Содержание к диссертации
Введение
Область исследований и актуальность работы 3
Цель работы 6
Краткое содержание работы 7
Положения выносимые на защиту 7
Научная новизна результатов 8
Практическая значимость работы 9
Апробация работы 10
Заключение 95
Список использованной литературы
Введение к работе
Область исследований и актуальность работы.
Спектральные и поляризационные приборы решают общую задачу -исследование физических свойств объектов путем анализа различных параметров оптического излучения, таких как энергетическая мощность излучения, распределение энергии излучения по спектру, поляризация излучения. Измерение спектров позволяет определять состав образцов, решать задачи контроля химических процессов, мониторинга состояния объектов. Регистрация спектральных изображений используется для обнаружения и идентификации объектов и для визуализации их структуры [3-6,41,48-52,54]. При этом оптический фильтр настраивается на выделение того интервала спектра излучения, который связан с физическими, химическими и другими свойствами исследуемого объекта или его элементов, что позволяет получить изображение, контрастно отображающее именно эти свойства. Такой подход [56], например, используется в методах спектрозональной съемки поверхности Земли [7], методах корреляционной спектроскопии газов в атмосфере Земли [8-9], флуоресцентных методах визуализации биологических тканей [10,55], методах анализа образцов на основе комбинационного рассеяния света, анализе собственного излучения объектов [11].
Поляриметрия широко используется в аналитической химии для идентификации и количественного анализа оптически активных веществ, в фармацевтике при производстве таких веществ как камфара, кокаин, никотин и др., в медицине при биохимических исследованиях для определения содержания белка, глюкозы и сахарозы, в биохимии при титровании и для контроля хроматографического разделения оптически активных веществ, прослеживания кинетики биохимических реакций (например, энзимного расщепления) [13]. Большая практическая ценность метода заключается в его высокой точности (наибольшей из известных методов определения концентрации растворов), простоте и быстроте. Высокая чувствительность важна не только для получения требуемой точности результатов измерений -она дает возможность анализа при малых количествах образцов. Например, в современных приборах в 0.1 мл раствора можно идентифицировать 2.5-10-9 г глюкозы [14].
Во многих задачах необходимо измерять как спектральные, так и поляризационные свойства объектов. Например, при исследовании световых потоков в атмосфере регистрируется спектры излучения с горизонтальной и вертикальной поляризацией [1]. При поляриметрическом исследовании кинетики протекания химических реакций оптически активных веществ измерения проводят на заданных длинах волн, для чего в поляриметрах используют несколько источников монохроматического света [2]. Для
решения многих исследовательских и технологических задач активно используются спектрополяриметры.
Существует ряд приборов анализирующих спектральные поляризационные изображения различных объектов. [16,17] Такие приборы применяются, например, в военной технике для обнаружения замаскированных противопехотных мин [18,19].
Поляриметрические методы используются для исследования
поляризации фосфоресценции хлорофиллоподобных молекул
(Металлокомплексов родопорфирина XV) В работе [15] обнаружены существенные различия в значениях степени поляризации фосфоресценции для молекул Pd, Си и Zn родопорфирина.
Современные методы проведения исследований требуют постоянного повышения характеристик используемых приборов, в частности точности и скорости измерений, объема регистрируемой и обрабатываемой информации. При этом непрерывно совершенствуются как элементная база, так и используемые методы измерений, а также постоянно расширяются требования к обработке данных и представлению информации. Фактически нормой становится непрерывное совершенствование (модификация) измерительных систем. Все это делает актуальными задачи адекватного построения современных приборов и их программного обеспечения, отвечающего этим требованиям.
Цель работы
Целью работы являлась разработка схем построения приборов спектрального и поляризационного анализа, а также программного обеспечения и методик работы с данными приборами, отвечающих требованиям высокой производительности, гибкости управления, возможности постоянной модернизации.
В частности, в работе решены следующие задачи:
разработки и создания средств и методов высокопроизводительной регистрации с помощью акустооптического (АО) видеомонохроматора спектральных изображений неорганических и биологических объектов для технологических и медицинских применений;
создания соответствующего специализированного программного обеспечения для АО видеомонохроматора и для нового высокоточного быстродействующего поляриметрического комплекса;
разработки специализированных методов исследования влияния элементов аппаратуры на статистические характеристики выходных сигналов с целью устранения этого влияния для повышения точности измерений и проведения исследований характеристик аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).
Краткое содержание работы
Работа состоит из трех глав, введения и заключения.
Во введении изложены цели диссертационной работы, обоснована актуальность работы, её научная новизна и практическая значимость, сформулированы положения выносимые на защиту.
Первая глава посвящена проблеме разработки и создания методики работы с видеоспектрометром и программного обеспечения, работающего по разработанной методике.
Во второй главе рассмотрена проблема управления поляриметрическим измерительным комплексом, описываются разработанные программы управления комплексом и схема работы его аппаратной части.
Третья глава посвящена задаче оценки статистических характеристик цифровых оптико-электронных трактов приборов.
В заключении приведены основные результаты работы и
сформулированы основные выводы.
Положения выносимые на защиту
На защиту выносятся разработанные и реализованные программными средствами в составе измерительных комплексов:
Новая методика определения с помощью АО видеоспектрометра характеристических длин волн исследуемых объектов, связывающая в единой программе функции анализа изображений и управления элементами установки и позволяющая автоматизировать процесс исследований.
Специализированный алгоритм работы поляриметрического измерительного комплекса, обеспечивший улучшение точностных и скоростных характеристик по сравнению с характеристиками аналогов.
Математический метод оценки статистических характеристик случайных последовательностей с равномерным законом распределения, позволяющий проводить детальные исследования шумовых сигналов оптико-электронных приборов.
Научная новизна результатов
Научная новизна заключается в том, что в ходе выполнения работы была создана новая методика определения характеристических длин волн исследуемых объектов с помощью видеоспектрометра; данная методика была реализована в программном обеспечении, построенном на технологии виртуальных приборов LabView; был разработан математический метод для оценки статистических характеристик случайных последовательностей при исследовании сигналов оптико-электронных приборов.
Практическая значимость работы
С практической точки зрения с помощью видеоспектрометра был проведен ряд исследований различных объектов. При этом были найдены биологические объекты, обладающие характерными особенностями в исследуемом спектральном диапазоне; было разработано новое программное обеспечение для программно-аппаратного поляриметрического комплекса, основанное на корреляционном алгоритме анализа сигнала поляриметрического тракта; были проанализированы различные варианты построения программной и аппаратной частей комплекса и выбран оптимальный из них.
Кроме того, с помощью разработанной методики оценки статистических характеристик случайных последовательностей было проведено исследование аналогово-цифровых преобразователей, входящих в состав разрабатываемых комплексов.
Результаты диссертационной работы были применены в разработках, проводимых в Научно Технологическом Центре Уникального Приборостроения РАН, Федеральном Государственном Научно Исследовательском Центре Научного Приборостроения при МГТУ им. Баумана, Институте Органической Химии РАН.
Апробация работы
Основные результаты работы были апробированы на следующих научных конференциях:
Вторая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 15 ноября 2004 г. Москва.
SPIE Conference "Acousto-optics and Photoacoustics" 30 August - 2 September 2005 Warsaw, Poland.
Четвертая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 18-19 ноября 2005 г. Москва.
Вторая Троицкая конференция "Медицинская физика и инновации в медицине" 16-19 мая 2006 г. Троицк.
Пятая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 17-18 ноября 2006 г. Москва.
Седьмая международная конференция "Прикладная оптика 2006" в рамках конгресса "Оптика XXI век" 16-20 октября 2006 г. Санкт-Петербург.
Международная научно - практическая конференция "Современные
информационные и электронные технологии" 21-25 мая 2007 г. Одесса.
Вторая Международная конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" 25-27 сентября 2007 г. Суздаль.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 3 статьях 6 докладах и 3 тезисах выступлений на конференциях.
Краткое содержание работы
Основные результаты работы были апробированы на следующих научных конференциях: Вторая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 15 ноября 2004 г. Москва. SPIE Conference "Acousto-optics and Photoacoustics" 30 August - 2 September 2005 Warsaw, Poland. Четвертая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 18-19 ноября 2005 г. Москва. Вторая Троицкая конференция "Медицинская физика и инновации в медицине" 16-19 мая 2006 г. Троицк. Пятая международная научно-практическая конференция "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments" 17-18 ноября 2006 г. Москва. Седьмая международная конференция "Прикладная оптика 2006" в рамках конгресса "Оптика XXI век" 16-20 октября 2006 г. Санкт-Петербург. Международная научно - практическая конференция "Современные информационные и электронные технологии" 21-25 мая 2007 г. Одесса. Вторая Международная конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" 25-27 сентября 2007 г. Суздаль.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 3 статьях 6 докладах и 3 тезисах выступлений на конференциях. Разработанный комплекс представляет собой оптическую насадку на микроскоп, регистрирующую изображение располагаемого на предметном столике объекта в произвольном спектральном интервале видимого диапазона. Комплекс состоит из оптического блока, содержащего двойной АО монохроматор и видеокамеру; блока управления, представляющего собой системный блок персонального компьютера, в котором установлена плата контроллера видеомонохроматора, и ВЧ модули управления. Специализированная программа, управляющая перестройкой монохроматора, автоматически запускается при включении этого компьютера.
В данной работе был применен акустооптический видеомонохроматор с двойной монохроматизациеи излучения, имеющий следующие основные параметры: спектральный диапазон - 440-760 нм, полоса пропускания - 5 нм при 630 нм.
Акустооптическими называются явления, наблюдаемые при взаимодействии электромагнитных волн с акустическими возмущениями, распространяющимися в упругой среде. При этом наиболее сложные и богатые различными возможностями практического применения явления происходят при распространении акустических и электромагнитных волн в анизотропных твердых телах. Физической причиной взаимодействия электромагнитных и упругих волн является упругооптический эффект, имеющий место в любых упругих средах.
Упругооптический эффект (пьезооптический эффект, фотоупругость) -изменение показателя преломления кристалла под действием механического напряжения. Фотоупругость наблюдается не только в кристаллах, но и в изотропных телах. Эффективными фотоупругими материалами являются халькогенидные стёкла и кристаллы РЬМоС 4, Те02. Фотоупругость возникает за счёт деформации среды. [20]
Дифракция света на ультразвуке (акустооптическая дифракция) -совокупность явлений, связанных с отклонением от законов прямолинейного распространения света в среде в присутствии ультразвуковой волны. В результате периодических изменений показателя преломления света под действием звуковой волны в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решетке. Если в такой структуре распространяется пучок монохроматического света, то в ней, помимо основного, возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света.
Научная новизна результатов
Частота света, отклонённого в сторону распространения ультразвуковой волны, увеличивается, а отклонённого в противоположную сторону -уменьшается.
Наблюдать дифракцию света на ультразвуке можно, направив лазерный луч 1 (рис. 1.1) на образец 2, в котором излучатель звука 3 возбуждает ультразвуковую волну. Линза 4 собирает дифрагированный свет, идущий по разным направлениям, в различных точках экрана 5. В отсутствие ультразвука на экране видно световое пятно от проходящего света; при включении ультразвука справа и слева от него появляются пятна, создаваемые дифрагированным светом различных порядков. Помещая вместо экрана диафрагму, можно выделить соответствующий порядок дифракции. Регистрирующая система, содержащая фотоприёмное устройство 6 и поляризационный анализатор 7, позволяет измерять интенсивность дифрагированного излучения, его угловые и поляризационные характеристики.
Теоретическое описание дифракции света на ультразвуке основано на решении уравнений Максвелла в среде, диэлектрическая проницаемость которой є содержит периодическое возмущение, вызванное акустической волной: где So - диэлектрическая проницаемость невозмущённой среды, р = (є0 -є)/sis - упругооптическая постоянная, So - амплитуда деформации в звуковой волне, К и Q - волновой вектор и частота звука.
В первом приближении электрическая поляризация, обусловленная одновременным воздействием на среду падающей световой волны и звука, является источником рассеянного светового излучения, содержащего две компоненты с частотами со ± Q. Компонента с суммарной частотой выходит из объёма взаимодействия по направлению вектора суммы (к + К), а с разностной - по направлению (к - К), где к - волновой вектор света (рис. 1.2). Таким образом, непосредственное взаимодействие падающего излучения с ультразвуком обусловливает лишь 1-й порядок дифракции: более высокие порядки возникают при взаимодействии со звуком света, уже отклонённого в 1-й порядок.
Дифракция имеет место при любом угле падения света на акустический пучок. В общем случае интенсивность дифрагированного света / мала по сравнению с интенсивностью падающего loo, поскольку электромагнитные волны, испускаемые различными частями области акустооптического взаимодействия, интерферируя, взаимно гасят друг друга. Лишь при определенных условиях излучение рассеянное различными точками оказывается синфазным и эффективность дифракции ц=1/1оо возрастает на много порядков - возникает явление так называемой резонансной дифракции. Интенсивность отклонённого в результате дифракции света / увеличивается как с ростом интенсивности звука 1зв,, так и с возрастанием размера области акустооптического взаимодействия в направлении распространения 7 7 дифрагированного света - длины взаимодействия L: I р I3eIooL . При достаточной длине L значение / становится сравнимым с 10о и дифракционная картина определяется характером взаимодействия с ультразвуком света, уже отклонённого в 1-й порядок.
Практическая значимость работы
Здесь Jm — функция Бесселя 1-го рода m-го порядка, )у? - длина световой волны в вакууме. Величина М2 = p2n6/pcl (р - плотность материала, сж -скорость звука в нём) называется акустооптическим качеством материала и является основной характеристикой его акустооптических свойств. С увеличением L или S0 интенсивности как проходящего света, так и света, отклонённого в различные порядки дифракции, осциллируют (рис. 1.4), причём амплитуда осцилляции постепенно уменьшается, т. к, энергия падающего излучения перераспределяется среди всё возрастающего числа дифракционных максимумов. Дифракция Рамана-Ната наблюдается при рассеянии света на звуковых волнах с частотами от нескольких десятков МГц и ниже. С уменьшением ширины звукового пучка интервал акустических частот, для которых возможен этот вид дифракции, расширяется в область более высоких частот.
Резонансная дифракция света на высокочастотном звуке, длина волны которого удовлетворяет условию XL/А2 1, называется дифракцией Брэгга.
Она представляет собой частичное отражение волны от звуковой решётки (рис. 1.5). Эффективная дифракция имеет место, если волны, отражённые от соседних максимумов показателя преломления, имеют разность оптического хода, равную X Это происходит, если свет падает под определенным углом, так называемым углом Брэгга BE- При брэгговской дифракции свет отклоняется только в один из максимумов 1-го порядка. В зависимости от того, какой угол - тупой или острый образуют векторы к и К, частота дифрагированного света равна со + Я (+1-й порядок) или w - fi (-1-й порядок).
Угол рассеяния в , под которым выходит дифрагированный свет, равен в = вБ. Для данной длины световой волны X существует предельная звуковая частота С1пр_ = 4яси-/Я, выше которой брэгговская дифракция невозможна. Эта частота отвечает рассеянию света точно в обратном направлении. Энергия падающего излучения распределяется между проходящим и дифрагированным лучами. Интенсивность дифрагированного света // возрастает с увеличением интенсивности звука 1зв и длины взаимодействия L до тех пор, пока весь падающий свет не окажется дифрагированным. При дальнейшем увеличении Ізв, или L часть отклонённого света, вновь дифрагируя на звуковой решётке, выходит из акустического пучка по направлению падающего излучения. В результате возникает периодическая зависимость интенсивности проходящего 10 и дифрагированного // света от 1Ж и L. /0 = /00 cos2l M2I3e_ L/Z0 І ,
В анизотропной среде свет с разной поляризацией имеет различные скорости распространения. Поэтому условия (1.4) выполняются при различных углах падения света в зависимости от того, сохраняет дифрагированный свет поляризацию падающего или нет. Если поляризация не меняется, то угол #по-прежнему определяется выражением (1.6), а & = вп.
Дифракция с изменением плоскости поляризации (так называемая анизотропная дифракция) имеет место, когда свет падает под углом
Основные особенности анизотропной дифракции следующие. 1) При неизменном угле падения света на акустический пучок дифракция имеет место при двух различных значениях частоты звука, которым соответствуют различные углы отклонения дифрагированного света (рис. 1.7).
Режимы дифракции Рамана-Ната и Брэгга представляют собой два предельных случая, соответствующих малым и большим длинам области взаимодействия света и звука. Плавный переход между этими режимами происходит при непрерывном изменении длины L. Таким образом, по мере увеличения L происходит уменьшение числа дифракционных максимумов и сужение допустимых пределов углов падения света. Строгие границы режимов дифракции не могут быть установлены еще и по той причине, что число дифракционных максимумов существенно зависит от мощности ультразвуковой волны Р, вызывающей дифракцию света. С увеличением Р число дифракционных максимумов, вообще говоря, растет [20].
Апробация работы
Подобная методика измерений имеет существенные недостатки, такие как повышенная трудоемкость измерений и несогласованность между программным обеспечением монохроматора, видеокамеры и анализа изображений.
Отсюда следует низкая производительность исследований с помощью прибора. В некоторых случаях это приводит к невозможности проведения эксперимента (быстротекущие процессы, при которых исследуемый объект изменяет свои характеристики во времени, ограничение времени проведения эксперимента, например с борта вертолета).
Был проанализирован алгоритм взаимодействия по схеме прибор-человек-компьютер. На основе анализа предложена новая методика работы с прибором и разработано программное обеспечение, реализующее эту методику. При этом использовались новейшие технологии визуального программирования в среде N1 LabView. Было предложено объединить программное обеспечение видеокамеры и монохроматора, что позволяет осуществлять управление видеомонохроматором и камерой в зависимости от полученной информации об объекте, т.е. обеспечивает в приборе обратную связь.
После установки образца программное обеспечение измерительного комплекса устанавливает коэффициент усиления в видеокамере и время экспозиции одного кадра так, чтобы динамический диапазон изображения попал в динамический диапазон камеры. При этом происходит последовательный захват и анализ яркости кадров при различной экспозиции. Затем изображение сохраняется в растровом файле. Далее происходит перестройка видеомонохроматора по частоте по заданному пользователем алгоритму
Предложенная методика работы с микровидеоспектрометром позволяет повысить скорость работы оператора с прибором и уменьшить трудоемкость эксперимента. LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbbench) -представляет собой среду прикладного графического программирования (язык G) [22-25], позволяющую автоматизировать процессы измерений, обработки сигналов, отображения и архивирования результатов экспериментов, на базе персонального компьютера. Программа, написанная в LabView, называется виртуальным прибором (Virtual Instrument). Измерительный комплекс строится на основе персонального компьютера, снабженного различными внешними аппаратными интерфейсами и подключаемых к ним датчиков и исполнительных элементов. Сигнал с входного интерфейса поступает в ПК и обрабатывается виртуальным прибором, после чего результат отображается для пользователя и (или) сохраняется в необходимом для дальнейшей работы виде. Обратная связь может быть реализована путем управления исполнительными элементами тем же виртуальным прибором. Управление акустооптическим видеоспектрометром (Рис 1.13) было реализовано с помощью разработанной программы, передающей по протоколу СОМ [26] порта строку в необходимом формате. При этом, для удобства пользователя, на экране отображается поле, окрашенное в цвет, соответствующий длине волны излучения, на который настраивается видеоспектрометр, реализованы режимы ручного и автоматического сканирования по спектру и возможность задания длины волны монохроматора вручную.
Для пересчета длины волны излучения, проходящего через монохроматор в систему RGB, используемую в ПК. Была разработана подпрограмма, использующая линеаризованную модель цветного зрения человека [27].
Также возникла необходимость написания программного интерфейса между драйвером PCI устройства и программным интерфейсом Lab View для включения в виртуальный прибор фунукций работы с фрейм-граббером. Интерфейс реализован в среде Borland Delphi и представляет собой библиотеку функций для работы с фреймграббером. При написании интерфейса был использован SDK, входящий в комплект поставки камеры.
