Устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения

 

Использование: изобретение может быть использовано в измерительной технике для измерения неравномерности спектра экстинкции (ослабления) оптического излучения в различных средах в широком диапазоне длин волн. Сущность изобретения: устройство содержит источники оптического излучения, монохроматоры, фокусирующие линзы, оптические затворы, полупрозрачное зеркало, измерительную кювету, объектив, диафрагмы, фотоприемники, логарифматор, усилители низкой частоты, синхронные детекторы, интегрирующее звено, блоки питания, фильтры нижних частот, самопишущий вольтрметр, генератор низкой частоты. Обеспечивают автоматизацию измерения путем синхронизации перестройки монохроматора и уменьшают погрешность измерения благодаря автоматическому регулированию интенсивности излучения. 1 ил.

Изобретение относится к области спектрофотометрии и может быть использовано для измерения неравномерности спектра экстинкции (ослабления) оптического излучения в различных средах в широком диапазоне длин волн.

Известно однолучевое устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения (см. , например, Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 199-207) [1], содержащее источник излучения, монохроматор, оптическую кювету с исследуемой средой, приемник излучения, блок обработки информации и регистратор. Выходной сигнал, фиксируемый регистратором, отражает спектр экстинкции (ослабления) в среде распространения монохроматического излучения в диапазоне длин волн перестраиваемого монохроматора.

Недостатком устройства является низкая точность измерения неравномерности спектра экстинкции относительно уровня экстинкции на выбранной (опорной) длине волны. Особенно трудно измерить неравномерность спектра на фоне большого ослабления, вносимого средой распространения на всех длинах волн из-за непостоянства интенсивности сканируемого излучения.

С целью устранения указанных недостатков стали использовать устройства, в которых разделяется свет на два потока, один из которых идет через эталон. Известно двухлучевое устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения (см., например, Оптико-электронные приборы для научных исследований. Учеб. пособие (Л.А. Новицкий, А.С. Гоменюк, В.Е. Зуборев, А.М. Хораходов. -М.: Машиностроение, 1986, с. 72-73) [2], содержащее источник излучения, светоделитель на два потока, в одном из которых размещен исследуемый образец, в другом - эталон, оптические прерыватели, блок сведения потоков, монохроматор, приемник излучения, блок обработки информации и регистратор. Эталон следует выбирать с равномерным спектром в диапазоне сканируемых длин волн. Регистратором фиксируется разность экстинкций образца и эталона, что и позволяет непосредственно измерять неравномерность спектра относительно эталона.

Двухлучевое устройство также не обеспечивает высокую точность измерения неравномерности спектра экстинкции из-за принципиальных трудностей подбора эталона с равномерной спектральной характеристикой в широком диапазоне длин волн.

Наиболее близким по технической сущности устройством к заявляемому является двухволновое устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения (см., например, Берштейн И.Я., Каминский Ю.Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии - 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1986, с. 21-22) [3], содержащее два источника оптического излучения, два монохроматора, выделяющих два пучка света разной длины волны, оптические прерыватели (затворы), блок сведения потоков, измерительную кювету, фотоприемник, блок обработки информации и регистратор.

В двухволновом устройстве монохроматоры выделяют два потока света разной длины волны, которые попеременно пропускают через измерительную кювету. В фотоприемнике при этом возникает два раздельных во времени сигнала, соответствующих интенсивностям прошедших через кювету потоков обеих длин волн. В блоке обработки информации сигналы усиливаются, разделяются и вычитаются.

Результирующий сигнал, пропорциональный разности пропусканий кюветы на двух длинах волн, подается на регистрирующее устройство. Однако известному устройству присущи и следующие недостатки: регистрирующий сигнал зависит не только от разности пропусканий измерительной кюветы на двух длинах волн, а поэтому и от разности интенсивностей двух независимых монохроматических потоков, которые не остаются постоянными; при сканировании одной из длин волн на результат измерения накладывается неравномерность спектральной характеристики регулируемого монохроматора из-за непостоянства его спектрального коэффициента пропускания; аналогичные погрешности возникают из-за нестабильности и непостоянства спектральных коэффициентов пропускания оптических затворов (прерывателей); неравномерность спектральных характеристик фотоприемников не позволяет обнаруживать и регистрировать неравномерности спектра экстинкции, соизмеряемые с неравномерностью спектральной чувствительности самих фотоприемников.

Из-за указанных искажений относительная погрешность известных экстинкциметров достигает 3-10% в диапазоне длин волн 300-1 000 нм. Калибровка известных схем на ряде значений сканируемой длины волны по эталонам или нормированным значениям интенсивности оптических потоков снижает погрешность, но резко увеличивает время измерения и затрудняет автоматизацию регистрации спектра экстинкции доступными средствами.

Таким образом, в основу изобретения положена задача создать устройство для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения, в котором путем усовершенствования структурной схемы осуществлялась бы независимость результатов измерения от неравенства интенсивностей излучения, непостоянства спектральных коэффициентов пропускания монохроматоров и спектральных чувствительностей фотоприемников, благодаря чему повысилась бы точность измерения устройства и обеспечивалась бы его автоматизация, направленная на коррекцию возникающих погрешностей.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для измерения неравномерности спектра экстинкции потока излучения, содержащем два источника излучения с блоками питания, по перпендикулярным оптическим осям которых расположены монохроматоры, фокусирующие линзы, оптические затворы и расположенное под углами и оптическим осям полупрозрачное зеркало, по одной оси которого расположена измерительная кювета, объектив, диафрагма и фотоприемник, к электрическому выходу которого через усилитель низкой частоты подключен синхронный детектор, управляющие входы которого соединены с противофазными выходами генератора низкой частоты, соединенные с управляющими входами оптических затворов, и самопишущий вольтметр, дополнительно введены фильтр низких частот, расположенные по другой оси полупрозрачного зеркала вторые диаграмму, фотоприемник, логарифматор, входом подключенный к электрическому выходу фотоприемника и подключенные к выходу логарифматора последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты и второй синхронный детектор, и интегрирующее звено, при этом выход первого синхронного детектора через интегрирующее звено соединены с управляющим входом блока питания источника излучения, монохроматор которого управляющим входом кинематически соединен с двигателем регистратора самопишущего вольтметра, а измерительный механизм самопишущего вольтметра через фильтр нижних частот соединен с выходом второго синхронного детектора.

Введенные блоки и элементы, соединенные указанным образом, обеспечивают автоматизацию процесса измерения неравномерности спектров экстинкции различных сред в широком диапазоне длин волн.

Практически это достигается синхронизацией перестройки монохроматора с перемещением регистрирующего механизма самопишущего вольтметра, а также исключением влияния непостоянства спектральной чувствительности фотоприемников. Указанная совокупность введенных блоков, связанных определенным образом с известными блоками и элементами, позволяет решить поставленную задачу.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения неравномерности спектра экстинкции (ослабления) потока излучения, содержащего источники 1, 2 оптического излучения, монохроматоры 3, 4, фокусирующие линзы 5, 6, оптические затворы 7, 8, полупрозрачное зеркало 9, измерительную кювету 10, объектив 11, диафрагмы 12, 13, фотоприемники 14, 15, логарифматор 16, усилители 17, 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19, 20, интегрирующее звено 21, блоки питания 22, 23, фильтр 24 нижних частот, самопишущий вольтметр 25, генератор 26 низкой частоты.

Оптические оси источников 1, 2 излучения взаимно перпендикулярны, по ходу которых расположены последовательно монохроматоры 3, 4, фокусирующие линзы 5, 6, оптические затворы 7, 8 и полупрозрачное зеркало 9 под одинаковыми углами к осям излучения, по одной оптической оси зеркала 9 расположена измерительная кювета 10, объектив 11, диафрагма 12 и фотоприемник 14, по другой оптической оси - диафрагма 13 и фотоприемник 15. К электрическому выходу фотоприемника 14 подключены последовательно соединенные усилитель 18 низкой частоты, синхронный детектор 20 и интегрирующее звено 21, выход которого соединен с управляющим входами регулируемого блока питания 22 источника излучения 2. К электрическому выходу синхронного детектора 19 через фильтр 24 нижних частот подключен измерительный механизм самопишущего вольтметра 25, двигатель регистратора которого кинематически соединен с управляющим входом привода монохроматора 4. Управляющие входы синхронных детекторов 19, 20 подключены к противофазным выходам генератора 26 низкой частоты, которые соединены с управляющими входами оптических затворов 7, 8.

Устройство работает следующим образом.

Благодаря противофазной работе оптических затворов 7 и 8, управляющих соответствующими напряжениями 26, на полупрозрачное зеркало 9 поочередно с низкой частотой поступают прямоугольные импульсы монохроматических излучений с интенсивностями: J(λ₁) = J₁(λ₁)(1+sign sinΩt), (1) J(λ₂) = J₂(λ₂)(1-sign sinΩt), (2) где J₁ и J₂ - интенсивности излучения источников 1 и 2; Т₁ и Т₂коэффициенты пропускания монохроматоров 3 и 4; Т₃ и Т₄ - коэффициенты пропускания оптических затворов 7 и 8 в состоянии "открыто"; Ω - частота переключения затворов.

С помощью полупрозрачного зеркала 9 импульсы (1) и (2) объединяются, образуя непрерывную последовательность прямоугольных импульсов чередующихся длин волн λ₁ и λ₂, которые делятся этим зеркалом на два оптических потока, распространяющихся по двум оптическим осям.

Длину волны λ₁ выбирают фиксированной (λ ₁=const), а длину волны λ₂ - переменной (λ₂=var). Фиксированную длину излучения выделяют монохроматором 3 и выбирают на плоском участке спектрограммы, относительно которого регистрируют неравномерность остальной части спектра экстинкции. Переменная длины волны λ₂ формируется монохроматором 4, который плавно перестраивается двигателем регистратора самопишущего вольтметра 25 от минимального до максимального значения (λ_2min ... λ_2max).

Первый поток импульсов проходит через измерительную кювету 10 с исследуемой средой, фиксируется объективом 11 и через диафрагму 12 воздействует на фотоприемник 14.

В соответствии с законам Бутера интенсивность ослабленного оптического потока после прохождения кюветы имеет вид J( λ)=J_o(λ) e ^-ε^l (3) где ε - показатель экстинкции ослабления потока в среде; l - толщина (длина) исследуемой среды.

В процессе фотоэлектрического преобразования двухволновой последовательности оптических импульсов образуются последовательность электрических видеоимпульсов U₁= S₁(λ₁) J₁(λ₁) e(1+sign-sinΩt), (4) U₂= S₁(λ₂) J₂(λ₂)e(1-sign sinΩt), (5) где S₁( λ₁) и S₁( λ₂) - спектральная чувствительность фотоприемника 14 на длинах волны λ₁ и λ₂; ε₁ (λ₁) и ε₂ (λ₂) - показатель экстинкции среды в кювете 10 на длинах волн λ₁ и λ₂.

Усилителем 18 низкой частоты усиливается напряжение прямоугольной огибающей видеоимпульсов, которое пропорционально разности их амплитуд U₁ и U₂. Усиленное низкочастотное напряжение выпрямляется синхронным детектором 20, управляемым напряжением генератора 26, и воздействует на интегрирующее звено 21, в качестве которого используется электрический двигатель или электрический накопитель (интегратор). Выходной сигнал интегрирующего звена 21 (угол поворота двигателя или электрическое напряжение) изменяет выходное напряжение блока питания 22, а, следовательно, и интенсивность излучения J₂( λ₂) источника 2.

Процесс регулирования интенсивности J₂( λ₂) длится до тех пор, пока не исчезнет выпрямленное напряжение на выходе синхронного детектора 20. В этом случае интегрирующее звено 21 (двигатель или интегратор) сохраняет установившееся значение интенсивности излучения J₂ (λ₂), при котором уравниваются амплитуды видеоимпульсов U₁ и U₂, т.е. устанавливается равенство
S₁(λ₁) J₁(λ₁)e = S₁(λ₂) J₂(λ₂)e . (6)
Второй поток оптических импульсов от полупрозрачного зеркала 9 проходит через диафрагму 13 без ослабления непосредственно на фотоприемник 15. Выходные электрические видеоимпульсы фотоприемника 15 имеют вид
U₃= S₂(λ₁) J₁(λ₁)(1+sign sinΩt), (7)
U₄= S₂(λ₂) J₂(λ₂)(1-sign sinΩt), (8) где S₂(λ₁) и S₂(λ₂) - спектральная чувствительность фотоприемника 15 на длинах волн λ₁ и λ₂.

Из равенства (6) видно, что интенсивность оптического излучения J₂( λ₂) автоматически устанавливается на уровне
J₂(λ₂) = e J₁(λ₁) . (9)
При использовании однотипных фотодетекторов 14 и 15 можно считать, что их спектральные характеристики практически одинаковы (S₁( λ₁)=S₂(λ₂), а S₁( λ₂)= S₂( λ₂)). Тогда с учетом значения интенсивности J₂( λ₂) из соотношения (9) имеем
U₃= S₁(λ₁) J₁(λ₁)(1+sign sinΩt), (10)
U₄= S₁(λ₁) J₁(λ₁) e (1-sign sinΩt) . (11)
Амплитуды видеоимпульсов U₃ и U₄ подвергаются функциональному преобразованию в логарифматоре 16. В результате этого амплитуды видеоимпульсов на выходе логарифматора 16 приобретают вид:
U₅= S₃lnS₁(λ₁) J₁(λ₁)(1+sign sinΩt), (12)
U₆= SlnS₁(λ₁) J₁(λ₁)-(λ₁)-ε(λ₂)l , (13) где S₃ - крутизна преобразования логарифматора 16.

Усилителем 17 низкой частоты усиливается напряжение огибающей видеоимпульсов, которое пропорционально полуразности амплитудных импульсов
U₇= K₁ = [ε(λ₁)-ε(λ₂)] l sign sinΩt , (14) где К₁ - коэффициент усиления усилителя 17 низкой частоты.

Усиленное напряжение U₇ выпрямляется синхронным детектором 19, который также управляется низкочастотным напряжением генератора 26, и сглаживается фильтром 24 низких частот.

В выражении (14) удобно показатель экстинкции ε(λ₂) представить в виде
ε(λ₂)= ε(λ₁)±Δε(λ₂) (15) где Δε(λ₂) - функция неравномерности спектра экстинкции в диапазоне длин волн λ_2min ... λ_2max относительно опорной длины волны.

С учетом (15) выпрямленное напряжение на выходе фильтра 24 нижних частот
U₈= ± Δε(λ₂)l = ± KΔε(λ₂)l, (16) где К₂ - коэффициент передачи фильтра 24 нижних частот;
К=S₃K₁K_2/2 - коэффициент пропорциональности.

Напряжение U₈ регистрируется самопишущим вольтметром 25, шкала которого проградуирована в единицах ослабления. Поскольку двигатель регистрирующего механизма вольтметра 25 кинематически соединен с приводом монохроматора 4, то длина волны в процессе измерения плавно изменяется от λ_2min до λ_2max, соответственно и изменяется напряжение (16), отражающее неравномерность спектра экстинкции потока излучения через кювету 10 относительно экстинкции на выбранной длине волны λ.

Как видно из выражения (16) регистрируемый сигнал не зависит от неравенства интенсивностей излучения J₁( λ₁) и J₂( λ₂) источников излучения 1 и 2. Не влияет на результат измерения также непостоянство спектральных коэффициентов пропускания монохроматоров 3, 4, оптических затворов 7, 8, а, следовательно, не влияет и неравномерность спектральной характеристики автоматически перестраиваемого монохроматора 4 и затвора 8, работающих в широком диапазоне длин волн. Исключено также влияние непостоянства спектральной чувствительности фотоприемников 14 и 15 на регистрирующую неравномерность спектра экстинкции исследуемой среды в кювете 10.

Исключение указанных источников погрешностей достигается благодаря автоматическому регулированию интенсивности излучения с переменной длины волны J₂(λ₂) по отношению к интенсивности излучения фиксированной длины волны J₁(λ₁). Синхронизация перестройки монохроматора с перемещением регистрирующего механизма самопишущего вольтметра 25 обеспечивает автоматизацию измерения неравномерности спектров экстинкции различных сред в широком диапазоне длин волн с повышенной точностью.

Экспериметальные исследования заявляемого устройства для регистрации неравномерности спектра экстинкции различных биологических тканей и крови показали, что по сравнению с устройствами аналогичного назначения (прототипом) заявляемое устройство обеспечивает регистрацию относительных изменений экстинкции в диапазоне от 0,1 до ±50% в спектральной области 300-1200 нм с погрешностью не более 0,5%. Благодаря использованию автоматического спектроэкстинкциметра повысилась 2-3 раза достоверность диагностики онкологических патологий по неравномерности спектра экстинкции крови и некоторых тканей.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ СПЕКТРА ЭКСТИНКЦИИ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее два источника излучения с блоками питания, по перпендикулярным оптическим осям которых расположены монохроматоры, фокусирующие линзы, оптические затворы и расположенное под равными углами к оптическим осям полупрозрачное зеркало, по одной оси которого расположена измерительная кювета, объектив, диафрагма и фотоприемник, к электрическому выходу которого через усилитель низкой частоты подключен синхронный детектор, управляющие входы которого соединены с противофазовыми выходами генератора низкой частоты, соединенными с управляющими входами оптических затворов, и самопишущий вольтметр, отличающееся тем, что дополнительно содержит фильтр нижних частот, расположенные по другой оси полупрозрачного зеркала вторые диафрагму, фотоприемник, логарифматор, входом подключенный к электрическому выходу второго фотоприемника, и подключенные к выходу логарифматора последовательно соединенные второй усилитель низкой частоты и второй синхронный детектор, и интегрирующее звено, при этом выход первого синхронного детектора через интегрирующее звено соединен с управляющим входом блока питания одного из источников излучения, монохроматор которого своим управляющим входом кинематически соединен с двигателем регистратора самопишущего вольтметра, а измерительный механизм самопишущего вольтметра через фильтр нижних частот соединен с выходом второго синхронного детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1