Общие вопросы метрологии и измерительной техники
компьютерные методы в метрологии» и грантом в области национальной метрологии Шведского министерства промышленности, занятости и коммуникаций.
Л и т е р а т у р а
1. Birch K., Williams A. A survey of existing standards in Product and Equipment Conformity: Draft report. — British Measurement and Testing Association, 2002.
2. AFNOR. Metrology and statistical applications — Use of uncertainty in measurement: presentation of some examples and common practice: FD x07-022, 2004.
3. EURACHEM/EUROLAB/CITAC/NICe. Estimation of measurement uncertainty arising from sampling: 4th draft Guide, Sept. 2005.
4. NICe/Nordtest project «Measurement uncertainty in legal metrology» http://www.nordtest.org/projects/fqaprj.htm project 04039; NICe 2006 «Guide to Measurement Uncertainty & Decision-making in Legal Metrology: Measurement Instrument Directive», Draft, Nordic Innovation Centre.
5. WELMEC WG4. Guide to Uncertainty in Legal Metrology: Draft, 2006.
6. Guide to the expression of uncertainty in measurement. — Geneva (Switzerland): ISO, 1995.
7. ILAC-G8:1996. Guidelines on Assessment and Reporting of Compliance with Specification.
8. Pendrill L. R. // NCSLi Measure — 2007. — V. 2. — N 2. — P. 76.
9. Pendrill L. R., Kallgren H. // World Scientific, ser. «Advances in Mathematics for Applied Sciences». — Singapore, 2006. — V. 72. — P. 212.
10. Pendrill L. R. // Measurement. — 2006. — V. 39. — Issue 9.
— 2006. — P. 829.
11. Thompson M., Fearn T. // Analyst. — 1996. — V. 121. — P. 275.
12. Ramsey M. H., Lyn J., Wood R. // Analyst. — 2001. — V. 126. — P. 1777.
13. ISO 2859. Sampling procedures for inspection by attributes. — ISO Geneva (CH), 1999.
14. ISO/FDIS 3951-1. Sampling procedures for inspection by variables. Pt. 1. — ISO/TC69/SC 5, 2006.
15. Fearn T. e. a. // Analyst. — 2002. — V. 127. — P. 818.
16. Taguchi G. Taguchi on Robust Technology. — N.Y.: ASME Press, 1993.
17. Montgomery D. C. Introduction to statistical quality control.
— J. Wiley & Sons, 1996.
18. Kacker R., Zhang N. F., Hagwood C. // Metrologia. — 1996. — V. 33. — P. 433.
19. Deaver D. // Guardbanding with Confidence: NCSL Workshop & Symp., 1994. — P. 383.
20. MID 2004/22/EC. Measurement Instrument Directive. — EU Commission PE-CONS 3626/04, 2004.
Дата одобрения 08.08.2007 г.
ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
543.42
Пространственная фурье-спектроскопия
Н. Г. ВЛАСОВ*, Г. С. КАЛЕНКОВ**
* Московский государственный технический университет «Станкин»,
e-mail: vlasovng@rol.ru, ** Московский государственный технический университет «МАМИ»,
e-mail: kalenkov@mail.ru
Дан краткий аналитический обзор первых работ, посвященных развитию пространственного аналога фурье-спектроскопии и ее основного преимущества — распространения области применения на исследование быстропротекающих процессов.
Ключевые слова: фурье-спектроскопия, метод фазовых шагов, гетеродинирование.
A brief analytical review of the first works on the spatial analogue of Fourier spectroscopy is presented. Its main advantage is the extension of the Fourier spectroscopy field of application to fast going processes investigation.
Key words: Fourier spectroscopy, phase step method, heterodyning.
Фурье-спектроскопию широко применяют для решения различных научно-технических задач [1—3]. По сравнению с конкурирующими спектральными методами ее преимуществом является регистрация светового потока как единого
целого, не разложенного предварительно в спектр. Это дает выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино) и в отношении сигнал — шум (выигрыш Фелджета при работе в ИК-диапазо-не). Кроме того, фурье-спектрометры имеют встроенную
высокоточную калибровку волнового числа, обеспечиваемую гелий-неоновым лазером (выигрыш Конна).
Напомним, что в фурье-спектроскопии точечный приемник регистрирует и затем обрабатывает интерферограмму — взаимную интенсивность объектного и опорного волновых полей. Временная задержка (разность оптических путей) между этими полями непрерывно изменяется в соответствии с движением зеркала в интерферометре Майкельсона. Таким образом, несмотря на достоинства и широкое применение, к очевидным недостаткам фурье-спектроскопии относится невозможность исследования быстропротекающих процессов и необходимость использования высокоточной механики, обеспечивающей равномерное прямолинейное движение одного из зеркал интерферометра.
В связи с этим, несомненно, актуальна разработка пространственного аналога фурье-спектроскопии. В ней переменная временная задержка между интерферирующими полями преобразовывалась бы в соответствующее пространственное распределение интенсивности, регистрируемое не последовательно, как в обсуждаемом аналоге, а одновременно. Такую регистрацию целесообразно осуществлять на ПЗС-матрице, что удобно для ввода в компьютер полученных экспериментальных данных для последующей цифровой обработки.
Голографический вариант фурье-спектроскопии. Поиск соответствующего прототипа естественно приводит к голографии. Голографический вариант фурье-спектроскопии заключается в следующем [4, 5]. Две плоские волны, образованные квазиточечным немонохроматическим источником, направлялись на регистрирующую среду — фотопластинку под углом 28. Зафиксированная на ней интерферограмма (спектральная голограмма) представляла собой сумму элементарных интерферограмм, образованных отдельными спектральными линиями, содержащимися в источнике. Нетрудно показать, что зарегистрированное распределение интенсивности описывается косинусным преобразованием Фурье от спектральной плотности источника. При обратном преобразовании Фурье, осуществляемом когерентной оптической системой, на ее выходе возникает изображение точечных источников, каждый из которых соответствует отдельному спектральному компоненту, а распределение их интенсивности — спектральной плотности анализируемого источника.
Недостаток обсуждаемого метода заключается в том, что размеры самой голограммы и угол 8 ограничены возможностями когерентной оптической системы, выполняющей обратное преобразование Фурье. Следовательно, разность оптических путей, зарегистрированная на голограмме, и соответственно разрешающая способность метода ограничены. Кроме того, быстрое изменение разности оптических путей по голограмме автоматически приводит к образованию высокочастотной пространственной несущей. Она надежно разрешается голографическими фотоэмульсиями, однако сопутствующий им фотопроцесс существенно затрудняет автоматизацию и быстродействие измерений. Именно поэтому цитированные работы не получили широкого развития, хотя неявно содержащаяся в них идея замены временного преобразования Фурье на пространственное по-прежнему привлекательна в связи с принципиальной возможностью устранения отмеченных выше недостатков фурье-спектроскопии.
Отметим также близкую к обсуждаемой тематике работу [6], в оптической схеме которой вместо движущегося зеркала использовали стационарный оптический элемент — двойную дифракционную решетку, полученную методами голографии и создававшую пространственную картину интерференционных полос с изменяющейся в продольном направлении разностью оптических путей. Однако в связи с отсутствием в те годы таких приемников излучения, как ПЗС-линейки, необходимая информация считывалась последовательно точечным приемником.
Однако, на основе голографии Ю. Н. Денисюком с сотрудниками была успешно решена частная, по отношению к фурье-спектроскопии, задача — определение длины когерентности излучения [7]. В предложенной ими оптической схеме луч лазера под скользящим углом, многократно освещая диффузно отражающую поверхность по различным горизонталям, отражается от расположенных по ее бокам зеркал. Так достигалось большое значение А^ изменения оптического пути по объекту. В связи с ограниченной длиной когерентности, меньшей А^, яркость восстановленного изображения по объекту изменялась от максимальной до нулевой, что и позволяло определить длину когерентности. Недостатком, с современной точки зрения, является использование фотографической регистрирующей среды с сопутствующим ей достаточно длительным фотопроцессом и наличие спекл-эффекта, зашумляющего восстановленное изображение.
Таким образом, разработка пространственного аналога фурье-спектроскопии сталкивается с неразрешимым, на первый взгляд, противоречием между необходимостью разрешения высокочастотной пространственной модуляции на большой площади, что требует применения фотоэмульсий, и соответствующим ей фотопроцессом. Современная же элементная база — ПЗС-матрицы, превосходящие высокоразрешающие фотоэмульсии по чувствительности и удобные для непосредственного ввода зарегистрированной информации в компьютер, — значительно уступает им по размерам и разрешающей способности. Тем не менее, был предложен ряд стационарных пространственных фурье-спектрометров относительно невысокого разрешения. Ссылки на них можно найти в [8, 9].
Пространственная гетеродинная спектроскопия. Значительный шаг к устранению указанной трудности был сделан авторами [10—14], предложившими пространственную гетеродинную спектроскопию. Принципиальная оптическая схема соответствующего спектрометра практически совпадает со схемой хорошо известного спектрометра с интерференционной селективной амплитудной модуляцией (СИСАМ). Его описание можно найти в любой достаточно полной монографии по спектроскопии (см., например [1]). Отличие заключается в том, что в СИСАМ запись необходимой информации осуществляется точечным приемником последовательно во времени, а в пространственном гетеродинном спектрометре — сразу, единовременно на ПЗС-матрицу.
В представленной на рис. 1 схеме, являющейся несколько модернизированным вариантом интерферометра Майкельсона, анализируемое излучение от источника 1 после входной апертуры коллимируется линзой 2 и попадает на светоделитель 5, а затем через призмы 3 и 6 — на отражающие дифракционные решетки 4 и 7, заменившие зеркала интерферометра. Решетки установлены так, чтобы угол блеска в плюс первом порядке дифракции для частоты
А
8
9
10
уср обеспечивал отр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.