УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ СПЕКТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к аналитическому приборостроению.
В большинстве спектрометров в качестве фотоприемного устройства используют ПЗС- или КМОП-линейки и матрицы, которые успешно справляются с задачей фиксации изображения спектра в статическом режиме. В динамическом режиме, кроме высокой чувствительности и большого динамического диапазона по яркости фотоприемники должны обладать высоким быстродействием. В настоящее время высокое быстродействие достигается за счет уменьшения времени накопления с одновременным увеличением размеров фотоприемной ячейки для увеличения чувствительности и увеличением размера буферной памяти. [High-speed2048-pixel USB2.0 CCD linecamera with external trigger (12-bit), Mightex Systems, Canada] Однако достигнутого быстродействия недостаточно для исследования быстропротекающих процессов какими являются, например, изменение спектра во время включения светодиода.
зад
ik
зад
зад
ik
ik
ik
зад
ik
Известен “Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения” в которых временная развертка осуществляется механически с помощью вращающегося зеркала [RU 2485459]. Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения заключается в том, что каждый из световых импульсов, формируемых исследуемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в планке в виде матрицы с определенным количеством столбцов (рядов) и строк (световодов в ряду), изображение матрицы со световодами с помощью оптической системы, включающей вращающееся с заданной скоростью зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, фиксируют на фоточувствительной поверхности фотоприемника световые отметки, формируемые на разных этапах исследуемого процесса, определяют интервалы времени между отметками как частное от деления расстояний между ними на скорость развертки изображения. При этом искомые интервалы времени разбивают на две части: первую, общую для всех интервалов (время задержки T), величина которой на 1 мкс меньше времени развития исследуемого процесса, полученного расчетным путем на основании имеющейся информации о нем, и вторую, индивидуальную и требующую измерения для каждого интервала T, где i, k - номера столбца и строки изображения световода в матрице, имеющую порядок 1 мкс, в момент T формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора световой сигнал, задержанный по отношению к пусковому на заданную величину, фиксируют в том же кадре импульсы излучения из световодов на завершающей стадии процесса и метки времени, формируемые с заданной частотой, используя координаты угловых точек матрицы световодов, а также зная количество столбцов m и строк n в ней, расчетным путем определяют координаты всех световодов в момент T, определяют разность координат X вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Tзад, при этом в качестве цифрового регистратора световых сигналов применяют регистратор, у которого чувствительным к излучению элементом является ПЗС-матрица, а в качестве координат световых отметок принимают координаты пиксела в изображении световода, накопившего максимальный электрический заряд, с помощью меток времени определяют скорость развертки изображения, находят интервалы T как частное от деления соответствующей разности координат на скорость развертки, определяют искомые интервалы времени T как сумму интервалов T+T.
Недостатком механических развертывающих систем является их громоздкость и малое быстродействие.
Известен спектрометр, в котором в качестве фотоприемника используется многоэлементные фотодетекторы [Полезная модель №81320]. Спектрометр содержит корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система, на выходе которой установлен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком его управления и обработки выходных сигналов, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным, а установленный в нем многоэлементный фотодетектор - в бескорпусном исполнении, при этом корпус спектрометра вакуумирован или заполнен инертным газом.
Недостатком известного спектрометра является низкое быстродействие, минимальное время экспозиции составляет 10 мс.
Известно, что увеличение быстродействия ПЗС-фотоприемников приводит к увеличению потребляемой мощности, необходимости применения систем охлаждения, что приводит к увеличению габаритов. ([Секен, К. & Томпсет, М. Приборы с переносом заряда Мир, 1978]).
Известно, что в КМОП-матрице с бегущим затвором старт накопления каждой следующая строки сдвинут относительно предыдущей на время τ. [US 20110205415] и [А.Е. Рычажников «Особенности работы кмоп Фотоприемника в режиме бегущего электронного затвора» Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - Издательство СПбГЭТУ, №1, 2008].
В подавляющем большинстве современных КМОП сенсоров нет секции видеопамяти на целый кадр и применяется бегущий электронный затвор (Rolling Shutter). Время накопления в каждом пикселе начинается после того, как была считана предыдущая строка. Так как все строки сдвинуты относительно друг друга на время строки, то и время накопления в разных строках сдвинуто относительно друг друга на время строки. Таким образом, время записи кадра будет зависеть от суммы времени накопления и считывания, что принципиально отличается от реализации режима электронного затвора в матричных ПЗС.
Задачей предлагаемой полезной модели является измерение быстро изменяющихся спектров оптического излучения, например, во время включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.
Технический результат - повышение быстродействия устройств регистрации спектров.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство регистрации изменения спектров оптического излучения (фиг. 1), содержит диспергирующее устройство(1), разлагающий входной оптический сигнал от источника излучения (2) в сплошной спектр (3), изображение которого попадает на фотоприемник (4), соединенный с входом блока управления и регистрации сигналов фотоприемника (5), к выходу которого подключен источник излучения (2). В качестве фотоприемника используется КМОП-матрица с бегущим затвором, расположенная таким образом, что строки КМОП-матрицы перпендикулярны входной щели (7) диспергирующего устройства (1), а выход блока управления и регистрации сигналов фотоприемника (5)соединен с блоком синхронизации (6), управляющим процессами включения и выключения источника излучения (2), а также процессами регистрации сигналов фотоприемника. В качестве блока управления и регистрации сигналов фотоприемника может использоваться персональный компьютер.
При использовании предлагаемого устройства достигается высокоскоростное измерение количества спектров источника излучения, равное числу строк КМОП-матрицы с бегущим затвором за время формирования одного кадра в процессе включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.
Устройство может быть использовано для регистрации и исследования однократных быстропротекающих физических процессов, сопровождаемых световым и инфракрасным излучением, в частности изменение яркости, ширины спектра, смещения максимума спектра во время включения или выключения светодиода, с дискретностью примерно от 0,01 до 0,5 мс.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
Блок управления и регистрации сигналов фотоприемника (5) выдает импульс на блок синхронизации (6) который обеспечивает необходимое время задержки, так чтобы начало включения источника излучения (2) совпадало со стартом накопления первой строки КМОП-матрицы фотоприемника (4). Выходное оптическое излучение поступает на входную щель (7) диспергирующего устройства (1), а затем изображение сплошного спектра (3), представляющее собой монохроматические изображения входной щели (спектральных линий), проецируются на фотоприемник (2) перпендикулярно строкам КМОП-матрицы (Фиг. 2). Изображение спектра считывается и обрабатывается блоком регистрации и управления сигналов фотоприемника (5).
Особенность расположения изображения спектра на плоскости КМОП-матрицы фотоприемника показана на фиг. 2. Y1 - первая строка фотоприемника, YN - последняя строка фотоприемника, X1 - первый столбец фотоприемника, XN - последний столбец фотоприемника.
Изображение, полученное с помощью устройство регистрации динамических спектров показано на фиг. 3. То же изображение в трехмерном виде показано на фиг. 4 (J - интенсивность излучения, t - время, λ - длина волны).
Таким образом, предлагаемое устройство регистрации динамических спектров, позволяет осуществлять высокоскоростное измерение количества спектров источника излучения, равное числу строк КМОП-матрицы с бегущим затвором за время формирования одного кадра в процессе включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.