СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01J3/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при построении приборов для спектральной фильтрации изображений (СФИ), например, устройств для исследования пространственно-спектральных свойств объектов.

В последние годы возрастает интерес к подобным устройствам, обеспечивающим получение изображений объектов в заданных узких спектральных промежутках, выбираемых по желанию оператора в пределах широкого спектрального диапазона - spectral imaging (SI). С помощью этих устройств удается наблюдать в изображениях различные фрагменты, отличающиеся (в выбранном спектральном диапазоне) различной спектральной яркостью, обусловленной различными коэффициентами отражения, поглощения или излучения. При наблюдении этих же объектов в широком спектральном диапазоне (например, с помощью обычного тепловизора) яркости фрагментов усредняются, и объем получаемой оптической информации значительно уменьшается [1-7].

Известен способ фильтрации изображений, основанный на зависимости угла преломления от длины волны при прохождении излучения, через упругие оптические среды, в которых под действием ультразвуковых волн возбуждаются динамические дифракционные решетки. Например, на этом принципе действует устройство, представляющее собой перестраиваемый по длинам волн полноапертурный (двухкоординатный) оптический фильтр [7], содержащее два акусто-оптический элемента, допускающих работу с входным зрачком 8×8 мм при угловой апертуре 2,5° (что вполне достаточно для фильтрации в видимой области спектра изображений с числом точек 250×320). Основной недостаток подобного способа фильтрации связан с трудностями, возникающими при построении ИК-фильтров изображений, работающих в средней и дальней ИК-областях спектра.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, в котором для спектральной фильтрации используется явление полного внутреннего отражения (ПВО). Способ фильтрации с использованием ПВО (принятый за прототип), который лежит в основе принципа действия отсекающего фильтра - фильтра Брумберга [8], заключается в том, что фильтруемый полихроматический пучок вводят в первую среду, имеющую больший показатель преломления из двух сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с положительной производной зависимости критического угла ПВО от длины волны в первой среде, под углом, равным критическому углу ПВО для заданной длины волны λ₀, В этом случае лучи с длинами волн не превышающими λ₀, отразятся от границы раздела сред, а лучи с длинами волн, превышающими λ₀, пройдут через границу раздела этих сред. Таким образом, полихроматический пучок разделится на два пучка. Причем в пучке, отраженном от границы раздела, останутся лучи с длинами волн, не превышающими λ₀.

Основной недостаток этого способа фильтрации связан с тем, что фильтрующие устройства, реализующие этот способ, вследствие зависимости угла ПВО от длины волны, имеют малую угловую апертуру в плоскости, проходящей через оси исходного пучка, падающего на границу раздела сред и пучка, отраженного от границы раздела, и по-существу, являются однокоординатными устройствами, не пригодными для фильтрации изображений.

Предлагаемый способ позволяет при его реализации создавать устройства с угловой апертурой, достаточной для фильтрации изображений в средней и дальней ИК-областях спектра.

Обеспечение возможности создавать устройства с угловой апертурой, достаточной для фильтрации изображений в средней и дальней ИК-областях спектра, достигается тем, что фильтруемый полихроматический пучок излучения вводят в первую среду, имеющую больший показатель преломления из двух сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с положительной производной зависимости угла ПВО от длины волны в первой среде, под углом θ_к1(λm), равным критическому углу ПВО для лучей с длиной волны λm, направление распространения которых совпадает с осью пучка, после отражения от границ раздела первой и второй оптических сред, пучок вводят в третью среду, имеющую больший показатель преломления из третьей и четвертой сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с отрицательной производной зависимости угла ПВО от длины волны в третьей среде, под углом θ_к2(λm), равным критическому углу ПВО для лучей с длиной волны λm, направление распространения которых совпадает с осью пучка,

причем первую и вторую пару оптических сред, подбирают таким образом, чтобы в фильтруемом диапазоне длин волн dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ|, причем плоский угол, в пределах которого распространяется пучок исходного излучения в плоскости, в которой находятся оптические оси падающего и отраженного от границ раздела сред пучка излучения, ограничивают до величины 2·ϕ, где: 2·ϕ_мах≈θ_к1(λn)-θ_к1(λ1)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λ1)|; λ1 и λn - коротковолновая и длинноволновая границы фильтруемого диапазона, соответственно; λ1≤λm≤λn;

при этом после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела первой пары оптических сред пучок еще n раз (где n≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения, а после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела второй пары оптических сред пучок еще m раз (где m≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения.

Сущность способа заключается в подборе сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с отрицательной производной зависимости утла ПВО от длины волны в оптически более плотной среде и в предложении использовать для фильтрации (в отличие от прототипа) не одной пары, а двух пар оптических сред: одной пары сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с положительной (dθк/dλ>0) производной зависимости угла ПВО от длины волны в оптически более плотной среде и другой пары сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с отрицательной (dθк/dλ<0) производной зависимости угла ПВО от длины волны в оптически более плотной среде. (Следует отметить, что у всех оптических материалов абсолютные показатели преломления и показатели преломления относительно воздуха уменьшаются при увеличении длины волны [9]. Поэтому зависимости величин критических углов ПВО от длины волны для границ раздела материал - воздух будут возрастающими, т.е. все используемые в ИК-оптике материалы образуют с воздухом или вакуумом границы раздела только с положительной производной угла ПВО.)

При отражении полихроматического пучка от границ раздела сред с положительной производной зависимости угла ПВО от длины волны из пучка отсекается (удаляются) спектральные компоненты с длинами волн, большими заданной, т.е. компоненты с λ>λк₁. При отражении полихроматического пучка от границ раздела сред с отрицательной производной зависимости угла ПВО от длины волны из пучка отсекается (удаляются) спектральные компоненты с длинами волн, меньшими заданной, т.е. компоненты с λ<λк₂.

Если полихроматическое излучение последовательно отражается от границы раздела сред с положительной производной угла ПВО и от границы раздела сред с отрицательной производной угла ПВО под углами, равными, соответственно, θ_к1(λк₁) и θ_к2(λк₂) для лучей, направление распространения которых совпадает с осью пучка, то при λк₂<λк₁, изменение спектра светового потока после этих отражений будет таким, как после прохождения через полосовой фильтр с Δλ≈λк₁-λк₂. При λк₂=λк₁=λm получается фильтр с шириной пропускания, определяемой дисперсией углов θ_к1(λm) и θ_к2(λm) и числом отражений от границ разделов сред. Поэтому после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела первой пары оптических сред пучок еще n раз (где n≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения, а после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела второй пары оптических сред пучок еще m раз (где m≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения.

Таким образом, можно выделить из полихроматического пучка спектральную компоненту с длиной волны λm, распространяющуюся вдоль оптической оси фильтруемого пучка (т.е. под углом ϕ=0° к оптической оси). Для того чтобы увеличить угловую апертуру устройства и сделать его пригодным для фильтрации изображений объектов, пары сред, образующие границы разделов, выбираются таким образом, чтобы dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ|. В этом случае происходит также фильтрация лучей, распространяющихся под небольшими (не превышающими 0,5-2°) углами ϕ к оси пучка, причем из каждого луча, в зависимости от его угловой координаты (в плоскости падающих и отраженных лучей будет выделено (отфильтровано) излучение с длиной волны, соответствующее его угловой координате. Максимальные угловые координаты -ϕ_мах и +ϕ_мах соответствуют граничным длинам волн λ1 и λn фильтруемого диапазона.

Приведем основные соотношения, поясняющие сущность метода фильтрации.

Пусть световой луч с длиной волны λ, распространяющийся в среде с показателем преломления n₁, падает на границу раздела сред под углом θ₁, причем вторая среда имеет меньший показатель преломления n₂, чем первая (т.е. n₁>n₂). В случае, если величина угла падения θ₁ будет больше θ_к (θ_к - критический угол, зависящий от показателей преломления сред и длины волны), световой луч полностью отразится от границы раздела сред (явление полного внутреннего отражения) и вернется в среду с показателем преломления n₁. В случае, если величина угла падения θ₁ будет меньше θ_к, луч выйдет из первой среды и будет распространяться в среде с показателем преломления n₂ под углом θ₂ к поверхности раздела этих сред.

Согласно закону Снеллиуса [4]:

С учетом зависимостей показателей преломления от длины волны

Для примера приведем выражение для расчета θ_к(λ) - зависимости критических углов ПВО от длины волны для пары сред Ge/BaF₂

Зависимости коэффициентов отражения от границ разделов сред описываются следующими выражениями [11]:

Где: R_⊥ - коэффициент отражения от границы раздела двух сред для лучей, у которых вектор поляризации перпендикулярен плоскости падения; _{- коэффициент отражения от границы раздела двух сред для лучей, у которых вектор поляризации параллелен плоскости падения, R - коэффициент отражения для неполяризованных лучей.}

Наиболее резкая зависимость коэффициента отражения от угла падения имеет место для (р - компонента поляризации). Поэтому для увеличения разрешающей способности в устройствах, реализующих способ, целесообразно устанавливать на входе поляроид, выделяющий из исследуемого излучения р-компоненту поляризации.

В результате проведенного анализа оптических свойств сред и расчетов зависимостей критических углов от длины волны для комбинаций различных сред были предложены пары, образующие границы раздела с отрицательной производной угла ПВО в интересующей нас ИК - области спектра и предложены пары сред с положительной производной угла ПВО, причем таких, чтобы в интересующих ИК-областях спектра выполнялось соотношение:

dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ|

На фиг.1 (а, б, в) приведены зависимости θ_к(λ), рассчитанные для границ раздела пар сред (BaF₂/воздух; KCl/воздух; CaF₂/воздух) с положительной производной угла ПВО в более плотной среде.

На фиг.2 (а, б, в) приведены зависимости θ_к(λ), рассчитанные для границ раздела пар сред (Ge/BaF₂, BaF₂/CaF₂, Si/BaF₂) с отрицательной производной утла ПВО (в более плотной среде).

На фиг.3 и фиг.4 приведены зависимости производных углов ПВО от длины волны для пар KCl/воздух и Ge/BaF₂ и для пар KCl/воздух и Ge/CaF₂.

Видно, что для первых двух пар оптических сред соотношение: dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ| (выполняется при λm≈10 мкм, а для вторых двух пар - при λm≈3,8÷5 мкм.

Покажем, что на основе этих, предложенных в настоящей заявке пар оптических сред, можно сделать устройства для фильтрации ИК-изображений, реализующие описываемый способ фильтрации.

Вариант 1. Фильтр на основе пар KCl/воздух и Ge/BaF₂

Возможная оптическая схема спектрального фильтра изображения, реализующая предлагаемый способ СФИ и основные элементы прибора для регистрации фильтруемых лучей - тепловизора, содержащего объектив и матричный приемник излучения, показаны на фиг.5. Где: 1 - первое настроечное поворотное зеркало; 7 - блок прямоугольных диафрагм, ограничивающих плоский угол до величины 2ϕ_мах;, 2 - поляризатор, пропускающий компоненты входящего излучениям с плоскостью поляризации, параллельной плоскости чертежа; 8 - пластина из InAs, поглощающая излучение с λ<3...8 мкм; 3 - пластина из KCl; 4 - второе настроечное поворотное зеркало; 5 - пластины из BaF₂; 6 - пластина из Ge. 9 - объектив тепловизора, 10 - матричный приемник тепловизора; 11 - наблюдаемый объект.

Предлагаемая конструкция двухкоординатного фильтра (фильтра изображения) во время работы не требует перестройки углов падения фильтруемого излучения для фильтрации любой длины волны в заданном диапазоне и содержит две пары оптических сред, для одной из которых производная зависимости угла полного внутреннего отражения (ПВО) от длины волны положительна, а для другой пары - отрицательна.

Основными элементами устройства являются плоскопараллельная пластина 3 из KCl длиной L₁ с поперечным сечением a₁×b₁ (a₁ - расстояние между гранями, отражающими излучение) и плоскопараллельная пластина 6 из Ge длиной L₂ с поперечным сечением a₂×b₂ (а₂ - расстояние между гранями, отражающими излучение). К обеим полированным граням пластины из Ge прикреплены (например, на оптическом контакте) пластины 5 из BaF₂. Торцевые грани пластин 3 и 6 скошены так, чтобы бы их поверхности были расположены под углами, близкими к π/2 к входящим и выходящим лучам.

На выходе устройства расположен объектив 9 с изменяемым фокусным расстоянием, в фокальной плоскости которого находится матричный приемник 10 тепловизора, причем плоскость, в которой находятся фоточувствительные элементы матричного приемника, перпендикулярна плоскости чертежа (На позиции 10а эта плоскость показана повернутой на 90° так, чтобы она совпадала с плоскостью чертежа). Изображение, формируемое объективом 9 в плоскости матричного приемника, можно перемещать по поверхности приемника в направлении, перпендикулярном его строкам с помощью перемещения матричного приемника. (На позиции 10 и 10а направления перемещения показаны стрелкой). Кроме того, матричный приемник можно также прецизионно перемещать вдоль оси Z, совпадающей с оптической осью пучка, для того, чтобы помещать преемник в плоскость изображения в случае изменения фокусного расстояния объектива. Зеркало 1 может прецизионно поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, и предназначено для сканирования сцены 11.

Фильтрация длин волн с помощью этого устройства осуществляют следующим образом:

По зависимостям, приведенным на фиг.3, определяют длину волны λm≈10 мкм, для которой выполняется равенство: dθ_к1(λm=10 мкм)/dλ≈|dθ_к2(λm=10 мкм)/dλ|≈0.2 град/мкм

Рассчитывают θ_к1(λm=10 мкм) и θ_к2(λm=10 мкм) и настраивают зеркала 1, 6 и пластины 3 и 5 таким образом, чтобы обеспечить углы падения оси фильтруемого пучка на каждую из границ раздела сред соответственно равными: θ_к1(λm=10 мкм) и θ_к2(λm=10 мкм).

Выбирают коротковолновую λ1 и длинноволновую λ n границы спектрального диапазона, в котором находятся фильтруемые длины волн λ1 и λn, так чтобы выполнялось соотношение: θ_к1(λn)-θ_к1(λ1)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λ1)|.

Вычисляют: θ_к1(λn), θ_к1(λ1), θ_к2(λn), θ_к2(λ1) и 2·ϕ_мах≈θ_к1(λn)-θ_к1(λ1)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λ1)|. Где: θ_к1(λn), θ_к1(λ1), θ_к2(λn), θ_к2(λ1) - критические углы полного внутреннего отражения, соответственно, для первой и второй пар оптических сред. Устанавливают такие диафрагмы, чтобы обеспечить расчетное значение 2·ϕмах.

Далее для того, чтобы зафиксировать отфильтрованное изображение, устанавливают фокусное расстояние объектива 9 так, чтобы λ1 и λn попадали на крайние строки матрицы.

Рассмотрим работу устройства на следующем примере.

Пусть требуется выделить из исходного полихроматического пучка монохроматические лучи с длинами волн, попадающими в спектральный диапазон от λ1=5,5 мкм до λn=15,3 мкм, причем пусть направление распространения монохроматического луча с длиной волны λm=10 мкм должно совпадать с оптической осью исходного полихроматического пучка (т.е. ϕ≈0).

Для выбранного спектрального диапазона по соотношениям, приведенным выше определим:

θ_к1(λn)=44,79°; θ_к1(λ1)=42,79°; θ_к1(λm)=43,498°; θ_к2(λn)=19,2°; θ_к2(λ1)=21,2°; θ_к2(λm)=20,495° и ϕ_мах≈θ_к1(λn)-θ_к1(λ1)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λ1) |≈2°.

Все элементы фильтра (зеркало 1; пластина 3; зеркало 4; пластина 6) юстируют таким образом, чтобы пучок принимаемого полихроматического излучения, распространяющийся в пределах угла, ограниченного в плоскости чертежа блоком диафрагм 7, падал внутренние грани пластины 3 таким образом, чтобы угол между оптической осью пучка и первой границей раздела, образуемой гранью пластины 3 и воздухом, был равен критическому углу θ_к1(λm)=43,498° для излучения с длиной волны λm≅10 мкм и после прохождения пластины 3 падал на внутренние грани пластины 6 таким образом, чтобы угол между оптической осью пучка и второй границей раздела, образуемой гранью пластины 6 и пластиной 5, был равен критическому углу θ_к2(λm)=20,495° для излучения с длиной волны λm≅10 мкм.

Объектив 9 и матричный приемник 10 (показанные для того, чтобы пояснить возможность использования этого устройства для фильтрации излучений, принимаемых тепловизором) устанавливают таким образом, чтобы луч, совпадающий с осью пучка (луч ϕ_m≈0), фокусировался в центре матричного приемника. При выполнении этих условий строка, расположенная в центре матричного приемника (на позиции 10а эта строка показана более толстой пунктирной линией), будет принимать излучение от оптически сопряженных с ней точек наблюдаемого объекта на длине волны λm≅10 мкм.

На фиг.6 показаны зависимости относительной интенсивности излучений монохроматических лучей (пространственно-спектральных мод [10]) на выходе устройства от длины волны, рассчитанные для лучей, распространяющихся под различными углами ϕ к оси исходного полихроматического пучка. R1 (для ϕ=-0,708°), R2 (для ϕ=-0,508°), R3 (для ϕ=-0,208°), R4 (для ϕ=0°), R5 (для ϕ=0,292°), R6 (для ϕ=0,792°), R7 (для ϕ=1,292°). (При расчетах зависимостей, приведенных на фиг.6, предполагалось, что интенсивность излучения на входе устройства не зависит от длины волны).

Излучение, падающее на отражающие грани пластины 3 под углом 42.79° и далее на отражающие грани пластины 6 под углом 21,2° (лучи ϕ₁), будет иметь (после прохождения пластин 3 и 6) длину волны λ1≅5,5 мкм и облучать крайнюю левую строку матричного приемника (позиция 10а). (На фиг.6 показана расчетная зависимость R1 относительной интенсивности этого излучения от длины волны.) Излучение, падающее на отражающие грани пластины 3 под углом 44.79° и далее на отражающие грани пластины 6 под углом 19.2° (лучи ϕn), будет иметь (после прохождения пластин 3 и 6) длину волны λn≅15.3 мкм и облучать крайнюю правую строку матричного приемника (позиция 10а). (На фиг.6 показана расчетная зависимость R7 относительной интенсивности этого излучения от длины волны).

Таким образом, любые полихроматические лучи исходного пучка, распространяющиеся под углами ϕ₁≤ϕ≤ϕ_n к оси исходного луча в плоскости ZY, будут отфильтрованы, станут монохроматическими лучами с длинами волн, определяемыми их угловой координатой в этой плоскости - углом ϕ - углом наклона луча к оптической оси фильтруемого пучка.

При этом каждый отфильтрованный монохроматический луч будет сфокусирован в точку, находящуюся на строке матричного приемника, соответствующей этой длине волны.

Очевидно, что в результате такой оптической фильтрации на матрице формируется изображение наблюдаемого объекта, где на каждую строку поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны, соответствующей порядковому номеру (угловой координате ϕ) этой строки.

Например, на крайнюю левую строку матрицы с угловой координатой ϕ≅-0.708° попадает излучение с длиной волны λ1≅5.5 мкм, одновременно на крайнюю правую строку матрицы с угловой координатой ϕ≅-1,292° попадает излучение с длиной волны λn≅15.3 мкм. Одновременно остальные строки также облучаются монохроматическими излучениями с длинами волн, соответствующими их номеру (угловой координате ϕ). Так на строку, находящуюся в центре матрицы и соответствующую угловой координате ϕ=0 попадает излучение с длиной волны λm≅10 мкм.

При расчетах предполагалось, что каждый луч испытывает 8 отражений, проходя пластину 3, от границ раздела KCl - воздух и 4 отражения от границ раздела Ge-BaF₂, проходя пластину 6.

Приведенные зависимости позволяют сделать оценки Δλ - ширины полосы пропускания этого варианта фильтра изображений на каждой длине волны. Ширина полосы пропускания различна для разных длин волн. Так, например, ширина полосы пропускания (по уровню 0.5) зависимости R1(λ) Δλ≅1,5 мкм, для R2(λ) Δλ≅0,5 мкм, для R3(λ) и R4(λ) Δλ≅0,1 мкм, для R5(λ) Δλ≅0,2 мкм, для R6(λ) Δλ≅0,6 мкм, для R7(λ) Δλ≅1,25 мкм.

Видно, что в диапазоне между 8 и 12 мкм ширина полосы пропускания фильтра изображений имеет минимальные значения, а при движении в сторону более коротких и более длинных длин волн ширина полосы быстро увеличивается. Положительной стороной подобной зависимости Δλ от λ, является то обстоятельство, что в диапазоне 9-11 мкм находятся максимумы излучения объектов, температуры которых мало отличаются от температуры окружающей среды на поверхности Земли и в этом же диапазоне длин волн имеют максимальную обнаружительную способность фотоприемники на основе соединений ртуть-кадмий-теллур.

Определим максимальное число мод, которое можно пропустить через первую пластинку фильтра на длине волны λ.

Пусть s₁ и s₂ - площади поперечного сечения, соответственно, пластин из KCl и из Ge и s₁=a₁·b₁, s₂=a₁·b₁, где a₁, а₂, b₁, b₂, соответственно, толщина и ширина каждой пластины; пусть α и β - углы падения излучения на входные грани (пластин из KCl и из Ge) близки к нормальным; пусть плоскость YZ параллельна плоскости чертежа. Наибольшие углы в плоскостях YZ и XZ - ϕ₁a_1мax и ϕ₁b_1мax, в пределах которых может распространяться фильтруемое излучение через пластинку из KCl, определяется из следующих соотношений:

Где: А - относительное спектральное разрешение фильтра. A=λ/Δλ. При этом a₁ - толщина пластинки должна быть такой, чтобы ϕd1 - дифракционный угол расходимости излучения в плоскости YZ на апертуре пластинки, был бы меньше, чем ϕ_{1а1 мах,,} т.е.,

Тогда максимальное число мод Ml с длиной волны λ, распространяющихся через первую пластинку, могут быть рассчитано по следующему выражению:

Таким же образом определяются толщина а2, и максимальное число мод М2 с длиной волны λ для пластины из германия. Максимальное число мод фильтра изображения с длиной волны λ будет определяться пластинкой, пропускающей меньшее число мод.

Пусть требуется разработать устройство для спектральной фильтрации с А=100 на λ=10 мкм с числом мод, пропускаемых фильтром и фокусируемых объективом на соответствующую строку не менее 300. Выше было показано, что требуемое разрешение достигается при числе отражений N=8 от поверхностей раздела KCl - воздух и при числе отражений N=4 от поверхностей раздела Ge/BaF₂.

Расчеты по приведенным выше соотношениям показывают возможность построения фильтра изображений со спектральными характеристиками, показанными на фиг.6 при следующих размерах пластин:

a₁=30 мм; b₁=40 мм; а₂=30 мм; b₂=40 мм; Z₀₁=285 мм; Z₀₂=68 мм,

(где: Z₀₁ и Z₀₂ длины пластин из KCl и Ge, соответственно). При этом число мод (на λ=10 мкм), пропускаемых фильтром и фокусируемых объективом на соответствующую строку будет не менее 370. Аналогичным образом рассчитываются максимальные числа точек изображения, пропускаемых спектральным фильтром на каждой длине волны. Например, максимальное число мод (точек изображения), пропускаемых спектральным фильтром на длине волны 15.3 мкм, равно 240, что вполне достаточно для получения качественного изображения.

Для получения тепловизионного изображения наблюдаемого объекта в узкой спектральной полосе (на одной из длин волн внутри диапазона λ1-λn), т.е. для реализации режима spectral imaging (SI), необходимо провести, с помощью прецизионного перемещения (управляемого компьютером) матрицы 10, сканирование по матрице изображения объекта так, чтобы изображение объекта перемещалось в направлении, перпендикулярном строкам матрицы. При этом из излучения, исходящего от каждого фрагмента наблюдаемого объекта, отфильтровывается излучение с длиной волны, соответствующей номеру той строки, на один из чувствительных элементов которой в данный момент фокусируется это излучение. Сканирование 16 можно производить дискретными шагами или непрерывно. При шаговом сканировании за каждый шаг изображение каждой точки объекта перемещается на соседнюю строку. За время между двумя последовательными шагами производится регистрация и запись в памяти компьютера сигналов от всех элементов матрицы - запись кадра. В случае непрерывного сканировании запись кадра проводится за время перемещения изображения каждой точки изображения на соседнюю строку.

Вариант 2 Фильтр на основе пар KCl/воздух и Ge/CaF₂.

Покажем также возможность реализации предлагаемого способа фильтрации изображений с помощью устройства на основе пар KCl/воздух и Ge/CaF₂.

Фильтрация длин волн с помощью этого устройства осуществляют следующим образом:

По зависимостям, приведенным на фиг.4, определяют длину волны λm≈3,9 мкм, для которой выполняется равенство: dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ|

Для выбранного спектрального диапазона определяют:

θ_к1(λn)=43,038°; θ_к1(λ1)=42,538°; θ_к1(λm)=42,538°; θ_к2(λn)=20,01°; θ_к2(λ1)=20.51°; θ_к2(λm)=20.51° и 2·ϕ_max≈θ_к1(λn)-θ_к1(λ1)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λ1)|≈0.5°

Настраивают зеркала 1, 6 и пластины 3 и 5 таким образом, чтобы обеспечить углы падения оси фильтруемого пучка на каждую из границ раздела сред соответственно равными: θ_к1(λm=3,9 мкм)=42,538° и θ_к2(λm=3,9 мкм)=20,51°. Устанавливают такие диафрагмы, чтобы обеспечить расчетное значение 2·ϕ_мах.

Далее для того чтобы зафиксировать отфильтрованное изображение устанавливают фокусное расстояние объектива 9 так, чтобы λ1 и λn попадали на крайние строки матрицы.

На фиг.7 приведены расчетные зависимости относительной интенсивности излучений монохроматических лучей (пространственно-спектральных мод) на выходе устройства от длины волны, рассчитанные для лучей, распространяющихся под различными углами (к оси исходного полихроматического пучка. R1 (для ϕ=0°), R2 (для ϕ=0,1°), R3 (для ϕ=0,3°), R4 (для ϕ=0,5°),

Очевидно, что все остальные параметры этого устройства могут быть рассчитаны так же, как и для первого варианта.

С помощью устройства на этих средах можно осуществлять фильтрацию изображений в спектральном диапазоне 3,9-7,3 мкм.

Таким образом, предложенный метод СФИ, в принципе, может быть использован для построения на его основе устройств, предназначенных для получения изображений объектов в заданных узких спектральных диапазонах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Chang I.C. // Tunable acoustooptic filtering. An overview, Proc. SPIE, v.90, pp.12-22, 1976.

2. Волошинов В.Б., Миронов О.В. // Спектральная акустооптическая фильтрация изображений в ближнем ИК диапазоне. Письма в ЖТФ, т.14, №17, с.1541-1544, 1988.

3. Волошинов В.Б., Миронов О.В., Парыгин В.Н. //Видеофильтр на кристалле парателлурита. Вести. Моск. ун-та, сер.3, т.30, №2, с.41-45, 1989.

4. Suhre D.R., Gottlieb M., Taylor L.H., Melamed N.T. // Spatial resolution of imaging noncollinear acousto-optic filters. Opt. Eng., v.31, pp.2118-2121, 1992.

5 Glenar D.A., Hillman J.J., Saif В., Bergstralh J. // Acousto-optic imaging spectropolarimetry for remote sensing. Appl. Opt, v.33, pp.7412-7424, 1994.

6. Gupta N., Dahmani R., Bennett k., et al. // Progress in AOTF hyperspectral imagers // Proc. SPIE, v.4054, pp.30-38, 2000.

7. В.И.Пустовойт, В.Э.Пожар // ЛАЗЕР ИНФОРМ (Информационный бюллетень лазерной ассоциации). 2004. Июнь. Вып. №11-12 (290-291).

8. А.Н.Зайдель. Г.В.Островская, Ю.И.Островский. // Техника и практика спектроскопии. Из-во «Наука», Москва, 1976.

9. Е.М.Воронкова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров // Оптические материалы для инфракрасной техники. Издательство "Наука", Москва, 1965.

10. P.M.Гальярди, Ш.Карп // Оптическая связь. Издательство "Связь", Москва, 1978.

11. М.Адаме // Введение в теорию оптических волноводов, "Мир", Москва, 1984 г.

Использование: изобретение относится к области оптического приборостроения. Сущность способа заключается в подборе сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с отрицательной производной зависимости угла полного внутреннего отражения (ПВО) от длины волны в оптически более плотной среде. В способе используют две пары оптических сред, одну - образующую границу раздела с положительной производной зависимости угла ПВО от длины волны в оптически более плотной среде, и другую - образующую границу раздела с отрицательной производной. В способе предусмотрено ограничение плоского угла, в пределах которого распространяется пучок исходного излучения в плоскости, в которой находятся оптические оси падающего и отраженного от границ раздела сред пучка излучения, до расчетной величины, определяемой выбранным спектральным диапазоном. Технический результат - обеспечение возможности фильтрации изображений в средней и дальней ИК-областях спектра. 7 ил.

Способ спектральной фильтрации оптического излучения, заключающийся в том, что фильтруемый полихроматический пучок излучения вводят в первую среду, имеющую больший показатель преломления из двух сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с положительной производной зависимости угла полного внутреннего отражения (ПВО) от длины волны в первой среде, под углом θ_к1(λm), равным критическому углу ПВО для лучей с длиной волны λm, направление распространения которых совпадает с осью пучка, отличающийся тем, что после отражения от границ раздела первой и второй оптических сред пучок вводят в третью среду, имеющую больший показатель преломления из третьей и четвертой сред, находящихся в оптическом контакте и образующих границу раздела с отрицательной производной зависимости угла ПВО от длины волны в третьей среде, под углом θ_к2(λm), равным критическому углу ПВО для лучей с длиной волны λm, направление распространения которых совпадает с осью пучка, причем первую и вторую пару оптических сред подбирают таким образом, чтобы в фильтруемом диапазоне длин волн dθ_к1(λm)/dλ≈|dθ_к2(λm)/dλ|, причем плоский угол, в пределах которого распространяется пучок исходного излучения в плоскости, в которой находятся оптические оси падающего и отраженного от границ раздела сред пучка излучения, ограничивают до величины 2ϕ_мах, где

2ϕ_мах≈θ_к1(λn)-θ_к1(λl)≈|θ_к2(λn)-θ_к2(λl)|,

λl и λn - коротковолновая и длинноволновая границы фильтруемого диапазона, соответственно, λl≤λm≤λn;

при этом после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела первой пары оптических сред пучок еще n раз (где n≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения, а после первого отражения части спектральных компонентов пучка от границы раздела второй пары оптических сред пучок еще m раз (где m≥0) направляют на эти границы раздела под теми же углами падения.