Методология и конструктивные особенности спектрометров диффузного отражения
Спектрометр (лат. spectrum от лат. spectare – смотреть и метр от др.-греч. μέτρον – мера, измеритель) – оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для формирования спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов.
Спектрометр позволяет определять количество света (число фотонов) на разных длинах волн. Его назначение состоит в том, чтобы численно охарактеризовать испускание или поглощение света на определенной длине волны. Оператор может изменять длину волны, для которой определяется поглощение или пропускание образца. Таким способом можно узнать, какие длины волн присутствуют в излучении и в каком относительном количестве. На рисунке 4.8 приведена схема простого спектрометра.
Рисунок 4.8 – Схема простого спектрометра
Свет попадает в спектрометр через входную щель, а затем проходит через ряд оптических элементов: коллимирующую линзу, дифракционную решётку и выходную щель. Такая оптическая схема характерна для монохроматоров – устройств, выделяющих только один цвет (фактически, очень узкий интервал длин волн) из всех длин волн (цветов), присутствующих в излучении источника. Длину волны можно выбирать поворотом дифракционной решётки. Различные длины волн отражаются от решётки под разными углами, в результате чего белый свет разлагается в «радугу», как при прохождении через стеклянную призму. Выбранная длина волны является центром узкого интервала длин волн, который выделяется выходной щелью.
|
|
|
Далее свет попадает на детектор, который генерирует напряжение, пропорциональное интенсивности падающего света. Это напряжение передаётся на отсчётное устройство, которое выдаёт результат в удобных единицах измерения.
Разработка приборов с зарядовой связью (ПЗС) в начале 1970-х гг. повлияла на изменение конструкции спектрометров и улучшение их характеристик. В спектрометрах выходная щель и детектор заменялись на матрицу ПЗС, что позволяет не измерять интенсивность света последовательно на каждой длине волны. Количество длин волн, которые могут наблюдаться одновременно, определяется числом элементов в матрице. На рисунке 4.9 приведена схема спектрометра, оснащенного ПЗС-детектором.
Рисунок 4.9 – Схема ПЗС-спектрометра
Матрица генерирует выходной сигнал, по которому можно восстановить интенсивность света, падающего на каждый элемент массива. Этот выходной сигнал может быть направлен на монитор или принтер для визуализации. Прибор даёт мгновенный отклик сразу во всем спектральном диапазоне, и больше не требуется сканировать спектр в разных направлениях для измерения интенсивности на отдельных длинах волн.
|
|
|
В лабораторной работе используется установка, схема которой приведена на рисунке 4.10.
Доставка излучения от широкополосного вольфрамового галогенного источника излучения (HL-2000-HP-232R, «Ocean Optics», США) и сбор отражённого сигнала осуществляется с помощью оптоволоконного зонда (R400-7, «Ocean Optics», США). Зонд имеет семь волокон: шесть осветительных, расположенных вокруг одного считывающего. Анализ отражённого сигнала проводится малогабаритным спектрометром (FLAME, «Ocean Optics», США). Хранение и воспроизведение данных осуществляется персональным компьютером, на котором установлено специализированное программное обеспечение «Ocean View» («Ocean Optics»), поставляемого вместе со спектрометром.
Рисунок 4.10 – Схема экспериментальной установки
Волоконно-оптический датчик, включающий в себя приёмное и передающее волокно, позволяет проводить контактные измерения, что обеспечивает уменьшение влияния составляющей зеркального отражения от поверхности ткани, которая не несет никакой полезной диагностической информации. Тем не менее, потенциальные источники систематических или случайных ошибок могут возникать при неконтролируемом нажиме оптическим волокном на ткань и отсутствии правильной калибровки.
|
|
|
Неконтролируемое прижатие зонда к биоткани вызывает сжатие кровеносных сосудов, влекущее за собой снижение кровотока, изменения в метаболизме тканей, а также изменение плотности хромофоров в коже. Поэтому необходимо обеспечивать методологическое постоянство давления зонда на биоткань для того, чтобы получить воспроизводимые спектры диффузного отражения.
Необходимость в правильной калибровке особенно важна при попытке дать количественную оценку абсолютного коэффициенты поглощения и рассеяния. Начальная калибровка проводится по эталону с известной отражательной способностью, например, тефлону, сернокислому барию, фторопласту и т.п. Калибровка проводится перед регистрацией спектров диффузного отражения. Спектры отражения вычисляются по формуле:
, (4.15)
где Rt(λ) – измеренный коэффициент диффузного отражения биологической ткани;
Rэталон(λ) – измеренный КДО эталона;
Rb(λ) – фоновый спектр, полученный при выключенном источнике света.
Проведенное нормирование позволяет исключить влияние интенсивности излучения источника и чувствительности приёмника на измерения спектральных характеристик биологических тканей.
|
|
|
Важным элементом спектрометра является оптический блок. На рисунке 4.11 представлена схема оптического модуля используемого спектрометра FLAME.
Рисунок 4.11 – Оптический модуль спектрометра FLAME
Свет из волоконно-оптического датчика попадает в спектрометр через оптический разъём 1. Разъём обеспечивает точное позиционирование конца оптического волокна, а также является держателем входной щели 2, поглощающего фильтра 3 и фильтра оболочечных мод волокна.
Входная щель – это прямоугольное отверстие высотой 1 мм и шириной от 5 до 200 мкм, которое определяет количество света, попадающего в оптический модуль, а также влияет на разрешение. Щель наименьшей ширины обеспечивает наилучшее оптическое разрешение. Входная щель является фиксированным элементом и может быть заменена только техниками завода-изготовителя. Поглощающий фильтр используется для срезания второго и третьего порядков дифракции или для балансировки цвета.
Коллимирующее зеркало 4 согласовано с числовой апертурой 0,22 оптического волокна. Свет, отражённый от этого зеркала, попадает в виде параллельного пучка на дифракционную решётку 5. Дифракционная решётка устанавливается на платформе, поворотом которой задаётся начальная длина волны. После этого решётка фиксируется, чтобы избежать механического смещения и дрейфа. Решётка характеризуется числом штрихов на мм (которое определяет разрешение), спектральным диапазоном и длиной волны блеска (которая определяет наиболее эффективный диапазон).
Фокусирующее зеркало 6 фокусирует спектры первого порядка в плоскости детектора. Собирающая линза 7 установлена на окне детектора 8, чтобы сфокусировать свет от высокой щели на более короткие элементы ПЗС-линейки 8. Это увеличивает эффективность светособирания и уменьшает засветку рассеянным излучением. Спектрометр, используемый в лабораторных работах, оснащен линейным ПЗС-детектором Toshiba TCD1304AP (3648 элементов). Каждый элемент реагирует на свет с той длиной волны, которая попадает на него. Электроника передаёт полученный спектр в программу обработки.
Переменный фильтр высших порядков 9 предназначен для полного среза второго и третьего порядков дифракции, предотвращая их попадание на элементы детектора. Окно детектора 10 входит в дополнительную комплектацию спектрометров.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 410; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!