СТАТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИПЛЕКСНЫЙ ДИСПЕРСИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР

Предполагаемая полезная модель относится к спектрометрии и может найти применение в области оптического приборостроения, разработке приборов для спектрального анализа оптических излучений - спектрометров.
Первые исследования дисперсии света призмой проводились Ньютоном и описаны им в книге «Opticks: or, a treatise of the reflections, refractions, inflections and colours of light», первое издание которой вышло в 1704 году. Призма является простейшим диспергирующим элементом, пространственно разделяющим спектральные составляющие излучения. Диспергирующий элемент является необходимой частью дисперсионных спектральных приборов. В 1860 году в журнале Annalen der Physik und Chemie (vol.110) опубликована работа «Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen» Кирхгофа и Бунзена, в которой впервые описан дисперсионный спектральный прибор «спектроскоп», принцип действия которого не существенно отличается от принципа действия современных дисперсионных спектральных приборов. Спектроскоп Кирхгофа и Бунзена содержит узкую входную щель, коллиматор, призму и зрительную трубу, через которую исследователь непосредственно видит линии спектра исследуемого излучения. Оптическая система глаза при этом играет роль объектива, а сетчатка глаза служит многоканальным детектором излучения. Последующий прогресс в области дисперсионных спектральных приборов заключается в усовершенствовании отдельных элементов данной схемы. Например, вместо оптической системы глаза и зрительной трубы возможно применение объектива, вместо сетчатки глаза - фотопластинки, ПЗС-матрицы и т.д., вместо прозрачных оптических элементов - зеркальных элементов, вместо призмы - дифракционной решетки. Функции коллиматора, диспергирующего элемента и объектива могут выполняться одним элементом - вогнутой дифракционной решеткой. Вместо одновременной регистрации всех точек изображения в фокальной плоскости объектива многоканальным детектором, возможно сканирование данного изображения подвижной выходной щелью и одноканальным детектором. Общим для описанного множества дисперсионных спектральных приборов является наличие узкой входной щели и то, что в фокальной плоскости объектива формируется изображение, непосредственно описывающее функцию спектральной плотности исследуемого излучения (то есть для поиска данной функции может не требоваться дополнительных вычислений). Такие дисперсионные спектральные приборы ниже называются традиционными дисперсионными спектральными приборами.
Недостатком традиционных дисперсионных спектральных приборов является то, что при уменьшении ширины щелей с целью повышения спектральной разрешающей способности уменьшается отношение сигнал/шум прибора (ОСШ), так как через узкую щель проходит малая часть исследуемого излучения. Для того чтобы в определенной степени преодолеть данное ограничение традиционных дисперсионных спектральных приборов, разработаны мультиплексные спектральные приборы (в частности, например, широко известные Фурье-спектрометры). Термин «мультиплексирование» в контексте спектроскопии означает одновременную передачу информации о ряде длин волн исследуемого излучения через каждый отдельный канал детектора спектрального прибора. Предполагаемая полезная модель относится к мультиплексным дисперсионным спектральным приборам, необходимой частью которых является диспергирующий элемент. Мультиплексные дисперсионные спектральные приборы имеют пространственные модуляторы излучения вместо щелей традиционных приборов. Пространственными модуляторами излучения (ПМИ) называются плоские тонкие системы участков различной прозрачности, окруженные (ограниченные) непрозрачным плоским экраном. За счет большей площади ПМИ по сравнению с площадью щели традиционного дисперсионного спектрального прибора, в мультиплексном дисперсионном спектральном приборе возможно достижение большего светового потока и, соответственно, большего ОСШ, чем в традиционном дисперсионном спектрометре. Спектральная разрешающая способность мультиплексного дисперсионного спектрального прибора определяется размерами участков различной прозрачности, составляющих ПМИ, а не размерами ПМИ в целом. Форма и степень прозрачности данных участков ПМИ задаются так, чтобы было возможным однозначное восстановление искомого спектра из сигнала на выходе приемника излучения.
Ближайшим аналогом является статический мультиплексный дисперсионный спектрометр /Заявка US 2007081158, G01J 3/04; G01J 3/00; G01J 3/28; 2007; Заявка WO 2006078687, G01J 3/04; G01J 3/00, 2006/. Оптическая схема ближайшего аналога содержит следующие существенные элементы, в порядке прохождения исследуемого излучения: ПМИ, коллиматор, диспергирующий элемент, объектив и плоский двумерный многоканальный детектор излучения, расположенный в фокальной плоскости объектива. Дополнительно, данный прибор содержит ЭВМ, соединенную с детектором излучения, и устройство вывода. ПМИ ближайшего аналога является матрицей (в техническом смысле данного слова), элементами которой являются граничащие друг с другом прямоугольные участки равного размера и различной прозрачности. Две из сторон ПМИ ориентированы вдоль направления диспергирования диспергирующего элемента. Соответственно, две остальные стороны ориентированы перпендикулярно данному направлению. Ряды
участков ПМИ, ориентированные в направлении диспергирования, далее называются строками ПМИ, а перпендикулярные данному направлению ряды участков ПМИ называются столбцами ПМИ. В фокальной плоскости объектива формируется изображение, являющееся суперпозицией множества монохроматических изображений ПМИ, сдвинутых относительно друг друга в направлении диспергирования, интенсивность каждого из которых определяется интенсивностью соответствующей спектральной составляющей исследуемого излучения. Данное изображение регистрируется детектором излучения. Вектора, элементы которых численно равны пропускающей способности соответствующих участков столбцов ПМИ, в ближайшем аналоге линейно независимы. Линейная независимость данных векторов позволяет определить интенсивность отдельных монохроматических изображений в фокальной плоскости объектива и, тем самым, найти функцию спектральной плотности исследуемого излучения со спектральной разрешающей способностью, определяемой шириной изображений отдельных столбцов ПМИ. Поиск функции спектральной плотности осуществляется при помощи ЭВМ. Вывод данной функции осуществляется при помощи устройства вывода.
Недостатком ближайшего аналога является сложность его изготовления и невысокая эффективность его работы, так как число строк ПМИ ближайшего аналога должно быть не меньше числа столбцов ПМИ. Данный факт следует из линейной независимости указанных выше векторов, соответствующих столбцам ПМИ.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание спектрометра, изготовление которого проще, а эффективность работы выше.
α
β
γ
Поставленная задача достигается тем, что в статическом мультиплексном дисперсионном спектрометре, содержащем пространственный модулятор излучения, выполненный в форме матрицы, элементами которой являются граничащие друг с другом прозрачные и непрозрачные прямоугольные участки равного размера, коллиматор, диспергирующий элемент, объектив, многоканальный детектор излучения, ЭВМ и устройство вывода, матрица пространственного модулятора излучения имеет размер 4×N элементов (N=21026, α, β, γ≥0), причем порядок чередования прозрачных и непрозрачных участков основан на комплементарных последовательностях Голея.
Общая схема спектрометра показана на Фиг 1.
Где пространственный модулятор излучения 1, коллиматор 2., диспергирующий элемент 3, фокусирующий объектив 4, детектор излучения 5, ЭВМ 6, устройство вывода 7.
Устройство работает следующим образом:
Источником исследуемого излучения может быть любой объект. Исследуемое излучение модулируется при прохождении через пространственный модулятор излучения 1,
направляется коллиматором 2 на диспергирующий элемент 3, пространственно разделяется данным диспергирующим элементом на спектральные составляющие, фокусируется объективом 4 на поверхности детектора излучения 5, ЭВМ 6 находит функцию спектральной плотности исследуемого излучения из сигнала данного детектора, устройство вывода 7 выводит функцию спектральной плотности в форме, удобной для последующего анализа.
Порядок чередования прозрачных и непрозрачных участков ПМИ задается следующим образом.
α
β
γ
1. Задается число столбцов ПМИ, равное N=21026, где α, β, γ - любые неотрицательные целые числа.
2. Находится пара последовательностей чисел +1 и -1 длины N, сумма апериодических функций автокорреляции которых отлична от нуля лишь при нулевой разности фаз:
1
2
N
1
2
N
Здесь a=(а, а, ..., а) и b=(b, b, ..., b) - указанная пара последовательностей.
3. Из данной пары последовательностей составляется матрица A размера 4×N таким образом, чтобы две из ее строк были по порядку заполнены числами данных последовательностей, а остальные две строки по порядку заполнены числами данных последовательностей, умноженными на -1.
4. Пропускающая способность участков ПМИ задается на основе соответствующих элементов матрицы А по правилу: -1 - непрозрачный участок, 1 - прозрачный участок.
Например, N может равняться восьми. В таком случае подходящей парой последовательностей может быть, например, пара a=(+-+++---) и b=(---+--+-), где + и - обозначают +1 и -1 соответственно. В таком случае матрица А может иметь вид .
α
β
γ
Пары последовательностей чисел +1 и -1, обладающие указанным свойством апериодических функций автокорреляции, называются комплементарными последовательностями Голея (КПГ). КПГ введены Марселем Голеем для использования в мультиплексной дисперсионной спектроскопии (M.J.E.Golay, "Complementary series", IRE Trans. Inform. Theory, vol.IT-7 (1961), 82-87). Теория КПГ (в том числе, способы построения КПГ) достаточно подробно изложена, например, в работе Matthew G.Parker, Kenneth G, Patersonyand Chintha Tellambura, "Golay Complementary Sequences", Wiley Encyclopedia of Telecommunications 2002. Условие равенства длины КПГ числу N=21026, где α, β, γ - любые неотрицательные целые числа, является необходимым и достаточным для
существования КПГ. Необходимо отметить, что применение КПГ, предложенное Голеем, существенно отличается от их применения в предполагаемой полезной модели. В частности, спектрометр Голея имеет движущиеся части.
〈i〉
Апериодическая функция автокорреляции матрицы А, рассматриваемой как последовательность столбцов А, отлична от нуля лишь при нулевой разности фаз: , k≠0. Произведение столбцов здесь выполняется по правилу скалярного произведения векторов. Сумма элементов каждого из столбцов матрицы А равна нулю. Из данных свойств матрицы А следует, что апериодическая функция корреляции матрицы А и матрицы В, такой что , отлична от нуля лишь при нулевой разности фаз: , , k≠0. Для указанного выше примера матрицы А, матрица В имеет вид .
В случае монохроматического входного излучения, изображение в фокальной плоскости объектива имеет вид изображения ПМИ (размер и форма данного изображения могут отличаться от размера и формы ПМИ):
Здесь D(x,y) - интенсивность изображения в фокальной плоскости объектива;
х, у - взаимно-перпендикулярные оси координат в фокальной плоскости объектива, направленные, соответственно, в направлении диспергирования и перпендикулярно ему;
λ
I(c) - интенсивность монохроматического излучения длины волны λ;
λ
В(x+с,у) - монохроматическое изображение ПМИ длины волны λ единичной интенсивности;
λ
с - смещение данного монохроматического изображения вдоль оси х для некоторого фиксированного расположения начала координат (в первом приближении данное смещение линейно зависит от длины волны λ).
Функция В(х,у) является, по сути, представлением матрицы В в виде функции двух непрерывных переменных.
В случае немонохроматического входного излучения, изображение в фокальной плоскости объектива является суперпозицией монохроматических изображений ПМИ,
сдвинутых друг относительно друга в направлении диспергирования диспергирующего элемента:
λ
λ
λ
Здесь I(c) - спектральная плотность излучения при длине волны λ. Зависимость смещения c от длины волны λ зависит лишь от конструкции спектрометра и предполагается известной. Таким образом, поиск функции спектральной плотности сводится к поиску функции I(c). ЭВМ находит данную функцию, вычисляя интеграл
mn
mn
для различных значений Δх. Здесь функция А(х,у) определена так, что A(x,у)=2B(x,у)-1 в той области плоскости ху, в которой функция В(х,у} соответствует собственно изображению ПМИ, и А(х,у)=0 за пределами данной области (там, где функция В(х,у) соответствует изображению непрозрачного экрана, окружающего ПМИ). Иными словами, функция А(х,у) является представлением матрицы А в виде функции двух непрерывных переменных, причем А(х,у)≡А, в тех же областях плоскости ху, в которых B(x,у)≡B. Из свойств апериодической функции корреляции матриц А и В следует, что функция корреляции функций А(х,у) и В(х,у) относительно переменной х имеет единственный пик треугольной формы, с максимумом при нулевой разности фаз и с шириной, в два раза большей ширины изображения отдельного столбца ПМИ w:
λ
Здесь γ - коэффициент, численно равный половине площади отдельного монохроматического изображения ПМИ (так как количество прозрачных участков ПМИ равно количеству непрозрачных). Поэтому функция F(Δx) описывает функцию I(c) с разрешающей способностью, определяемой формой и шириной функции T(Δx):
λ
Функция спектральной плотности определяется из полученной функции F(Δx) и известного вида зависимости смещения с от длины волны λ.
Технический результат - упрощение изготовления ПМИ; упрощение поиска функции спектральной плотности; уменьшение необходимой пространственной разрешающей способности детектора излучения вдоль направления, перпендикулярного направлению диспергирования; уменьшение влияния различных эффектов, проявляющихся на границах между отдельными участками ПМИ и между изображениями данных участков (например, локальное снижение контрастности вследствие особенностей способа изготовления ПМИ или неидеальности оптики спектрометра) и уменьшение необходимой точности совмещения границ между пикселями детектора излучения и границ между изображениями отдельных строк ПМИ.