Матричный анализатор оптических сигналов

Полезная модель относится к оптическим устройствам, позволяющим исследовать спектральный состав источников оптических излучений, и может быть использована в качестве прибора для измерения спектров оптических сигналов или прибора контроля различных физических процессов, например, контроль процессов горения, контроль процессов выплавки сплавов и т.д.
Матричный анализатор спектра оптических сигналов содержит расположенные на одной оптической плоскости матрицу фотоэлектронных преобразователей и электронную электрическую схему преобразования полученных сигналов.
Известно устройство “Спектрометр”, (патент RU №2105272, МПК G01J 3/00, опубликован 20.02.1998).
Спектрометр содержит расположенные на круге Роуланда входную спектральную щель, вогнутую дифракционную решетку и блок сканирования. Блок сканирования состоит из установленной с возможностью перемещения по кругу Роуланда выходной спектральной щели, которая содержит три пары расположенных в одной плоскости симметрично раздвигаемых ножей с независимой регулировкой ширины раскрытия. Выходная спектральная щель установлена на валу, перпендикулярном плоскости круга Роуланда, ось которого совпадает с осевой линией ножей щели.
Недостатком устройства является то, что оно не позволяет решать задачу одновременной регистрации нескольких смежных астигматических спектров при разной ширине входной спектральной щели; измерения расстояний между спектральными линиями, полосами, расположенными в одном или в разных спектрах.
Известно устройство «Многоканальный оптический спектрометр», (патент RU №2540218, МПК G01J 3/20, G01J 3/50, G01J 3/36, опубликован 10.02.2015).
Спектрометр включает в себя расположенные на круге Роуланда входную спектральную щель, вогнутую дифракционную решетку и многоканальный приемник излучения. Приемник излучения состоит из плоских многоэлементных фотоприемников, установленных в корпусах. Каждый фотоприемник дополнительно снабжен волоконно-оптическим фоконом, плоский торец которого со стороны монтажа на поверхность многоэлементного фотоприемника имеет размеры по ширине больше ширины многоэлементного фотоприемника, а по длине меньше длины многоэлементного фотоприемника. Торец фокона со стороны входа оптического излучения имеет размеры по длине больше длины корпуса многоэлементного фотоприемника. Входные торцы смонтированных на фотоприемниках фоконов располагаются на круге Роуланда, а края фоконов соседних фотоприемников соприкасаются. Технический результат заключается в повышении достоверности показаний спектрометра.
Недостатком аналога является то, что многоканальная конструкция системы регистрации имеет так называемые «мертвые зоны» между отдельными многоэлементными фотоприемниками. Появление этих зон обусловлено тем, что имеется значительное расстояние от крайних фотоприемников до краев корпусов, в которых они смонтированы. Таким образом, при стыковке многоэлементных фотоприемников в области регистрации спектра образуются протяженные зоны, в которых фоточувствительные элементы отсутствуют.
Наиболее близким из числа известных технических решений является «Анализатор спектра», (патент RU №2164668, МПК G01J 3/36, опубл. 2001.03.16).
Анализатор спектра, состоящий из группы оптических волокон, входы которых являются оптическими входами анализатора, а выходы оптических волокон группы через цветоразделительную призму оптически связаны со входами фотоэлектронных преобразователей, аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены соответственно к информационным входам персональной ЭВМ, информационные входы которой подключены соответственно к выходам фотоэлектронных преобразователей, выход коммутатора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу персональной электронно-вычислительной машины, причем выходы оптических волокон группой расположены в одну линию относительно друг друга, образуя источник излучения, эквивалентный щелевому источнику излучения, а плоскость, проходящая через центры линейно расположенных оптических волокон, перпендикулярна плоскости призмы, в которой осуществляется цветовое разделение.
Недостатком известного устройства - прототипа является низкая разрешающая спектральная способность, ограниченная полосой пропускания.
Задачей является создание устройства, позволяющего использовать узкополосные оптические фильтры в составе независимых оптических каналов.
Техническим результатом является увеличение спектральной разрешающей способности устройства.
Технический результат достигается тем, что матричный анализатор оптических сигналов, выполненный с возможностью подключения к персональной ЭВМ, содержащий n оптических каналов, включающих в себя фотоэлектронные преобразователи, а также коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, причем n выходов блоков фотоэлектронного преобразователя  соединены с n входами коммутатора, дополнительно содержит блок усиления входных сигналов и устройство обработки полученной информации, четвертый выход которого выполнен с возможностью соединения со входом персональной ЭВМ, а его первый, второй и третий выходы соединены со вторыми входами блока усиления входных сигналов, аналого-цифрового преобразователя и коммутатора соответственно, выход коммутатора соединен с первым входом блока усиления входных сигналов, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом устройства обработки полученной информации, при этом n оптических каналов  дополнительно включают в себя узкополосные оптические фильтры, которые последовательно соединены с фотоэлектронными преобразователями.
Технический результат достигается за счет введения новых блоков и связей между ними, которые позволяют осуществлять узкополосную фильтрацию спектра излучения оптического диапазона за счет узкополосных оптических фильтров, что приводит к увеличению спектральной оптической разрешающей способности оптического канала, а n фотоэлектронных преобразователей, коммутатор, блок усиления входных сигналов, аналого-цифровой преобразователь и устройство обработки полученной информации позволяют получить принимаемых оптический сигнал.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - структурная схема матричного анализатора оптических сигналов и введены следующие обозначения:
1 - n оптических каналов;
1.1 - n узкополосных оптических фильтров;
1.2 - n фотоэлектронных преобразователей;
2 - коммутатор;
3 - блок усиления входных сигналов;
4 - аналого-цифровой преобразователь;
5 - устройство обработки полученной информации;
6 - персональная ЭВМ.
Устройство содержит: n оптических каналов, которые включают в себя последовательно соединенные n узкополосных оптических фильтров и n фотоэлектронных преобразователей, выходы n оптических каналов соединены с 1.n входами коммутатора 2, который последовательно соединен с блоком усиления входных сигналов 3, аналого-цифровым преобразователем 4, устройством обработки полученной информации 5 и персональной ЭВМ 6, при этом первый, второй и третий выходы устройства обработки полученной информации 5 соединены со вторыми входами блока усиления входных сигналов 3, аналого-цифрового преобразователя 4 и коммутатора 5 соответственно.
В качестве узкополосного оптического фильтра 1.1 может быть использован узкополосный интерференционный оптический фильтр пропускающий спектр излучения в узком интервале длин волн (например Алкор Текнолоджиз [1], Швабе [2] и Optogama [3]). В качестве подложки такого фильтра могут быть использованы: германий, плавленый кварц или сапфир. Интерференционное покрытие узкополосного оптического фильтра создается путем напыления тонкой пленки на подложке.
В качестве фотоэлектронного преобразователя 1.2 могут быть использованы фотодиоды, расположенные в виде матрицы, например фотодиоды серии FD компании THORLABS [4], фотодиоды S серии компании Hamamtsu [5], фотодиоды ODD серии компании Opto Diode Corp [6].
В качестве коммутатора 2 может быть использован аналоговый мультиплексор или переключатель серии ADG компании Analog Devices [7], мультиплексор или переключатель серий TS, TMUX компании Texas Instruments [8].
В качестве блока усиления входных сигналов 3 может быть использована схема, состоящая из нескольких каскадов на основе операционного усилителя, например компании Analog Devices [9].
Аналого-цифровой преобразователь 4 может быть реализован на основе микросхемы АЦП компании Analog Devices [10], Texas Instruments [11].
В качестве устройства обработки полученной информации 5 может быть использован микроконтроллер, например на основе микросхем компании Amtel [12], STMicroelectronics [13] и т.д., или ПЛИС, например на основе микросхем компании Intel [14], Xilinx [15] и т.д.
Устройство работает следующим образом: n узкополосных оптических фильтров 1.1 пропускают часть оптического спектра падающего излучения оптического диапазона принимаемого из окружающего пространства передавая, при этом часть исходного излучения прошедшего оптическую фильтрацию на оптическую плоскость n фотоэлектронных преобразователей 1.2, которые преобразуют оптические сигналы в электрические, затем полученный электрический сигнал поступает с выхода фотоэлектронных преобразователей 1.2 на вход коммутатора 2, который осуществляет последовательное подключение фотоэлектронных преобразователей 1.2 посредством подачи цифрового сигнала с выхода устройства обработки, полученной информации 5 на вход коммутатора 2, затем происходит усиление полученного сигнала с выхода коммутатора 2 блоком усиления входных сигналов 3, коэффициент усиления которого может изменяться при получении цифрового сигнала с выхода устройства обработки полученной информации 5 на вход блока усиления входных сигналов 3, затем усиленный сигнал с выхода блока усиления входных сигналов 3 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 4, где усиленный сигнал преобразовывается из аналогового в цифровой, затем преобразованный сигнал полученной информации в цифровом виде поступает на вход устройства обработки полученной информации 5, которое преобразует полученный сигнал в итоговую информацию спектральной картины окружающих процессов, поступающую в персональную ЭВМ 6, а устройство обработки полученной информации 5 также управляет работой аналого-цифрового преобразователя 4 для установления синхронизации работы устройства.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что устройство позволяет проводить параллельный анализ спектра оптических излучений за счет набора независимых n оптических каналов, где непосредственные контакты спектральной аппаратуры с объектом наблюдений невозможны либо нежелательны и таким образом обеспечивает увеличение спектральной разрешающей способности устройства.
Список источников, принятых во внимание:
1. Производство оптических деталей: оптические линзы, окна из оптических кристаллов для ИК и УФ спектра // Алкор Текнолоджиз: URL: https://www.alkor.net/alkorru/Products1.html (дата обращения: 05.05.2022).
2. Оптические покрытия // Швабе: URL: https://shvabe.com/products/opticheskie-materialy/opticheskie-pokrytiya-interferentsionnye-filtry-/ (дата обращения: 05.05.2022).
3. Products vol. 3 // Optogama: URL: https://www.optogama.com/storage/app/media/News/katalog_v3/Optogama_Products__.pdf (дата обращения: 05.05.2022).
4. Photodiodes // Thorlabs: URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=285&gclid=Cj0KCQjwyMiTBhDKARIsAAJ-9VvMZ0XBVvcY0wisNDBxqpBzWhoUZInThFcjm2aT60OkDy1-969l4RwaAhzcEALw_wcB (дата обращения: 05.05.2022).
5. Si photodiodes // Hamamatsu Photonics: URL: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes.html (дата обращения: 05.05.2022).
6. Photodiodes: Visible (Blue and Red Enhanced Detectors) // Opto Diode Corp: URL: https://optodiode.com/photodiodes-visible.html (дата обращения: 05.05.2022).
7. Single-Supply Analog Switches and Multiplexers // Analog Devices: URL: https://www.analog.com/en/parametricsearch/12830#/ (дата обращения: 05.05.2022).
8. Analog switches & muxes // Texas Instruments: URL: https://www.ti.com/switches-multiplexers/analog/products.html#p3193max=0.00000001;0.009&sort=p3193max;asc (дата обращения: 05.05.2022).
9. General Purpose Op Amps // Analog Devices: URL: https://www.analog.com/en/parametricsearch/11085#/ (дата обращения: 05.05.2022).
10. High Speed A/D Converters >10 MSPS // Analog Devices: URL: https://www.analog.com/en/parametricsearch/10826#/ (дата обращения: 05.05.2022).
11. Analog-to-digital converters (ADCs) // Texas Instruments: URL: https://www.ti.com/data-converters/adc-circuit/products.html (дата обращения: 05.05.2022).
12. PIC and SAM Microcontrollers // Microchip: URL: https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/32-bit-mcus (дата обращения: 05.05.2022).
13. STM32 High Performance MCUs // STMicroelectronics: URL: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32-high-performance-mcus.html#products (дата обращения: 05.05.2022).
14. Intel FPGAs & SoC FPGAs // Intel FPGA: URL: https://www.intel.com/content/www/us/en/products/details/fpga.html (дата обращения: 05.05.2022).
15. FPGA Leadership across Multiple Process Nodes // Xilinx FPGA: URL: https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga.html (дата обращения: 05.05.2022).