ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области спектрометрии, а именно к устройствам спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн и может быть использована для исследований спектральных характеристик материалов, источников оптических сигналов, атмосферы и т.п.
Известно устройство “Анализатор спектра излучений” (патент RU №2310175, МПК GO1J 3/45, опубликован 2007.11.10), содержащее лазер с блоком питания, первую и вторую фокусирующие системы, фотоприемник на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и с управляемой по длине волны чувствительностью к излучению, генератор импульсов, первый и второй триггеры, кольцевой регистр сдвига, формирователь переднего фронта импульсов, первый элемент И, группы вторых и третьих элементов И, блок четвертых элементов И, группу пятых элементов И, регистр оперативной памяти, блок регистров памяти кодов элементов, устройство сравнения, блок регистрации, источник постоянного тока, делитель напряжения и группу ключей.
Это устройство позволяет определять химический состав вещества в технологии микро- и наноэлектронных средств, в геологии и охране окружающей среды.
Недостатком известного устройства является то, что оно не может применяться для исследования спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, например, в условиях повышенной температуры, влажности и в условиях наличия агрессивных химических сред, а также при спектральных измерениях во взрывоопасных помещениях.
Известно устройство “Анализатор спектра”, (патент RU №2164668, МПК GO1J 3/36, опубликован 2001.03.27), содержащее 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.
Устройство позволяет определять спектры источников оптического излучения, а также классифицировать источники излучения по результатам анализа их спектров.
Недостатком известного анализатора спектра является невозможность применения этого устройства для исследования спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, например, в агрессивных химических средах при повышенной влажности и температуре. Данному устройству требуется непосредственный контакт с источником оптического излучения и в труднодоступных местах устройство разместить невозможно, а в агрессивной среде, в условиях повышенной температуры и влажности оно не сможет функционировать.
Другим существенным недостатком является то, что призменные спектральные приборы оптического диапазона относятся к числу приборов с наихудшей разрешающей способностью.
Известно устройство-прототип “Анализатор спектра сигналов оптического диапазона”, (патент RU №2239802, МПК G01J 3/00, опубликован 2004.09.10). Устройство содержит синтезатор частот, блок управления, регистратор, блок согласования, интегратор и канал анализа спектра сигнала, в котором последовательно установленные по ходу светового пучка формирующая оптика, оптическое волокно, соединенное посредством соединительных модулей с формирующей оптикой и с согласующим элементом, выход которого оптически связан со входом акустооптического модулятора, фокусирующая линза, щелевая диафрагма и фотоприемник. Согласующий элемент является пространственным Фурье-процессором, который состоит из двух слоев свободного пространства и Фурье-линзы между ними. Также устройство содержит цифроаналоговый преобразователь, регулируемый усилитель, модуль подключения к регистратору, аналого-цифровой преобразователь.
Устройство позволяет проводить последовательный анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны.
Недостатками известного устройства-прототипа анализатора спектра сигналов оптического диапазона является следующие:
Необходимость перестройки системы по диапазону длин волн, следствием которой является низкое быстродействие, определяемое временем перестройки. Это обусловлено тем, что устройство содержит только один канал анализа спектра сигнала. Последовательная перестройка по диапазону длин волн, требующая значительного времени, неизбежно приводит к пропуску одиночных и редко повторяющихся коротких импульсов, что не желательно.
Для осуществления перестройки по диапазону длин волн необходимо наличие сложно технически реализуемого акустооптического модулятора, который определяет полосу анализа длин волн. Причем поведение акустооптического модулятора в ультрафиолетовом и фиолетовом диапазонах еще далеко не исследовано, в результате чего вопрос об анализе спектра в этих участках спектра остается открытым.
Наличие пространственного Фурье-процессора, так как он требует точной юстировки, которой можно добиться только при использовании жесткой конструкции, например, применяя отрезок массивной оптической скамьи, что значительно ухудшают массогабаритные характеристики.
Предложенный дифракционный принцип анализа спектра сигналов с применением пространственного Фурье-процессора требует формирования светового пучка с плоским однородным фронтом. Искажение волнового фронта анализируемого излучения приводит к существенному ухудшению разрешающей способности. Особенно искажения волнового фронта проявляются в случае применения многомодового оптического волокна.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание параллельного анализатора спектра сигналов оптического диапазона, который позволял бы проводить исследования спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, с более высокой разрешающей способностью.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели является, увеличение быстродействия устройства, повышение его точности, разрешающей способности при анализе спектров оптических сигналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее канал анализа спектра сигнала, состоящий из формирующей оптики, согласующего элемента, фотоприемника и регистратора, дополнительно введены группа оптических волокон, блок обработки спектрометрической информации, блок индикации, пульт управления и n каналов анализа спектра сигнала, в каждый из которых дополнительно введены, последовательно установленные по ходу светового пучка, интерференционный фильтр, второй согласующий элемент, выход которого соединен с входом фотоприемника, а вход интерференционного фильтра оптически связан с выходом первого согласующего элемента, причем n выходов группы оптических волокон соединены со входами первых согласующих элементов для каждого канала, а вход оптически связан с формирующей оптикой, n входов блока обработки спектрометрической информации соединены с выходами фотоприемников каждого канала, а n+1 вход блока обработки спектрометрической информации соединен с пультом управления, первый его выход соединен с регистратором, а второй - с блоком индикации, причем группа оптических волокон, выполнена в виде жгута из n оптических волокон с одним общим входом, разделенного у конца на n волокон, а блок обработки спектрометрической информации, содержит мультиплексор, n входов которого соединены с выходами фотоприемников каждого канала, n+1 вход через шину соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход мультиплексора соединен со входом усилителя, выход которого соединен с одним из входов блока усиления, второй вход которого соединен через шину с одним из выходов микроконтроллера, а выход - со входом микроконтроллера, один из входов микроконтроллера через шину соединен с пультом управления, а один из выходов соединен со входом блока индикации через шину, преобразователь уровней с микроконтроллером соединяется посредством двунаправленной шины, и с регистратором посредством двунаправленной шины.
Совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении полезной модели в силу того, что отсутствие пространственного Фурье-процессора позволяет проводить анализ спектра сигналов оптического диапазона с высокой разрешающей способностью, определяющейся полосой пропускания интерференционных фильтров, не принимая в учет искажение фронта анализируемого излучения. Содержащаяся в заявляемом устройстве группа оптических волокон эффективно используется для передачи на расстояние анализируемого излучения при анализе широкополосных оптических сигналов в областях, включающих ближний инфракрасный и весь видимый диапазоны. Наличие в заявляемом устройстве интерференционных фильтров, позволяет расширить диапазон анализируемых длин волн.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, параллельного анализатора спектра сигналов оптического диапазона, отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
В настоящее время авторам не известны спектральные приборы, которые позволяли бы проводить с таким же быстродействием, разрешающей способностью и в таком широком диапазоне длин волн параллельный анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, например, в агрессивных химических средах при повышенной влажности и температуре.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - структурная схема параллельного анализатора спектра сигналов оптического диапазона, фиг.2 - структурная схема блока обработки спектрометрической информации, фиг.3 - структурная схема группы оптических волокон и введены следующие обозначения:
1 - формирующая оптика;
2 - группа оптических волокон;
3 - первый согласующий элемент;
4 - интерференционный фильтр;
5 - второй согласующий элемент;
6 - фотоприемник;
7 - блок обработки спектрометрической информации;
7.1 - мультиплексор;
7.2 - усилителя;
7.3 - блока усиления;
7.4 - микроконтроллера;
7.5 - преобразователь уровней;
8 - регистратор;
9 - блок индикации;
10 - пульт управления.
Параллельный анализатор спектра сигналов оптического диапазона содержит формирующую оптику 1, оптически связанную со входом группы оптических волокон 2, n выходов которой соединены со входами первых согласующих элементов 3, для каждого из n каналов, которые последовательно связанные с установленными по ходу светового пучка интерференционными фильтрами 4, вторыми согласующими элементами 5, фотоприемниками 6, выходы которых соединены с n входами блока обработки спектрометрической информации 7, один из выходов которого соединен с регистратором 8, а второй с блоком индикации 9, пульт управления 10 соединен с n+1 входом блока обработки спектрометрической информации 7, блок обработки спектрометрической информации 7 соединен с регистратором 8 через двунаправленную шину 11, с блоком индикации 9 - через шину 12, а с пультом управления 10 - через шину 13, причем группа оптических волокон 2 выполнена в виде жгута из n оптических волокон с одним общим входом, разделенного у конца на n волокон, а блок обработки спектрометрической информации 7, содержит мультиплексор 7.1, n входов которого соединены с выходами фотоприемников 6 каждого канала, n+1 вход через шину 14 соединен с одним из выходов микроконтроллера 7.4, а выход соединен со входом усилителя 7.2, выход которого соединен с одним из входов блока усиления 7.3, второй вход которого соединен через шину 15 с одним из выходов микроконтроллера 7.4, а выход - со входом микроконтроллера 7.4, один из входов которого через шину 13 соединен с пультом управления 10, а один из выходов соединен со входом блока индикации 9 - через шину 12, преобразователь уровней 7.5 с микроконтроллером 7.4 соединен посредством двунаправленной шины 16, а с регистратором - посредством двунаправленной шины 11.
Формирующая оптика 1 может быть выполнена, например, из сферической линзы и второй сферической линзы, в фокусе которой расположен торец группы оптических волокон.
В качестве первого согласующего элемента 3 может быть использована коллимирующая линза.
В качестве интерференционного фильтра 4 может быть использован узкополосный интерференционный фильтр на заданную длину волны.
В качестве второго согласующего элемента 5 может быть использована фокусирующая линза.
Фотоприемник 6 может быть выполнен, например, на фотодиоде ФД-265.
В качестве мультиплексора 7.1 может быть использована интегральная микросхема аналогового мультиплексора с цифровым управлением - CD4067.
Усилитель 7.2 может быть выполнен, например, на основе операционного усилителя TL071.
Два регулируемых микроконтроллером усилителя блока усиления 7.3 могут быть выполнены на основе таких же операционных усилителей, но с использованием сдвоенного «цифрового потенциометра» AD5282, управляемого микроконтроллером и включенного в цепь обратной связи операционных усилителей.
В качестве микроконтроллера 7.4 может быть использован, например, микроконтроллер семейства AVR Atmega8 фирмы Atmel.
Преобразователь уровней 7.5 для корректной связи с компьютером может быть выполнен, например, на базе интегральной микросхемы МАХ232.
В качестве регистратора 8 может быть использован, например, персональный компьютер или ноутбук.
Блок индикации 9 может быть изготовлен, например, с применением стандартного знакосинтезирующего жидкокристаллического индикатора ВС1602.
Пульт управления 10 включает в себя переключатель, управляющий питанием, и кнопки без фиксации, подключенные напрямую к микроконтроллеру для управления блок обработки спектрометрической информации 7.
Устройство работает следующим образом: формирующая оптика 1 передает принимаемое из окружающего пространства оптическое излучение на общий входной торец группы оптических волокон 2, по которой оптическое излучение передается на заданное расстояние и в котором, согласно фиг. 3, через n выходов поступает на входы первых согласующих элементов 3, для каждого из n каналов, в которых проходит фильтрацию с помощью интерференционных фильтров 4, после которых оптический сигнал через вторые согласующие элементы 5 поступает на входы фотоприемников 6, преобразованная в электрический сигнал информация об оптическом излучение поступает на n входов блока обработки спектрометрической информации 7.
Сигналы от фотоприемников 6, величина каждого из которых зависит от интенсивности излучения на данной частоте, поступают на входы мультиплексора 7.1. Микроконтроллер 7.4 последовательно коммутирует посредством шины 14 управления мультиплексором каждый из сигналов на один выход мультиплексора, подключенный к усилителю 7.2. Усилитель 7.2 является усилителем с управляемым коэффициентом усиления и служит для грубой установки чувствительности прибора оператором. Далее мультиплексированный сигнал поступает на первый усилитель блока усиления 7.3, управляемый микроконтроллером 7.4. Микроконтроллер 7.4 изменяет коэффициент усиления этого усилителя при каждом переключении мультиплексора 7.1 на следующий канал так, что компенсируется неравномерность преобразования каждого оптического датчика. С выхода первого усилителя сигнал поступает на второй регулируемый микроконтроллером усилитель блока усиления 7.3. Коэффициент усиления второго усилителя, выставляемый микроконтроллером, зависит только от максимального уровня всех каналов. Если максимальный уровень сигнала превышает допустимую величину, микроконтроллер автоматически уменьшает коэффициент усиления этого усилителя, приводя величину сигнала канала с наибольшим уровнем сигнала из всех к максимально допустимому значению. Если же уровень максимального сигнала какого-то из всех каналов будет много меньше максимально допустимого значения, микроконтроллер автоматически будет увеличивать коэффициент усиления этого усилителя, пока не приведет значение этого уровня к максимально допустимому. Это решение упрощает наблюдение за сигналом, оптимизируя его для более детального считывания информации с оптических датчиков. С выхода блока усиления 7.3 сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера для оцифровки. Микроконтроллер производит обработку этого сигнала и выводит на блок индикации 9 (дисплей) информацию об уровне сигнала на каждом из каналов в виде столбчатой диаграммы. Управление блоком обработки спектрометрической информации 7 осуществляться с помощью пульта управления 10. Также есть возможность передавать информацию об уровнях измеряемых сигналов и управлять устройством через СОМ порт RS-232 регистратора 8 посредством преобразователя уровней 7.5 TTL - RS-232 LC.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата параллельным анализатором спектра сигналов оптического диапазона обеспечивается применением группы оптических волокон 2 для передачи спектрометрической информации от объекта и применением интерференционных фильтров 4 для параллельной оптической фильтрации.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель, и прототип позволяет сделать вывод, что прототип не может обеспечить нужного быстродействия и точности проведение спектральных измерений в широком диапазоне длин волн с нужной разрешающей способностью для решения многих технических задач. Следовательно, объект полезной модели существенно увеличивает круг возможного применения спектральных измерений в науке и технике.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также дополнительное их достоинство: массогабаритные показатели.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной полезной модели выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее устройство-полезную модель при его осуществлении, предназначено для использования в области спектрометрии, а именно проведения с высокой разрешающей способностью параллельного спектрального анализа в широком диапазоне источников оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми не возможны либо не желательны в силу наличия вблизи таких источников агрессивной химической среды, повышенной температуры, влажности;
- для заявленной полезной модели в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».