Судовой лазерный проточный флуориметр
Полезная модель относится к устройству для бесконтактного исследования потоков жидкости посредством ее облучения лазерным импульсом и может быть использована в области экологии, лимнологии и океанологии при измерении в водной среде спектров флуоресценции органических веществ. Сущность устройства заключается в том, что оно содержит оптически связанные между собой источник лазерного излучения, поворотную призму, оптическую проточную кювету, светофильтр, оптический анализатор, связанный с компьютером, а также датчики измерения солености и температуры, при этом оптический анализатор выполнен на базе полихроматора и включает также электронно-оптический преобразователь (ЭОП), оптическую систему переноса изображения и черно-белую цифровую видеокамеру. Технический результат заключается в увеличении пространственного разрешения спектра сигнала флюоресценции, повышении помехозащищенности, надежности судового флуориметра, упрощении конструкции за счет исключения реперного канала измерения мощности лазера и механических деталей анализатора.
Полезная модель относится к устройству для бесконтактного исследования потоков жидкости посредством ее облучения лазерным импульсом и может быть использовано в области экологии, лимнологии и океанологии при измерении в водной среде спектров флуоресценции органических веществ.
Известен флуориметр, содержащий импульсный источник света оптически соединенный через объектив со светофильтром возбуждения, кювету оптически связанную со светофильтром регистрации и трехканальную систему регистрации, каждый из каналов содержит фотоприемник соединенный со стробирующим интегратором, выходы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, кроме этого один из фотоприемников соединен через буферный усилитель с аналого-цифровым преобразователем, который через устройство управления соединен с устройством индикации, причем стробирующие интеграторы соединены с формирователем измерительных стробов, который соединен с устройством управления, и введены две светоделительные пластины, одна из которых оптически соединена со светофильтром возбуждения, а вторая с фокусирующей системой (з. PCT/RU 98/00401, №WO 99/31487, опубл. 24.06.1999)
Однако использование некогерентного источника света не позволяет достигать высокой чувствительности при измерении концентрации пигментов в забортной воде, а использование светофильтров при регистрации флуоресценции не дает возможности корректно восстановить форму спектральных линий.
Известны лидарные утройства для исследования биооптических свойств воды непосредственно с борта самолета (Sathyenranath S., Hoge F.E., Appl. Opt., 1994, v.33, p.1081) или судна (Babin М., Morel A., Gentili В., Remote sensing of sea surface Suninduced chlorophyll fluorescence: consequences of natural variations in the optical characteristics of phytoplankton and the quantum yield of chlorophyll a fluorescence, J. Remote Sens., 1996, 17 (1), 2417-2448., Demidov A.A., Chekaluk A.M., Lapthenkova T.V., Fadeyev V.V., Remote laser monitoring of organic components of seawater from the ship's side. Meteor, i GidroL, 1988, 6, 62-70).
Однако, например, сигнал флуоресценции от хлорофилла А с использованием лидарных устройств возможно зарегистрировать только с самого верхнего слоя моря, поскольку длина волны линии флуоресценции хлорофилла равна 675 нм. Излучение
этого спектрального диапазона значительно поглощается морской водой, что не позволяет провести измерение спектров с глубины, обеспечивающих достоверное измерение пространственного распределения хлорофилла. Кроме того, при регистрации флуоресценции по лидарной схеме имеет место существенное влияние состояния морской поверхности на дисперсию интенсивности сигнала флуоресценции.
Наиболее близким к заявляемому устройству является судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды, состоящий из лазерного источника, излучение которого через поворотную призму попадает в оптически прозрачное входное окошко проточной кюветы, в которую при помощи насоса накачивается забортная жидкость. Излучение флуоресценции через выходное окно проточной кюветы, светофильтр и фокусирующий объектив направляется в оптический анализатор, включающий сканирующий монохроматор, ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), интегратор и АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Сканирующий монохроматор содержит в себе дифракционную решетку, положение которой изменяется при помощи шагового двигателя управляемого с компьютера. Полученные в монохроматоре спектральные линии при помощи ФЭУ, интегратора и АЦП переводятся в цифровую форму и подаются на компьютер для дальнейшей обработки. Флуориметр содержит также реперный канал измерения мощности лазера и кювету с датчиками для измерения солености и температуры забортной воды, соединенными с компьютером. (А.Ю.Майор, О.А.Букин, А.Н.Павлов, В.Д. Киселев "Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды". Приборы и техника эксперимента, 2001, №4, с.151-154).
Однако известное устройство имеет недостаточное пространственное разрешение при измерении спектра сигнала флюоресценции из-за использования в оптическом анализаторе сканирующего монохроматора с шаговым двигателем. Кроме того, известный флуориметр содержит в себе механические части, которые требуют тщательной подстройки и постоянного контроля, конструктивно сложен, имеет значительные габариты.
Технической задачей заявляемой полезной модели является увеличение пространственного разрешения спектра сигнала флюоресценции, повышение помехозащищенности, надежности флуориметра, упрощение конструкции за счет
исключения реперного канала измерения мощности лазера и механических деталей оптического анализатора, а также уменьшение габаритов и веса устройства.
Поставленная задача решается лазерным проточным флуориметром, содержащим оптически связанные между собой источник лазерного излучения, поворотную призму, оптическую проточную кювету, светофильтр, оптический анализатор, связанный с компьютером, к которому подключены также датчики измерения солености и температуры, при этом оптический анализатор включает полихроматор, электронно-оптический преобразователь (ЭОП), оптическую систему переноса изображения и черно-белую цифровую видеокамеру.
На фиг. приведена блок-схема заявляемого флуориметра, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - поворотная призма, 3 - проточная кювета, снабженная оптически прозрачными окнами 4 и 5, 6 - светофильтр; 7 - полихроматор, 8 - ЭОП (электронно-оптический преобразователь), 9 - оптическая система передачи изображения, 10 - черно-белая цифровая видеокамера, 11 - ЭВМ, 12 - насос, 13 - измерительная кювета, снабженная датчиками (на фиг. не показаны) для измерения температуры и солености проточной воды.
Устройство работает следующим образом. Излучение генерируется лазером 1, и, пройдя через отклоняющую призму 2, поступает в оптическую проточную кювету 3 через окно 4, индуцированный в кювете 3 сигнал флуоресценции попадает, через боковое окно 5, на входную щель полихроматора 7, который расположен за светофильтром 6, установленным для подавления лазерного рассеянного излучения. Непосредственно за полихроматором 4 располагается ЭОП 8, который усиливает изображение спектра флуоресценции, а оптическая система 9 передачи изображения переносит изображение спектра с выходного окна ЭОП 8 на черно-белую цифровую видеокамеру 10, сигнал с которой в оцифрованном виде передается на ЭВМ 11. Насос 12 обеспечивает прокачку забортной воды через проточную кювету 3 и измерительную кювету 13, в которой расположены связанные с компьютером 11 датчики для измерения температуры и солености морской воды, сведения с которых требуются для последующего вычисления концентраций органических веществ. Местонахождение измерительной кюветы 13, приведенное на фиг., является одним из вариантов ее расположения. Она может располагаться как перед так и после проточной кюветы 3.
Конкретное аппаратурное оформление устройства будет зависеть от поставленной задачи измерений, необходимой точности и условий использования.
Так, в качестве источника лазерного излучения используют стандартные лазерные источники, например, Nd-YAG лазер или любой другой, излучающий в видимом диапазоне 490-535 нм, с длительностью импульса порядка 10-20 нсек и энергией порядка 20 мДж. Используемый в устройстве полихроматор должен обеспечивать регистрацию спектра в диапазоне 530 нм - 700 нм без наложения порядков, обратной линейной дисперсией порядка 10-40 нм/мм и размером изображения как минимум 5×25 мм, например, для изучения фитопланктона используют полихроматор ОС-6 (МДП-1) или аналогичный другой.
Оптическая система переноса изображения представляет собой объектив, позволяющий перенести изображение с выходного экрана ЭОП на ПЗС матрицу видеокамеры. Технические характеристики объектива подбираются обычным образом с целью согласования размеров изображения на ЭОП и размеров ПЗС матрицы.
В качестве регистрирующего прибора используют любую черно-белую цифровую видео-камеру с чувствительностью не ниже 10-3 лК.
В отличие от прототипа, содержащего оптический одноканальный анализатор на базе сканирующего монохроматора, в заявляемом устройстве используется оптический многоканальный анализатор на базе полихроматора, который позволяет получать все линии спектра исследуемого потока жидкости за одно измерение, тогда как прототип за одно измерение дает возможность исследовать только одну линию спектра. Использование связки ЭОПа и черно-белой цифровой видеокамеры, вместо связки ФЭУ, нинтегратор, АЦП позволяет сохранить ту же контрастность линий, которая имеет место в известном устройстве, но при этом уменьшить время измерения спектра сигнала флуоресценции (примерно в 10 раз) и таким образом увеличить пространственное разрешение при измерении спектров флуоресценции по ходу судна, а также упростить конструкцию флуориметра за счет исключения реперного канала измерения мощности источника излучения и механических частей устройства. Кроме того, использование полихроматора, ЭОПа и черно-белой цифровой камеры позволяет значительно снизить габариты и вес флуориметра, а исключение из конструкции флуориметра механических движущихся частей значительно увеличивают ресурс прибора, помехозащищенность и надежность его работы в условиях морских экспедиций.
Лазерный проточный флуориметр, содержащий оптически связанные между собой источник лазерного излучения, поворотную призму, оптическую проточную кювету, светофильтр и оптический анализатор, соединенный с компьютером, к которому также подключены датчики измерения солености и температуры, отличающийся тем, что оптический анализатор состоит из полихроматора, электронно-оптического преобразователя, оптической системы передачи изображения и соединен с компьютером посредством черно-белой цифровой видеокамеры.
