СЕЛЕКТИВНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к области спектрометрии, а именно к устройствам спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн и может быть использована для исследований полей излучения источников оптических сигналов, непосредственный контакт с которыми невозможен, либо нежелателен, а также спектральных характеристик материалов, атмосферы и т.п.
Известно устройство "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 анализатора спектра сигналов оптического диапазона являются, необходимость перестройки системы по диапазону длин волн, следствием которой является низкое быстродействие, определяемое временем перестройки. Также к недостаткам можно отнести проблему формирования плоского однородного фронта анализируемого излучения, падающего на диспергирующий элемент, в данном случае акустооптический модулятор, и проблему ввода оптического излучения в волокно. Предложенный дифракционный принцип анализа спектра сигналов С применением пространственного Фурье-процессора требует формирования светового пучка с плоским однородным фронтом, что может оказаться затруднительным. При применении многомодового оптического волокна в качестве линии передачи происходит разрушение плоского однородного волнового фронта анализируемого излучения за счет многомодового распространения излучения в волокне, что приводит к ухудшению разрешающей способности прибора и существенным погрешностям спектральных измерений. При применении одномодовых волокон возникают серьезные трудности с вводом оптического излучения в волокно, в результате чего снижается светосила линии передачи, а, следовательно, ухудшается чувствительность прибора.
Известно устройство "Малогабаритный оптоволоконный спектрометр USB2000+" фирмы «Осеаn Optics» (Catalog 2017). Такой спектрометр построен по скрещенной схеме Черни-Тернера и содержит, размещенные в общем корпусе, входную щель, коллимирующее зеркало, плоскую дифракционную решетку, фокусирующее зеркало и детектор на базе прибора с зарядовой связью (далее - ПЗС-детектор). Входом спектрометра является оптический разъем SMA 905, к которому подключается волоконно-оптический кабель. Дополнительно в спектрометр может быть установлен длинноволновый поглощающий фильтр, отрезающий излучение 2-го и 3-го порядков дифракции. Спектрометр содержит аналого-цифровой преобразователь (далее - АЦП) и программируемый микроконтроллер, что позволяет подключить его к персональному компьютеру, используя специальное программное обеспечение фирмы «Осеаn Optics».
Недостатками известного устройства "Малогабаритный оптоволоконный спектрометр USB2000+" также являются проблема формирования плоского однородного фронта анализируемого излучения, падающего на диспергирующий элемент, в данном случае дифракционной решетки, и проблема ввода оптического излучения в волокно.
Другим существенным недостатком является то, что данный спектрометр не позволяет выполнять измерения в широком диапазоне оптических длин волн. При приобретении спектрометра производитель предлагает выбрать одну из 14 дифракционных решеток, каждая из которых характеризуется числом штрихов на мм (определяет разрешение) и определенным спектральным диапазоном (например, 200-575 нм; 250-800 нм; 350-850 нм; 500-1100 нм; 650-1100 нм). Замена дифракционной решетки возможна только производителем.
Кроме того, волоконно-оптический кабель используется для удобства оператора при проведении спектральных измерений во внелабораторных условия, либо для подключения дополнительных функциональных узлов измерительной установки, например проходной кюветы. Следовательно, этот спектрометр не способен проводить анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны.
Известно устройство-прототип "Параллельный анализатор спектра сигналов оптического диапазона", (Патент РФ на полезную модель №86734, МПК G01J 3/26, опубликован 10.09.2009). Устройство содержит формирующую оптику, оптически связанную с волоконно-оптическим жгутом, n выходов которого для каждого из n каналов соединены со входами первых согласующих элементов, которые последовательно связаны с установленными по ходу светового пучка оптическими фильтрами, вторыми согласующими элементами и фотоприемниками, выходы которых соединены с n входами блока обработки спектрометрической информации, один из выходов которого соединен с регистратором, а второй с блоком индикации, пульт управления соединен с n+1 входом блока обработки спектрометрической информации.
Устройство позволяет проводить параллельный анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны.
Недостатком известного устройства - прототипа анализатора спектра сигналов оптического диапазона является недостаточно высокая разрешающая способность, которая ограничивается полосой пропускания оптических фильтров.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание селективного многоканального оптического спектрометра, который позволял бы проводить одновременный спектральный анализ 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, повышение ее разрешающей способности.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащее формирующую оптику, оптически связанную с волоконно-оптическим жгутом, n каналов анализа спектра сигнала, в каждом из которых последовательно установлены по ходу светового пучка, первый согласующий элемент, оптический фильтр, второй согласующий элемент и блок обработки спектрометрической информации, оптический фильтр выполнен в виде узкополосного интерференционного оптического фильтра, на одной стороне которого нанесены штрихи в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных полос, причем блок обработки спектрометрической информации выполнен в виде последовательно установленных детектора на базе прибора с зарядовой связью, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, программируемой логической интегральной схемы, первый выход которой соединен через двунаправленную шину со входом преобразователя интерфейса USB, выход которого соединен через двунаправленную шину с персональным компьютером, второй выход программируемой логической интегральной схемы соединен через двунаправленную шину с запоминающим устройством, а третий - со вторым входом усилителя, второй выход детектора на базе прибора с зарядовой связью соединен со вторым входом программируемой логической интегральной схемы.
Совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении полезной модели в силу того, что применяемый узкополосный оптический фильтр, на одной стороне которого нанесена решеткоподобная структура, т.е. штрихи в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных полос, позволяет проводить одновременный анализ спектра оптических сигналов в заранее определенных участках, перекрывающих весь интересующий диапазон анализа с высокой разрешающей способностью, которая в конечном счете определяется плотностью нанесенных штрихов. Выбор заранее определенных участков обусловлен конкретной решаемой практической задачей и задается полосой пропускания узкополосного интерференционного оптического фильтра. Таким образом, в данном спектрометре имеет место двойное спектральное разложение анализируемого широкополосного оптического излучения. Первичное спектральное разложение осуществляется по принципу узкополосной фильтрации в N параллельных каналах, каждый из которых содержит узкополосный оптический фильтр, настроенный на определенную длину волны. После узкополосной фильтрации выполняется вторичное спектральное разложение - анализируемое оптического излучения дифрагирует на решеткоподобной структуре (аналог - дифракционная решетка), нанесенной на одну из сторон оптического фильтра, и спектральные составляющие разделяются по направлению. Двойное спектральное разложение позволяет получить высокое разрешение в заданном участке спектра.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, селективного многоканального оптического спектрометра, отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
В настоящее время авторам не известны спектральные приборы, которые позволяли бы проводить в широком диапазоне анализируемых длин волн с такой же разрешающей способностью одновременный 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 селективного многоканального оптического спектрометра, фиг. 2 - изображение оптического фильтра, на одной стороне которого нанесены штрихи в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных полос, фиг. 3 - структурная схема блока обработки спектрометрической информации:
1 - формирующая оптика;
2 - волоконно-оптический жгут;
3 - первый согласующий элемент;
4 - оптический фильтр;
5 - второй согласующий элемент;
6 - блок обработки спектрометрической информации;
6.1 - ПЗС-детектор;
6.2 - усилитель;
6.3 - АЦП;
6.4 - программируемая логическая интегральная схема (далее - ПЛИС);
6.5 - преобразователь интерфейса USB;
6.6 - запоминающее устройство;
7 - персональный компьютер.
Селективный многоканальный оптический спектрометр, содержит формирующую оптику 1, оптически связанную со входом волоконно-оптического жгута 2, n выходов которого соединены со входами первых согласующих элементов 3, для каждого из n каналов, которые связаны с последовательно установленными по ходу светового пучка узкополосными интерференционными оптическими фильтрами 4, на одной стороне которых нанесены штрихи в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных полос, и вторыми согласующими элементами 5, выходы которых оптически соединены с входом блока обработки спектроскопической информации 6, который через двунаправленную шину соединен с персональным компьютером 7.
Блок обработки спектрометрической информации 6 содержит последовательно установленные ПЗС-детектор 6.1, программируемый усилитель 6.2, АЦП 6.3, микросхему ПЛИС 6.4, первый выход которой соединен через двунаправленную шину со входом преобразователя интерфейса USB 6.5, выход которого соединен через двунаправленную шину с персональным компьютером 7, второй выход микросхемы ПЛИС 6.4 соединен через двунаправленную шину с запоминающим устройством 6.6, а третий - со вторым входом усилителя 6.2, второй выход ПЗС-детектора 6.1 соединен со вторым входом ПЛИС 6.4.
Формирующая оптика 1 может быть выполнена, например, из сферической линзы и второй сферической линзы, в фокусе которой расположен торец группы оптических волокон. Линзы могут быть выполнены в едином корпусе с юстировочной системой, обеспечивающей перемещение линзы вдоль оптической оси для достижения максимальной эффективности ввода оптического излучения в группу оптических волоки.
В качестве оптического волокна, входящего в состав волоконно-оптического жгута 2, может быть использовано, например пластиковое оптическое волокно типа POF (Plastic Optical Fiber). Пластиковое волокно имеет больший диаметр сердцевины, чем кварцевое, что позволяет улучшить эффективность ввода оптического излучения в волокно. Являясь пластиком, волокно данного типа меньше подвержено механическим воздействиям.
В качестве первого согласующего элемента 3 может быть использована коллимирующая линза.
В качестве оптического фильтра 4 может быть использован узкополосный интерференционный оптический фильтр на заданную длину волны. Штрихи могут быть нанесены путем напыления металла (например, хром) или другого оптически непрозрачного материала в соответствии с заданной топологией на одну из сторон оптического фильтра. Метод напыления накладывает ограничения на минимально возможный период нанесенных штрихов, связанные с технологическими особенностями метода. Для получения штриховой структуры с более мелким периодом, что приведет к увеличению разрешающей способности, возможно изготовление в обратной последовательности: на основание фильтра, изготовленного, например, из оптического стекла, сначала формируют штрихи по технологии с применением алмазного резца, после этого идет процесс напыление тонких пленок, образующих структуру узкополосного интерференционного оптического фильтра и обеспечивающих необходимые фильтрующие свойство фильтра.
В качестве второго согласующего элемента 5 может быть использована фокусирующая линза.
Блок обработки спектрометрической информации 6 может быть реализован на базе ПЗС-детектора 6.1, имеющего матричное расположение пикселов или линейное, например, фирмы Toshiba TCD1304AP, фирмы Sony ILX511B или фирмы Hamamatsu S7031-1006S. В качестве программируемого усилителя может быть использован операционный усилители с цифровым программированием коэффициента усиления, например PGA202. АЦП 6.3 может быть реализован на базе АЦП с разрядностью 12 бит ADC128S022 фирмы Texas Instruments. В качестве ПЛИС 6.4 может быть использована ПЛИС серии CYCLONE фирмы Altera. Преобразователь интерфейса USB 6.5 может быть реализован на базе преобразователя USB-FIFO FT245RL. В качестве ЗУ 6.6 может быть использована FLASH память с параллельным интерфейсом, например S29AL032D фирмы Spansion.
Устройство работает следующим образом: формирующая оптика 1 передает принимаемое из окружающего пространства анализируемое оптическое излучение на общий входной торец волоконно-оптического жгута 2, по которому оптическое излучение передается на заданное расстояние и через n выходов поступает на входы первых согласующих элементов 3, для каждого из n каналов, в которых с помощью оптического фильтра 4 излучение сначала проходит узкополосную фильтрацию, затем дифрагирует на решеткоподобной структуре, нанесенной на одну из сторон фильтра, и спектральные составляющие разделяются по направлению.
Спектральные составляющие анализируемого излучения в каждом канале фокусируются вторыми согласующими элементами 5 на блок обработки спектрометрической информации 6, в котором с помощью ПЗС-детектора 6.1 производится фото детектирование анализируемого оптического сигнала. Чувствительная поверхность ПЗС-детектора программно разбита на области в соответствии с количеством каналов, в областях каждый пиксель соответствует определенной длине волны, попадающей в полосу пропускания фильтра. После фотодетектирования электрический сигнал поступает на вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления 6.2, изменение коэффициента усиления позволяет увеличить динамический диапазон блока обработки спектрометрической информации. После усиления сигнал оцифровывается с помощью АЦП 6.3 и поступает на вход ПЛИС 6.4. Микросхема ПЛИС выполняет дальнейшую цифровую обработку анализируемого сигнала, управляет программируемым усилителем и программно управляет ПЗС-детектором 6.1. После обработки спектр анализируемого сигнала в цифровом виде через преобразователь интерфейса USB 6.5 передается на персональный компьютер 7. Запоминающее устройство 6.6 используется для хранения коэффициентов калибровки по длине волны и коэффициентов корректировки, компенсирующих разброса параметров оптических элементов спектрометра (оптического волокна, линз, оптических фильтров) для каждого канала. Отображение спектроскопической информации об анализируемом сигнале и управление блоком обработки спектроскопической информации осуществляется с помощью специально разработанного программного обеспечения.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата селективным многоканальным оптическим спектрометром обеспечивается применением узкополосного оптического фильтра, на одной стороне которого нанесена решеткоподобная структура, т.е. штрихи в виде чередующихся параллельных друг другу прозрачных и непрозрачных полос, что позволяет проводить одновременный анализ спектра оптических сигналов в заранее определенных участках, перекрывающих весь интересующий диапазон анализа с высокой разрешающей способностью.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель, и прототип позволяет сделать вывод, что прототип не может обеспечить высокой разрешающей способности. Следовательно, объект полезной модели существенно увеличивает круг возможного применения спектральных измерений в науке и технике.
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 одновременного 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».