FI82863C - SPEKTROMETRISKT FOERFARANDE OCH SPEKTROMETER. - Google Patents

Description

1 828631 82863

Spektrometrinen menetelmä ja spektrometriSpectrometric method and spectrometer

Keksinnön kohteena on spektrometrinen menetelmä ja spektrometri optisen säteilyn analysoimiseksi aiheuttamalla 5 analysoitavan optisen säteen dispersio ja Ilmaisemalla dlspergoituneen optisen säteilyn yhden tai useamman diskreetin aallonpituuden intensiteetti.The invention relates to a spectrometric method and a spectrometer for analyzing optical radiation by causing a dispersion of the optical beam to be analyzed and detecting the intensity of one or more discrete wavelengths of the dispersed optical radiation.

Aineen läpikulkeneen, siitä heijastuneen tai siron-neen valon spektri antaa tietoa aineen kemiallisesta ja fy-10 sikaalisesta rakenteesta. Spektrin analysointi, alkaen ultraviolettialueelta ja ulottuen pitkälle infrapuna-alu-eelle, tapahtuu yleensä spektrometrillä, jolla valo kerätään kohteesta, yhdensuuntaistetaan ja sen jälkeen hajoi-tetaan eri aallonpituuskomponenttiensä kirjoon käyttäen 15 esimerkiksi prismaa tai hilaa. Tällöin valon intensiteettiä mittaavalle ilmaisimelle osuu monokromaattista säteilyä, jonka aallonpituus riippuu hilan tai prisman asennosta tulevaan valonsäteeseen ja ilmaisimeen nähden. Prismaa tai hilaa mekaanisesti kääntämällä tai vaihtoehtoisesti ilmai-20 sinta siirtämällä saadaan mitatuksi valon eri aallonpituus-komponenttien intensiteetit. Tällaisen tunnetun mittausmenetelmän vaatiman tarkkuusmekanismin vuoksi tällaiset spektrometrit ovat kalliita ja suurikokoisia sekä huonosti teollisuusympäristöön soveltuvia, jossa tärinä, lämpötila-25 vaihtelut ja ilman epäpuhtaudet aiheuttavat vaikeuksia mekanismin luotettavalle toiminnalle.The spectrum of light that has passed through, reflected from, or sironized by a substance provides information about the chemical and physical structure of the substance. Spectral analysis, starting in the ultraviolet range and extending into the far infrared range, is generally performed with a spectrometer that collects light from the target, aligns it, and then scatters it into a spectrum of different wavelength components using, for example, a prism or lattice. In this case, the detector measuring the intensity of light is exposed to monochromatic radiation, the wavelength of which depends on the position of the lattice or prism with respect to the incident light beam and the detector. By mechanically inverting the prism or lattice or alternatively by moving the detector, the intensities of the different wavelength components of light can be measured. Due to the accuracy mechanism required by such a known measurement method, such spectrometers are expensive and large in size and poorly suited for industrial environments where vibration, temperature fluctuations and air contaminants cause difficulties for the reliable operation of the mechanism.

Vaihtoehtoisia ratkaisuja edellä esitetylle ovat Michelson-interferometri ja akusto-optinen kide. Molempia käytetään yleisesti, mutta esiintyvät konstruktiot ovat 30 kalliita ja herkkiä, joskin rakennettavissa pienempään tilaan kuin alussa esitetty mekaanis-optinen konstruktio.Alternative solutions to the above are a Michelson interferometer and an acousto-optical crystal. Both are commonly used, but the constructions present are expensive and sensitive, although they can be built in a smaller space than the mechanical-optical construction shown at the beginning.

Edellä esitetyissä menetelmissä optisen säteilyn spektri mitataan mittaamalla erikseen kunkin diskreetin aallonpituuden intensiteetti. Signaalikohinasuhteen paran-35 tamiseksi ja herkkyyden lisäämiseksi on kuitenkin kehitetty 2 82863 vaihtoehtoisia menetelmiä, joissa käytettävä mittausspektri jaetaan useaan (N:ään) diskreettiin osaan ja säteilylähteen ja ilmaisimen välille asetetaan maski, joka varjostaa sopivan matemaattisen muunnoksen, yleensä Hadamard-muunnok-5 sen, mukaisesti osia spektristä pois N:llä eri yhdistelmällä. Jäljelle jääneiden säteilykomponenttien summa ilmaistaan ja näin saaduista N:n yhdistelmän ilmaisutuloksis-ta lasketaan käänteisen Hadamard-muunnoksen avulla yksittäisten spektrin osien intensiteetit ja lopullinen spektri. 10 Näin saavutetaan signaalikohinasuhteessa /N-kertainen parannus suoraan ilmaisuun verrattuna. Tällaisella multiplek-soinnilla saavutetaan myös se etu, että ilmaisimelle osuvan valon intensiteetti on suurempi kuin perinteisissä menetelmissä, mikä osaltaan parantaa ilmaisun signaalikohinasuh-15 detta.In the above methods, the spectrum of optical radiation is measured by separately measuring the intensity of each discrete wavelength. However, in order to improve the signal-to-noise ratio and increase the sensitivity, 2 82863 alternative methods have been developed in which the measurement spectrum used is divided into several (N) discrete parts and a mask is placed between the radiation source and the detector to obscure a suitable mathematical transformation, usually a Hadamard transform. parts of the spectrum with N different combinations. The sum of the remaining radiation components is expressed, and from the detection results of the N combinations thus obtained, the intensities and the final spectrum of the individual parts of the spectrum are calculated by inverse Hadamard transformation. 10 This achieves an improvement in the signal-to-noise ratio / N-fold compared to direct detection. Such multiplexing also has the advantage that the intensity of the light hitting the detector is higher than in conventional methods, which contributes to improving the signal-to-noise ratio of the detection.

Hadamard-muunnoksen vaatima maski on aikaisemmin toteutettu mekaanisesti liikuteltavalla varjostimella, jonka konstruointi nopeaa mittausta ja vaikeita olosuhteita varten on vaikeata. Hadamard-muunnosta ja sen käyttöä 20 spektrometreissä on kuvattu esimerkiksi julkaisussa "Hada-mard Transform Optics", M. Harwit, N.J.A., Sloane, Academic Press, New York, 1979, sivut 1-47.The mask required for the Hadamard transformation has previously been implemented with a mechanically movable shade, which is difficult to construct for rapid measurement and difficult conditions. The Hadamard transform and its use in spectrometers is described, for example, in "Hada-mard Transform Optics", M. Harwit, N.J.A., Sloane, Academic Press, New York, 1979, pages 1-47.

US-patenttijulkaisusta 4 615 619 ja artikkelista "Multiplex Advantage in Hadamard Transform Spectrometry 25 Utilizing Solid-State Encoding Masks with Uniform, Bistable Optical Transmission Defects", D.C. Tilotta et al., Applied Optics, 1 October 1987, Vol. 26, No. 19, sivut 4285-4292 tunnetaan nestekide- tai muita sähköisesti ohjattavia maskeja, joilla pystytään täydellisesti välttämään mekaanises-30 ti liikkuvat osat.U.S. Patent 4,615,619 and "Multiplex Advantage in Hadamard Transform Spectrometry 25 Utilizing Solid-State Encoding Masks with Uniform, Bistable Optical Transmission Defects", D.C. Tilotta et al., Applied Optics, 1 October 1987, Vol. 26, no. 19, pages 4285-4292, liquid crystal or other electrically controlled masks are known which can completely avoid mechanically moving parts.

Nestekidevarjostimen haittana on kuitenkin rajoitettu spektrin läpäisyalue (yleensä alle 1 pm:n aallonpituus, huono kontrasti ja hitaus etenkin alhaisissa lämpötiloissa) .However, the disadvantage of liquid crystal shading is the limited spectral transmission range (usually a wavelength of less than 1 μm, poor contrast and inertia, especially at low temperatures).

35 Eräässä tunnetussa ilmakehän tutkimiseen käytetyssä 3 82863 spektrometrissä, moduloidaan maskin sijasta itse valolähteitä Hadamard-matriisikoodilla. Tällainen järjestelmä on yksinkertainen, koska siinä ei käytetä mitään mekaanista laitetta, eikä siinä synny maskista johtuvia virheitä.35 In a known 3,8863 spectrometer used for atmospheric studies, the light sources themselves are modulated with a Hadamard matrix code instead of a mask. Such a system is simple because it does not use any mechanical device and does not generate errors due to the mask.

5 Tällainen spektrometri on esitelty artikkelissa "Hadamard Transform Active Long Path Absorption Spectrometer", N. Sugimoto, Applied Optics, 15 March 1986, Vol. 25, No. 6, sivut 863-865.5 Such a spectrometer is described in "Hadamard Transform Active Long Path Absorption Spectrometer", N. Sugimoto, Applied Optics, 15 March 1986, Vol. 25, no. 6, pages 863-865.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada 10 uudentyyppinen spektrometrinen menetelmä ja spektrometri, joissa herkkyyttä ja signaalikohinasuhdetta voidaan parantaa erilaisilla matemaattisilla muunnoksilla aikaisempaa yksinkertaisemmalla ja edullisemmalla rakenteella.It is an object of the present invention to provide a new type of spectrometric method and spectrometer in which the sensitivity and signal-to-noise ratio can be improved by various mathematical transformations with a simpler and more advantageous structure.

Tämä saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella 15 spektrometrisellä menetelmällä ja patenttivaatimuksen 4 mukaisella spektrometrillä.This is achieved by a spectrometric method according to claim 1 and a spectrometer according to claim 4.

Esillä oleva keksintö perustuu Hadamard- tai jonkin muun sopivan matemaattisen muunnoksen soveltamiseen siten, että difraktioprisman, -hilan, tai muun menetelmän avulla 20 aiheutetaan analysoitavan säteilyn dispersio niin, että dispergoituneen säteilyn aallonpituuskomponentit lankeavat ilmaisinyhdistelmän tietyille N:lie llmaisinelimelle, joista kukin aikaansaa siihen osuneen säteilyn intensiteettiin verrannollisen sähköisen signaalin. Tunnetuissa ratkaisuis-25 sa käytetyn optisen multipleksoinnin sijasta esillä olevassa keksinnössä multipleksoidaan ilmaisinelementtien ulostuloja kytkemällä ne sähköisesti yhteen N erilaisena kombinaationa vastaavasti N summasignaalin muodostamiseksi. Nämä summasignaalit vastaavat optisessa multipleksauksessa 30 optisesta summasignaalista yhden ilmaisimen avulla tuotettua sähköistä signaalia. Kustakin summasignaalista otetaan näyte ja kun N summasignaalia on mitattu, lasketaan summausta vastaavan käänteisen algoritmin avulla yksittäisten aallonpituuksien intensiteetit ja määritetään analysoitavan 35 optisen säteilyn spektri. Tällä tavoin on mahdollista ra- 4 82863 kentaa edullinen spektrometri, jolla saavutetaan hyvä herkkyys, erottelukyky ja aallonpituustarkkuus ilman mekaanista tai sähköistä maskia tai edellä esitetyn nestekidevarjos-timen asettamia aallonpituus-, nopeus- ja lämpötilarajoi-5 tuksia. Hyvän integroitavuutensa vuoksi laite on rakennettavissa pieneen tilaan ja toimimaan vähäisellä sähkönkulutuksella ilman liikkuvia osia ja siten vaikeisiin ympäristöolosuhteisiin ja kannettavaan käyttöön soveltuvaksi.The present invention is based on the application of a Hadamard or other suitable mathematical transformation such that a diffraction prism, lattice, or other method causes a dispersion of the radiation to be analyzed such that the wavelength components of the dispersed radiation fall on certain N elements of the detector combination. the intensity of the electrical signal. Instead of the optical multiplexing used in the known solutions, the present invention multiplexes the outputs of the detector elements by electrically connecting them together in N different combinations to form N sum signals, respectively. These sum signals correspond to the electrical signal produced by one detector from the 30 optical sum signals in optical multiplexing. Each sum signal is sampled and, when N sum signals are measured, the intensities of the individual wavelengths are calculated using an inverse algorithm corresponding to the summation and the spectrum of the optical radiation to be analyzed is determined. In this way, it is possible to construct a preferred spectrometer which achieves good sensitivity, resolution and wavelength accuracy without a mechanical or electrical mask or the wavelength, speed and temperature limits set by the above-mentioned liquid crystal shade. Due to its good integrability, the device can be built in a small space and operate with low power consumption without moving parts and thus suitable for difficult environmental conditions and portable use.

Koska suuri määrä ilmaisimia on integroitavissa 10 pieneen tilaan, samanaikaisesti ilmaistavien diskreettien aallonpituuksien määrä N voi olla huomattavasti suurempi kuin perinteisessä maskitekniikassa, jopa useita tuhansia, jolloin myös muunnosmenetelmällä saavutettu S/N-suhteen parannus on suurempi.Because a large number of detectors can be integrated into 10 small spaces, the number N of discrete wavelengths detected simultaneously can be considerably larger than in the traditional mask technique, up to several thousand, whereby the improvement in S / N ratio achieved by the conversion method is also greater.

15 Aktiivisten eli itse optista säteilyä emittoivien lähteiden, kuten liekkien tai sulan metallin, spektriä mitattaessa, jolloin esimerkiksi edellä mainitun Hadamard-moduloitua valolähderyhmää soveltavan järjestelmän käyttö ei ole mahdollista, esillä oleva keksintö tarjoaa uuden 20 mahdollisuuden nopeisiin ja herkkiin analyyseihin.By measuring the spectrum of active, i.e. self-emitting, sources such as flames or molten metal, where, for example, the use of the above-mentioned system using the Hadamard modulated light source group is not possible, the present invention offers a new possibility for fast and sensitive analyzes.

Keksintöä selitetään nyt yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaisen spektrometrin perusperiaatetta, 25 kuviot 2 ja 4 ovat esimerkkejä muunnosmatriiseista, joita voidaan käyttää keksinnön yhteydessä, ja kuvio 3 esittää kytkentäkaavion eräästä keksinnön mukaisesta ilmaisin- ja multipleksointipiiristöstä.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 schematically shows the basic principle of a spectrometer according to the present invention, Figures 2 and 4 are examples of conversion matrices that can be used in connection with the invention, and Figure 3 shows a circuit diagram of a detector and multiplexing circuit according to the invention.

Nyt viitataan kuvioon 1, jossa on esitetty keksinnön 30 mukaisen spektrometrin periaatteellinen toiminta. Analysoitava valonsäde osuu optiseen välineeseen, tässä tapauksessa hilaan G, joka taittaa eri aallonpituuksia eri tait-tumiskulmiin βχ...βη aiheuttaen analysoitavan valonsäteen L dispersion eli hajoamisen eri aallonpituuskomponenttei-35 hin, joista N aallonpituuskomponenttia lj...^ osuvat kukin 5 82863 sille nimetylle ilmaisinelimelle Dl...DN ilmaisinelinten ryhmässä, joka on sijoitettu riviin valonsäteen taittumis-tasoon. Kukin ilmaisinelementti muodostaa siihen osuneen aallonpituuskomponentin intensiteettiin verrannollisen 5 ulostulosignaalin. Jokaisen ilmaisinelimen Dl...DN ulos tuloon on kytketty selektiivisesti ohjattava kytkinelin SW1...SWN, jonka avulla kukin ulostulosignaali on selektiivisesti kytkettävissä yhteisen vahvistimen AI sisääntuloon. Kytkimiä SW1...SWN ohjataan käytetyn matemaattisen 10 muunnoksen, esimerkiksi Hadamard-muunnoksen mukaisessa järjestyksessä peräkkäin N:ään erilaiseen suljettujen ja avattujen kytkimien yhdistelmään, jotka muodostavat N peräkkäistä, erilaisten ulostulosignaalien muodostamaa sum-masignaalia vahvistimen AI sisääntuloon ja vahvistettuna 15 sen ulostuloon. Vahvistimen AI ulostulosignaalista otetaan analogiadigitaalimuuntimella ADC digitaalisia näytteitä, jotka syötetään tietokoneelle 2. Tietokone 2 laskee kyt-kinyhdistelmien antamista N summasignaaleista käänteisellä Hadamard-muunnoksella kunkin analysoitvan diskreetin aal-20 lonpituuden l1...ln intensiteetin ja sitä kautta analysoitavan optisen säteilyn spektrin ja tulostaa sen sellaisenaan graafisena tai numeerisena esityksenä tai suoraan kalibroituna ainepitoisuutena tai muulla sopivalla tavalla esimerkiksi kirjoittimelle 3. Koska tietokone 2 viime kä-25 dessä määrää käytetyn muunnostavan ja muunnosmatrlisin ja siten myös kytkinten SW1...SWN asennot, tätä tietokoneen 2 ja kytkinten välistä yhteyttä on havainnollistettu katkoviivalla 4.Reference is now made to Figure 1, which shows the basic operation of a spectrometer according to the invention 30. The light beam to be analyzed strikes an optical medium, in this case a lattice G, which refracts different wavelengths at different refractive angles βχ ... βη, causing dispersion or scattering of the light beam L to be analyzed at different wavelength components. for a designated detector D1 ... DN in a group of detectors arranged in a row in the plane of refraction of the light beam. Each detector element generates an output signal proportional to the intensity of the wavelength component that hits it. A selectively controllable switching element SW1 ... SWN is connected to the output of each detector element D1 ... DN, by means of which each output signal can be selectively connected to the input of a common amplifier A1. Switches SW1 ... SWN are sequentially directed to N different combinations of closed and open switches in a sequential order of the mathematical transformation 10 used, e.g., the Hadamard transformation, to form N consecutive sum signals of different output signals at the input 15 of the amplifier A1 and amplified at its output. From the output signal of the amplifier AI, digital samples are taken by the analog-to-digital converter ADC, which are input to the computer 2. The computer 2 calculates the inverse Hadamard transform of the N sum signals as such as a graphical or numerical representation or as a directly calibrated substance content or in another suitable way, for example for printer 3. Since computer 2 ultimately determines the transformer and transform matrix used and thus also the positions of switches SW1 ... SWN, this connection between computer 2 and switches is illustrated. with dashed line 4.

Valoilmaisimina käytetään keksinnön ensisijaisessa 30 suoritusmuodossa fotodiodeja, mutta ne voivat vaihtoehtoisesti olla mitä tahansa niihin osuneen valon intensiteettiin tai energiaan verrannollisen signaalin tuottavia ilmaisimia, kuten valovastuksia, pyrometrisiä elementtejä, jne. Täten ilmaisimien toiminta voi perustua valosähköi-35 syyteen tai valon johtavuuteen ja mittauksessa voidaan 6 82863 käyttää varausten, jännitteiden tai virtojen summiin verrannollista signaalien yhdistelyä.Photodiodes are used as photodetectors in the preferred embodiment of the invention, but may alternatively be any detectors that produce a signal proportional to the intensity or energy of the light, such as photoresistors, pyrometric elements, etc. Thus, the operation of the detectors may be based on photovoltaics or light conductivity. 82863 uses a combination of signals proportional to the sum of charges, voltages, or currents.

Kuviossa 1 analysoitavan optisen säteen dispersion aiheuttava heijastushila G voidaan korvata millä tahansa 5 dispersion aiheuttavalla optisella laitteella. Tällöin voidaan heijastuneen taittuneen valon sijasta vaihtoehtoisesti mitata myös tällaisen laitteen läpikulkeneen taittuneen valon eri aallonpituuksien intensiteetti.In Fig. 1, the reflection grating G causing the dispersion of the optical beam to be analyzed can be replaced by any optical device causing the dispersion. In this case, instead of the reflected refracted light, the intensity of the different wavelengths of the refracted light transmitted by such a device can alternatively also be measured.

Esitetyn tietokoneen ja mittauspiirin yhdistelmän 10 sijasta voi joissakin tapauksissa olla edullista rakentaa koko järjestelmä matematiikkasuorittimineen kiinteäksi logiikkapiiriksi tai jakaa mittauspiirin ja tietokoneen rajapinta kuvatusta poikkeavalla tavalla.Instead of the combination of computer and measuring circuit 10 shown, it may in some cases be advantageous to construct the whole system with its mathematical processor as a fixed logic circuit or to divide the interface between the measuring circuit and the computer in a different way than described.

Hadamard-matriisien ja matemaattisten muunnosmene-15 telmien osalta viitataan edellä mainittuihin julkaisuihin ja artikkeleihin, joiden opetuksia voidaan tältä osin suoraan soveltaa esillä olevassa keksinnössäWith regard to Hadamard matrices and mathematical transformation methods, reference is made to the above-mentioned publications and articles, the teachings of which can be directly applied in this respect in the present invention.

Kuviossa 2 on esitetty esimerkkinä syklisessä muodossa oleva Simplex-matriisi, joka sopii käytettäväksi yllä 20 esitetyssä kytkennässä. Jokainen matriisin vaakarivin paikka vastaa yhtä kytkinelintä, jolloin "l":llä varustetut paikat tarkoittavat suljettua kytkintä ja "0":lla varustetut paikat tarkoittavat avointa kytkintä. Tällainen Simp-lex-matriisiohjaus on helposti toteutettavissa rinnakkais-25 muotoisella ulostulolla varustetulla siirtorekisterillä, jolle mittausta ohjaava tietokone syöttää matriisin alku-rivin sarjan muodossa. Tämän jälkeen koodi kiertää syklisesti siirtorekisterin läpi siten, että siirtorekisteristä poistuva viimeinen bitti johdetaan takaisin siirtorekiste-30 rin alkuun. Tällaisella Simplex-matriisilla saavutetaan noin /N/" parempi signaalikohinasuhde verrattuna N:n ilmaisimen yksittäiseen mittaukseen.Figure 2 shows an example of a Simplex matrix in cyclic form suitable for use in the above connection. Each position in the horizontal row of the matrix corresponds to one switch member, with positions with "l" indicating a closed switch and positions with "0" indicating an open switch. Such Simp-lex matrix control can be easily implemented with a shift register with a parallel-shaped output, to which the computer controlling the measurement inputs the matrix in the form of a series of start lines. The code then cyclically rotates through the shift register so that the last bit exiting the shift register is passed back to the beginning of the shift register. Such a Simplex matrix achieves an approximately / N / "better signal-to-noise ratio compared to a single measurement of an N detector.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukainen kytkentä kuvion 1 järjestelmän toteut-35 tamiseksi. Siinä mittausta ohjaava tietokone 2 syöttää 7 82863Figure 3 shows a circuit according to a preferred embodiment of the invention for implementing the system of Figure 1. In it, the computer controlling the measurement 2 enters 7 82863

Hadamard-matriisin yhden rivin kerrallaan rinnakkaismuotoisen väylän 34 kautta esimerkiksi binäärimuodossa dekoode-rille 31, joka muuntaa syötetyn datan takaisin alkuperäiseksi matriisiriviksi, jonka kunkin paikan tila näkyy de-5 kooderin 31 vastaavan ulostulon "0"- tai "l"-tilana. Dekoo-derin 31 kukin ulostulo on kytketty vastaavan JA-portin 32 toiseen sisääntuloon, kun jokaisen portin 32 toiseen sisääntuloon johdetaan liipaisusignaali TRIG. Kunkin portin 32 ulostulo johdetaan vastaavalle muistielementille 33, 10 jolla on sekä invertoitu että invertoimaton ulostulo. Kaikkien muistielementtien 33 nollaussisääntuloon johdetaan nollaussignaali RESET. Kunkin muistielementin 33 invertoimaton sisääntulo ohjaa vastaavaa kytkintransistoria Qll... Q1N, joka on kytketty vastaavan ilmaisindiodin Dl katodin 15 ja vahvistimen AI ei-invertoivan sisääntulon väliin. Samalla tavoin kunkin muistielementin 33 invertoitu ulostulo on kytketty vastaavalle kytkintransistorille Q21...Q2N, joka on kytketty vastaavan ilmaisindiodin Dl...DN katodin ja vahvistimen AI invertoivan sisääntulon väliin. Ilmaisin-20 diodien Dl... DN anodit on kytketty alhaiseen potentiaaliin kuten maahan.One row at a time of the Hadamard matrix via the parallel bus 34, for example in binary form to the decoder 31, which converts the input data back to the original matrix row, the position of each location of which is displayed as the "0" or "1" state of the de-5 encoder 31. Each output of the decoder 31 is connected to the second input of the corresponding AND gate 32 when a trigger signal TRIG is applied to the second input of each port 32. The output of each port 32 is fed to a corresponding memory element 33, 10 having both an inverted and a non-inverted output. A reset signal RESET is applied to the reset input of all memory elements 33. The non-inverting input of each memory element 33 controls a corresponding switching transistor Q11 ... Q1N connected between the cathode 15 of the respective detection diode D1 and the non-inverting input of the amplifier A1. Similarly, the inverted output of each memory element 33 is connected to a corresponding switching transistor Q21 ... Q2N, which is connected between the cathode of the respective detector diode D1 ... DN and the inverting input of the amplifier A1. The anodes of the detector-20 diodes D1 ... DN are connected to a low potential such as ground.

Dekooderin 31 ulostulosignaalit asettavat JA-port-tien 32 kautta muistielimet 32 "0"- tai "1"-asentoon Hada-mard-muunnoksen ensimmäisen matriisirivin mukaisesti, kun 25 liipaisusignaali TRIG on tilassa "1". Muistielimien 33 ulostulot ohjaavat vastaavia kytkintransistoripareja Q11...QN ja Q21...Q2N siten, että muistielintä 33 vastaava valodiodi Dl...DN kytkeytyy differentiaalivahvistimen ei-invertoivaan sisääntuloon, kun muistielementin invertoi-30 maton ulostulo on 1, ja vastaavasti vahvistimen AI invertoivaan sisääntuloon, kun muistielementin 33 invertoitu ulostulo on tilassa "1”. Samanaikaisesti syötetään lataus-jännite VL0AD transistoreiden Q3 ja vastaavasti Q4 kautta vahvistimen AI sisääntuloihin ja siten myös valodiodien 35 Dl...Dn katodeille, jolloin diodien liitoskapasitanssit β 82863 varautuvat estosuunnassa. Kun transistoreiden Q3 ja Q4 ohjaussignaali LOAD-CMD poistetaan, latausjännite VLOAO poistuu ja diodit jäävät kulloisenkin matriisirivin mukaisesti kytketyiksi vahvistimen Ai sisääntuloihin. Kunkin 5 diodin Dl...DN varausta purkaa diodille osuvan valon intensiteettiin verrannollinen vuotovirta, jolloin valitun mit-tausajan kuluttua saadaan differentiaalivahvistimen AI ulostulosta sen sisääntuloihin kytkeytyneiden diodiryhmien vastaanottaman valon kokona!sintensiteettien erotukseen 10 verrannollinen jännite, josta otetaan näyte, joka digitoidaan ja viedään tietokoneen 2 muistiin. Tämän jälkeen muis-tielimet 33 nollataan signaalilla RESET ja dekooderin 31 kautta syötetään muistielimille 33 uusi Hadamard-matriisi-rivi, minkä jälkeen poistetaan edellä esitetyt lataus- ja 15 mittaustoiminnot. Sama toistetaan, kunnes Hadamard-matriisin kaikki N vaakariviä on käyty läpi ja vastaavat mittaus-tiedot on tallennettu tietokoneen muistiin. Yksittäisten aallonpituusalueiden intensiteetit ratkaistaan tämän jälkeen käänteisellä Hadamard-muunnoksella ja tulokset esite-20 tään sopivassa muodossa. Tällä kahta anturiryhmää toisiinsa vertailevalla mittausmenetelmällä, saavutetaan /N-kertainen parannus signaalikohinasuhteeseen verrattuna N:n elementin yksittäiseen mittaukseen. Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa käytetään 1024 elementtiä, jolloin saavutettu 25 parannus on 32-kertainen.The output signals of the decoder 31 set the memory elements 32 to the "0" or "1" position via the AND gates 32 according to the first row of the Hada-mard transform when the trigger signal TRIG is in the "1" state. The outputs of the memory elements 33 control the respective switching transistor pairs Q11 ... QN and Q21 ... Q2N so that the light emitting diode D1 ... DN corresponding to the memory element 33 is connected to the non-inverting input of the differential amplifier when the inverting mat output of the memory element is 1, and the amplifier A1 to the inverting input when the inverted output of the memory element 33 is in the state “1.” Simultaneously, the charging voltage VL0AD is applied through the transistors Q3 and Q4 to the inputs of the amplifier AI and thus also to the cathodes D1 ... Dn of the light emitting diodes 35, charging the diode the control signal LOAD-CMD of the transistors Q3 and Q4 is removed, the charging voltage VLOAO is removed and the diodes remain connected to the inputs of the amplifier Ai according to the respective matrix row.The charge of each 5 diodes D1 ... DN is discharged differently by the leakage current proportional to the light from the output AI of the amplifier a voltage 10 proportional to the difference in the intensities of the light received by the groups of diodes connected to its inputs, from which a sample is taken, which is digitized and entered into the memory of the computer 2. Thereafter, the memory paths 33 are reset with the signal RESET and a new Hadamard matrix row is fed to the memory elements 33 via the decoder 31, after which the above-described loading and measuring functions 15 are deleted. The same is repeated until all N horizontal rows of the Hadamard matrix have been traversed and the corresponding measurement data have been stored in computer memory. The intensities of the individual wavelength ranges are then solved by the inverse Hadamard transform and the results are presented in the appropriate format in Brochure-20. With this measurement method comparing the two sensor groups, an / N-fold improvement in the signal-to-noise ratio is achieved compared to a single measurement of N elements. In a preferred embodiment of the invention, 1024 elements are used, with an improvement of 32 times being achieved.

Kuviossa 4 on esitetty edellä mainitulle kytkennälle sopiva 8-rivinen matriisi H8. Matriisissa "l":llä merkityt elementit tarkoittavat vahvistimen AI ei-invertoivaan sisääntuloon kytkettäviä diodeja ja "-l":llä merkityt vas-30 taavasti invertoivaan sisääntuloon kytkettäviä diodeja. Dekooderin 31 ulostulossa tila "0" vastaa matriisin Ha elementtiä "-1".Figure 4 shows an 8-row matrix H8 suitable for the above connection. In the matrix, the elements marked with "1" denote the diodes connected to the non-inverting input of the amplifier A1 and the elements marked with "-1" denote the diodes to be connected to the inverting input, respectively. At the output of decoder 31, the state "0" corresponds to the element "-1" of the matrix Ha.

On myös mahdollista käyttää eri tavalla konstruoituja Hadamard-koodattuja säteilylähteitä tai ilmaisimia 35 joko erikseen tai toisiinsa synkronoituina. Jälkimmäisessä 9 82863 tapauksessa saavutetaan häiriöllisissä olosuhteissa sig-naalikohinasuhteen parannus, mikäli kaukaa tulevan heikon signaalin lisäksi detektorin lähiympäristössä esiintyy samalla aallonpituusalueella satunnaista voimakasta haja-5 säteilyä, joka esim. ympäristön epäpuhtauspartikkeleista siroamalla pääsee mittausoptiikan läpi ilmaisimelle. Tällaisia tilanteita saattaa syntyä esim. teollisuuslaitoksissa ilmansaasteita mitattaesa.It is also possible to use differently constructed Hadamard-coded radiation sources or detectors 35 either separately or synchronized with each other. In the latter case 9 82863, an improvement in the signal-to-noise ratio is achieved under disturbing conditions if, in addition to a weak signal from far away, occasional strong scattered radiation is present in the vicinity of the detector in the same wavelength range, for example. Such situations may arise, for example, in industrial plants when measuring air pollution.

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu 10 vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä. Yksityiskohdiltaan esillä oleva keksintö voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.The figures and the related description are intended only to illustrate the present invention. The details of the present invention may vary within the scope of the appended claims.

Claims (8)

10 8286310 82863 1. Spektrometrinen menetelmä optisen säteilyn analysoimiseksi, menetelmän käsittäessä vaiheina analysoitavan 5 optisen säteen dispersion aiheuttamisen ja dispergoituneen optisen säteilyn yhden tai useamman diskreetin aallonpituuden intensiteetin ilmaisemisen, tunnettu siitä, että menetelmä edelleen käsittää intensiteettiin verrannollisen sähköisen signaalin muodostamisen erikseen kullekin 10 analysoitavalle aallonpituudelle ja mainittujen signaalien yhdistämisen N eri kombinaationa N erilaisen summasignaalin muodostamiseksi yhden mittausjakson aikana, missä N on analysoitavien diskreettien aallonpituuksien lukumäärä, sekä eri disktreettien aallonpituuksien intensiteettien 15 määrittämisen mainittujen N summasignaalin avulla.A spectrometric method for analyzing optical radiation, the method comprising inducing the dispersion of 5 optical beams to be analyzed in steps and detecting the intensity of one or more discrete wavelengths of dispersed optical radiation, characterized in that the method further comprises generating an electric signal proportional to N different combinations to generate N different sum signals during one measurement period, where N is the number of discrete wavelengths to be analyzed, and to determine the intensities of the different discrete wavelengths using said N sum signals. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitusta intensiteettiin verrannollisista signaaleista muodostetaan kutakin summasignaalia varten kaksi signaaliryhmää, joiden kokonaisintensiteettien 20 erotus muodostaa mainitun summasignaalin.A method according to claim 1, characterized in that for each sum signal proportional to said sum signals, two signal groups are formed, the difference of the total intensities 20 of which forms said sum signal. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuja intensiteettiin verrannollisia signaaleja yhdistetään Hadamard-muunnosperi-aatteella.Method according to claim 1 or 2, characterized in that said signals proportional to the intensity are combined according to the Hadamard transformation principle. 4. Spektrometri, joka käsittää optisen välineen (G), joka aiheuttaa siihen osuvan mitattavan optisen säteen (L) dispersion, sekä ilmaisinvälineen (Dl...DN) dispergoidun optisen säteen yhden tai useamman diskreetin aallonpituuden (11 ...1,, ) intensiteetin ilmaisemiseksi, tunnettu 30 siitä, että ilmaisinväline käsittää riviin sijoitettuina vähintään N ilmaisinelintä (Dl...DN), joiden ulostulot on kytketty yhdistämisvälineeseen (SW1...SWN, AI) ilmaisin-elinten ulostulosignaalien yhdistämiseksi eri kombinaatioina N erilaisen summasignaalin muodostamiseksi yhden mit-35 tausjakson aikana, missä N on analysoitavien diskreettien n 82863 aallonpituuksien lukumäärä.4. A spectrometer comprising an optical means (G) for causing a dispersion of the measured optical beam (L) to be applied thereto, and one or more discrete wavelengths (11 ... 1 ,,) of the dispersed optical beam of the detector means (D1 ... DN) for detecting intensity, characterized in that the detector means comprise at least N detector elements (D1 ... DN) arranged in a row, the outputs of which are connected to combining means (SW1 ... SWN, A1) for combining the output signals of detector means in different combinations to form N different sum signals -35 during the background period, where N is the number of discrete n 82863 wavelengths to be analyzed. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että kunkin ilmaisinelimen (Dl... DN) ulostulo on selektiivisesti kytkettävissä ohjattavan 5 kytkinelimen (SW1...SWN) kautta yhteisen vahvistinvälineen (AI) sisääntuloon.Spectrometer according to Claim 4, characterized in that the output of each detector element (D1 ... DN) can be selectively connected via a controllable switching element (SW1 ... SWN) to the input of a common amplifier means (A1). 6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että kunkin ilmaisinelimen (Dl... DN) ulostulo on selektiivisesti kytkettävissä ensimmäisen 10 ohjattavan kytkinelimen (Q11...QN) kautta yhteisen vahvistinvälineen (AI) invertoivaan sisääntuloon ja toisen ohjattavan kytkinelimen (Q21...Q2N) kautta mainitun vahvistin-välineen (AI) ei-invertoivaan sisääntuloon.Spectrometer according to Claim 4, characterized in that the output of each detector element (D1 ... DN) can be selectively connected via a first controllable switching element (Q11 ... QN) to an inverting input of a common amplifier means (A1) and a second controllable switching element (Q21). ..Q2N) to said non-inverting input of said amplifier means (AI). 7. Patenttivaatimuksen 4, 5 tai 6 mukainen spektro-15 metri, tunnettu siitä, että mainittu dispersion aiheuttava optinen väline on diffraktiohila tai diffrak-tioprisma.Spectrometer according to claim 4, 5 or 6, characterized in that said dispersion-inducing optical means is a diffraction grating or a diffraction prism. 8. Patenttivaatimuksen 4, 5, 6 tai 7 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että ilmaisinelin on valo- 20 diodi. i2 82863Spectrometer according to Claim 4, 5, 6 or 7, characterized in that the detector element is a light-emitting diode. i2 82863