УЛЬТРАКОМПАКТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ULTRA-COMPACT HIGH-RESOLUTION SPECTROMETER AND ITS APPLICATION METHOD

Область изобретения
Настоящее изобретение относится, в общем, к области измерительной техники и более конкретно к спектрометру с высоким разрешением, достаточно компактному для его применения в носимых или мобильных устройствах и имеющему высокое спектральное разрешение, чтобы его можно использовать в различных областях, а также к способу применения данного спектрометра.
Предшествующий уровень техники
Как известно из уровня техники, спектрометр представляет собой устройство для измерения длин волн света в широком диапазоне электромагнитного спектра. Спектрометр широко используется для спектроскопического анализа образцов материалов. Падающий свет от источника света может проходить сквозь образец и поглощаться или отражаться им. Изменения, возникающие при взаимодействии падающего света с образцом, выявляют характеристики образца. Падающий свет можно также настроить на требуемую волну с помощью дисперсионных или недисперсионных элементов. Спектрометр можно использовать для различных целей, включая анализ качества продуктов/товаров (качество пищевых продуктов, контрафакция, примесь, срок годности, подлинность и т.п.), определение состояния биологической ткани (оксигенация, гидратация и т.д.).
Один из таких спектрометров известен из публикации WO 2016180551. В частности, в данном документе описан статический Фурье-спектрометр (далее - первый известный спектрометр), содержащий светоделитель, зеркальное устройство и собирающий оптический блок. Светоделитель делит входящий световой луч на первый пучок и второй пучок, причем первый пучок отражается светоделителем, а второй проходит через светоделитель. Первый пучок поступает к собирающему оптическому блоку без отклонения после отражения на зеркальном устройстве. Второй пучок поступает к собирающему оптическому блоку без отклонения после прохождения через светоделитель. Собирающий оптический блок сводит вместе первый и второй пучки для интерференции. Однако первый известный спектрометр имеет сложную конструкцию, которая при этом несовместима с интеллектуальными устройствами, такими как смартфоны, умные часы и т.п. Это сужает область его применения. Кроме того, первый известный спектрометр несовместим с низкокогерентным светом (т.е. белым светом) и требует длительных дорогостоящих и точных настроек.
В US 5541728 раскрыт стационарный преобразовательный спектрометр (далее - второй известный спектрометр), содержащий интерферометр, который включает в себя, по существу, сборный модуль из светоделителя, двух прямоугольных призм и пентапризмы с предварительно выбранными размерами апертуры, источник излучения, линзу, выполняющую преобразование Фурье, и оптический детектор. Недостатком этого спектрометра также является сложная конструкция, состоящая из дорогостоящих оптических элементов, которые, кроме того, трудно согласовать. Как и в предыдущем случае, второй известный спектрометр несовместим с мобильными устройствами.
Вышеупомянутая проблема несовместимости с мобильными устройствами решена в источнике информации US 20160290863, в котором раскрыт компактный спектрометр (далее - третий известный спектрометр), пригодный для использования в мобильных устройствах, таких как сотовые телефоны. В предпочтительных вариантах третий известный спектрометр содержит фильтр, по меньшей мере один фокусирующий элемент с преобразованием Фурье, матрицу микролинз и детектор, но не использует никаких дисперсионных элементов. В US 20160290863 также раскрыты способы применения третьего известного спектрометра как оконечного устройства для определения качества пищевых продуктов на месте, в частности, путем сравнения с обновляемой базой данных, доступной для всех пользователей этого устройства. Однако, как и в предыдущих случаях, третий известный спектрометр имеет сложную конструкцию, в частности, из-за использования оптических фильтров вместо нескольких светодиодов (LED). Кроме того, третий известный спектрометр имеет низкое спектральное разрешение в силу его сходства с системами фотодиодов (LED-PD). Ко всему прочему, область применения третьего известного спектрометра ограничена только анализом пищевых продуктов.
Таким образом, известные спектрометры, в частности, описанные выше первый, второй и третий известные спектрометры, либо имеют сложную конструкцию и недостаточно компактны их применения в мобильных устройствах, либо имеют низкое спектральное разрешение, непригодное для их применения в целях, отличных от анализа пищевых продуктов.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение описанных выше проблем известных технических решений.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен спектрометр для анализа спектра интенсивностей естественного или искусственного света, отраженного от исследуемого образца. Спектрометр содержит жестко закрепленный коллиматор, жестко закрепленный оптический элемент, блок измерения, блок памяти, блок обработки и блок отображения. Коллиматор выполнен с возможностью коллимации света, отраженного от исследуемого образца. Оптический элемент выполнен с возможностью разделения коллимированного света, по меньшей мере, на два сходящихся луча. Блок измерения расположен на некотором расстоянии от оптического элемента, которое соответствует области интерференции двух сходящихся лучей, и выполнен с возможностью получения спектра интенсивностей света. Блок памяти хранит базу данных, включающую в себя множество референтных (эталонных) спектров интенсивностей. Каждый референтный спектр интенсивностей соответствует определенному типу образцов. Блок обработки соединен с блоком измерения и выполнен с возможностью доступа к базе данных, выбора референтного спектра, соответствующего тому же типу образцов, что и исследуемый образец, и определения, соответствует ли полученный спектр интенсивностей референтному спектру интенсивностей. Блок отображения выполнен с возможностью отображения результата определения.
В одном варианте осуществления спектрометра оптический элемент выполнен в виде аксикона или бипризмы.
Спектрометр может быть выполнен как часть мобильного устройства. Это мобильное устройство может быть смартфоном или умными часами, имеющими светодиод, выполненный с возможностью вывода света по направлению к образцу. В данном случае блок измерения, блок памяти, блок обработки и блок отображения являются, соответственно, датчиком изображения, внутренней памятью, процессором и дисплеем смартфона или умных часов.
В одном варианте осуществления спектрометра тип образца является одним из группы, состоящей из продуктов, товаров, жидкостей, биологических тканей.
В одном варианте осуществления спектрометра каждый как коллиматор, так и оптический элемент имеют антиотражающее покрытие.
В одном варианте осуществления спектрометра блок обработки дополнительно выполнен с возможностью осуществления перед определением следующих операций:
- применения преобразования Фурье к полученному и референтному спектрам интенсивностей, чтобы представить каждый спектр интенсивностей в комплексной форме, состоящей из действительной и мнимой части спектра интенсивностей, причем действительная часть характеризует амплитудный спектр, а мнимая часть - фазовый спектр, и
- установления соответствия полученного спектра интенсивностей референтному спектру интенсивностей только в том случае, если амплитудный и фазовый спектры из комплексной формы полученного спектра интенсивностей соответствуют тем же спектрам из комплексной формы референтного спектра интенсивностей.
В одном варианте осуществления спектрометра блок измерения состоит из нескольких подблоков измерения, каждый из которых имеет различную спектральную чувствительность.
Спектрометр может дополнительно содержать блок связи, подключенный к блоку памяти и выполненный с возможностью обновления базы данных путем установления проводного или беспроводного соединения со специализированным сервером и загрузки всех изменений или дополнений референтных спектров интенсивностей для различных типов образцов.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ анализа спектра интенсивностей естественного или искусственного света, отраженного от исследуемого образца. Способ осуществляют с использованием спектрометра согласно первому аспекту настоящего изобретения, и он включает в себя следующие этапы:
освещают образец естественным или искусственным светом;
коллимируют посредством жестко закрепленного коллиматора свет, отраженный от исследуемого образца;
разделяют посредством жестко закрепленного оптического элемента коллимированный свет на два сходящихся луча;
получают посредством блока измерения, расположенного в области интерференции двух сходящихся лучей, спектр интенсивностей света;
посредством блока обработки:
- осуществляют доступ к базе данных, хранящейся в блоке памяти, и выбирают референтный спектр, соответствующий тому же типу образцов, что и исследуемый образец, и определяют, соответствует ли полученный спектр интенсивностей данному референтному спектру интенсивностей, и
отображают результат определения посредством блока отображения.
Спектрометр согласно первому аспекту настоящего изобретения можно использовать для анализа качества продуктов/товаров или определения состояния биологической ткани.
Другие существенные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятными после изучения следующего подробного описания и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематическое изображение спектрометра в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 - схематическое изображение спектрометра в соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 - схематическое изображение спектрометра в соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - блок-схема способа применения спектрометра 100 в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 - один пример применения спектрометра 100 для анализа пищевых продуктов.
Подробное описание изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное какой-либо определенной структурой или функцией, представленной в следующем описании. Напротив, эти варианты осуществления предоставлены для подробного и полного описания настоящего изобретения. Согласно настоящему описанию специалистам в данной области техники будет понятно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт здесь, независимо от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления. Например, раскрытые способ и устройство могут быть реализованы на практике с использованием любого количества представленных вариантов осуществления. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или нескольких элементов, представленных в прилагаемой формуле изобретения. Слово "примерный" используется в данном контексте в значении "используемый в качестве примера или иллюстрации". Любой вариант осуществления, описанный как "примерный", не должен быть обязательно истолкован как предпочтительный или имеющий преимущество перед другими вариантами осуществления.
Используемый термин "образец" относится к объекту, подлежащему исследованию, то есть к объекту, спектральные характеристики которого необходимо определить с помощью описанного спектрометра. Некоторые неограничительные примеры образцов включают в себя продукты/товары (пищевые продукты, фрукты, овощи и т.п.), жидкости (вода, напиток, моча, кровь, слюна и т.д.), биологические ткани (кожа, мышцы, костные ткани и т.д.).
На фиг. 1 представлено схематическое изображение спектрометра 100 в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, спектрометр 100 используется для спектрального анализа образца 102, освещенного светом от источника 104 света. Источник 104 света может быть естественным источником света, таким как солнце, или источником искусственного света, то есть изготовленным человеком источником света любого типа, таким как импульсная лампа, светодиод, лазерный диод, лазер и т.п. Специалистам в данной области техники будет понятно, что выбор типа источника света зависит от цели применения спектрометра 100. На фиг. 1 также показано, что спектрометр 100 включает в себя коллиматор 106, оптический элемент 108 и блок 110 измерения. Коллиматор 106 выполнен с возможностью коллимации света, отраженного от образца 102. Оптический элемент 108 выполнен с возможностью разделения коллимированного света на два сходящихся луча. Блок 110 измерения, показанный схематически в виде прямой линии, расположен на расстоянии от оптического элемента 108, которое соответствует области 112 интерференции двух сходящихся лучей, и выполнен с возможностью получения спектра интенсивностей света. Хотя это не показано на фиг. 1, спектрометр 100 также содержит блок памяти, блок обработки и блок отображения. Блок памяти способен хранить базу данных, включающую в себя множество референтных спектров интенсивностей. Каждый референтный спектр интенсивностей соответствует определенному типу образцов, подобному описанным выше типам. Блок обработки соединен с блоком 110 измерения и выполнен с возможностью доступа к базе данных, выбора референтного спектра, соответствующего тому же типу образцов, что и образец 102, и определения, соответствует ли полученный спектр интенсивностей референтному спектру интенсивностей. Блок отображения выполнен с возможностью отображения результата определения.
На фиг. 1 показан оптический элемент 108, реализованный в виде аксикона, который является специализированным типом линзы, имеющей коническую поверхность. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом осуществления, и на фиг. 2 показан другой предпочтительный вариант осуществления, в котором оптический элемент 108 реализован в виде бипризмы, представляющей собой объединение двух треугольных призм. Оптический элемент 108 и коллиматор 106 могут быть изготовлены из любых подходящих оптических материалов, таких как оптическое стекло, пластмассы. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления как коллиматор 106, так и оптический элемент 108 покрыты антиотражающим покрытием, чтобы минимизировать потери света.
Для спектрометра 100 важно использование неподвижных или, иными словами, жестко закрепленных конструктивных элементов. Это исключает необходимость предварительного выравнивания или предварительной настройки оптики и тем самым ускоряет спектральный анализ образца 102. Пользователю просто нужно поместить спектрометр вблизи образца 102. Работа спектрометра 100 будет рассмотрена более подробно ниже. На фиг. 1 и 2 также показы типичные размеры спектрометра 100, то есть приблизительно 5×5 мм, что достаточно для применения спектрометра 100 в перечисленных выше мобильных устройствах.
Также следует отметить, что спектрометр 100 может быть реализован как часть любого мобильного устройства, такого как смартфон или умные часы. При этом блок 110 измерения, блок памяти, блок обработки и блок отображения будут, соответственно, датчиком изображения, внутренней памятью, процессором и дисплеем смартфона или умных часов. Что касается источника 104 света, то это может быть импульсная лампа или светодиод, установленный, например, на тыльной стороне смартфона или на лицевой стороне умных часов. Источник 104 света может быть также внешним по отношению к смартфону или умным часам и, следовательно, к спектрометру 100, если это необходимо для экономии мощности аккумулятора в смартфоне или умных часах.
Предположив, что спектрометр 100 встроен в смартфон или умные часы, можно рассчитать спектральный диапазон и разрешение спектрометра. Типичные параметры датчика изображения: 4656×3496 пикселей и размер пикселя 1,12 мкм. Предположим также, что: (1) необходимо 5 пикселей на интерференционную полосу для надлежащей выборки светового сигнала; (2) следовательно, интервал интерференционной полосы составляет 5 пикселей * 1,12 мкм ~ 6 мкм; (3) этот интервал интерференционной полосы соответствует θ≈5,7° (см. этот угол на фиг. 1 и 2); и (4) оптический элемент 108 выполнен в виде аксикона. При всех этих предположениях для спектрального диапазона 400-900 нм (определяемого спектральной чувствительностью камеры смартфона) разрешение будет 1 нм.
На фиг. 3 показан еще один примерный вариант осуществления спектрометра 100. Как показано, в этом случае блок 110 измерения или датчик изображения (в случае использования смартфона или умных часов) состоит из трех подблоков измерения или датчиков изображения, каждый из которых имеет различную спектральную чувствительность. В частности, этот вариант осуществления подразумевает применение датчиков изображения ультрафиолетовой (УФ), видимой (ВИД) и ближней ИК (БИК) области спектра. В этом варианте осуществления три подблока измерения или датчики изображения работают одновременно и обнаруживают УФ, ВИД, БИК области спектра в одно и то же время.
На фиг. 4 показана блок-схема способа 400 с использованием спектрометра 100 в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, способ содержит следующие этапы.
Этап 402: образец 102 освещают естественным или искусственным светом. Как отмечалось выше, свет может излучаться импульсной лампой или светодиодом смартфона или умных часов, и в этом случае он будет искусственным. В то же время, свет можно испускать из любого искусственного источника света, внешнего по отношению к смартфону или умным часам, в которые встроен спектрометр 100. Например, это может быть другой смартфон или умные часы, освещающие образец 102, в то время как рассматриваемый смартфон или умные часы выполняет спектральный анализ.
Этап 404: свет, отраженный от образца 102, проходит через коллиматор 106.
Этап 406: коллимированный свет разделяется оптическим элементом 108 на два сходящихся луча (см. фиг. 1 и 2).
Этап 408: блок 110 измерения получает спектр интенсивностей света. В случае смартфона или умных часов блок 110 измерения реализован как встроенный датчик изображения.
Этап 410: блок обработки или процессор (в случае смартфона или умных часов) обращается к базе данных, хранящейся в блоке памяти, и выбирает референтный спектр, соответствующий образцам того же типа, что и образец 102, и определяет, соответствует ли полученный спектр интенсивностей референтному спектру интенсивностей. Следует отметить, что спектрометр 100 может дополнительно содержать блок связи (также не показанный на чертежах), подключенный к блоку памяти и выполненный с возможностью обновления базы данных путем установления проводного или беспроводного соединения со специализированным сервером и загрузки всех изменений или добавлений референтных спектров интенсивностей для разных типов образцов. Это соединение может быть установлено через Интернет, Интранет или любую другую подходящую сеть связи.
Этап 412: блок отображения отображает результат определения. Например, блок отображения может показывать "Соответствие", если нет принципиальной разницы между полученным и референтным спектрами, или "Несоответствие" в противном случае.
В одном варианте осуществления перед вышеупомянутым определением способ 400 дополнительно содержит этап, для которого блок обработки или процессор выполнен с возможностью применения преобразования Фурье к полученному и референтному спектрам интенсивностей для представления каждого спектра интенсивностей в комплексной форме, состоящей из действительной и мнимой части спектра интенсивностей. Действительная часть характеризует амплитудный спектр, а мнимая часть - фазовый спектр. Преобразование Фурье хорошо известно в данной области, поэтому его описание не приводится. После этого блок обработки или процессор устанавливает соответствие полученного спектра интенсивностей референтному спектру интенсивностей только в том случае, если амплитудный и фазовый спектры из комплексной формы полученного спектра интенсивностей совпадают с амплитудным и фазовым спектрами из комплексной формы референтного спектра интенсивностей.
Все изложенное выше проиллюстрировано на фиг. 5, где предполагается, что спектрометр 100 используется для анализа спектров интенсивностей пищевых продуктов, хранящихся в холодильнике. Черные кривые относятся к амплитудным и фазовым спектрам, полученным для образца 102, а серые кривые относятся к имеющимся амплитудным и фазовым спектрам для референтных образцов (т.е. из базы данных блока памяти). Если пользователь желает определить, например, является ли пищевой продукт свежим или обработанным надлежащим образом (например, замороженным), он может поместить свой смартфон или умные часы возле этого пищевого продукта для его анализа. Во время анализа спектр интенсивностей света, отраженного от исследуемого продукта, подвергается преобразованию Фурье, и затем соответствующие амплитудные и фазовые спектры сравниваются с амплитудными и фазовыми спектрами для референтного спектра интенсивностей, характеризующего спектральные характеристики света, отраженного от действительно свежих или обработанных надлежащим способом пищевых продуктов такого же типа. Если амплитудные и фазовые спектры для образца 102 и референтного образца совпадают, то результатом определения, выполняемого процессором или процессором, является "Истина" или "Соответствие", который затем отображается блоком отображения. Это означает, что исследуемый пищевой продукт также является свежим или обработан надлежащим образом. Но если какой-либо один или более амплитудных и фазовых спектров для образца 102 и референтного образца не соответствуют друг другу, то результатом будет "Ложь" или "Несоответствие", что подразумевает, что с исследуемым продуктом что-то не в порядке. Такую же или аналогичную концепцию можно применить для анализа других типов образцов, обсуждаемых выше.
В заключение следует отметить, что описанные выше варианты осуществления спектрометра 100 обеспечивают его компактность и высокое разрешение, благодаря чему пользователи могут быстро и достоверно выполнять анализ различных образцов на месте.
Несмотря на то, что были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в них можно внести любые различные изменения и модификации, не выходящие за рамки объема правовой защиты, который определяется прилагаемой формулой изобретения. В прилагаемой формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе форме не исключает наличия множества таких элементов, если четко не указано иное.