Експрес-аналіз спектральної чутливості

 

Розглянемо основні підходи та результати експрес-аналізу спектральної чутливості оптоелектронного сенсора на основі колірного сигнального перетворювача, зокрема з використанням вищерозглянутого інтегрованого модуля RGB світлодіодів. Метою такого експрес-аналізу є визначення закономірностей, які характеризують залежності чутливості сенсора від обумовленої впливом досліджуваної речовини зміни спектральної характеристики активного середовища M. Чутливість визначимо за модуляцією складових інформативного сигналу S_R, S_G, S_B та їх різниць. У першому наближенні таку модуляцію охарактеризуємо зміщенням довжини хвилі з максимальним поглинанням .

В основу аналізу покладемо результати модельних досліджень з використанням апроксимації вищезгаданими функціями Гауса. Залежність складових інформаційного сигналу та їхніх різниць в процесі поглинання випромінювання активним середовищем в діапазоні від 400 нм до 750 нм наведено на рис. 6 та рис. 7.

 

а) б)

Рис. 6. Залежності складових інформативного сигналу S_R, S_G, S_B, S_N (а) та їхніх різниць S_R-S_N, S_G-S_N, S_B-S_N (б) від l_M

 

Мінімум функцій S_R, S_G, S_B (рис. 5, а) спостерігається при накладанні довжини хвилі максимального поглинання активного середовища на довжини хвиль , , максимуму випромінювання світлодіодів. Для функції нормованого сумарного сигналу S_N характерною є наявність двох екстремумів з мінімумами між довжинами хвиль , , .

Зазначимо, що на практиці модуляція довжини хвилі незначна і, в залежності від чутливості активного середовища M і концентрації досліджуваної речовини, перебуває в межах від одиниць до декількох десяток нанометрів. Отже, аналіз вищенаведених залежностей доцільно проводити не в усьому діапазоні , а на окремих його ділянках , де ‑ початкова довжина хвилі максимального поглинання, ‑ модуляція спектра активного середовища під дією досліджуваної речовини.

Так, якщо 500 нм, = 0…20 нм, дослідження проводять на ділянці спектра від 500 нм до 520 нм. Видно, що на цій ділянці спостерігається різна направленість складових інформативного сигналу – зі збільшенням складова S_R спадає, а складові S_G та S_B зростають. Така різнонаправлена зміна складових є важливою з погляду забезпечення високої завадостійкості сигнального перетворювача. До того ж, як це показано, залежності S_R та S_G мають високу інформативність, тобто характеризується високою крутизною та квазілінійністю функції перетворення. Натомість, складова S_B наближається до граничного значення (якщо сигнали подано в нормованому вигляді – до одиниці), що в цьому конкретному прикладі робить використання цієї складової малоефективним. Важливим результатом такого експрес-аналізу є встановлена квазістабільність сумарного сигналу S_N з максимальною стабільністю при 550 нм. Цей результат демонструє можливість використання сумарного сигналу S_N як опорної величини, яка при модуляції спектральної характеристики активного середовища залишається квазістабільною.

 

а) б)

Рис. 7. Залежності різницевих сигналів SB-SG, SB-SR, SG-SR (а) та їхніх похідних
dBG = , dBR = , dGR = від l_M

 

Подальший алгоритм формування інформативного сигналу може передбачати використання різниць між складовими SR, SG, SB та їхнім сумарним значенням SN, тобто, SR-SN, SG-SN, SB-SN (рис. 5, б), або різниць між окремими складовими, зокрема SB-SG, SB-SR, SG-SR (рис. 6, а). Видно, що ефективність використання таких різниць значною мірою залежить від ділянки спектра. Відтак, залежно від спектральної характеристики активного середовища, вибирають найбільш оптимальний набір сигналів та їхніх різниць. Крім того, під час аналізу крутизни та лінійності функцій перетворення доцільно розглянути спектральну залежність похідних різниць складових сигналу, зокрема, як це показано на рис. 6, б, де: dBG = , dBR = , dGR = .