Специализированные методы и аппаратура спектрально-поляризационного анализа оптических свойств объектов

Область исследований и актуальность работы.

Спектральные и поляризационные приборы решают общую задачуисследование 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 измеренийона 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:

1. 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.

2. Специализированный алгоритм работы поляриметрического измерительного комплекса, обеспечивший улучшение точностных и скоростных характеристик по сравнению с характеристиками аналогов.

3. 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 видеоспектрометраданная методика была реализована в программном обеспечении, построенном на технологии виртуальных приборов LabViewбыл 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 диапазонебыло разработано новое программное обеспечение для программно-аппаратного поляриметрического комплекса, основанное на корреляционном алгоритме анализа сигнала поляриметрического трактабыли 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.

Основные результаты работы.

1. Разработанная методика работы с микровидеоспектрометром позволяет повысить производительность работы прибора и уменьшить для оператора трудоемкость эксперимента.

2. Созданный комплекс программ (виртуальный прибор), объединяющий программы управления видеомонохроматором и захвата изображения видеокамеры, позволяет осуществлять управление видеомонохроматором и камерой в зависимости от полученной информации об объекте.

3. Разработанный специализированный комплекс программ для поляриметрического измерительного комплекса дает возможность перейти от схемы авторегулирования комплекса к схеме регулирования с помощью компьютера, что позволило повысить точность измерений в 10 и более раз.

4. Комплекс программ поляриметрического комплекса спроектирован по модульному принципу, что открывает возможность дополнять его различными подпрограммами (например, подпрограммой статистического анализа сигналов) и быстро заменять уже существующие подпрограммы. (Например, при изменении схемы управления двигателем была заменена только лишь одна, соответствующая подпрограмма комплекса). Более того, такая структура программного обеспечения позволяет проводить исследования влияния элементов поляриметрического тракта на выходной сигнал, направленные на совершенствование тракта, с целью повышения точности измерений.

5. Предложенная методика оценки влияния неидеальности АЦП на статистические характеристики сигнала на его выходе позволяет проводить исследования статистических характеристик оптико-электронных трактов приборов. С ее помощью было показано, что использовавшиеся в поляриметрическом комплексе АЦП имели существенную дифференциальную нелинейность, что позволило объяснить искажения имевшие место в процессе преобразования.

6. Разработанный метод определения степени отклонения закона распределения значений в случайной последовательности от равномерного закона распределения позволяет обнаруживать степень отклонения на уровне 6 = 10″ -10″ в режиме реального времени без ограничений по максимальному объему выборки.

Заключение

.