Принципы работы ППР-сенсоров. Промышленные ППР-сенсоры

23.2. Анализ оптоэлектронных каналов ППР сенсоров с параллельным и с расходящимся световым пучком

ППР сенсоры с монохроматическим источником света, отслеживающие угловую зависимость интенсивности его отражения, можно разделить на два вида – работающие с параллельным и работающие с расходящимся световым пучком.

23.2.1. ППР сенсор с параллельным световым пучком

Типичная оптическая схема наблюдения угловой зависимости интенсивности отражения света с использованием параллельного светового пучка показана на рис. 23.5 [ [ 277 ] ].

Рис. 23.5. Оптическая схема наблюдения ППР с использованием параллельного пучка света и поворотного механизма

Источник монохроматического света 1 (чаще всего – лазерный диод) размещается в фокусе линзы 2, формирующей параллельный пучок света. Такую линзу в оптике называют коллиматором. Далее свет проходит через поляризатор 3 и направляется к стеклянной оптической ретропризме 4, на верхней поверхности которой находятся тонкий металлический слой с лигандом и исследуемый раствор 5. Отраженный от этого объекта свет повторно отражается от соседней грани ретропризмы, расположенной под прямым углом к рабочей грани. Пользуясь законами отражения света, Вы можете убедиться в том, что этот повторно отраженный пучок света всегда направлен противоположно падающему пучку. Поэтому такие оптические призмы и называют "ретропризмами". С помощью линзы 6 отраженный обратно свет собирается на чувствительной поверхности фотоприемника 7, превращается в нем в электрический сигнал, усиливается и поступает на АЦП. Полученное значение интенсивности отраженного сигнала передаётся в микропроцессор (он и АЦП с усилителем на рис. 23.5 для простоты не показаны). Источник света 1, линзы 2 и 6, поляризатор 3 и фотоприемник 7 установлены на подвижном (относительно ретропризмы) узле 8, который с помощью точного механического привода 9 может перемещаться, вращаясь вокруг оси, проходящей через центр рабочего участка 5 ретропризмы. Расстояние, на которое перемещается узел 8, достаточно для изменения углов падения и отражения света от рабочего участка ретропризмы 4 в пределах 5-10 . Микропроцессор может точно учесть некоторую нелинейность в зависимости угла отражения от перемещения узла 8 и влияние температурных изменений на эту зависимость.

Но вот параллельность пучка света, сформированного даже наилучшей линзой, не является идеальной, так как источник света не является точечным. Угол расхождения светового пучка в оптической схеме на рис. 23.5 определяется размером излучающей области источника света и фокусным расстоянием коллимационной линзы 2:

( 23.2)

Угловое расхождение пучка света приводит к некоторому "размыванию" углового распределения интенсивности отраженного света. И резонансный минимум на кривой ППР становится менее острым и менее глубоким. Например, если источником света является светодиод с размером излучающей области = 0,2 мм, то для фокусного расстояния = 40 мм угол расхождения пучка составит приблизительно 0,3 . Приблизительно на столько же возрастает и угловая ширина полосы ППР. Если же использовать полупроводниковый лазер с размером зоны излучения 2 мкм, то для фокусного расстояния 40 мм угол расхождения параллельного пучка света составит лишь около 0,003 . Формула (23.2) определяет физическую угловую разрешающую способность схемы с параллельным световым пучком, связанную с размерами источника света.

Эту разрешающую способность можно назвать "физической", поскольку, используя специальную математическую обработку результатов многих отсчетов резонансной кривой ППР, величину углового сдвига, как оказалось, можно определить значительно точнее. Возможность уточнения основана на том, что резонансная область кривой ППР сдвигается как целое, практически не изменяя своей формы в области минимума. Имея измерения интенсивности в 50-100 ее точках, можно рассчитать ту величину сдвига кривой, при которой суммарное среднеквадратическое отклонение от стандартной формы будет наименьшим. Так рассчитанная величина сдвига отфильтровывает все шумовые помехи и оказывается соответственно в 50-100 раз точнее, чем прямое определение точки минимума. По существу здесь используется обобщение известного принципа нониуса.

Реальные источники света являются также не совсем монохроматическими. Их обычно характеризуют полушириной спектральной области излучения. Это означает, что почти вся световая мощность сосредоточена в интервале длин волны от до . Если при длине волны плазмонный резонанс имеет место при угле , то при длине волны – уже при несколько другом угле . Т.е. спектральной ширине полосы излучения соответствует определенное размывание углового распределения отраженного света. Определить связь между и можно, исходя из того, что отношение к должно быть постоянным, т.е.

( 23.3)

Если логарифмировать это выражение и взять производную, то легко получить соотношение

( 23.4)

Угловое размывание кривой ППР, связанное с немонохроматичностью света, можно тогда определить по формуле

( 23.5)

В сумме физическая угловая разрешающая способность в оптической схеме с параллельным пучком света составляет (в радианах):

( 23.6)

Здесь – размер излучающей области источника света; – фокусное расстояние коллимационной линзы; и – длина волны и полуширина спектральной полосы излучения; – угол, под которым наблюдается ППР.

23.2.2. ППР сенсор с расходящимся световым пучком

Несколько идеализированная схема наблюдения ППР с расходящимся световым пучком показана на рис. 23.6. Расходящийся пучок света от точечного источника S входит в призму 1 и отражается от чувствительного участка ее поверхности 2, на который нанесена исследуемая жидкость 3. Отраженный свет выходит из призмы и падает на линейку фотодетекторов 4. При этом на каждый отдельный фотодетектор 5 попадает свет, отраженный под углами от до .

Рис. 23.6. Идеализированная схема наблюдения ППР с пучком света, расходящимся от точечного источника S

Если линейка фотодетекторов расположена ортогонально к направлению распространения отраженного света, то

( 23.7)

Если учесть также немонохроматичность света, то суммарная физическая угловая разрешающая способность в оптической схеме с расходящимся пучком света составляет

( 23.8)

Использованные здесь обозначения расшифрованы выше.

В модулях Spreeta, например, размер одного элемента фотодетектора составляет , базовое расстояние , AlGaAs-светодиод излучает свет с длиной волны = 830 нм, = 15 нм и = 64 . Размывание кривой ППР составляет около 2 . Т.е. именно оно определяет в этих модулях почти всю ширину резонансной полосы.