ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ФУРЬЕ-ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР Российский патент 2009 года по МПК G01J3/45 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к классу широкодиапазонных оптических систем без центрального экранирования, и может быть использовано в Фурье-спектрометрах и другой спектральной аппаратуре, работающей с несколькими приемниками излучения различных спектральных диапазонов, которая требует высокого уровня коррекции аберраций в спектральном диапазоне, ограниченном лишь свойствами дихроичных элементов и отражающих покрытий зеркал, например, от 0,2 до 3 мкм, и высокой радиационно-оптической устойчивости, например, при использовании в составе космической аппаратуры, работающей вблизи радиационных поясов в условиях воздействия космического излучения с высокой мощностью.

Известны Фурье-спектрометры [1, The Design of an airborne Fourier transform visible hyperspectral imaging system..., L.J.Otten, J.B.Rafert et al., SPIE Conference Proceeding, 2480, April, 1995; 2, Space Based Hyperspectral Imagery of the Moon and Earth Limb, L.J.Otten, B.A.Jones et al., Proc. SPIE vol.4540, pp.88-99 и т.д.]. Эти спектрометры отличаются габаритами, типом интерференционного блока (Майкельсона, Саньяка и т.д.), степенью коррекции аберраций и рабочей областью спектра.

Все рассмотренные системы выполнены из материалов, не имеющих высокой радиационно-оптической устойчивости, и не могут быть использованы в аппаратуре, работающей в условиях воздействия космического излучения вблизи радиационных поясов в условиях воздействия космического излучения с высокой мощностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является Фурье-спектрометр [3, Князев Б.А. и др., патент РФ RU 2100786 G01J 3/45], содержащий оптически связанные точечный источник входного излучения, интерференционный блок Саньяка из двух плоских зеркал и светоделителя между ними, эллиптическое внеосевое зеркало на входе светоделителя и параболическое внеосевое зеркало на выходе светоделителя и позиционно-чувствительный линейный фотоприемник. Из-за селективности фотоприемников в этой конструкции не обеспечивается возможность работы в широком спектральном диапазоне. Следовательно, не обеспечивается возможность работы в широком спектральном диапазоне одновременно в нескольких спектральных каналах, набор которых изменяется с учетом свойств анализируемых объектов, и, соответственно, отсутствует возможность модульного построения спектрального блока, а также не обеспечивается на входе в спектральный блок ход лучей, близкий к телецентрическому, необходимый для уменьшения влияния полевых аберраций. Помимо этого все оптические элементы изготавливаются из обычных марок оптических материалов, из-за чего они не обладают достаточной радиационно-оптической устойчивостью.

Целью предлагаемого изобретения является создание широкодиапазонного, простого в производстве, юстировке и регламентном обслуживании Фурье-гиперспектрометра, с ходом лучей на входе в спектральный блок, близким к телецентрическому, и возможностью одновременной работы с фиксированным по количеству набором сменных спектральных модулей, изменяемым по требованиям заказчика для адаптации под спектральные свойства анализируемых объектов в пределах достигнутого широкого спектрального диапазона.

Эта цель достигается тем, что перед спектральным блоком, выполненным в виде Фурье-спектрометра, содержащего оптически связанные источник входного излучения, интерферометрический блок Саньяка из двух плоских зеркал и светоделителя между ними, эллиптическое внеосевое зеркало на входе светоделителя и на выходе светоделителя параболическое внеосевое зеркало и позиционно-чувствительный линейный фотоприемник, установлена зеркальная оптическая система без экранирования (по заявке от 24.07.2006 г. №2006126849/28 РФ), с ходом лучей, близким к телецентрическому, в спектральном блоке первое внеосевое зеркало выполнено параболоидным, за ним установлен первый дихроичный элемент, спектральный блок содержит спектральные модули, расположенные за первым дихроичным элементом, отражающим излучение коротковолновых поддиапазонов, на входе каждого светоделителя установлен свой анаморфизирующий элемент, а после вторых внеосевых параболоидных зеркал могут быть установлены вторые дихроические элементы, при этом все оптические элементы могут быть выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.

Широкодиапазонный Фурье-гиперспектрометр имеет относительное отверстие от 1:3 до 1:5 и угловое поле более 2°. Фокусное расстояние f' входной зеркальной системы без экранирования равно 319,64 мм.

На фиг.1 в качестве примера представлена принципиальная оптическая схема спектрального блока заявляемой оптической системы с конструктивными параметрами. На фиг.2 в качестве примера представлена принципиальная оптическая схема спектрального модуля заявляемой оптической системы с конструктивными параметрами.

Рабочая область спектра широкодиапазонного Фурье-гиперспектрометра ограничена лишь рабочим диапазоном приемников излучения, свойствами покрытий зеркал и свойствами дихроичных элементов. Все оптические элементы системы выполнены из радиационно-устойчивых материалов, например, зеркала - из кварцевого стекла серии Р.

Положительный эффект предлагаемой конструкции широкодиапазонного Фурье-гиперспектрометра заключается в том, что:

- за счет того, что сменяемая часть спектрального блока выполнена в виде изменяемого набора спектральных модулей, содержащих фотоприемники требуемых спектральных поддиапазонов, Фурье-гиперспектрометр способен работать в широком спектральном диапазоне, оптическая система спектрального блока становится простой в производстве, юстировке, регламентном обслуживании и пригодной для адаптации к задачам заказчика;

- за счет использования в спектральном блоке только одного типа внеосевых асферических поверхностей (в прототипе два) упрощается и удешевляется производство и уменьшается технологическая составляющая пятна рассеяния, так как внеосевые параболоидные зеркала могут производиться из одного цельного параболоида, при этом обеспечивается высокое качество изображения вследствие того, что сферическая аберрация в точке на оси и кома у симметричной оборачивающей системы из двух параболоидов при увеличении, равном - 1^х, отсутствуют в принципе.

- за счет того что в сквозном оптическом тракте отсутствует экранирование и виньетирование повышается передача контраста в изображении;

- за счет того что на входе в спектральный блок установлена зеркальная система, обеспечивающая ход лучей, близкий к телецентрическому (в прототипе отсутствует), необходимый для уменьшения влияния полевых аберраций, повышается эффективность работы фотоэлектрических приемников излучения;

- за счет того что в спектральном блоке установлен анаморфотный элемент возможно использование высокоразрешающих приемников излучения с двумерной матрицей;

- за счет того что анаморфотный элемент установлен перед светоделителем интерферометрического блока, появляется возможность из-за уменьшения оптической силы этого элемента упростить его конструкцию, например, до одиночной цилиндрической линзы;

- за счет того, что все оптические элементы изготавливаются из радиационно-стойких марок оптических материалов, они обладают достаточной радиационно-оптической устойчивостью при работе вблизи радиационных поясов в условиях воздействия космического излучения с высокой мощностью.

Использование: для осуществления измерений в оптической спектрометрии. Сущность заключается в том, что широкодиапазонный Фурье-гиперспектрометр состоит из спектрального блока, выполненного в виде собственно Фурье-спектрометра, содержащего оптически связанные источник входного излучения, интерферометрический блок, содержащий два плоских зеркала и светоделитель между ними, первое внеосевое эллипсоидное зеркало на входе светоделителя и второе внеосевое параболоидное зеркало на выходе светоделителя, и позиционно-чувствительный фотоприемник, при этом перед спектральным блоком установлен объектив в виде зеркальной оптической системы без экранирования и с ходом лучей, близким к телецентрическому, а в этом спектральном блоке последовательно установлены общие для сквозного оптического тракта первое внеосевое зеркало, выполненное параболоидным, первый дихроичный элемент и набор спектральных модулей с фотоприемными устройствами, причем все модули установлены после первого дихроичного элемента с отражающим покрытием для более коротковолновых поддиапазонов, при этом в каждом модуле анаморфизирующие элементы установлены на входах каждого из интерферометрических блоков, а после вторых внеосевых параболоидных зеркал могут быть установлены вторые дихроические элементы, при этом все параболоидные зеркала выполнены в виде внеосевых сегментов одного зеркала, набор спектральных модулей может быть переменным, а все оптические элементы могут быть выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения. Технический результат: обеспечение возможности работы в широком спектральном диапазоне одновременно в нескольких спектральных каналах. 2 ил.

Широкодиапазонный Фурье-гиперспектрометр, состоящий из спектрального блока, выполненного в виде собственно Фурье-спектрометра, содержащего оптически связанные источник входного излучения, интерферометрический блок, содержащий два плоских зеркала и светоделитель между ними, первое внеосевое эллипсоидное зеркало на входе светоделителя и второе внеосевое параболоидное зеркало на выходе светоделителя, и позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающийся тем, что перед спектральным блоком установлен объектив в виде зеркальной оптической системы без экранирования и с ходом лучей, близким к телецентрическому, а в этом спектральном блоке последовательно установлены общие для сквозного оптического тракта первое внеосевое зеркало, выполненное параболоидным, первый дихроичный элемент и набор спектральных модулей с фотоприемными устройствами, причем все модули установлены после первого дихроичного элемента с отражающим покрытием для более коротковолновых поддиапазонов, при этом в каждом модуле анаморфизирующие элементы установлены на входах каждого из интерферометрических блоков, а после вторых внеосевых параболоидных зеркал могут быть установлены вторые дихроические элементы, при этом все параболоидные зеркала выполнены в виде внеосевых сегментов одного зеркала, набор спектральных модулей может быть переменным, а все оптические элементы могут быть выполнены из материалов с высокой радиационной устойчивостью к воздействию космического излучения.