RO138653A2 - Instrument portabil cu înalt grad de integrare waveselector/spectrometru pentru analiza spectrală în reţele optice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un instrument portabil pentru analiză spectrală în reţele optice. Instrumentul, conform invenţiei, cuprinde un modul spectometru şi un modul waveselector. Modulul spectometru se bazează pe un element de difracţie grating utilizat pentru separarea fasciculului de lumină în lungimi de undă individuale, iar modulul waveselector se bazează pe utilizarea materialului polimer fotosensibil. Modulul spectometru cuprinde senzor de imagine liniar, microcontroler, carcasă realizată prin tehnologie de imprimare 3D, sursă de lumină. Modululwaveselector utilizează două panouri, fiecare cu câte un orificiu de trecere, pentru lumina albă, respectiv lumina cu lungime de undă UV.

Description

“Instrument portabil cu înalt grad de integrare Waveselector / Spectrometru pentru analiza spectrala in rețele optice.”

b) Domeniul de aplicare a invenției

Invenția se refera la o instrumentație portabila cu funcționare in condiții de mediu exterior si interior in condiții de laborator pentru efectuarea de analize spectrale pentru rețele optice,surse de lumina si de calitate a produselor.

c) Prezentarea stadiului actual al tehnicii mondiale în domeniul obiectului invenției,

Sunt cunoscute instrumentatii de analiza spectrrala in concepție de rfunctionare staționara pentru efectuarea de analize si determinări spectrale cu funcționare in condiții staționare de laborator.Datorita condițiilor specifice cu mare diversitate a parametrilor de lucru si de mediu si de gabarit redus pentru a se asigura condițiile unui instrument portabil , instrumentația de analiza spectrala de tipul waveselector/spectrometru întrunește caracteristicile unui produs special.

Acest tip de spectrometre de gabarit redus pot fi impartite in 3 clase (i) versiuni de dimensiuni reduse al spectrometrelor de laborator (transportabile sau mobile), care asigura afișarea datelor măsurate ; (ii) analizoare de teren dedicate, care asigura măsurătorile necesare pentru ne-specialisti; si (iii) analizoare de proces, asigurând informațiile cantitative sau semi-cantitative necesare unui controlor de proces. Spectrometrele transportabile cunoscute cu specificațiile lor (de exemplu rezoluția sau domeniul spectral) apropiate de cele ale instrumentelor de laborator sunt in mod obișnuit amplasate intr-o carcasa aflate intr-o geanta de dimensiuni mici sau de protecție la soc montata intr-un mijloc de transport cu dimensiunile in jur de 60x30x20 cm and care poate cantari pana la 20 kg.Spectrometrele transportabile pot fi si de dimernsiuni mai mici care pot ajunge pana la 25x20x10 cm ,cu greutatea de pana la 3 kg . Specificația lor este mai simpla in complexitate cu instrumentele transportabile de gabarit mare si pot avea sistem de colectare de date sau posibilitatea de conectare la un PC pe baza unui conector USB port. Domeniul caracteristicilor dimensionale pentru tipul de spectrometru/waveselector portabil care fac obiectul cererii de brevet are valorile tipice de 20x10x5 cm sau chiar mai mici si greutatea de pana la 1 kg sau chiar mai mica .Instrumentul conține sistem de colectarea datelor, facilitate de afișare vizuala , si care sunt configurate pentru a genera răspunsurile ca valori de ieșire primara nu spectru.Ca instrumentele portabile de teren , acest tip de instrumente trebuie sa reziste unui domeniu variat de temperaturi ale mediului de lucru, soc, si umiditate.

d) Precizarea scopului invenției

Scopul invenției este de a realiza un instrument analitic pentru analiza spectrala in rețele optice ca un sistem inteligent .electronic complet integrat.care constitue o baza generica pentru dezvoltarea unui domeniu larg de spectrometre portabile miniatura cu o linie completa de surse de lumina , fibre optice, dar si accesorii pentru prelevare mostre in combinație cu aplicatii software de dezvoltare pentru a permite o integrare ușoara a diferitelor technici de senzori optici in sisteme de utilizare finala.

e) Expunerea invenției

Problema tehnică pe care o rezolva invenția consta in concepția si fabricația unui instrument electronic integrat .portabil .inteligent, pentru analiza spectrala pentru diferite surse de lumina cu funcționare independenta de o sursa de alimentare din rețea fixa.

Rezultatul măsurării este afișat instantaneu digital iar facilitățile de operare ca instrumentație inteligenta pe baza de microprocesor asigura si facilitatea de comunicare la distanta a datelor in sistem wireless.

Caracteristicile tehnice ale instrumentului de măsură sunt următoarele:

Rezoluție	2-3 nm
Domeniul de operare lungime de unda λ	350-950 nm
Sursa de lumina	LED amplificat tungsten
Tensiunea de lucru	3.6V-5V
Temperatura mediului de lucru	-40°C +125°C

f) Prezentarea figurilor /desene

Concepția de integrare a elementului sensibil din PMP cu funcția de element de difracție grating in instrumentația integrata de tipul Waveselector/Spectrometru.

Pentru a demonstra proprietățile instrumentului waveselector/spectrometru pe baza de material fotosensibil PMP, acesta trebuie sa fie integrat intr-un sistem de calibrare .Astfel instrumentația este compusa din doua module constitutive principale: (i) Modul Spectrometru (Fig. 1) se bazeaza pe un element de difracție grating care va fi utilizat pentru a analiza spectrul emis de către waveselector.

(ii) Modul Waveselector (Fig.2) se bazeaza pe utilizarea materialului polimer fotosensibil (PMP).

Spectrometrul poate utiliza la intrare lumina care este emisa de surse de lumina diferite cum sunt CFL, LED, Diode Laser, etc. Lumina care trece printr-un orificiu de trecere care interactioneaza cu elementul grating de difracție Senzorul CMOS va analiza the modelul (structura ) obtinuta diun aceasta interactiune.Am utilizat un element de grating de difracție cu 1000 linii/mm si un senzor CMOS senso cu 8 megapixels Spectrometrul realizat poate acționa in domeniul spectrului vizibil de la 400nm la 700nm. Ecranul orificiului poate fi interschimbsbil cu un panou echipat cu diferite tipuri de adaptori pentru fibre optice cu conectori (ST, SC, LC,).

Modulul Waveselector utilizează doua panouri cu cate un orificiu de trecere fiecare ,unul pentru sursa de lumina alba si unul pentru sursele de lumina cu lungimea de unda UV si pentru spectrul vizibil Vis pentru culoarea bleu.

Fascicolul de lumina alba va suferi o dispersie la trecerea prin prisma. Lumina se descompune in domeniul lungimilor de unda de la 400nm la 700nm (violet la roșu) si sunt reflectate de Oglinda 1 si Oglinda 2. Prima olinda are un simplu rol de reflexie. A doua oglinda are un film subțire de argint depus pe suprafața materialului de polimer fotosensibil (PMP}.Lumina reflectata de cea de a doua oglinda este colectata de către o fibra optica.Căpătui fibrei optice care este amplasat pe panoul cu adaptorul fibrei optice poate fi conectat la spectrometrul din documentația prezenta .Astfel lungimea de unda reținuta de fibra optica poate fi observata după reflexia de la prima la a doua oglinda.

Materialul PMP poate controla a doua oglinda pentru a se obține colectarea lungimii de unda dorite. Prin excitarea cu lungimea de unda UV de la cel de al doilea panou cu orificul de trecere aferent, deformatiile determinata ca efect al radiației luminoase asupra materialului (PMP} sub forma unei curbări (arcuire) sau respectiv relaxare (revenire) la forma intiala plana ca efect al radiației celei de a doua oglinda conectata cu material fotosensibil PMP. In acest mod , lungimea de unda a fibrei optice injectate va diferi de cea existenta înainte de excitarea materialului din PMP cu radiația luminoasa cu lungimea de unda in domeniul UV (385nm ). Pentru a scapa de deformarea de curbare a PMP si injectarea lungimii de unda inițiala a luminii in fibra optica ,materialul din PMP cu lungimea de unda pentru culoare Bleu (emisa de către o sursa de lumina corespunzătoare {LED Vis (470nm Bleu )} .Pentru a obține un domeniu larg pentru selecția lungimii de unda , sistemul de arcuire al PMP prin radiație UVA/is (Bleu) poate fi combinata cu un sistem electro-motorizat cu un motor cu reglaj fin al rotației) pentru ansamblul Oglinda 2 - PMP .

Subansamblele principale ale Spectrometrul ui.

Implementarea practica a unui Spectrometru optic consta in integrarea si interconectarea următoarelor module principale: :(i) Senzorul de imagine liniar tip CCD (Charge Coupled Device) (ii) Microcontroller 32-bit - STMicroelectronics .STM32F103 family,(iii) Elementul pentru difractiv grating care este utilizat pentru a separa fasciculul de lumina in lungimile de unda individuale (iv) Carcasa dezvoltata si realizata in concepție proprie (OEM ) prin tehnologie 3D-Printing pentru asamblare precisa a componentelor principale prezentate. In completare trebuie sa menționam alte doua componente importante cum sunt (v) Slit pentru fasciculul de lumina si (vi) Sursa de lumina.

g) Prezentarea unui exemplu de realizare/aplicare a invenției

Se prezintă un exemplu de realizare a invenției din Fig.1 si Fig.2 in legătură cu Fig.3 care reprezintă schemele electrica si electronica corespunzătoare funcționarii instrumentației de măsură iar in legătură cu Fig.4 sunt reprezentate subansamblurile principale realizate si asamblate ale carcasei in concepție si fabricație proprie prin tehnologie 3D-Printing, modulele funcționale de electronica si optica asamblate ca instrumentație compacta,portabila si accesibila unei comunități mai largi de utilizatori inclusiv fara un grad înalt de specializare.

Instrumenatia este compusa din următoarele module principale cu principalele funcțiuni menționate:

- Slit,

- Element pentru Diffraction Grating pe baza de Polimer Fotosensibil (PMP),

- Microcontroller Board STM32F103,

- Senzor de imagine TCD1304

- UART stands (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) cu,dispozitivul USB Modul de operare pentru efectuarea de măsurători experimentale.

In imaginea din Fig. 5 este reprezentata interfața principala pentru analiza imaginii posibile prin afișarea spectrului iar in Fig .6 este prezentata imaginea spectrului generat de o sursa de lumina ,in cazul analizat un LED pentru emisie lumina alba.

Imaginea din Fig.7 este selectata din rețeaua de difracție rezultata după descompunerea luminii emisa de un LED alb realizata cu instrumentația dezvoltata cu funcția de spectrometru.Spectrometrul este parte a modulului de analiza integrat avand elementul cu funcția de rețea de difracție din PMP integrat in modulul waveselector.

In imaginea din Fig 8 este prezentat spectrul pentru un LED verde cu valoarea lungimii de unda centrale de 520nm si valoarea FHWM (Full width at Half Maximum) In Fig. 9, este reprezentat spectrul pentru LED Blue cu lungimea de unda Â=470nm ,in Fig.10 reprezentat spectrul pentru LED Orange cu valoarea lungimii de unda centrale de 605nm iar in Fig. 11 este reprezentat spectrul pentru LED Roșu cu lungimea de unda centrala 638nm si valoarea pentru Spectral Line Half Width Δλ 20,00 nm

Rezultatele experimentale pentru analiza spectrului generat si generarea diagramei pentru o sursa de lumina un LED verde, 459 pixels pentru analiza spectrului de emisie corespunzător lățimii de banda de 300nm (400-700nm) cu acuratețea de 1,5 pixeli /nm.Aceasta confirma ca rezoluția spectrala a spectrometrului dezvoltat pentru operare in spectrul vizibil (400-700nm) este de 1nm,cu mult sub valoarea de 10nm pe care am considerat-o ca o valoare tinta.

Prin funcția de Import Image menu vom putea accesa imagiunea dorita p[entru analiza spectrala. Asa cum este prezentat in Fig. 11 in care este reprezentat spectrul pentru un LED verrde cu reprezentarea a doua caracteristici principale Lungimea de unda de valoare centrala si valoarea pentru FHWM.( Full width at half maximum) După cum se vede pe diagrama de deasupra valoarea pentru caracteristica FHWM este localizata in interiorul valorii ceruta pentru latimea ariri de interes de 10nm ceea ce este in concordanta cu cerințele proiectului.

f) Prezentarea avantajelor rezultate din aplicarea invenției

Invenția prezintă următoarele avantaje

- Instrumentația portabila integrata care asigura efectuarea de analize spectrale in rețele optice aplicabila pentru un domeniu larg de aplicatii in condiții diferite de mediu

- Instrumentația constitue o soluție tehnica optima cu sensibilitate redusa la eventuale manipulări pentru transport si efectuarea de măsurători pe teren datorita concepției sale integrate cu elementul pentru funcția de rețea de difracție din polimer fotosensibil (mobil) (PMP) care prin răspunsul foarte rapid este complet superior soluțiilor clasice lente care folosesc electro-motorizarea pentru deplasarea rețelei de difracție.

- Instrumentația electronica in concepție deschisa upgradarii prin implementare ulterioara a unor facilitati de transmitere la distanta a rezultatelor prin sistem wireless. - Instrumentatul electronic integrat este portabil si nu necesita conectare la o rețea electrica de alimentare datorita facilitatii duble de alimentare din rețea si din surse statice ex baterii,acumulator etc.

- Instrumentația nu este influențată de condițiile mediului de lucru: condiții grele de mediu :mediu toxic, umiditate si/sau temperaturi extreme,iluminare,radiatii electromagnetice,vibrații,mediu corosiv ,

- Concepția instrumentului cu grad ridicat de integrare asigura un preț de cost redus ca un produs accesibil pentru masa larga de utilizatorii ca o investiție financiara redusa.

Claims (5)

1. REVENDICĂRI

   Obiectul invenției: „Instrument portabil cu înalt grad de integrare Waveselector / Spectrometru pentru analiza spectrala in rețele optice.”

   Concepția de integrare a elementului sensibil din PMP cu funcția de element de difracție grating in instrumentația integrata de tipul Waveselector/Spectrometru.

   Proprietățile instrumentului waveselector/spectrometru pe baza de material fotosensibil PMP, sunt evidențiate prin integrararea intr-un sistem compus din doua module constitutive principale:

   (i) Modulul Spectrometru se bazeaza pe un element de difracție grating care va fi utilizat pentru a analiza spectrul emis de către waveselector.

   (ii) Modulul Waveselector se bazeaza pe utilizarea materialului polimer fotosensibil PMP.

   Spectrometrul poate utiliza la intrare un flux luminos emis de surse de lumina diferite cum sunt CFL, LED, Diode Laser, etc. Fasciculul luminos traversează un orificiu de trecere care interactioneaza cu elementul grating de difracție Un senzor de imagine CMOS va analiza structura obtinuta din aceasta interactiune.Am utilizat un element de grating de difracție cu 1000 linii/mm si un senzor CMOS cu 8 megapixels Spectrometrul realizat poate acționa in domeniul spectrului vizibil (Vis) de la 400nm la 700nm. Ecranul orificiului poate fi interschimbabil cu un panou echipat cu diferite tipuri de adaptori pentru fibre optice, conectori (ST, SC, LC,).

   Caracteristicile tehnice ale instrumentului de măsură sunt următoarele:

   Rezoluție 2-3 nm

   Domeniul de operare lungime de unda Λ 350-950 nm

   Sursa de lumina LED amplificat tungsten

   Tensiunea de lucru 3.6V-5V

   Temperatura mediului de lucru -40°C +125°C

   Aceasta confirma ca rezoluția spectrala a spectrometrului dezvoltat pentru operare in spectrul vizibil (400-700nm) este de 2-3nm,cu mult sub valoarea de 10nm pe care am considerat-o ca o valoare tinta obtenabila.

   xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

   1 Instrumentație electronica integrata care se caracterizează prin aceea ca prin conceptul modular este alcatuita din doua parti principale integrate intr-un singur instrument pentru analiza spectrala :

   • Modul Waveselector • Modulul Spectrometru
2. 2.I nstrumentație electronica integrata care se caracterizează prin aceea ca efectuează procesarea, afișarea si re-transmiterea datelor pe baza implementării aplicației software originale dezvoltate de către autori.
3. 3.I nstrumentație electronica integrata care se caracterizează prin aceea ca utilizează pentru anaiza spectrala elementul de diffractie grating realizat din polimer photosensibil (PMP) cu timp de răspuns foarte rapid comparativ cu instrumentația de analiza spectrala care utiliozeaza pentru rotatia elementului de diffractie grating dispozitive electromotrice ;
4. 4. Instrument electronic integrat care se caracterizează printr-o aplicabilitate universala pentru investigarea unui spectru optic generat de orice sursa de lumina.
5. 5.l nstrument electronic integrat care se caracterizează prin timpul rapid de prelucrare a spectrului optic generat prin implementarea elementului de diffractie gratting a datelor si disponibilitatea imediata a rezultatelor la locul prelevări sau la distanta printrun sistem de communicatii de tip wireless.