RU154438U1

RU154438U1 - DEVICE FOR RECORDING CHANGES IN OPTICAL RADIATION SPECTRA

Info

Publication number: RU154438U1
Application number: RU2014144443/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Новиков; Алексей Аркадьевич Черторийский; Алексей Валентинович Беринцев; Вячеслав Андреевич Сергеев
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Устройство регистрации изменения спектров оптического излучения, содержащее диспергирующее устройство, на вход которого подается сигнал от контролируемого источника излучения и разлагающее входной оптический сигнал от источника излучения в сплошной спектр, изображение которого попадает на управляемый многоэлементный фотоприемник, соединенный с входом блока управления и регистрации сигналов фотоприемника, отличающееся тем, что в качестве фотоприемника используется КМОП-матрица с бегущим электронным затвором, расположенная таким образом, что строки КМОП-матрицы перпендикулярны входной щели диспергирующего устройства, а выход блока управления и регистрации сигналов фотоприемника соединен с блоком синхронизации, управляющим процессами включения и выключения источника излучения, а также процессами регистрации сигналов фотоприемника.A device for recording changes in the spectra of optical radiation, containing a dispersing device, the input of which is a signal from a controlled radiation source and decomposes the input optical signal from a radiation source into a continuous spectrum, the image of which falls on a controlled multi-element photodetector connected to the input of the control unit and recording signals of the photodetector, characterized in that a CMOS sensor with a traveling electronic shutter located such Braz, that line CMOS matrix perpendicular to the entrance slit of a dispersing device, and an output control unit and signal detection photodetector coupled to a synchronization unit that controls processes on and off the radiation source, and processes the registration of the photodetector signals.

Description

Изобретение относится к аналитическому приборостроению.The invention relates to analytical instrumentation.

В большинстве спектрометров в качестве фотоприемного устройства используют ПЗС- или КМОП-линейки и матрицы, которые успешно справляются с задачей фиксации изображения спектра в статическом режиме. В динамическом режиме, кроме высокой чувствительности и большого динамического диапазона по яркости фотоприемники должны обладать высоким быстродействием. В настоящее время высокое быстродействие достигается за счет уменьшения времени накопления с одновременным увеличением размеров фотоприемной ячейки для увеличения чувствительности и увеличением размера буферной памяти. [High-speed2048-pixel USB2.0 CCD linecamera with external trigger (12-bit), Mightex Systems, Canada] Однако достигнутого быстродействия недостаточно для исследования быстропротекающих процессов какими являются, например, изменение спектра во время включения светодиода.In most spectrometers, CCD or CMOS arrays and matrices are used as a photodetector, which successfully cope with the task of capturing the spectrum image in a static mode. In the dynamic mode, in addition to high sensitivity and a large dynamic range in brightness, photodetectors should have high speed. Currently, high performance is achieved by reducing the accumulation time while increasing the size of the photodetector cell to increase sensitivity and increase the size of the buffer memory. [High-speed2048-pixel USB2.0 CCD linecamera with external trigger (12-bit), Mightex Systems, Canada] However, the achieved speed is not enough to study fast processes such as, for example, a change in the spectrum when the LED is turned on.

Известен “Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения” в которых временная развертка осуществляется механически с помощью вращающегося зеркала [RU 2485459]. Способ измерения интервалов времени между импульсами излучения заключается в том, что каждый из световых импульсов, формируемых исследуемым объектом, вводят в соответствующий световод, противоположные концы световодов располагают в планке в виде матрицы с определенным количеством столбцов (рядов) и строк (световодов в ряду), изображение матрицы со световодами с помощью оптической системы, включающей вращающееся с заданной скоростью зеркало, перемещают по фоточувствительной поверхности фотоприемника, фиксируют на фоточувствительной поверхности фотоприемника световые отметки, формируемые на разных этапах исследуемого процесса, определяют интервалы времени между отметками как частное от деления расстояний между ними на скорость развертки изображения. При этом искомые интервалы времени разбивают на две части: первую, общую для всех интервалов (время задержки T_зад), величина которой на 1 мкс меньше времени развития исследуемого процесса, полученного расчетным путем на основании имеющейся информации о нем, и вторую, индивидуальную и требующую измерения для каждого интервала T_ik, где i, k - номера столбца и строки изображения световода в матрице, имеющую порядок 1 мкс, в момент T_зад формируют, передают с помощью световодов в угловые точки матрицы и фиксируют с помощью цифрового регистратора световой сигнал, задержанный по отношению к пусковому на заданную величину, фиксируют в том же кадре импульсы излучения из световодов на завершающей стадии процесса и метки времени, формируемые с заданной частотой, используя координаты угловых точек матрицы световодов, а также зная количество столбцов m и строк n в ней, расчетным путем определяют координаты всех световодов в момент T_зад, определяют разность координат X_ik вдоль направления развертки изображения для каждого из световодов в момент излучения ими световых импульсов и в момент Tзад, при этом в качестве цифрового регистратора световых сигналов применяют регистратор, у которого чувствительным к излучению элементом является ПЗС-матрица, а в качестве координат световых отметок принимают координаты пиксела в изображении световода, накопившего максимальный электрический заряд, с помощью меток времени определяют скорость развертки изображения, находят интервалы T_ik как частное от деления соответствующей разности координат на скорость развертки, определяют искомые интервалы времени T_ik как сумму интервалов T_зад+T_ik.The well-known “Method of measuring time intervals between radiation pulses” in which the time scan is carried out mechanically using a rotating mirror [RU 2485459]. The method for measuring the time intervals between radiation pulses is that each of the light pulses generated by the object under study is introduced into the corresponding fiber, the opposite ends of the fibers are placed in a bar in the form of a matrix with a certain number of columns (rows) and rows (fibers in a row), image of the matrix with optical fibers using an optical system including a mirror rotating at a given speed, is moved along the photosensitive surface of the photodetector, fixed on the photosensitive overhnosti photodetector illuminated mark formed at different stages of the test process, determine the time intervals between the marks by dividing the distances between them on the image scanning speed. In this case, the desired time intervals are divided into two parts: the first, common for all intervals (delay time T _ass ), the value of which is 1 μs less than the development time of the process under study, obtained by calculation based on the available information about it, and the second, individual and requiring the measurements for each interval T _ik , where i, k are the column and row numbers of the image of the fiber in the matrix, which is of the order of 1 μs, at the moment T, the _{backside is} formed, transmitted with the help of optical fibers to the corner points of the matrix and recorded using a digital recorder the signal is delayed by a predetermined value relative to the start signal, the radiation pulses from the optical fibers at the final stage of the process and time stamps generated at a given frequency are recorded in the same frame using the coordinates of the corner points of the fiber matrix, as well as knowing the number of columns m and rows n in it, by calculation, determine the coordinates of all the optical fibers at the moment T _back , determine the coordinate difference X _ik along the scan direction of the image for each of the optical fibers at the moment they emit light pulses and at the moment T hell, in this case, a registrar is used as a digital light signal recorder, in which the CCD matrix is an element sensitive to radiation, and the coordinates of the pixel are taken as the coordinates of the light marks in the image of the fiber that has accumulated the maximum electric charge, the image scan speed is determined using time stamps , find the intervals T _ik as the quotient of dividing the corresponding coordinate difference by the sweep speed, determine the desired time intervals T _ik as the sum of the intervals T _back + T _ik .

Недостатком механических развертывающих систем является их громоздкость и малое быстродействие.The disadvantage of mechanical deploying systems is their bulkiness and low speed.

Известен спектрометр, в котором в качестве фотоприемника используется многоэлементные фотодетекторы [Полезная модель №81320]. Спектрометр содержит корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система, на выходе которой установлен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком его управления и обработки выходных сигналов, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным, а установленный в нем многоэлементный фотодетектор - в бескорпусном исполнении, при этом корпус спектрометра вакуумирован или заполнен инертным газом.A known spectrometer in which multi-element photodetectors is used as a photodetector [Utility model No. 81320]. The spectrometer contains a housing with an input window, inside which an optical system is installed, at the output of which there is a multi-element photodetector connected to an electronic unit for its control and processing of output signals, characterized in that the housing is sealed, and the multi-element photo detector installed in it is in a housing-free version, wherein the spectrometer housing is evacuated or filled with an inert gas.

Недостатком известного спектрометра является низкое быстродействие, минимальное время экспозиции составляет 10 мс.A disadvantage of the known spectrometer is its low speed, the minimum exposure time is 10 ms.

Известно, что увеличение быстродействия ПЗС-фотоприемников приводит к увеличению потребляемой мощности, необходимости применения систем охлаждения, что приводит к увеличению габаритов. ([Секен, К. & Томпсет, М. Приборы с переносом заряда Мир, 1978]).It is known that an increase in the speed of CCD photodetectors leads to an increase in power consumption, the need for cooling systems, which leads to an increase in size. ([Sechen, C. & Thompset, M. Charge Transfer Devices Mir, 1978]).

Известно, что в КМОП-матрице с бегущим затвором старт накопления каждой следующая строки сдвинут относительно предыдущей на время τ. [US 20110205415] и [А.Е. Рычажников «Особенности работы кмоп Фотоприемника в режиме бегущего электронного затвора» Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - Издательство СПбГЭТУ, №1, 2008].It is known that in the CMOS matrix with a traveling gate, the start of accumulation of each next row is shifted relative to the previous one by a time τ. [US 20110205415] and [A.E. Rychazhnikov “Peculiarities of operation of the photodetector in a running electronic shutter mode” Izvestiya SPbGETU “LETI” - Publishing House SPbGETU, No. 1, 2008].

В подавляющем большинстве современных КМОП сенсоров нет секции видеопамяти на целый кадр и применяется бегущий электронный затвор (Rolling Shutter). Время накопления в каждом пикселе начинается после того, как была считана предыдущая строка. Так как все строки сдвинуты относительно друг друга на время строки, то и время накопления в разных строках сдвинуто относительно друг друга на время строки. Таким образом, время записи кадра будет зависеть от суммы времени накопления и считывания, что принципиально отличается от реализации режима электронного затвора в матричных ПЗС.In the vast majority of modern CMOS sensors, there is no video memory section for the whole frame and a rolling electronic shutter (Rolling Shutter) is used. The accumulation time in each pixel begins after the previous row has been read. Since all rows are shifted relative to each other by row time, the accumulation time in different rows is shifted relative to each other by row time. Thus, the recording time of the frame will depend on the sum of the accumulation and reading times, which is fundamentally different from the implementation of the electronic shutter mode in matrix CCDs.

Задачей предлагаемой полезной модели является измерение быстро изменяющихся спектров оптического излучения, например, во время включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.The objective of the proposed utility model is the measurement of rapidly changing spectra of optical radiation, for example, during switching on or exposure to rapidly changing external factors.

Технический результат - повышение быстродействия устройств регистрации спектров.EFFECT: increased performance of spectrum recording devices.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство регистрации изменения спектров оптического излучения (фиг. 1), содержит диспергирующее устройство(1), разлагающий входной оптический сигнал от источника излучения (2) в сплошной спектр (3), изображение которого попадает на фотоприемник (4), соединенный с входом блока управления и регистрации сигналов фотоприемника (5), к выходу которого подключен источник излучения (2). В качестве фотоприемника используется КМОП-матрица с бегущим затвором, расположенная таким образом, что строки КМОП-матрицы перпендикулярны входной щели (7) диспергирующего устройства (1), а выход блока управления и регистрации сигналов фотоприемника (5)соединен с блоком синхронизации (6), управляющим процессами включения и выключения источника излучения (2), а также процессами регистрации сигналов фотоприемника. В качестве блока управления и регистрации сигналов фотоприемника может использоваться персональный компьютер.The technical result is achieved by the fact that the proposed device for recording changes in the spectra of optical radiation (Fig. 1) contains a dispersing device (1) that decomposes the input optical signal from the radiation source (2) into a continuous spectrum (3), the image of which is incident on a photodetector (4 ) connected to the input of the control unit and registering the signals of the photodetector (5), the output of which is connected to a radiation source (2). A CMOS sensor with a moving shutter is used as a photodetector, so that the rows of the CMOS matrix are perpendicular to the entrance slit (7) of the dispersing device (1), and the output of the photodetector control and registration unit (5) is connected to the synchronization unit (6) , controlling the processes of turning on and off the radiation source (2), as well as the processes of registering photodetector signals. A personal computer can be used as a control unit and registration of photodetector signals.

При использовании предлагаемого устройства достигается высокоскоростное измерение количества спектров источника излучения, равное числу строк КМОП-матрицы с бегущим затвором за время формирования одного кадра в процессе включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.Using the proposed device, a high-speed measurement of the number of spectra of the radiation source is achieved, which is equal to the number of rows of a CMOS matrix with a traveling shutter during the formation of one frame in the process of switching on or exposure to rapidly changing external factors.

Устройство может быть использовано для регистрации и исследования однократных быстропротекающих физических процессов, сопровождаемых световым и инфракрасным излучением, в частности изменение яркости, ширины спектра, смещения максимума спектра во время включения или выключения светодиода, с дискретностью примерно от 0,01 до 0,5 мс.The device can be used to register and study single fast-flowing physical processes accompanied by light and infrared radiation, in particular, a change in brightness, spectrum width, shift of the spectrum maximum when the LED is turned on or off, with a resolution of about 0.01 to 0.5 ms.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.The device (Fig. 1) works as follows.

Блок управления и регистрации сигналов фотоприемника (5) выдает импульс на блок синхронизации (6) который обеспечивает необходимое время задержки, так чтобы начало включения источника излучения (2) совпадало со стартом накопления первой строки КМОП-матрицы фотоприемника (4). Выходное оптическое излучение поступает на входную щель (7) диспергирующего устройства (1), а затем изображение сплошного спектра (3), представляющее собой монохроматические изображения входной щели (спектральных линий), проецируются на фотоприемник (2) перпендикулярно строкам КМОП-матрицы (Фиг. 2). Изображение спектра считывается и обрабатывается блоком регистрации и управления сигналов фотоприемника (5).The control unit and recording signals of the photodetector (5) gives a pulse to the synchronization unit (6) which provides the necessary delay time, so that the start of the radiation source (2) coincides with the start of accumulation of the first line of the CMOS sensor matrix (4). The output optical radiation enters the input slit (7) of the dispersing device (1), and then the image of the continuous spectrum (3), which is a monochromatic image of the input slit (spectral lines), is projected onto the photodetector (2) perpendicular to the lines of the CMOS matrix (Fig. 2). The spectrum image is read and processed by the photodetector signal registration and control unit (5).

Особенность расположения изображения спектра на плоскости КМОП-матрицы фотоприемника показана на фиг. 2. Y1 - первая строка фотоприемника, YN - последняя строка фотоприемника, X1 - первый столбец фотоприемника, XN - последний столбец фотоприемника.A feature of the arrangement of the spectrum image on the plane of the CMOS sensor array is shown in FIG. 2. Y1 is the first line of the photodetector, YN is the last line of the photodetector, X1 is the first column of the photodetector, XN is the last column of the photodetector.

Изображение, полученное с помощью устройство регистрации динамических спектров показано на фиг. 3. То же изображение в трехмерном виде показано на фиг. 4 (J - интенсивность излучения, t - время, λ - длина волны).The image obtained using the dynamic spectrum recording device is shown in FIG. 3. The same three-dimensional image is shown in FIG. 4 (J is the radiation intensity, t is time, λ is the wavelength).

Таким образом, предлагаемое устройство регистрации динамических спектров, позволяет осуществлять высокоскоростное измерение количества спектров источника излучения, равное числу строк КМОП-матрицы с бегущим затвором за время формирования одного кадра в процессе включения или воздействия быстро изменяющихся внешних факторов.Thus, the proposed device for recording dynamic spectra allows high-speed measurement of the number of spectra of the radiation source, equal to the number of rows of a CMOS matrix with a traveling shutter during the formation of one frame during the inclusion or exposure to rapidly changing external factors.

Claims

A device for recording changes in the spectra of optical radiation, containing a dispersing device, the input of which is a signal from a controlled radiation source and decomposes the input optical signal from a radiation source into a continuous spectrum, the image of which falls on a controlled multi-element photodetector connected to the input of the control unit and recording signals of the photodetector, characterized in that the photodetector uses a CMOS sensor with a traveling electronic shutter located Braz, that line CMOS matrix perpendicular to the entrance slit of a dispersing device, and an output control unit and signal detection photodetector coupled to a synchronization unit that controls processes on and off the radiation source, and processes the registration of the photodetector signals.