Спосіб реєстрації кута повороту площини поляризації світлового потоку в мутних активних середовищах

Спосіб реєстрації кута повороту площини поляризації світлового потоку, що проходить через мутне активне середовище, у якому використовують джерело випромінювання, фарадеївський модулятор, фотоприймач і систему, що підсилює електричний сигнал, α кювету з досліджуваним зразком розміщують у монохроматичному пучку світла між двома поляризаторами, який відрізняється тим, що попередньо вимірюють ступінь поляризації світла зразком та за виміряними даними підбирають оптимальний кут модуляції фарадеївського модулятора, яким модулюють площину поляризації світлового потоку, отриманий на індикаторі сигнал з максимальним відношенням сигналу до шуму компенсують шляхом повороту поляризатора та визначають кут повороту площини поляризації світлового потоку. Винахід відноситься до області технічної фізики, а точніше для вимірювання концентрації оптично активних компонент в мутному середовищі, наприклад концентрації цукру в крові. Найбільш близькими до об'єкта заявки прототипами є фотополяриметричні способи і пристрої, описані в роботах [1] та [2], в яких кювету з досліджуваною оптично активною речовиною розміщають в монохроматичному пучку світла між двома лінійними поляризаторами, площини пропускання яких в початковому положенні взаємно ортогональні. В цьому положенні світловий промінь не проходить через систему, отже відсутні дробові або генераційно-рекомбінаційні шуми. Кутовий модулятор у вигляді комірки Фарадея модулює площину поляризації світла на невеликий кут низькочастотним сигналом, а один з поляризаторів, який жорстко пов'язаний з датчиком кутових переміщень, плавно повертають до моменту компенсації ефекту повороту площини поляризації досліджуваним зразком. Момент компенсації ефекту повороту площини поляризації визначають по моменту зникнення із спектра сигналу фотоприймача першої гармоніки частоти модуляції фарадеївської комірки. У мутному середовищі за рахунок фотополяризації світла на фотоприймач падає велике світлове засвічення, яке створює шуми та різко знижує чутливість і точність способу і пристрою. Проте в пропонованому способі дане постійне засвічення не проходить на фотопомножувач за рахунок того, що у момент вимірювання поляризатор і аналізатор «схрещені». У пропонованому нами способі амплітуда модуляції кута обертання площини поляризації вибирається такою, щоб для даної деполяризації світла відношення сигнал до шуму було максимальним, що підвищує точність вимірювань в десятки разів. Проте кут обертання лежить в діапазоні 0–45°, що в даний час вже може реалізуватися фарадеївським модулятором на ферромагнітних кристалах [3]. Проаналізуємо пропонований спосіб за схемою прототипу (Фіг.1). Пристрій включає джерело монохроматичного світла 1, досліджувану речовину 3 і фарадеївский модулятор 4, які розміщені між двома поляризаторами 2 і 6. Світловий промінь, що пройшов аналізатор 6, надходить на фотоприймач 7, де перетворюється на електричний сигнал, підсилюється підсилювачем 8 і надходить на (19) UA (11) 92837 (13) C2 (21) a200904243 (22) 29.04.2009 (24) 10.12.2010 (46) 10.12.2010, Бюл.№ 23, 2010 р. (72) СКРИПЕЦЬ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, ТРОНЬКО ВОЛОДИМИР ДМИТРОВИЧ, АСАНОВ МАРЛЕН МУСТАФАЙОВИЧ (73) СКРИПЕЦЬ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, ТРОНЬКО ВОЛОДИМИР ДМИТРОВИЧ, АСАНОВ МАРЛЕН МУСТАФАЙОВИЧ (56) UA 80878, 12.11.2007 RU 2295915, 27.07.2006 RU 2112937, 10.06.1998 US 6166807, 26.12.2000 US 6466320, 15.02.2002 US 4988199, 29.01.1991 EP 1300670, 09.04.2003 3 92837 індикатор 9. Звуковий генератор 5 формує куруючі сигнали для фарадеївського модулятора за сигналами, що надходять з підсилювача 8. Розрахунок параметрів проводитимемо методом вектора Стокса і матриць Мюллера. Для променя світла, що пройшов через поляриметр, вектор Стокса дорівнює Ve пр PA PФК РЗР РП Vi (1) де (Vi)=(I0 0 0 0) - вектор Стокса падаючого променя; І0 - інтенсивність світлового потоку на вході системи; [РП], [РЗР], [РФК], [РА] - відповідно матриці, що описують властивості поляризатора, зразка, фарадеївської комірки і аналізатора. Поляризатор описується матрицею: 1 1 0 0 1 1 1 0 0 (2) 2 0 0 0 0 0 0 0 0 Вважаємо поляризатор і аналізатор ідеальними, хоча це не принципово, оскільки досліджуване середовище деполяризує світло. Зразок описується матрицею: 1 0 0 0 PП 0 p cos 2 p sin 2 0 (3) 0 p sin 2 p cos 2 0 0 0 0 p де р - ступінь поляризації світлового променя досліджуваним зразком, яка пов'язана з деполяризацією світла Gd в мутному середовищі виразом p=1-Gd; - кут повороту площини поляризації оптичного потоку. Фарадеївська комірка описується матрицею: 1 0 0 0 Р ЗР 0 cos 2 sin 2 0 0 0 Р ФК sin 2 0 cos 2 0 0 1 (4) де - кутова амплітуда коливань площини поляризації, що змінюється від часу за періодичним прямокутним законом = 0Ф(t), де 1,0  t  t 1 , t 2 , де - кругова частота генератора 7. Часто використовують гармонійну модуляцію кута = 0sin t. Аналізатор описується матрицею: 1 C S2 0 1 C C 2 CS 0 PA (5) 2 S CS S 2 0 0 0 0 0 де S=sin2 ; С=cos2 ; 4 - азимут площини найбільшого пропускання аналізатора. Після підстановки (2), (3), (4) і (5) в (1) визначаємо інтенсивність світлового потоку, який падає на фотоприймач I' (6) I 0 1 p cos 2 p sin 2 sin 2 4 I де I'0 0 1 R1 2 e z - інтенсивність світло4 вого променя на виході системи, яка залежить не лише від інтенсивності джерела 1, але і від прозорості всього оптичного каналу і ступеня посилення світлового променя за рахунок розсіяння в мутному середовищі; RІ, , z - відповідно коефіцієнти відбиття і поглинання світла активною речовиною і його товщина. У момент компенсації шуканого кута обертання довертанням за азимутом аналізатора (7) = + де - похибка компенсації, пов'язана з тим, що змінний сигнал зникає в шумах і ми не здатні його контролювати. Умову (7) підставляємо в (6), отримаємо, що в точці компенсації інтенсивність світла, яке пройшло, дорівнює I' (8) I 0 1 p cos 2 2 p sin 2 4 Постійна компонента світлового променя, яка створює шум на фотоприймачі, дорівнює I'0 (9) I 1 p cos 2 0 4 Відзначимо, що cos2 =cos2 0. Змінна складова, яка перетвориться на корисний сигнал за амплітудою, дорівнює I'0 (10) I 4 p sin 2 0 4 Обчислимо відношення сигнал до шуму U2 p 2 sin 2 2 0 S C AI'0 2 N U2 U2 (11) U2 4 T ДР T 1 p cos 2 0 A 2 I'0 де А - стала, залежна від параметрів фотоприймача; А2 - коефіцієнт при дробовому шумі. Відношення S/N буде максимальним за певного кута 0, який визначається з формули 1 1 (12) cos 2 0 1 p2 p p На Фіг.2 наведена залежність S/N від амплітуди модуляції площини поляризації фарадеївського модулятора для різних р (або Gd). З графіків видно, що для оптичного каналу поляриметра, коли р близько до одиниці, тобто середовище практично однорідне і не розсіює світло, а деполяризаційний дефект поляризаційних призм близький до нуля, відносно малі кути модуляції ( 0~0,5°-1°) достатні для отримання максимального відношення сигнал до шуму. Тому в існуючих однопроменевих фото 5 поляриметрах використовують поляризатори з малим деполяризаційним дефектом, а вимірювання ведуться в практично однорідних середовищах. Тоді кути розгойдування не перевищують 0,5°-1°. Якщо 0~1°, то відношення сигнал до шуму при р=1 і р=0,5 відповідно дорівнює 2·10-4 і 6·10-4. Тобто, використовувати традиційні модулятори на кварцовому склі або важкому фериті, які реально дають кути розгойдування ~1°, для вимірювання в мутних середовищах неможливо. Модулятори на феромагнітних кристалах дозволяють отримувати кути модуляції до 100°, отже для р=0,5 і кута модуляції 40° ми отримаємо S/N=0,2, що всього лише на порядок знижує чутливість і точність поляриметра. Тобто використання модулятора на 92837 6 феромагнітних кристалах дозволяє працювати з мутними розсіюючими середовищами. На Фіг.1 зображена блок-схема прототипу. На Фіг.2 (а, б) зображена залежність відношення сигналу до шуму від амплітуди модуляції площини поляризації фарадеївського модулятора для різних р (або Gd). Джерела інформації: 1. Кудрявцев В.И. Сахарная промышленность 11-14, 1953. 2. Патент США №6166807 от 26.12.2000 г. (МПК G01J4/00) 3. И.А. Дерюгин, Ю.А, Кузнецов, В.Д. Тронько. Фотоэлектрический поляриметр инфракрасного диапазона, Оптика и спектроскопия, XXVIII, вып. 2, 415-418, 1970. 7 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 92837 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601