Д. Фурье-спектрометры и адамар-спектрометры. Системы, в которых имеются устройства оптической, электронной и рентгеновской микроскопии.

Приведем описание фурье-спектрометра, которое дано в посвященной инфракрасной спектроскопии главе книге [25]. Отмечая, что в дальней инфракрасной области применяется поглощающая фурье-спектроскопия и что используются приборы, построенные по схеме Майкельсона, авор указанной книги приводит схему фурье-процессора, которая у нас представлена на рис. 6.16, а. Параллельный пучок света "направляется в интерферометр, состоящий из делителя пучка В и двух зеркал Делитель пучка представляет собой пластину из прозрачного материала с таким покрытием, чтобы точно 50% падающего на нее света отражалось. Таким образом, одна половина света направляется к зеркалу а вторая — к возвратившись от зеркал по тем же самым путям, пучки вновь соединяются в один на делительной пластине... и попадают на детектор". Для рисунка приняты такие обозначения: 1 — источник, 2 — пучок света, направляемый на образец и детектор.

Работает устройство следующим образом: "...если источник излучает монохроматический свет, то в зависимости от длины путей и интенсивность результирующего пучка за счет интерференции двух слагающих его пучков либо усиливается, либо ослабляется. Так, если эти длины одинаковы или отличаются на целое число длин волн, возникающая интерференция приводит к усилению интенсивности, если же разность оптических путей кратна полуцелому числу длин волн, пучок гасится. Поэтому, когда зеркало плавно движется к пластине В или от нее, детектор воспринимает переменный по интенсивности свет. Довольно легко представить, что если источник излучает свет двух различных монохроматических частот то возникнут биения этих частот, вызванные наложением интерференционных картин, создаваемых зеркалами при движении детектор будет регистрировать более сложное изменение интенсивности, однако если провести преобразование Фурье результирующего сигнала, сразу будут получены исходные частоты и интенсивности света. Даже в случае когда источник излучает "белый" свет, по интерференционной картине может быть восстановлено исходное спектральное распределение. Ясно, кроме того, что если перед детектором на пути светового пучка поместить образец, то поглощение в нем приведет к образованию провалов в спектральном распределении источника, преобразование Фурье которых даст нормальный спектр поглощения. Запись спектра тогда можно себе представить следующим образом: зеркало плавно перемещается в течение некоторого времени (скажем, 1 с) на расстояние около 1 см, в это время детектируемый сигнал (интерферограмма) попадает на многоканальный анализатор (например, каждую тысячную долю секунды во время движения зеркала производится считывание детектируемого сигнала и эта

Рис. 6.16 (см. скан)

информация последовательно вводится в один из 1000 каналов анализатора); после выполнения преобразования Фурье накопленных данных ЭВМ разбивает полученный сигнал на 1000 частей и отправляет их в те же 1000 каналов анализатора. После этого "истинный" спектр готов для записи в любом удобном виде. Огромное достоинство фурье-спетроскопии заключается в ее быстродействии — полный спектр содержится в интерферограмме, которая записывается в вычислительную машину в течение времени сканироания, т.е. одной секунды".

Уделяется внимание и другому виду спектрометров — матричным спектрометрам, при работе которых выполняется преобразование Уолша. Обычно используются функции Уолша, упорядоченные по Адамару (используются матрицы Адамара). Спектрометры этого вида называют

адамар-спектрометрами. Матричный способ спектрального анализа рассмотрен в книгах [5, 240, 252]. Работают матричные спектрометры так, как указывается ниже.

Используется набор сменных диафрагм — масок, в каждой из которых имеются прозрачные и непрозрачные участки, расположенные таким образом, что в совокупности они отвечают одной из двумерных функций Уолша. При каждой смене маски осуществляется переход к следующей функции Уолша. Весь комплект масок отвечает полному набору функций Уолша при заданном количестве их. Излучение, прошедшее через все прозрачные участки маски, собирается одним общим фотоприемником и запоминается. Таким образом производится отсчет. Затем маска сменяется следующей, при которой производится следующий отсчет. Полученные данные кодируются таким образом, что получается система уравнений, позволяющая определить энергию излучения, проходящего через каждый прозрачный участок маски. Коэффициенты уравнений образуют кодирующую матрицу, элементами которой являются числа 1 и 0. Спектр расшифровывается с помощью декодирующей матрицы, получаемой из кодирующей заменой чисел на —1 при сохранении Выполняются операции умножения и суммирования, в результате которых в каждой ячейке памяти остается информация только об одном спектральном элементе. Эти действия производятся с помощью ЭВМ.

Обобщенная схема дискретного спектрального анализа приведена на рис. 6.16,6, для которого приняты обозначения: анализируемое изображение, изображение базисной функции (на рисунке показан также сумматор бинарных сигналов). В первоначально построенных матричных спектроанализаторах смена масок производилась механическим путем. Однако, как отмечено при описании указанной схемы в книге [5], "операция маскирования изображения может быть проведена также средствами интегральной микроэлектроники... за счет подачи соответствующих напряжений на ячейки однородного параллельного процессора. Элементарная ячейка такого процессора должна включать в себя элемент фотоприемной матрицы и набор логических элементов, что позволяет синтезировать маску за один такт работы устройства, используя управление ячейками только по системе ортогональных шин, и производить поэлементное логическое умножение изображения и маски". На рис. 6.16, в представлена схема оптоэлектронного дискретного спектроанализатора. Здесь 1 — анализируемая функция ; 2 — матрица управляемых фотоприемников, формирующая базисные функции — генератор управляющих сигналов; 4 — сумматор аналоговых сигналов.

Положительными качествами матричных спектрометров являются следующие их качества [240, 252]: возможна одновременная регистрация множества спектральных линий; может быть получено значительно большее значение отношения сигнал — шум, чем в сканирующих спектрометрах; исключается необходимость в затрате времени на запись нерабочих участков спектра, находящихся между аналитическими линиями (последнее относится к количественному анализу по определенным спектральным линиям).

Рис. 6.17

Раньше уже было нами указано то, что матричные спектрометры обычно представляют собой адамар-спектрометры. Использование матриц Адамара оказывается более удобным. Однако в принципе могут быть применены и другие упорядочения функций Уолша, может использоваться и преобразование Хаара. Например, в работе [26], посвященной преобразованию Адамара как методу разложения сигнала в системах оптической обработки информации, показана также система масок, построенных на основе функций Уолша, упорядоченных по Пзли. У нас она представлена на рис. 6.16,г. В левой части рисунка приведен график функций Уолша для одномерного случая (ранее он у нас был представлен на рис. 4.11), в правой части рисунка — набор двумерных функций где белые участки дают значения функции, равные а черные —1.

Коснемся далее еще одного вопроса. В системах машинной обработки оптической информации, схемы которых были приведены на рис. 6.15, использовался оптический микроскоп для получения изображения микрообьектов, которое затем вводится в ЭВМ. Оптические и электронные микроскопы применены и в других системах машинной обработки оптической информации. В оптическом микроскопе используются те же преобразования светового потока с помощью линз, о которых говорилось у нас при рассмотрении оптических фурье-процессоров. О том, насколько близки возникающие здесь проблемы к ранее обсуждавшимся нами, можно судить уже по тому, что изобретение Табором голографии явилось результатом его исследований, направленных на усовершенствование микроскопа.

Схема оптического микроскопа показана в левой части рис. 6.17, где для сравнения с ней изображена и схема электронного микроскопа. На этом рисунке, который взят из книги [139], для оптического микроскопа приняты следующие обозначения: 1 — источник света, 2 — конденсор; 3 — объектив; 4 — окуляр. Аналогичной является и показанная на рис. 6.17 схема электронного микроскопа, в котором используется не источник света, а лишь источник потока электронов и применены "электронные линзы". Общность принципов построения микроскопов того и другого вида объясняется тем, что, как отмечено в указанной книге, "распространение потока любых материальных частиц управляется волновыми законами, так же как и в случае светового потока", и в связи с этим делается заключение о том, что "расчет электронного микроскопа но правилам геометрической оптики является вполне естественным". Разрешающая способность электронного микроскопа превосходит разрешающую способность оптического микроскопа в несколько тысяч раз (оптические микроскопы позволяют различать элементы размером

порядка 200-300 нм, а электронный микроскоп — элементы размером порядка ).

Для некоторых областей приложения является перспективным использование рентгеновских микроскопов, отличающихся от электронных тем, что не требуется, чтобы исследуемые объекты находились в вакууме, что не всегда приемлемо. С помощью рентгеновского микроскопа получается к тому же дополнительная информация, так как такие микроскопы позволяют находить усредненные количественные характеристики микрообъектов. Принцип построения рентгеновских микроскопов отличается от используемого в оптических и электронных микроскопах в связи с тем, что рентгеновские лучи не могут быть сфокусированы так, как световые или электронные. Разрешающая способность рентгеновских микроскопов относительно небольшая. В некоторых случаях рекомендуется последующее рассмотрение полученных рентгеновских микроизображений в световом микроскопе [249].