СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СПЕКТРА
METHOD OF FORMING AN OPTICAL SPECTRUM

Изобретение относится к спектральному анализу химического состава вещества, а именно к средствам формирования спектра видимого диапазона длин волн, и может быть использовано в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрометрических устройствах.
Известен способ формирования оптического спектра, в котором пространственное разделение излучения разных длин волн, осуществляется путем отклонения его на различные углы с помощью диспергирующего элемента - прозрачной призмы, где используется зависимость показателя преломления в оптическом стекле от длины волны (дисперсия).
Основным недостатком известного способа является снижение интенсивности светового потока при прохождении через щель и призму, что снижает эффективность в определении спектральных линий химических элементов в спектрометрах. Кроме того, в результате неоднородности материала и неточности полировки фронт плоской волны, прошедшей призму, будет искажен. Эти искажения влияют на разрешающую способность. Еще одним недостатком призмы являются аберрации, связанные с наличием в падающем на нее потоке непараллельных лучей [1].
Известен способ формирования оптического спектра, включающий пропускание входного светового пучка через входную щель, расположенную на круге Роуланда, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, расположенной напротив входной щели на круге Роуланда, вывод интересующих участков спектра через выходные окна, расположенные напротив дифракционной решетки и установленные на поверхности круга Роуланда, а также направление сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению (нулевой порядок спектра) на мнимую входную щель, расположенную на круге Роуланда и направление прошедшего через нее света на дополнительную вогнутую дифракционную решетку, также установленную на круге Роуланда и формирующую дополнительный участок спектра в дополнительном окне, расположенном на поверхности круга Роуланда [2].
Основным недостатком известного способа формирования оптического спектра является, использование мнимой входной щели, дополнительно формируемой на круге Роуланда, направляющей свет на дополнительную дифракционную решетку, что приводит к существенным потерям света, которые могут составлять более 50%, и может сказываться на качестве проводимого спектрального анализа.
Известен способ, включающий пропускание входного светового пучка через входную щель, разделение прошедшего через щель света по длинам волн с помощью первичной вогнутой дифракционной решетки, вывод интересующих участков спектра через выходные окна и направление светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку и не подвергшегося разложению на дополнительную вогнутую дифракционную решетку. Дополнительную решетку устанавливают на пути сходящегося светового пучка, прошедшего первичную дифракционную решетку на оси сходящегося светового пучка между первичной дифракционной решеткой и положением фокуса сходящегося пучка [3].
Благодаря указанному расположению дополнительной дифракционной решетки удается существенно сократить оптический путь сходящегося светового пучка и тем самым уменьшить габариты корпуса спектрометра.
Для исключения потерь сходящегося светового пучка, размеры рабочей поверхности дополнительной дифракционной решетки выбирают не менее поперечного размера сходящегося светового пучка.
Для обеспечения заданной точности и предполагаемых габаритных размеров оптической компоновочной схемы, параметры дополнительной дифракционной решетки рассчитывают, исходя из заданного диапазона спектра, величины допустимых оптических искажений спектральных линий, а также положения и размера дополнительного выходного окна.
Главным недостатком данного способа является сложность изготовления и настройки устройств, его реализующего.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ формирования оптического спектра, заключающийся в формирования частичного спектра видимого диапазона длин волн, с помощью кадровой развертки цветных полос на экране дисплея или телевизора, содержащего излучатели только трех базовых цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (В) или (RGB-пикселы) [4].
1
n
Главным недостатком такого способа, применительно к спектрографии, является невозможность его применения в качестве излучателя полного спектра длин волн оптического диапазона, например, от фиолетового цвета монохроматического излучения (λ=380 нм) до красного (λ=760 нм), так как все остальные цвета формируются в коре головного мозга человека путем смешения трех основных цветов (красного, зеленого и синего) в определенной пропорции на сетчатке глаз.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением является устранение вышеуказанных недостатков аналогов, а именно упрощение оптической схемы, увеличение точности спектрального анализа.
Технический результат состоит в создании новой оптической схемы, позволяющей значительно упростить спектрометры при одновременном повышении точности измерений, за счет исключения потерь светового излучения, связанных с прохождением его через призму или дифракционные решетки.
Кроме того, поочередное включение сегментов экрана, каждый из которых излучает определенную монохроматическую длину волны, исключает их взаимодействие между собой и снижает электромагнитные помехи. Введение в устройство дополнительного канала передачи данных от независимого источника информации путем высокоскоростной амплитудной модуляции светового потока по аналогии с беспроводной передачей данных Li-Fi (Light-Fire), расширяет функциональные и информационные способности устройства, реализующего данный способ.
1
k
n
Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования излучаемого оптического спектра, включающем разделенное излучение светового потока по длинам волн, согласно изобретению пространственное разделение излучения разных длин волн осуществляется с помощью кадровой развертки на экране дисплея, разделенного слева - направо на вертикальные сегменты, каждый из которых содержит пикселы, изготовленные из светоизлучающих органических диодов или из квантовых точек, с определенной монохроматической длиной волны излучения, от фиолетового цвета ((λ=380 нм), некоторого промежуточного, например, зеленого (λ=550 нм) до красного (λ=760 нм), где n - количество монохроматических излучений, формирующих видимый спектр; фрагмент изображения производится путем построчного включения пикселов каждого сегмента слева-направо и сверху-вниз, при этом электрический сигнал изображения состоит из сигнала цветовой яркости, синхроимпульсов соответственно строчной, сегментной и кадровой разверток.
Целесообразно также для расширения функциональных и информационных возможностей способа ввести дополнительный канал передачи данных от независимого источника информации путем высокоскоростной модуляции светового потока по аналогии с беспроводной передачей данных Li-Fi (Light-Fire) по яркости [5].
На фиг. 1 изображена упрощенная структурная схема устройства формирования оптического спектра, реализующая предлагаемый способ.
На фиг. 2 показан сегмент экрана дисплея, содержащего пикселы с определенной монохроматической длиной волны излучения.
1
n
На фиг. 3 представлен экран, состоящий из вертикальных сегментов, каждый из которых содержит пикселы с определенной монохроматической длиной волны излучения - от фиолетового (λ=380 нм) до красного (λ=760 нм).
На фиг. 4 представлен электрический сигнал изображения оптического спектра.
На фиг. 5 показан экран дисплея, излучающий оптический спектр.
На фиг. 6 изображена упрощенная конструкция органического светодиода (пиксела).
На фиг. 7 представлена, в упрощенном виде конструкция трехмерной квантовой точки.
На фиг. 8 показана зависимость длины волны квантовой точки от ее размера.
На фиг. 9 показана упрощенная схема принципа работы QLED-дисплея, содержащего жидкокристаллический экран с квантовыми точками.
На фиг. 10 изображена упрощенная структурная схема устройства формирования оптического спектра, содержащая модулятор светового потока спектра по яркости от внешнего источника информации, использующая беспроводную передачу данных по технологии Light-Fire.
На фиг. 11, в качестве примера, представлена упрощенная структурная схема анализатора оптического спектра вещества (жидкости или газа), содержащая высокоскоростную модуляцию светового потока спектра по яркости от внешнего источника информации.
1
k
n
Для реализации заявляемого способа формирования оптического спектра предлагается устройство 1 (фиг. 1), состоящее из источника 2 сигнала изображения 3 оптического спектра 4, подключенного ко входу дисплея 5, экран 6 которого разделен слева - направо на вертикальные сегменты 7 (фиг. 2 - фиг. 3), каждый из которых содержит пикселы 8, излучающие свет с определенной монохроматической длиной волны, от фиолетового цвета (λ=380 нм), некоторого промежуточного, например, зеленого (λ=550 нм) до красного (λ=760 нм). При этом электрический сигнал изображения 3 (фиг. 4) состоит из сигнала яркости 9, синхроимпульсов 10, 11, 12, соответственно строчной, сегментной и кадровой разверток. Пикселы 8 экрана 6, могут быть изготовлены из светоизлучающих органических диодов 13 (фиг. 6), либо из квантовых точек 14 (фиг. 7).
Светотехнические показатели органических светодиодов 13 характеризуются малым энергопотреблением, большой яркостью и контрастностью, малой толщиной, малым временем отклика (высоким быстродействием), широкими углами обзора, незначительным весом, возможностью создания гибких экранов и т.д.
Органический светодиод 13 (фиг. 6) содержит несущую основу, выполненную в виде прозрачной подложки 15, внутри которой герметично установлен прозрачный анод 16, светоотражающий катод 17 и размещенный между ними набор слоев органических веществ, состоящий, по меньшей мере, из прозрачного слоя транспортировки дырок 18, эмиссионного слоя 19, содержащего органические вещества для излучения светового потока 20 различных длин волн (от фиолетового до красного) и слоя транспортировки электронов 21.
2
3
В качестве материалов для светоотражающего катода 16 могут быть использованы Li-Al или Mg-Ag, для светопропускающего слоя - прозрачная пленка ITO (InO). В качестве эмиссионного слоя можно использовать соединения скандия с гетероциклическими лигандами [6], обеспечивающими заданную волну монохроматического излучения.
Принцип работы органического светодиода 13, заключается в следующем. При подаче на анод 16 положительного относительно катода 17 напряжения, поток электронов протекает через проводящий слой от катода 17 к аноду 16. Таким образом, катод отдает электроны в эмиссионный слой 19, а анод 16 забирает электроны из проводящего слоя (отдает дырки в проводящий слой). Эмиссионный слой 19 получает отрицательный заряд, а проводящий слой - положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою 19, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается выделением (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света.
Светотехнические характеристики квантовых точек 14, также как и органических светодиодов характеризуются большой яркостью излучения и малым энергопотреблением, причем длина волны их излучения существенно зависит от их размеров (фиг. 8) [7-10].
3
5
Основным элементом квантовой точки 14 является двухслойная полупроводниковая наночастица (фиг. 7) с ядром 23 и органической оболочкой 24, препятствующая агрегации. В качестве ядра 23 обычно используются такие материалы как CdS, ZnSe, CdSe. Полупроводниковый материал с более широкой запрещенной зоной служит оболочкой 24. Такая конструкция квантовой точки 14 позволяет более эффективно использовать ядро 23 как излучатель света. Органическая оболочка 24 (обычно олеиновая кислота), кроме репульсивных функций, в большинстве случаев выполняет роль передатчика энергии возбуждения на излучающую неорганическую частицу. Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 2-10 нм, и состоят они из 10-10 атомов (фиг. 9).
На фиг. 9 представлена упрощенная схема QLED-дисплея (ЖК-экрана с квантовыми точками 14), содержащая анод 25, катод 26, материал полупроводника р-типа 27 и материал полупроводника n-типа 28. При подаче на анод 25 положительного относительно катода 26 напряжения, квантовые точки 14 излучают свет определенной длины волны за счет внешнего возбуждения электрическим током.
Упрощенная конструкция устройства 1 реализации предлагаемого способа формирования оптического спектра происходит следующим образом (фиг. 1). При подаче сигнала изображения 3 на вход дисплея 5 на его экране 6 кадровая развертка 12 излучаемого спектра 4 (фиг. 4) формируется поочередной разверткой строк каждого сегмента 7, по горизонтали - слева - направо и по вертикали - сверху - вниз.
В результате происходит поочередное излучение света только с одной монохроматической длиной волны в пределах одного сегмента максимально возможной интенсивности, что исключает смешение (взаимодействие) различных длин волн между собой.
На фиг. 10 представлена упрощенная структурная схема устройства 29, расширяющего функциональные и информационные возможности предлагаемого способа.
Устройство 29 содержит источник 2 сигнала изображения 3 оптического спектра 4, подключенного ко входу дисплея 5 и независимый источник 30 передачи данных 31, подаваемых на вход дисплея 5.
Работа устройства 29 заключается в следующем. При подаче сигнала 3 на вход дисплея 5 на его экране 6 формируется посегментно слева-направо изображение, излучающее оптический спектр 4 (см. фиг. 5). Одновременно с выхода независимого источника информации 30 на вход дисплея 5 подаются данные 31. На экране 6 дисплея 5, формируется изображение оптического спектра 32, промодулированное данными 31 от внешнего источника 30.
На фиг. 11 в качестве примера, представлена упрощенная структурная схема анализатора спектра 33, реализующего предлагаемый способ с расширенными функциональными и информационными возможностями.
Анализатор спектра 33 содержит устройства 29 формирования оптического спектра 32, кювету 34 для размещения исследуемого вещества 35 (прозрачная жидкость или газ), многоэлементный фотоприемник 36, выходом подключенный, соответственно, к блоку 37 регистрации и спектрального анализа исследуемого вещества 35, а также ко входу приемного устройства 38 данных от независимого сигнала от источника 30. С целью синхронной работы сигналов дисплея 5 и фотоприемника 36 в устройство 33 введен селектор 39 синхроимпульсов 10, 11 12, соответственно, строчной сегментной и кадровой разверток изображения спектра 4.
Рассматриваемое устройство 33 работает следующим образом.
Излучаемый с экрана 6 дисплея 5 оптический спектр 32, пропускается через прозрачную кювету 34, наполненную жидкостью (водой) или газом.
Под действием излучаемого спектра 32, представляющего собой поток фотонов с различной длиной волны излучения, в анализируемом веществе, в зависимости от применяемого атомно-абсорбционного или атомно-эмиссионного метода анализа, происходит поглощение химическими элементами, либо при возбуждении атомов (например, за счет их нагрева до нужной температуры) испускание ими фотонов с определенной энергией (длиной волны). С выхода из кюветы 34, полученный световой поток 40 попадает на фоточувствительную поверхность фотоприемника 36, где происходит преобразование света в электрический сигнал, который синхронизируются строчными 10, сегментными 11 и кадровыми 12 синхроимпульсами, выделенными селектором 39 и формирует на выходе фотоприемника 36 видеосигнал 41. Далее, видеосигнал 41 подается на вход блока регистрации 37 и вход приемного устройства 38 данных 31 от независимого источника 30.
При этом на экране монитора (на фиг. не показан) регистратора 37 появится изображение спектра в виде цветных полос, содержащего либо темные, либо светлые линии, что означает, соответственно, поглощение фотонов атомами, либо их испускание. Кроме того, видеосигнал 41, подаваемый в блок 37 регистрации и обработки информации 10 (например, ЭВМ с аналоговым входом), преобразуется в цифровую форму, запоминается для расчета положений максимумов реперной спектральной линии.
Аналогично, видеосигнал 41, подаваемый на вход приемного устройства 38, подвергается обработке в соответствии с заданными требованиями.
Предлагаемый способ может быть использован в устройствах атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного анализа, а также в других спектрометрических устройствах с с расширенными функциональными и информационными характеристиками.
Литературные источники.
1. [Загрубский А.А., Цыганенко Н.М., Чернова А.П. Учебное пособие. "Спектральные приборы". СПб, Соло, 2007].
2. Журнал «Аналитика и контроль», 1999 г., №2, стр. 44-49.
3. Патент RU №2349885 С2, Способ формирования спектра, опубл. 2009.03.20.
4. Зубарев Ю.Б., Глориозов. Л. «Передача изображений». Учебник для вузов связи. - М.: Радио и связь, 1982. - 224 с.
5. Алексеев Д.А., Ермолаева В.В. Li-Fi - прорыв в науке или бесполезная игрушка? Преимущества и недостатки Li-Fi перед Wi-Fi // Молодой ученый. - 2015. - №11. - С. 161-164.
6. М.Н. Бочкарев, А.Г. Витухновский, М.А. Каткова. Органические светоизлучающие диоды (OLED), 2011., 351 с. Изд-во: ДЕКОМ.
7. Васильев Р.Б., Дирин Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. - Методические материалы. - Москва: ФНМ МГУ, 2007. - 34 с.
8. В. Шундрин. Квантовые точки (Quantum dot LED) - новая технология производства дисплеев. Media Pure.RU - Май 1, 2015.
9. Квантовые точки. Уникальный материал для систем криптозащиты. ООО «НТИЦ «Нанотех-Дубна» (2011). Дата обращения 25 апреля 2019.
10. М.А. Ерофеев и др. «Создание и исследование органических светоизлучающих структур, содержащих массивы коллоидных квантовых точек». Оптика и спектроскопия 2018, том 124, вып. 5.