УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА МОРСКОЙ ВОДОЙ Российский патент 2025 года по МПК G01N21/59 

Область техники

Изобретение относится к спектрофотомерии и может быть использовано для определения спектрального поглощения света в морской воде in situ при решении широкого ряда задач оптики и биологии моря в океанологии, лимнологии, гидрографии. Оно может быть применено для оценки концентрации фитопланктона, растворенного органического вещества и других взвесей в морской воде по характерным для них спектрам поглощения света, а также для оценки по ним экологического состояния моря.

Уровень техники

Известно устройство для определения поглощения света морской водой в зеркальной трубе (цилиндрической кювете) [J.R.V. Zaneveld, R. Bartz and J. С. Kitchen, "Reflective-tube absorption meter," Ocean Optics X, Proc. Soc. Photo Opt. Instrum. Eng., 1302, 124-136, 1990], состоящее из источника света, полевой диафрагмы, линзы, апертурной диафрагмы, светоделителя, опорного детектора, стеклянной кюветы с задним зеркальным покрытием из серебра на внешней поверхности, иллюминаторов кюветы и измерительного детектора.

Параллельный пучок света, формируемый полевой диафрагмой и линзой с апертурной диафрагмой, светоделителем разделяется на измерительный и опорный, измерительный пучок света проходит последовательно входной иллюминатор, морскую воду в зеркальной кювете, выходной иллюминатор, падает на детектор с большой светочувствительной площадкой, опорный пучок падает на опорный детектор. Сложность определения показателя поглощения света в море связана с тем, что морская вода является слабо поглощающей светорассеивающей средой, в которой распространение света сопровождается во много раз более сильным его ослаблением от рассеяния, чем от поглощения. Следовательно, при измерениях показателя поглощения света морской водой на приемном устройстве необходимо собрать не только тот свет, который прошел определенное расстояние в среде после поглощения, но и весь рассеянный на этом пути свет.

В приведенном аналоге сбор рассеянных под разными углами лучей света в проходящем через морскую воду пучке лучей осуществляется путем перенаправления их путем многократного отражения от зеркальной стенки цилиндрической кюветы. К недостаткам этого аналога следует отнести то, часть рассеянных в сторону стенки лучей при перенаправлении к коллектору теряются из-за потерь при многократных отражениях на зеркальном покрытии стенки с недостаточно высоким коэффициентом отражения. Чтобы исключить непосредственный контакт с агрессивной морской водой, использовалось заднее серебряное зеркальное покрытие на внешней стенке тонкой стеклянной трубы, с коэффициентом отражения менее 95%, что было недостаточно для достижения допустимой ошибки в определении поглощении света в слабо поглощающих морских водах. В результате до коллектора доходили без потерь лишь рассеянные под небольшими углами вперед лучи, испытавшие небольшое число отражений, причем с удлиненным путем его прохождения в среде. Из-за этого приходится прибегать к коррекции путем теоретического моделирования с привлечением данных других приборов, измеряющих рассеяние и ослабление света, но эта коррекция все же не позволяет достичь нужной точности определений.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство для определения спектрального поглощения света морской водой с использованием явления полного внутреннего отражения [Zaneveld, J.R.V., J.С. Kitchen, A. Bricaud, and С. Moore, 1992: Analysis of in situ spectral absorption meter data. Ocean Optics XI, G.D. Gilbert, Ed., SPIE, 1750: 187-200], состоящее из источника света, линзы, светофильтра, светоделителя, опорного детектора, входного иллюминатора, цилиндрической кварцевой трубки (кюветы), коллектора света и измерительного детектора.

В прототипе свет от источника света с помощью линзы формируется в параллельный пучок, проходит через светофильтр, за светофильтром пучок с длиной волны λ светоделителем разделяется на опорный и измерительный. Опорный пучок падает на опорный детектор, а измерительный через иллюминатор проходит в измеряемую морскую воду и после ослабления из-за поглощения, вместе с отраженными стенкой трубы рассеянными лучами падает на световой коллектор, а после него на измерительный детектор.

Для перенаправления рассеянных внутри трубы лучей к коллектору используется явление полного внутреннего отражения от поверхности раздела кварц-воздух. Поэтому все лучи, рассеянные в угловом диапазоне от 0 до 41,5°, практически без потерь достигают коллектора приемного устройства, или непосредственно не касаясь стенки, или путем многократных отражений. Вследствие того, что индикатриса рассеяния природных морских вод имеет сильный пик в прямом направлении, в этом случае удается перенаправить большую часть, до 72-85% рассеянных вперед лучей и таким образом сохранить их в проходящем через водную среду пучке.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что это устройство не позволяет избежать потери части рассеянных под большими углами лучей из-за того, что они выходят из кюветы в воздух и не доходят до приемного коллектора. Выбывание из основного пучка света рассеянных лучей в диапазоне углов от 41,5 до 180° является основным источником ошибок для определения поглощения света в цилиндрической кварцевой кювете на воздухе. В результате безвозвратно теряются до 14-26% рассеянных лучей из-за выхода их из кюветы в воздух и в меньшей степени - до 1-3% из-за рассеяния в обратном по отношению к пучку направлению в диапазоне углов рассеяния от 90 до 180°.

Еще одним недостатком этого устройства, в котором используется тонкостенная кварцевая труба на воздухе, является то, что по пути от источника к коллектору многократно отраженные вперед рассеянные лучи, распространяясь зигзагообразно внутри трубы, заметно удлиняют пройденный в среде путь. Из-за этих недостатков, как и в случае использования зеркальной трубы, приходится прибегать к коррекции результатов путем теоретического моделирования, с привлечением данных других приборов по рассеянию и ослаблению света, но и эта коррекция не позволяют достичь нужной точности определений. Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема, задача, решаемая заявленным изобретением, - это создание нового устройства для определения спектрального поглощения света морской водой, совокупностью существенных признаков которого достигаются следующие новые фотометрические свойства:

минимизация ошибок от сильного влияния рассеяния на результаты определения поглощения света морской водой за счет обеспечения более полного сбора на фотоприемнике не только света, прошедшего сквозь среду в кювете после поглощения, но и всех рассеянных на этом пути лучей;

возможность определения поглощения света морской водой без необходимости привлекать данные других приборов по рассеянию и ослаблению для коррекции результатов путем теоретического моделирования;

возможность проведения спектрального определения поглощения света в нескольких спектральных диапазонах, за счет использования в качестве источника излучения многоцветного светодиода.

Указанные новые фотометрические свойства обеспечивают достижение технического результата изобретения - повышение точности и информативности определения спектрального поглощения света морской водой.

Поставленная задача решается тем, что в основанном на использовании явления полного внутреннего отражения устройстве для определения спектрального поглощения света морской водой, содержащем, как и прототип, источник излучения, линзу, формирующую пучок параллельных лучей от этого источника, и далее по ходу лучей - кварцевую заполненную морской водой кювету трубчатой формы заданных размеров с иллюминатором на ее входе, а также коллектор и фотоприемник, предусмотрены следующие отличия: в качестве источника излучения использован многоцветный светодиод, в качестве линзы и входного иллюминатора кюветы использован единый объектив-иллюминатор, при этом кювета выполнена в виде расширяющегося, в противоположную от источника излучения сторону, усеченного конуса с заданным конусным углом, содержит на ее выходе иллюминатор в виде отрицательной линзы и размещена внутри соосного ей полого отделенного воздухом зеркального отражателя в виде расширяющегося, в ту же сторону, что и кювета, усеченного конуса заданных размеров с заданным конусным углом и с заданным высоким коэффициентом отражения его внутренней зеркальной поверхности, одним основанием которого (входом отражателя) является объектив-иллюминатор кюветы, а другим основанием которого (выходом отражателя) является коллектор с фотоприемником. Преимущественно, многоцветный светодиод 1 выполнен так, чтобы обеспечивать определения поглощения света морской водой в узких спектральных участках в диапазоне от 400 до 625 нм, а также в «белом» свете, и обеспечивать минимальный угол расходимости параллельного пучка света.

Краткое описание чертежей

На чертеже схематично представлено заявленное устройство, которое содержит: источник излучения 1 в виде многоцветного светодиода, объектив-иллюминатор 2, заполненную исследуемой морской водой конусную кювету 3 из кварцевого стекла, отрицательную линзу-иллюминатор 4, конусный зеркальный отражатель 5, коллектор 6 и фотоприемник 7.

На чертеже также приведены примеры хода лучей от источника излучения 1 к коллектору 6 с фотоприемником 7, а именно:

- короткие, оканчивающиеся в кювете 3 лучи в виде прямых или с изломом стрелок без буквенного обозначения - это поглощенная морской водой незначительная часть излученного света;

- А - это прямые лучи, прошедшие через всю кювету к коллектору с фотоприемником без ослабления, не касаясь стенки кюветы;

- Б - это рассеянные в малых углах лучи, прошедшие через всю кювету к коллектору с фотоприемником, не касаясь стенки кюветы;

- В - это рассеянные в малых углах лучи, коснувшиеся стенки кюветы и отраженные ею непосредственно на коллектор с фотоприемником;

- Г - это рассеянные в больших углах лучи, испытавшие полное внутреннее отражение: они дошли до коллектора с фотоприемником путем неоднократных отражений от одной стороны стенки кюветы к противоположной;

- Д₁ и Д₂ - это лучи, образовавшиеся в результате касания рассеянного, в больших углах, луча стенки кюветы и, вследствие этого, разделения его на две части: на Д₁ - луч, отраженный стенкой внутрь кюветы (где он, коснувшись противоположной стороны стенки кюветы, также разделяется: на луч, отраженный внутрь кюветы, который затем достигает коллектора с фотоприемником путем неоднократных отражений от одной стороны стенки кюветы к противоположной, и на преломленный этой стороной стенки кюветы луч, который выходит в воздушное пространство между кюветой и зеркальным конусным отражателем 5, отражается от этого конуса 5 и достигает коллектора с фотоприемником); и на Д₂ - преломленный стенкой кюветы луч, который выходит в воздушное пространство между кюветой и зеркальным конусом 5, касается этого конуса 5 и отражается им непосредственно на коллектор с фотоприемником;

- Е - это рассеянные лучи, вышедшие из кюветы в воздушное пространство между кюветой и зеркальным конусом и достигшие коллектора с фотоприемником, не касаясь этого конуса.

Оптическая ось источника излучения 1 (многоцветного светодиода) совпадает с оптической осью измерительного пучка. В качестве источника 1 может быть использован, например, светодиод LZ7-N4M100-0000, фирмы LED Engin, смонтированный на фирменной плате, служащей радиатором и имеющей контакты для подключения каждого из семи светодиодных элементов к источникам питания. Многоцветный светодиод 1 размещен в фокусе объектива-иллюминатора 2 и создает, в зависимости от того какой элемент светодиода подключен на данный момент, параллельный пучок по цвету, соответствующий этому элементу.

В качестве кюветы 3, заполняемой морской водой, использована кварцевая труба в форме удлиненного усеченного конуса, помещенная соосно внутри внешнего зеркально отражающего конуса 5 большего размера, с воздушным пространством между этими двумя конусами 3 и 5. В данном конкретном примере исполнения заявленного устройства эти два конуса имеют следующие конструктивные размеры:

- диаметры оснований кюветы 3 составляют, соответственно, 8 мм и 20 мм; длина кюветы - 125 мм; угол конуса кюветы - 5,5°; толщина стенки кюветы - 1 мм;

- диаметры оснований отражателя 5 составляют, соответственно, 12 мм и 40 мм; длина отражателя - 145 мм; угол конуса отражателя - 11°; толщина стенки отражателя - 1 мм.

(Кювета 3 исполняется с прямым, не конусным, технологическим участком - это условно показано на чертеже).

Зеркальный отражатель 5 имеет заданный высокий коэффициент отражения, поскольку наличие воздушного пространства между ним и кюветой 3 позволяет нанести на его внутренней поверхности соответствующее многослойное покрытие из многих металлов, устойчивое на воздухе. Воздушная прослойка между кюветой 3 и отражателем 5 также обеспечивает полное внутреннее отражение рассеянных лучей в кювете.

Объектив-иллюминатор 2 и отрицательная линза-иллюминатор 4 имеют, соответственно, плоско выпуклую и плоско вогнутую форму и крепятся к конической кювете 3 плоскими сторонами. Фокусное расстояние объектива-иллюминатора 2 обеспечивает параллельный пучок в морской среде, а фокусное расстояние отрицательной линзы-иллюминатора 4 -равномерное распределение прошедшего пучка по поверхности коллектора 6.

В качестве приемного коллектора чаще всего применяется пластинка из молочного стекла, в которой оптические характеристики и геометрические параметры подобраны так, чтобы обеспечить равномерное перераспределение падающего света по всей его толще. На приемный коллектор лучи падают с самых разных направлений с сильно различающимися интенсивностями и неравномерно по площади, поэтому его основная функция заключается в том, чтобы на выходе формировалось равномерное суммарное излучение. В реальности добиться полной равномерности выходящего из коллектора излучения не удается, поэтому для лучшего согласования необходимо применять приемники светового излучения с большой площадью светочувствительной площадки, сопоставимой с размерами коллектора. В данном конкретном примере исполнения заявленного устройства коллектор 6 изготовлен из молочного стекла МС-13 толщиной 3 мм и диаметром 40 мм, а приемником 7 может быть любой стабильный фотодетектор с большой светочувствительной площадкой до 40 мм.

Сущность предложенного изобретения заключается в следующем. Сочетание конусной кварцевой кюветы 3 с внешним зеркальным конусным отражателем 5 позволяет собрать в приемнике 7 все рассеянные по пути пучка света лучи и тем самым не только исключить их сильное влияние на определения поглощения света в море, но и отказаться от необходимости проводить коррекцию полученных данных путем теоретического моделирования с привлечением данных других приборов по рассеянию и ослаблению света. При этом к коллектору 6 для регистрации фотоприемником 7 перенаправляется до 98% рассеянных лучей из области углов от 0 до более 90°, тогда как в прототипе - лишь 72-85% из области углов полного внутреннего отражения 0-41,5°. Происходит это в силу свойства конусной кюветы 3, заключающемся в том, что угол отражения луча от ее стенки последовательно увеличивается на величину угла конуса в каждом последующем акте отражения, а также из-за того, что область углов, в которых происходит полное внутреннее отражение, расширяется на угол конуса. Поэтому, в конусных кюветах резко уменьшается количество отражений от стенок, а перенаправление лучей от места рассеяния света до приемника происходит по расширяющемуся зигзагообразному пути с постепенно увеличивающимся шагом, тогда как в прототипе, - с цилиндрической трубой, - отражения происходят по зигзагу с одним и тем же шагом. Уменьшение количества отражений и распрямление зигзагообразного пути рассеянных лучей в конусных трубах приводит к тому, что они испытывают меньше потерь при отражении от стенок, а их длина пути от входа до коллектора увеличивается намного меньше, чем в прототипе и, тем самым, меньше сказываются на ошибке в определении поглощения света морской водой по этим причинам. В прототипе для больших углов рассеяния зигзагообразный путь становится настолько учащенным, что все лучи, достигшие стенки кварцевой трубы и не испытавшие полного внутреннего отражения, в конечном итоге выйдут за пределы кюветы в воздух и окажутся безвозвратно потерянными. В предлагаемом же, с использованием заявленного изобретения, методе измерений вышедшие из кварцевой трубы 3 в воздух рассеянные лучи внешним конусным зеркалом 5 перенаправляются по воздуху к коллектору 6, а остальная небольшая часть лучей - обратно внутрь кварцевой кюветы 3 и после нескольких отражений от зеркального конуса 5 попадают в область углов полного внутреннего отражения кюветы 3 и распространятся уже внутри нее в дополнение ко всем остальным лучам по направлению к коллектору 6.

Осуществление изобретения

Заявленное устройство работает следующим образом. Поочередно, свет от одного из элементов многоцветного светодиода 1 объективом-иллюминатором 2 формируется в параллельный пучок, который проходит, ослабляясь по пути, сквозь морскую воду в кварцевой конусной кювете 3 и, пройдя через отрицательную линзу-иллюминатор 4, падает расширившимся для равномерного освещения пучком на коллектор 6 с фотоприемником 7 за ним. Ослабление света при прохождении морской среды в кювете 3 происходит в основном из-за рассеяния на оптических неоднородностях во взвеси и в меньшей степени - из-за поглощения водой.

На чертеже показано, что большая часть, порядка 60%, рассеянных под малыми углами от 0 до 15° лучей (Б), достигают коллектора 6 или без соприкосновения со стенкой кварцевой конусной трубы 3, или после одного-двух отражений от нее, что объясняется сильной вытянутостью индикатрисы рассеяния морской воды. Лучи, рассеянные под большими углами от 15° до предельного угла полного внутреннего отражения (Г), распространяются внутри кварцевой конусной трубы 3 путем многократных отражений от одной части ее стенки к противоположной, пока не достигнут коллектора 6. Остальные лучи, рассеянные в области углов от предельного угла полного внутреннего отражения до 90° (Д₁), выходят в воздушное пространство между кварцевой конусной трубой 3 и зеркальным конусом 5. Эти лучи не теряются, как в применяющихся в настоящее время методах измерений, а собираются внешним зеркальным конусом 5 в пучке света, направленного на коллектор 6. Таким образом, определение поглощения света с использованием конусной кюветы 3, совмещенной с конусным зеркалом 5, позволяет устранить перечисленные выше недостатки аналогов, в том числе и прототипа, поскольку на приемный коллектор 6 перенаправляются практически все рассеянные лучи.

Данный результат интеллектуальной деятельности создан при выполнении тем государственного задания: №FNNN-2021-0003 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений» (шифр темы «Оперативная океанология»);

Изобретение относится к области спектрофотомерии и касается устройства для определения спектрального поглощения света морской водой. Устройство содержит источник излучения, кварцевую заполненную морской водой кювету трубчатой формы с объективом-иллюминатором на ее входе, коллектор и фотоприемник. В качестве источника излучения использован многоцветный светодиод. Кювета выполнена в виде расширяющегося в противоположную от источника излучения сторону усеченного конуса, содержит на выходе иллюминатор в виде отрицательной линзы и размещена внутри соосного ей полого отделенного воздухом зеркального отражателя в виде расширяющегося в ту же сторону, что и кювета, усеченного конуса с внутренней зеркальной поверхностью, входом которого является объектив-иллюминатор кюветы, а выходом - коллектор с фотоприемником. Технический результат заключается в повышении точности определения спектрального поглощения света морской водой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения спектрального поглощения света морской водой, содержащее источник излучения, линзу, формирующую пучок параллельных лучей от источника, и далее по ходу лучей - кварцевую заполненную морской водой кювету трубчатой формы заданных размеров с иллюминатором на ее входе, коллектор и фотоприемник, отличающееся тем, что в качестве источника излучения использован многоцветный светодиод, в качестве линзы и входного иллюминатора кюветы - объектив-иллюминатор, при этом кювета выполнена в виде расширяющегося в противоположную от источника сторону усеченного конуса с заданным конусным углом, содержит на выходе иллюминатор в виде отрицательной линзы и размещена внутри соосного ей полого отделенного воздухом зеркального отражателя в виде расширяющегося в ту же сторону, что и кювета, усеченного конуса заданных размеров с заданным конусным углом и с заданным высоким коэффициентом отражения его внутренней зеркальной поверхности, входом которого является объектив-иллюминатор кюветы, а выходом - коллектор с фотоприемником.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что использован многоцветный светодиод, обеспечивающий определение спектрального поглощения света морской водой в узких спектральных участках в диапазоне 400-625 нм, а также в «белом» свете и обеспечивающий минимальный угол расходимости пучка параллельных лучей.