СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ УЗКОПОЛОСНОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF MEASURING AVERAGE WAVELENGTH OF NARROW-BAND OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для определения средней длины волны узкополосного светового излучения без использования спектрального диспергирующего прибора, в том числе и при картировании распределения длины волны излучения по поверхности. При этом речь идет об определении именно только средней длины волны излучения, сосредоточенного в пределах нанометровых спектральных ширин, без определения параметров его спектрального распределения.
Известны способы определения распределения излучения в случае широкополосного излучения с помощью спектральных приборов, например спектрометров с дифракционной решеткой или диспергирующей призмой. В случае необходимости регистрации пространственного распределения спектров, очевидным является способ вырезания узкого протяженного в одном из направлений участка посредством проектирования его на щель спектрографа и разворачивания его спектрального состава в другом направлении. Также достаточно очевидным является исследование спектров разбросанных в двумерной плоскости точечных источников, например звезд, посредством проектирования их во входную плоскость спектрографа, щель которого снята. Эти методы можно применять и для измерения узкополосных источников. Такие способы можно считать аналогами предлагаемого метода. Недостатком подобного подхода является то, что сплошное картирование двумерного распределения при помощи спектрометра с большим пространственным объемом становится практически невозможным.
i
Вместе с тем колориметрическим способом, частным случаем которого является зрение человека, без труда осуществляется двумерное восприятие распределения цвета. Принципы такого восприятия человеческим глазом или прибором хорошо известны и описаны во многих источниках (см., например, [1-2]). Суть его состоит в следующем. Излучение разделяется на 3 канала, селективная чувствительность канала с номером i есть S(λ). В этом случае сигнал в этом канале будет
где Ф(λ) - яркость источника. По соотношению яркостей в каналах определяют цвет источника. В силу того, что о спектральном распределении таким образом можно сказать немного, вопрос о точном определении средней длины волны здесь не ставится. Когда мы точно знаем, что излучение в силу каких то причин в каждой точке узкополосно, то для такого узкополосного излучения можно ставить вопрос не о простом цветовом восприятии, а о точном измерении средней длины волны этим способом. При этом в рабочем диапазоне длин волн требуется не менее чем два канала регистрации с различными спектральными чувствительностями. Подобный способ был предложен в патенте JP 2007183218 [3]. Его можно считать прототипом предлагаемого метода. При выборе критерия для ограничения рабочего диапазона длин волн в этом способе учитывается разность спектральных чувствительностей каналов. Следствием этого является сужение рабочего диапазона длин волн. К тому же в этом изобретении не определяется для какого рода излучения способ пригоден. Связано это, видимо, с тем, что авторы имели в виду лазерные источники монохроматического излучения.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа, позволяющего с высокой точностью без спектрального прибора определять пространственное распределение средней длины волны узкополосного светового излучения в широком диапазоне длин волн.
Задача решается следующим образом.
В общем случае от исследуемого источника одна часть излучения направляется на один приемник, вторая часть - на другой. Спектральные характеристики приемников должны быть определены предварительно. Минимальное количество приемников - два. Удобнее делить излучение при помощи полупрозрачного зеркала или делительного кубика. Спектральные характеристики пропускания каждого из каналов являются составной частью общих спектральных характеристик этих каналов. Общие спектральные характеристики в каждом из каналов должны различаться. Удобнее иметь приемники с примерно одинаковыми спектральными свойствами, а для изменения спектральной характеристики в одном из каналов можно применить поглощающий светофильтр с монотонно изменяющимся с длиной волны пропусканием на рабочем участке спектрального диапазона.
1
2
x
2
1
x
x
х
-1
-1
На фиг.1 схематически показаны совпадающие (что не обязательно) спектральные чувствительности приемников S(λ) и пропускание фильтра α(λ). Рабочий диапазон (λ-λ) показан вертикальными линиями и находится в пределах монотонного изменения пропускания фильтра и, естественно, ненулевого значения чувствительности приемников. При сформулированных условиях при средней длине волны излучения λ отношение величины сигнала приемника в канале с фильтром J к величине сигнала приемника в канале без фильтра J будет α(λ)=J1/J2. Отсюда, поскольку мы знаем спектральное пропускание фильтра α(λ), нетрудно определить искомую среднюю длину волны излучения λ при помощи выражения λ=α(J1/J2), где α(а) - функция, обратная к α(λ). Подобным же образом можно определить алгоритм действия в случае неидентичных характеристик приемника. В случае немонотонности спектральной зависимости пропускания фильтра на интересующем нас участке, можно использовать дополнительный канал, в котором используется фильтр, спектральная зависимость которого на участке, который выходит за границы рабочего для первого фильтра, является монотонной. В случае необходимости число каналов можно увеличивать далее.
В случае одномерного или двумерного пространственного распределения узкополосных источников, нужно в каждом из каналов использовать соответствующие пространственно-чувствительные датчики, такие, чтобы применяемая система обеспечивала требуемое пространственное разрешение. Как оказалось, в качестве приемников может быть применена матрица современного цифрового фотоаппарата с мегапиксельным разрешением.
В случае стационарного во времени распределения излучения, можно пользоваться одноканальной системой, делая требуемое количество регистрации распределения с соответствующим изменением пропускания в этом канале (минимум еще одну при необходимости двухканальной регистрации, или две - для трехканальной).
Первый шаг в осуществлении описываемого способа - это определение спектральных характеристик описываемой системы. Далее по приведенным выше критериям определяются рабочие диапазоны, и в их пределах определяются рабочие характеристики системы, дающие длину волны излучения по соотношению интенсивностей в каналах. На заключительном этапе по измеренному соотношению величин сигналов в каналах определяется средняя длина волны излучения для данного источника. В случае пространственного источника данная процедура проводится для всей исследуемой поверхности.
Покажем применение этого метода на примере топографического сенсора на основе гидрогеля, который представляет голограмму Денисюка (плоский слой гидрогеля, в котором расположены регулярно слои, содержащие частицы серебра или иного рассеивающего вещества с размерами десятки нм). Толщина пленки гидрогеля составляет обычно от нескольких мкм до нескольких десятков мкм. Такие слои обычно получают фотографически при интерференции встречных пучков лазерного излучения, так что расстояние между слоями равно половине длины волны излучения, которое использовалось при записи (если в результате фотообработки при получении металлического серебра не происходит усадки или набухания эмульсии, в противном случае расстояние между слоями изменяется). Эти слои образуют структуру типа интерференционного фильтра, которая при падении излучения белого света работает как многослойное зеркало, отражающее свет только той длины волны, которая в 2 раза больше расстояния между слоями. В гидрогелевую полимерную матрицу датчика встраиваются химические группы, делающие ее чувствительной к тому или иному веществу (например, к глюкозе) или параметру раствора (например, к кислотности среды). Под действием этого вещества матрица датчика сжимается или набухает, расстояние между слоями увеличивается, и цвет отраженного излучения изменяется [4]. При однородной структуре голограммы слои расположены равномерно, число их достаточно велико (при толщине 20 мкм около 80) и отраженное излучение имеет спектральную ширину менее 10 нм.
На фиг.2 показано пространственное одномерное распределение сигнала в фотографии спектра лампы накаливания для красных, зеленых и синих сенсоров (обозначены соответствующими цветами) фотоаппарата Sony F717, полученной нами (фирмы-производители не представляют подобной информации). По оси абсцисс отложена длина волны (в нм), по оси ординат - величина сигнала. Отмечены участки цветовой чувствительности (рабочие диапазоны). Следует отметить, что цветопередача фотоаппарата весьма неудовлетворительна, поскольку, например, на интервале 540 нм - 575 нм система совершенно не чувствует изменения цвета. Однако, если измеряемое излучение находится внутри одного из двух отмеченных интервалов, для измерений этот фотоаппарат вполне пригоден. Следует отметить, что мы исследовали около десятка фотоаппаратов разных фирм среднего класса и высшего среднего, и у всех характеристики практически такие же.
На фиг.3 синяя кривая показывает спектр отражения подобной голограммы для одной из точек голограммы при средней длине волны отражения 677 нм (определяется концентрацией чувствительного вещества), красная - аппроксимацию спектральной линии гауссовой функцией, ширина на половине высоты которой составляет 8 нм.
На фиг.4 показана фотография поверхности голограммы при такой концентрации, чтобы средняя длина волны находилась в рабочем диапазоне длин волн. Ниже показаны средние длины волн для проходящих через одну из точек голограммы горизонтального (верхний график) и вертикального (нижний график) сечений. Для этих сечений по оси ординат показаны длины волн, пересчитанные по полученным характеристикам соотношений сигналов в цветных каналах (здесь - красного и зеленого). По оси абсцисс отложены номера пикселей в сечении. Хорошо видно, что средняя длина волны отражения в различных точках находится в интервале 579-580 нм. Этот интервал соответствует близким значениям величин сигналов каналов (зеленый - примерно 80% от красного).
На фиг.5 для этой же фотографии показана в серых тонах карта распределений по пространству для всего изображения пересчитанных по тем же характеристикам длин волн отраженного света и два сечения для другой точки с увеличенным по оси ординат масштабом. Густой черный тон соответствует выходу соотношений каналов из рабочего диапазона. Обращают на себя внимание довольно малый высокочастотный шум, составляющий заметно менее 1 нм, и общая нестабильность по полю, составляющая менее 2 нм. Следует отметить, что число пикселей в этой карте составляет около 500000. В принципе не составляет труда получать такую карту емкостью на порядок больше. Получение подобной спектральной информации для изображения такого объема с такой спектральной точностью каким-либо другим способом представляется весьма проблематичным.
На фиг.6 показана та же карта в условных цветах, а на фиг.7 - изометрия этого распределения, повернутая для лучшей наглядности вокруг вертикальной оси примерно на 180°. На фиг.6 и 7 выходу соотношений каналов из рабочего диапазона соответствует густой синий цвет.
Следует отметить, что можно пользоваться для измерений сенсором с одним набором спектральных характеристик, пропуская в различные моменты времени регистрируемое излучение через селективные светофильтры и регистрируя сигналы, полученные с различными фильтрами. Такой метод известен и осуществим, например, с помощью обтюратора. Каждый сигнал, зарегистрированный на соответствующем временном отрезке с различными фильтрами, можно обрабатывать способом, изложенным выше, как сигнал соответствующего канала (временного канала).
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей колориметрического способа, что позволило с высокой степенью точности (не хуже 1 нм) определить пространственное двумерное непрерывное распределение среднего значения длины волны узкополосного в каждой точке излучения мегапиксельного объема. В применении к топографическим сенсорам это позволило определить распределение набухания топографического сенсора по его поверхности с тем же числом точек с помощью цифрового фотоаппарата в динамическом и статическом режимах с точностью до долей процента.
Литература
1. Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988 г.
2. Гуревич М.М. Цвет и его измерение, М.-Л., 1950.
3. Патент Японии JP 2007183218 от 19.07.2007.
4. Marshall A.J. et al., 2006, Analyte-responsive holograms for (bio)chemical analysis, J. Phys. Condens. Matter., 18, 8619-626; и патент США №5989923 от 23.11.1999.