра, позволяет формировать геометрически правильную равномерно освещенную область с заданными размерами в заданной точке исследуемого образца.

Назначение приемной части системы спектрометра состоит в детектировании оптического излучения от осветительной части после его прохождения через исследуемый образец. Предпочтительный вариант реализации осветительной и приемной частей, а также их взаимной компоновки и взаимодействия показан на Фигуре 4.

Излучение от светодиодных источников 111 проходит через оптический элемент, предназначенный для дополнительной коллимации излучения, представленный в виде линзового элемента 112, затем через спектральный фильтр 113, который осуществляет дополнительное преобразование спектральной характеристики проходящего излучения к необходимому виду, а именно - изменение формы и смещение центрального пика спектральной характеристики. После этого излучение попадает в перенаправляющую оптическую систему, содержащую перенаправляющий элемент 114, выполненный из отражающего материала, и коническую часть собирающего цилиндра 117, которые, в совокупности, представляют собой воздушный световод, изменяющий направление излучения таким образом, чтобы обеспечить равномерную засветку требуемой области исследуемого образца 115. На входе в исследуемый образец излучение частично отражается от границы раздела образец/воздух, а частично проходит внутрь исследуемого образца. Отраженное от границы раздела излучение эффективно удаляется из оптического тракта спектрометра благодаря специальной конструкции приемной части, первый элемент которой представляет собой толстостенный цилиндр, не позволяющий рассеянному на границе раздела образец/воздух излучению попасть в приемную часть. Излучение, вошедшее в объем исследуемого образца в исследуемую зону 119, испытывает в ней многократные переотражения от структурных неоднородностей исследуемого образца и, в результате этих переотражений, частично выходит из исследуемого образца в обратном направлении. Данное излучение, вышедшее в обратном направлении, попадает в приемную часть заявленного спектрометра. В нем излучение проходит через дополнительную оптическую систему, предназначенную для перенаправления оптического излучения, и состоящую из коллимирующей линзы 116 и собирающего цилиндра 117, выполненного из отражающего материала, а затем попадает на приемник излучения 118, представленный в виде одиночного фотодетектора.

На Фигуре 5 представлена блок-схема обработки полученных сигналов в алгоритмическом модуле.

В предпочтительном варианте исполнения, светодиодные источники излучения работают в импульсном режиме. Таким образом, как было показано выше, используя различные длительности импульса и мощность, а также включая последовательно несколько светодиодных источников с несколькими спектральными фильтрами, можно получить набор линейно независимых данных спектрального отклика исследуемого образца. Эти данные формируют систему линейно-независимых уравнений. Также, для увеличения числа линейно-независимых уравнений, могут быть использованы несколько приемников излучения с дополнительными светофильтрами, имеющими различные значения спектральных максимумов пропускания. Все это позволяет увеличить число линейно-независимых уравнений и соответственно повысить точность восстановления спектров поглощения и пропускания.

Восстановленный спектр может быть получен в результате решения системы линейных уравнений в матричном виде:

Az=u, (1)

где матрица коэффициентов A определяется спектральными характеристиками светодиодов, u матрица свободных членов - измеренные данные на фотодетекторе, z - восстанавливаемый спектр.

В данной задаче матрица A является плохо обусловленной. Поэтому решение системы линейных уравнений (1) является некорректной задачей. Одним из наиболее точных и устойчивых методов ее решения является метод регуляризации Тихонова.

Согласно методу регуляризации Тихонова, вводится регуляризирующий параметр α, где α >0. Уравнение (1) принимает вид:

(αE+ATA)zα=ATu, (2)

где E - единичная матрица.

Система же линейных уравнений (2) может быть решена любым из известных методов, например, методом наименьших квадратов. В качестве наиболее подходящего метода в данном изобретении используется QR разложения.

Так как на спектральные характеристики светодиодов и фотодетекторов влияет их температура, то для повышения точности восстановления спектров поглощения и пропускания, могут использоваться данные о текущей температуре светодиодных источников и фотодетекторов. Эти данные о температуре могут учитываться при задании матрицы A.

Результатом решения системы (2) является восстановленный спектр поглощения или пропускания исследуемого образца. При этом восстановленный спектр является непрерывным в зависимости от длины волны. Пример такого восстановленного спектра поглощения и его сравнение с исходным спектром поглощения исследуемого образца приведен на Фигуре 6.

Используемая в заявляемой системе комбинация светодиодных источников излучения и спектральных фильтров позволяет получить отдельные спектральные кривые, смещенные друг относительно друга следующим образом (фиг. 9): спектральная кривая первого спектрального фильтра 1 выбирается таким образом, чтобы ее максимум попал на нижнюю границу исследуемого спектрального диапазона, а ширина спектральной кривой была достаточной для частичного перекрытия со спектральной кривой следующего спектрального фильтра 2. Спектральная кривая каждого последующего спектрального фильтра смещается относительно предыдущего таким образом, что максимумы спектральных кривых оказываются сдвинутыми друг относительно друга, а сами спектральные кривые частично перекрываются за счет достаточной ширины. Так как спектральные характеристики 3 светодиодных источников имеют достаточную ширину, то при помощи набора из нескольких спектральных фильтров для одного светодиодного источника мы можем получить набор непрерывно смещенных спектральных кривых. На границе спектральных характеристик двух светодиодных источников излучения спектральные кривые фильтров выбираются таким образом, чтобы также обеспечить непрерывное смещение спектральных кривых. Дополнительно, электронный тракт заявляемой системы компактного неинвазивного спектрометра спроектирован таким образом, что позволяет варьировать длительность импульса и мощность излучения светодиодных источников. Это также позволяет дополнительно смещать спектральные характеристики светодиодных источников за счет их нагрева или охлаждения.

При таком выборе комбинации спектральных характеристик светодиодных источников, спектральных кривых фильтров и электронного тракта спектрометра, для последующего восстановления спектра поглощения исследуемого образца используется вся совокупность спектральных характеристик светодиодных источников. При этом решается не прямая задача измерения спектра поглощения, как это происходит в описанном ранее прототипе заявляемого изобретения, а находится решение обратной задачи восстановления спектра поглощения по известным спектральным откликам от исследуемого образца. Благодаря решению обратной задачи, представленная в заявляемом изобретении система не имеет ограничений по величине спектрального разрешения и позволяет восстановить спектральную кривую поглощения исследуемого образца с максимальной точностью при минимальном количестве используемых спектральных кривых и, следовательно, при минимальном количестве используемых светодиодных источников излучения.

Кроме того, для повышения точности восстановления спектра поглощения исследуемого образца, и для учета возможных процессов деградации светодиодных источников излучения, заявляемая система компактного неинвазивного спектрометра может быть дополнена опорной частью 121 (Фиг. 8). Данная опорная часть, в наиболее предпочтительной реализации, представляет собой одиночный фотодетектор, расположенный в непосредственной близости от светодиодных источников излучения, который предназначен для непосредственного измерения интегральной мощности излучения, вышедшего из светодиодных источников.

Для повышения точности восстановления спектра поглощения исследуемого образца, необходимо повышение числа независимых измерений для каждого исследуемого образца. Одним из наиболее простых методов для этого является управление мощностью и длительностью импульса светодиодных источников излучения. Известно, что спектральный состав излучения светодиодных источников зависит от длительности излучаемого импульса (для импульсного режима работы светодиодного источника) и от величины управляющего сигнала (тока или напряжения), от которого пропорционально зависит мощность светодиодного источника. Таким образом, управляя, при помощи блока обработки сигналов и управления, длительностью импульса светодиодного источника и его мощностью можно достаточно эффективно изменить его спектральную характеристику и увеличить число независимых измерений для одного исследуемого образца и для одного светодиодного источника излучения. При наличии нескольких светодиодных источников, они включаются последовательно, один за другим, и для каждого из них проводятся измерения в нескольких состояниях, характеризующихся различной длительностью импульса и различной мощностью. Типичные спектральные характеристики светодиодных источников излучения, которые могут использоваться в настоящем изобретении, а также их зависимость от длительности импульса излучения и от его мощности, приведены на фигуре 7.

Все сигналы с фотодетектора передаются в алгоритмический модуль, в котором осуществляется восстановление спектров поглощения и пропускания исследуемого образца.

Восстановление или интерпретация исходного сигнала по известному выходному сигналу является одним из классических примеров решения обратной задачи. Решение обратной задачи, в нашем случае, подразумевает нахождение истинной формы кривой спектра поглощения исследуемого образца по известным откликам от этого образца на облучение излучение априорно известного спектрального состава.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается компактного спектрометра. Спектрометр содержит осветительную часть, приемную часть, аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов, блока управления и алгоритмического модуля. При этом осветительная часть содержит, по меньшей мере, один светодиодный источник, спектральная кривая излучения которого с помощью, по меньшей мере, двух спектральных фильтров с отличающимися спектральными кривыми пропускания разбивается на, по меньшей мере, два спектральных участка, образуя эквивалентный спектр излучения, по меньшей мере, от двух спектральных источников. Для восстановления спектра исследуемой оптически неоднородной среды алгоритмический модуль применяет методы решения обратной задачи, построенные на основе использования априорной информации о спектральном составе излучения осветительной части, сигнале, полученном в виде отклика от оптически неоднородной среды, спектральной кривой чувствительности приемной части. Технический результат заключается в упрощении системы, уменьшении габаритов и энергопотребления, увеличении надежности и компактности устройства. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Компактный спектрометр для неинвазивного измерения спектров поглощения или пропускания объемно-рассеивающих оптически неоднородных сред, содержащий:

осветительную часть, формирующую излучение заданного спектрального состава,

приемную часть, обеспечивающую детектирование оптического излучения, вышедшего из анализируемой оптически неоднородной объемно-рассеивающей среды и состоящую из, по меньшей мере, одного приемника оптического излучения с известной спектральной чувствительностью,

аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов, блока управления и алгоритмического модуля, обеспечивающих согласованную работу электронных и оптико-электронных элементов спектрометра, регистрацию излучения с последующим решением обратной задачи с целью восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды;

отличающийся тем, что его осветительная часть содержит, по меньшей мере, один светодиодный источник, спектральная кривая излучения которого с помощью, по меньшей мере, двух спектральных фильтров с отличающимися спектральными кривыми пропускания разбивается на, по меньшей мере, два спектральных участка, образуя эквивалентный спектр излучения, по меньшей мере, от двух спектральных источников,

а для восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды алгоритмический модуль применяет методы решения обратной задачи, построенные на основе использования априорной информации о спектральном составе излучения осветительной части, сигнале, полученном в виде отклика от оптически неоднородной среды, спектральной кривой чувствительности приемной части.

2. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что осветительная часть содержит несколько светодиодных источников излучения инфракрасного спектрального диапазона, расположенных по окружности.

3. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что осветительная часть содержит перенаправляющую оптическую систему, которая перенаправляет излучение от светодиодных источников излучения в область тестирования.

4. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что осветительная часть содержит дополнительно один или несколько оптических элементов, индивидуальных для каждого светодиодного источника излучения и предназначенных для дополнительной коллимации оптического излучения.

5. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что осветительная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному спектральному фильтру для каждого светодиодного источника излучения, расположенному после светодиодного источника излучения.

6. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что приемная часть содержит дополнительную оптическую систему для перенаправления оптического излучения, вышедшего из образца, на приемник излучения.

7. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что приемная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, один спектральный фильтр, расположенный перед приемником излучения.

8. Спектрометр по пункту 1, отличающийся тем, что осветительная часть содержит комбинацию из, по меньшей мере, двух спектральных фильтров, позволяющую спектральной кривой первого спектрального фильтра получить максимум, совмещенный с нижней границей рабочего спектрального диапазона, причем ширина спектральной кривой частично перекрывает спектральную кривую следующего спектрального фильтра, а спектральная кривая следующего спектрального фильтра смещается относительно предыдущего таким образом, что максимумы спектральных кривых первого и второго фильтра смещаются друг относительно друга.

9. Компактный спектрометр для неинвазивного измерения спектров поглощения или пропускания объемно-рассеивающих оптически неоднородных сред, содержащий:

осветительную часть, формирующую излучения заданного спектрального состава,

приемную часть, обеспечивающую детектирование оптического излучения, вышедшего из анализируемой оптически неоднородной объемно-рассеивающей среды и состоящую из, по меньшей мере, одного приемника оптического излучения с известной спектральной чувствительностью,

аппаратную часть, состоящую из блока обработки сигналов, блока управления и алгоритмического модуля, обеспечивающих согласованную работу электронных и оптико-электронных элементов спектрометра, регистрацию излучения и последующее решение обратной задачи с целью восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды;

отличающийся тем, что его осветительная часть содержит, по меньшей мере, один светодиодный источник, спектральная кривая излучения которого с помощью, по меньшей мере, двух спектральных фильтров с отличающимися спектральными кривыми пропускания разбивается на, по меньшей мере, два спектральных участка, образуя эквивалентный спектр излучения, по меньшей мере, от двух спектральных источников,

для восстановления спектра поглощения исследуемой оптически неоднородной среды алгоритмический модуль применяет методы решения обратной задачи, построенные на основе использования априорной информации о спектральном составе излучения осветительной части, сигнале, полученном в виде отклика от оптически неоднородной среды, спектральной кривой чувствительности приемной части,

а для получения полной информации о спектральном составе излучения осветительной части используется опорная часть, обеспечивающая непосредственное измерение мощности оптического излучения от осветительной части и автоматическую калибровку приемной части.

10. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что осветительная часть содержит несколько светодиодных источников излучения инфракрасного спектрального диапазона, расположенных по окружности.

11. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что осветительная часть содержит перенаправляющую оптическую систему, которая перенаправляет излучение от светодиодных источников излучения в область тестирования.

12. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что осветительная часть содержит дополнительно один или несколько оптических элементов, индивидуальных для каждого светодиодного источника излучения и предназначенных для дополнительной коллимации оптического излучения.

13. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что осветительная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному спектральному фильтру для каждого светодиодного источника излучения, расположенному после светодиодного источника излучения.

14. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что приемная часть содержит дополнительную оптическую систему для перенаправления оптического излучения, вышедшего из образца, на приемник излучения.

15. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что приемная часть содержит дополнительно, по меньшей мере, один спектральный фильтр, расположенный перед приемником излучения.

16. Спектрометр по пункту 9, отличающийся тем, что осветительная часть содержит комбинацию из, по меньшей мере, двух спектральных фильтров, позволяющую спектральной кривой первого спектрального фильтра получить максимум, совмещенный с нижней границей рабочего спектрального диапазона, причем ширина спектральной кривой частично перекрывает спектральную кривую следующего спектрального фильтра, а спектральная кривая следующего спектрального фильтра смещается относительно предыдущего таким образом, что максимумы спектральных кривых первого и второго фильтра оказываются сдвинутыми друг относительно друга.