Спосіб реєстрації спектра інфрачервоного проміння

Реферат: Пропонується спосіб реєстрації спектра інфрачервоного (ІЧ) проміння. Винахід належить до області техніки вимірювань інфрачервоного проміння, а саме до реєстрації параметрів ІЧпроміння в системах контролю різних технологічних процесів в області біомедицини, астрофізики, аналітичної хімії, металургії, екології. Цей спосіб забезпечує сумісне поєднання ІЧспектрально-аналітичного методу і тепловізійного методу. ІЧ-проміння фокусують на приймальні елементи неселективної матриці тепловізора так, щоб кожна спектральна складова, окрім рядків по горизонталі, займала ряд стовпців по вертикалі. Таким чином, ІЧ-проміння перетворюють в електричні сигнали, які залежать як від довжин хвиль його спектральних UA 115934 C2 (12) UA 115934 C2 складових, так і від їх просторово-частотного розподілу. Це і забезпечує підвищення чутливості і роздільної здатності при вимірюванні спектра ІЧ-проміння. UA 115934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонований винахід належить до області техніки вимірювань інфрачервоного (14) проміння і може бути використаний для реєстрації параметрів 14 проміння в системах контролю різних технологічних процесів, а також у фундаментальних і прикладних дослідженнях в області біомедицини, астрофізики, аналітичної хімії, металургії, екології. Відомий спосіб реєстрації спектра 14 проміння [1], за яким 14 проміння за допомогою інфрачервоної оптичної системи або 14 оптичних фільтрів формують в спектральному діапазоні довжин хвиль X від 2 до 20 мкм і фокусують на приймальні елементи, що перетворюють 14 проміння в електричні сигнали з подальшою їх реєстрацією. Проте, за цим способом, сформоване і сфокусоване в спектральному діапазоні довжин хвиль λ від 2 до 20 мкм ІЧ-проміння подають на приймальні елементи інтегрально, тобто без розділення ІЧ-проміння на спектральні складові. Це не дозволяє отримувати інформацію про спектральний склад зареєстрованого ІЧ-проміння і обмежує інформаційну місткість вимірювань параметрів ІЧ-проміння. Відомий інший спосіб реєстрації спектра ІЧ-проміння [2, стор. 136, 183, 237, 241]. За цим способом сформоване в спектральному діапазоні довжин хвиль λ від 2 до 20 мкм інтегральне ІЧ-проміння фокусують на приймальні елементи, виконані у вигляді шарів селективних матриць, розташованих вертикально і розділених бар'єрними шарами. ІЧ-проміння подається на шар таких матриць з боку шарів, що мають більш короткохвильову межу фоточутливості, які пропускають більш довгохвильове ІЧ-проміння. Шар з більш довгохвильовою межею фоточутливості, у свою чергу, служить пропускним фільтром для наступного шару, розташованого ближче до підкладки. Проте, цей спосіб не дозволяє реалізувати багатоколірні матриці приймальних елементів, оскільки кожен шар селективних матриць і шари між ними, крім пропускання, поглинають і відбивають вимірюване ІЧ-проміння. Крім того, неможливо розташувати всі шари багатоколірних матриць в одній фокальній області без зміни фокусної відстані. Це обмежує спектральне розділення сигналів з багатоколірних матриць. Відомий також спосіб реєстрації спектра ІЧ-проміння [3], за яким здійснюють послідовне сканування спектра ІЧ-проміння з просторовим детектуванням спектральних складових. В ІЧспектрометрах, в яких застосовується цей спосіб, сформоване в спектральному діапазоні довжин хвиль λ, від 2 до 20 мкм ІЧ-проміння за допомогою монохроматора розділяють на вузькі спектральні смуги і послідовно фокусують на приймальний елемент, що перетворює спектральні складові в електричні сигнали з подальшою їх реєстрацією. Недоліками цього способу є тривалий час вимірювань спектральних складових всього спектра. Крім того, у зв'язку з тим, що вихідна щілина монохроматора затримує біля 99,9 % корисного сигналу, необхідні значення відношення сигнал/шум не досягаються. Якісно поліпшити тимчасові і енергетичні параметри при вимірюваннях спектральних складових ІЧ-проміння дозволяє спосіб реєстрації спектра ІЧ-проміння, що реалізується в багатоканальних 14 спектрометрах [3, стор. 34]. У таких спектрометрах приймальний елемент одночасно отримує інформацію про всі спектральні складові ІЧ-проміння в спектральному діапазоні довжин хвиль від λ1 до λ2 і перетворює їх в електричні сигнали. Ці сигнали за допомогою перетворень Адамара або Фурьє-перетворень розшифровуються таким чином, що дозволяють отримати інформацію про кожну окрему складову ІЧ-проміння. Проте, цей спосіб не вільний від принципових недоліків. Ефективність дифракційних ґрат масок Адамара досягається тільки в обмеженому інтервалі довжин хвиль і спектральний аналіз в різних спектральних діапазонах неможливий. При Фурьє-перетвореннях сканується весь спектр проміння. Це обмежує можливості аналізу в необхідному спектральному діапазоні. Крім того, виготовлення кодуючих масок Адамара і відповідних ним матриць, а також деталей інтерферометрів вимагає прецизійної точності. Наприклад, у Фурьє-спектрометрах нахил рухомого дзеркала в процесі сканування не повинен змінюватися більше, ніж на половину довжини хвилі проміння. Найбільш близьким аналогом пропонованого способу реєстрації спектра інфрачервоного проміння є спосіб [4] з просторовим детектуванням спектральних складових ІЧ-проміння. За цим способом ІЧ-проміння від джерела за допомогою ІЧ-оптичної системи направляють на диспергуючий пристрій. Отриманий спектр ІЧ-проміння фокусують на лінійний ряд приймальних елементів неселективної матриці при розміщенні кожної спектральної складової уздовж рядків матриці по горизонталі і реєструють електричні сигнали з неселективної матриці, відповідні спектральним складовим ІЧ-проміння. Недоліками даного способу є те, що спектральні складові фокусують тільки на лінійний ряд приймальних елементів, внаслідок чого кожну спектральну складову реєструють за допомогою обмеженого числа дискретних чутливих елементів. Крім того, неможливо візуалізувати 1 UA 115934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спектральні складові ІЧ-проміння, оскільки для створення зображення потрібний, як мінімум, двовимірний ряд електричних сигналів. Недолік цього способу обумовлений тим, що візуалізація спектральних складових, яка стандартна у видимому діапазоні (наприклад, візуалізація за допомогою спектрографа, який реєструє спектр на фотопластину) в ІЧ-діапазоні вимагає вирішення ряду проблем. Найбільш аналітично інформативна для ІЧ-спектроскопії спектральна область довжин хвиль λ від 2,8 до 33 мкм (область "відбитків пальців" [3, с 189]) на порядки перевищує спектральний діапазон видимого проміння (λ, від 0,4 до 0,7 мкм), що пред'являє специфічні вимоги до ІЧ-оптичних систем, диспергуючим і фокусуючим пристроям. Високий фон і низька контрастність ІЧ-проміння, а також те, що енергія проміння спектральних ліній зменшується із збільшенням довжини хвилі, пред'являють підвищені вимоги до заглушування фонових навантажень і підвищення чутливості вимірювань N, що дорівнює відношенню сигнал/шум. Як відомо,   n , де n - число приймальних дискретних елементів [3, с 34]. Слід зазначити також, що за цим способом юстирування оптичних елементів не можна проводити візуально. Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є удосконалення способу реєстрації спектра ІЧ-проміння для поліпшення чутливості і, відповідно, роздільної здатності способу. Задача повинна вирішуватися шляхом перетворення ІЧ-проміння в електричні сигнали, які залежать як від довжин хвиль спектральних складових ІЧ проміння, так і від їх просторовочастотного розподілу. Поставлена задача вирішується в способі реєстрації спектра інфрачервоного проміння, що патентується. За цим способом, також як і в найближчому аналогу, ІЧ-проміння від джерела за допомогою ІЧ-оптичної системи направляють на диспергуючий пристрій. Отриманий спектр ІЧпроміння фокусують на лінійний ряд приймальних елементів неселективної матриці при розміщенні кожної спектральної складової уздовж рядків матриці по горизонталі і реєструють електричні сигнали з неселективної матриці, відповідні спектральним складовим ІЧ-проміння. На відміну від найближчого аналога спектр ІЧ-проміння фокусують на приймальні елементи неселективної матриці так, щоб кожна спектральна складова, окрім рядків по горизонталі, займала ряд стовпців по вертикалі, а електричні сигнали з неселективної матриці реєструють, перетворюючи їх у видиме зображення за допомогою тепловізора. Якщо ряд сфокусованих спектральних складових ІЧ-проміння в горизонтальному напрямі перевищує розмір рядків матриці і у вертикальному напрямі перевищує розмір її стовпців, спектр ІЧ-проміння направляють на селективну матрицю в режимі сканування. Вищезазначене фокусування здійснюють за допомогою тороїдальної оптичної системи, яка дозволяє проводити фокусування і юстирування спектральних складових ІЧ-проміння в горизонтальній і вертикальній площинах. Контроль за фокусуванням і юстируванням спектральних складових здійснюють візуально, використовуючи видиме зображення тепловізора. Завдяки вищевикладеним відмітним особливостям пропонованого способу забезпечується суміснепоєднання інфрачервоного спектрально-аналітичного методу і тепловізіонного методу. При цьому ІЧ-проміння перетворюють в електричні сигнали, які залежать як від довжин хвиль його спектральних складових, так і від їх просторово-частотного розподілу. При цьому стає можливим фокусувати і юстирувати спектральні складові у фокальній площині дискретних елементів неселективної матриці. Це і забезпечує підвищення чутливості і, відповідно, розподільної здатності при вимірюванні спектра ІЧ-проміння. Чутливість і, відповідно, спектральний розподіл при використанні пропонованого способу істотно вище, ніж в найближчому аналогу. Це пов'язано з тим, що спектральна смуга в способі, що патентується, зафіксована не тільки дискретними приймальними елементами рядка, число яких n1 визначається розмірами лінійного ряду дискретних приймальних елементів і шириною спектральної смуги, але і числом дискретних приймальних елементів n2 стовпців матриці. Суть винаходу пояснюється кресленнями. На фігурі 1 показана блок-схема пристрою для реалізації способу, що патентується. На фігурі 2 приведена фотографія коливальнообертальної смуги молекули йоду в газовому середовищі з довжиною хвилі λ=8,5 мкм. Пропонований спосіб був перевірений при реєстрації спектральних молекул йоду фіксованої концентрації в газовому середовищі (використовувалася газова кювета) в спектральному діапазоні довжин хвиль λ від 7,5 до 14 мкм за допомогою спектрально-аналітичної установки, виконаної на базі інфрачервоного спектрометра ІКС-21 і тепловізора Ті-32. Від джерела проміння 1, сформоване за допомогою ІЧ-оптичної системи 2 (див. фіг. 1) інтегральне ІЧпроміння подавали на диспергуючий пристрій 3 у вигляді ІЧ-призми з NaCl і розділяли на спектральні складові. ІЧ-оптична система 2 складалась з діафрагми, вхідних і вихідних захисних ІЧ-фільтрив у вигляді пласких, сферичних та еліптичних дзеркал та ІЧ-коліматора. Спектральні 2 UA 115934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 складові ІЧ-проміння, фокусували і юстирували у фокальній площині матриці неселективних приймальних елементів тепловізора 5 форматом (640480) за допомогою тороїдальної ІЧоптичної системи 4. Контроль за фокусуванням і юстируванням спектральних складових здійснювали шляхом перетворення двовимірного ряду електричних сигналів в умовнокольорове видиме зображення на моніторі тепловізора 5. Це зображення реєструвалося у вигляді спектральних складових ІЧ-проміння. На представленій фотографії на фіг. 2 пояснюється візуалізація реєстрації коливальнообертальної смуги спектра молекул йоду в газовому середовищі на довжині хвилі λ=8,5 мкм. Як випливає з характеристичних частот поглинання галогенерованих з'єднань (див. [3]), отримана спектральна складова відповідає молекулі йоду (довжина хвилі λ=8,5 мкм). Спектральна смуга зафіксована не тільки дискретними приймальними елементами рядка, число яких n1 визначається розмірами лінійного ряду дискретних приймальних елементів і шириною спектральної смуги, але і числом дискретних приймальних елементів стовпців матриці n2. Тоді загальне число дискретних приймальних елементів при реєстрації одиночної спектральної складової дорівнює добутку n1n2. Кількісна оцінка значення чутливості параметра сигнал/шум N дорівнює   n1  n 2  480 . Для коливально-обертального спектра молекул йоду у вигляді візуалізованого зображення спектральної лінії йоду при використанні пропонованого способу величина N була покращена приблизно в 20 разів в порівнянні з найближчим аналогом. При цьому роздільна здатність при використанні у нашому випадку інфрачервоного спектрометра -1 -1 ІКС-21 склала для довжини хвилі 8,5 мкм - 3,2 см проти 150 см , як у найближчому аналогу. Спектральна роздільна здатність за пропонованим способом може досягати значно кращих значень. Вона обмежуються тільки приладовою роздільною здатністю спектрально-аналітичних систем. Слід зазначити, що чутливість вимірювань спектра ІЧ-проміння можна ще більше поліпшити при реалізації пропонованого способу з матрицями приймальних елементів, які мають більший формат дискретних елементів. Джерела інформації: 1. Авт. свід. СРСР № 1454052, 1988 р. 2. Фотоэлектроника для систем видения в "невидимых" участках спектра /Ф.Ф.Сизов. - Киев: Академпериодика. - 2008. - 458 с. 3. Прикладная ИК-спектроскопия / А. Смит. - Москва. Мир. - 1982, 328 с. 4. Гиперспектральная аэрокосмическая информация в обнаружении и наблюдении объектов / М.А. Попов, С.А. Станкевич, В.Д. Молдован. -«Наука и оборона", № 3, 2006 с. 31 (найближчий аналог). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб реєстрації спектра інфрачервоного (ІЧ) проміння, за яким ІЧ-проміння від джерела за допомогою ІЧ-оптичної системи направляють на диспергуючий пристрій, отриманий спектр ІЧпроміння фокусують на лінійний ряд приймальних елементів неселективної матриці при розміщенні кожної спектральної складової уздовж рядків матриці по горизонталі і реєструють електричні сигнали з неселективної матриці, відповідні спектральним складовим ІЧ-проміння, який відрізняється тим, що спектр ІЧ-проміння фокусують на приймальні елементи неселективної матриці так, щоб кожна спектральна складова, окрім рядків по горизонталі, займала ряд стовпців по вертикалі, а електричні сигнали з неселективної матриці реєструють, перетворюючи їх у видиме зображення за допомогою тепловізора. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що спектр ІЧ-проміння направляють на неселективну матрицю в режимі сканування. 3. Спосіб за п. 1 або за п. 2, який відрізняється тим, що вищезазначене фокусування здійснюють за допомогою тороїдальної оптичної системи, юстирують спектральні складові ІЧпроміння в горизонтальній і вертикальній площинах і контролюють процес фокусування, використовуючи видиме зображення тепловізора. 3 UA 115934 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4