ИЗОБРАЖАЮЩИЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2013 года по МПК G01J3/45 G01B9/02 

Предполагаемое изобретение относится к области технической физики, а именно, к интерференционным устройствам типа Фурье-спектрометров. Оно может быть использовано для регистрации и дальнейшего изучения спектров источников излучения, в том числе чрезвычайно слабых, с одновременным получением информации о пространственном распределении источников указанных спектров. Спектральная область работы - ближний ультрафиолет, видимый диапазон, а также ближняя и средняя инфракрасная области.

Известны изображающие Фурье-спектрометры динамического типа /1, 2/, содержащие двухлучевой интерферометр (обычно это интерферометр Майкельсона), в котором осуществляется сканирование по разности хода за счет перемещения во времени одного из зеркал интерферометра. На выходе такого Фурье-спектрометра в фокальной плоскости выходного коллиматора строится изображение сцены. Здесь же устанавливается многоэлементное фотоприемное устройство, обычно в виде матрицы. Каждый элемент (пиксел) матрицы соответствует одному элементу из наблюдаемого множества элементов сцены. В процессе сканирования по разности хода каждый пиксел регистрирует интерферограмму спектра излучения от этого элементарного участка сцены. Требуется произвести обратное преобразование Фурье для восстановления интерферограмм в спектры. Таким образом формируется, так называемый «куб данных», который содержит одновременно информацию о спектральном разрешении по длинам волн и о пространственном разрешении объекта по двум координатам пространства.

Существенным недостатком изображающих Фурье-спектрометров динамического типа является их повышенная чувствительность к ударам, вибрациям, изменениям температуры и другим источникам разъюстировок. Кроме того, интерференционная картина на выходе изображающего Фурье-спектрометра динамического типа имеет вид колец равного наклона, при этом зависимость разности хода интерферирующих лучей от углов лучей с осью - квадратичная, что требует применения алгоритма коррекции волновых чисел для наклонных пучков. В результате, величина максимально достижимого спектрального разрешения будет ограниченной и, согласно /3/, будет определяться угловым полем, соответствующим размеру одного пиксела многоэлементной матрицы фотоприемников.

Известны нерасстраиваемые изображающие Фурье-спектрометры статического типа, в которых изменение разности хода осуществляется не во времени, как в рассмотренных выше изображающих Фурье-спектрометрах динамического типа, а - в пространстве, см., например, /4/. Такие изображающие Фурье-спектрометры статического типа имеют в своей основе двухлучевой интерферометр, например, типа Саньяка или Майкельсона, в котором одно из зеркал смещено по нормали на величину t, в результате чего интерферирующие фронты приобретают поперечный сдвиг на величину T=t√2 и интерферируют в фокальной плоскости выходного объектива, образуя систему прямых эквидистантных полос, представляющую собой обычную интерферограмму спектра источника, локализованную в пространстве. Устанавливаемая в плоскость локализации интерферограммы матрица фотоприемников регистрирует по одной своей координате интерферограмму (преобразуемую в дальнейшем в спектр), а по второй координате - одну из координат пространства. Для получения информации о второй пространственной координате на вход изображающего Фурье-спектрометра статического типа помещается узкая щель, перемещение которой (обычно вместе с прибором) поперек сцены и дает искомую информацию о второй координате пространства.

Изображающие Фурье-спектрометры статического типа не содержат подвижных оптических элементов, поэтому они не подвержены разъюстировкам, являются жесткими, нерасстраиваемыми устройствами, пригодными для работы в самых неблагоприятных условиях и на борту носителей любого типа. Кроме того, в отличие от изображающих Фурье-спектрометров динамического типа они не требуют присутствия референтного лазерного канала, их конструкция предельно проста и дешева.

Недостатком изображающих Фурье-спектрометров статического типа является их низкая светосила вследствие наличия на входе прибора узкой щели, ширина которой определяется размерами единичного пиксела матричного фотоприемника и не превышает, как правило, нескольких микрон или десятков микрон. К недостаткам этого класса изображающих Фурье-спектрометров можно также отнести и обязательное присутствие цилиндрической оптики, роль которой состоит в построении изображения элементов входной щели на столбцах матрицы фотоприемников. Кроме того, фундаментальным ограничением класса всех известных в настоящее время статических Фурье-спектрометров является их относительно низкая разрешающая способность, величина которой не превышает количества пикселов в строке используемого матричного фотоприемника. Это существенно ограничивает их область применения, лишает их универсальности, свойственной динамическим Фурье-спектрометрам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству из известных изображающих Фурье-спектрометров является изображающий Фурье-спектрометр, работающий в режиме «windowing», то есть «окно на входе», см., например, /5/. В основе его также лежит принцип двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей. Однако прибор содержит на входе не узкую щель, а окно, равное по размерам используемой матрице фотоприемников. В результате светосила прибора возрастает на порядки - как корень квадратный из количества пикселов в строке матрицы. Отпадает необходимость в цилиндрической оптике. Но остается недостаток ограниченного спектрального разрешения. Появляется и новая проблема - осуществления сканирования по второй координате пространства предметов. Весь прибор целиком должен был бы перемещаться (поворачиваться) таким образом, чтобы сцена перемещалась поперек столбцов матрицы, причем погрешность такого перемещения не должна превышать долей от размеров пикселов матрицы. Реализация подобного способа сканирования представляется весьма и весьма проблематичной.

Целью предполагаемого изобретения является повышение спектрального разрешения изображающего Фурье-спектрометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей и упрощение конструкции системы сканирования.

Эта цель достигается тем, что в предлагаемом изображающем Фурье-спектрометре, построенном на основе двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей и содержащем по ходу луча входную апертуру, входной объектив, двухлучевой интерферометр с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, Фурье-объектив и многоэлементное матричное фотоприемное устройство, между входной апертурой и входным объективом, а также между Фурье-объективом и многоэлементным фотоприемным устройством установлены плоские поворотные зеркала, снабженные интегрированной электроприводной динамической системой, при этом оси поворота зеркал лежат в плоскости самих зеркал, проходят через оптическую ось и перпендикулярны к плоскости, в которой имеет место поперечный сдвиг интерферирующих лучей.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, см. фиг.1, где представлена оптическая схема предполагаемого изображающего Фурье-спектрометра и приведена блок-схема, поясняющая устройство и функционирование интегрированной электроприводной динамической системы.

Изображающий Фурье-спектрометр, согласно фиг.1, содержит по ходу луча входную апертуру 1 прямоугольной формы, в плоскость которой проектируется изображение участка сцены, входной объектив 2, двухлучевой интерферометр 3 с поперечным сдвигом Т интерферирующих лучей, причем интерферометр может быть выполнен на основе схемы интерферометра Майкельсона, или на основе обратно-круговой схемы интерферометра Саньяка, или по какой-то другой схеме. Пары когерентных лучей, покидающие интерферометр 3 с поперечным сдвигом Т, падают на Фурье-объектив 4, в задней фокальной плоскости которого они интерферируют.Там же находится и изображение участка сцены.

В плоскости локализации интерференционной картины устанавливается многоэлементное фотоприемное устройство 5 (матрица фотоприемников). При условии, что фокусные расстояния входного объектива 2 и Фурье-объектива 4 одинаковы, площадь входной апертуры равна площади матрицы, следствием чего является высокая светосила заявляемого устройства.

Между входной апертурой 1 и входным объективом 2, а также между Фурье-объективом 4 и матрицей фотоприемников 5 устанавливаются плоские поворотные зеркала 6 и 7, причем расстояние от входной апертуры 1 до зеркала 6 равно расстоянию от зеркала 7 до матрицы 5. Зеркала устанавливаются под одинаковым углом, например, 45° к оптической оси, в результате чего они оказываются в случае фиг.1 взаимно перпендикулярными. Зеркала поворачиваются вокруг осей O₁ и O₂, перпендикулярных плоскости фиг.1, лежащих в плоскости самих зеркал и проходящих через оптическую ось. Кроме того, оси поворота зеркал перпендикулярны к плоскости, в которой происходит поперечный сдвиг интерферирующих лучей, то есть к плоскости фиг.1. Направление поворота обоих зеркал - одинаково. Величина углов поворота и угловая скорость зеркал должны совпадать.

Рассмотрим работу устройства. Пусть оба зеркала повернуты вокруг указанных выше осей на некоторый угол а по часовой стрелке. Это означает, что для внеосевых точек в плоскости входной апертуры 1, находящихся под углом 2α к оптической оси, излучение отклоняется поворотным зеркалом 6 на оптическую ось, и далее оно проходит интерферометр строго по оптической оси, так что когерентные фронты могли бы интерферировать с нулевой разностью хода на оптической оси Фурье-объектива. Однако присутствующее между Фурье-объективом и матрицей фотоприемников поворотное зеркало 7 отклоняет излучение с нулевой разностью хода на тот же угол 2α, в результате чего нулевая интерференционная полоса смещается в плоскости матрицы фотоприемников с оптической оси в точку, являющуюся геометрическим изображением соответствующей точки в плоскости входной диафрагмы.

В процессе синхронного поворота обоих зеркал в каждый момент времени разность хода равна нулю для такого угла α с осью (или координаты x в плоскости входной апертуры или матрицы), для которого излучение проходит интерферометр по оптической оси. Ахроматическая интерференционная полоса, соответствующая нулевой разности хода, как бы «бежит» по матрице фотоприемников в процессе синхронного поворота зеркал 6 и 7.

В результате величина разности хода (А) между интерферирующими лучами описывается выражением: Δ=T(x/F+2α), где кроме уже введенных величин α и x, Т - величина поперечного сдвига, a F - фокусное расстояние Фурье-объектива. Величина разрешающей способности для статических Фурье-спектрометров до сих пор ограничивалась общим количеством пикселов N в строке матрицы /4, 5/. В заявляемом устройстве она определяется как R_o=N+(2Tα/λ), где λ - длина волны. Чем больше угол α поворота зеркал, тем больше превышение разрешающей способности заявляемого изображающего Фурье-спектрометра над разрешением обычных изображающих Фурье-спектрометров статического типа.

С целью реализации высокоточного и синхронного поворота обоих зеркал предполагается снабдить их интегрированной электроприводной динамической системой. Указанную систему предполагается разработать на основе существующего оборудования: прецизионного абсолютного датчика угловых положений (абсолютного энкодера) /6/ - поз.10 и 11 на фиг.1, серводвигателя /7/ - поз.8 и 9 на фиг.1 и сервопривода /8/ - поз.12 и 13. Стрелками на фиг.1 обозначены информационные, сигнальные и силовые связи между этими устройствами. В случае применения интегрированной электродинамической системы для сканирования по разности хода требуемая точность и синхронность угловых поворотов зеркал обеспечиваются примерно с трехкратным запасом, а времена сканирования не будут превосходить нескольких секунд в зависимости от требуемого спектрального разрешения. При этом конструкция системы сканирования существенно упрощается, отпадает необходимость в референтном канале.

Таким образом, в предлагаемом изобретении снимается фундаментальное ограничение статических Фурье-спектрометров на величину разрешающей способности, а это резко расширяет область их возможного применения. При этом светосила данного устройства - гигантская, она ограничивается только площадью используемой матрицы фотоприемников. Процесс регистрации интерферограммы занимает некоторое время, в течение которого зеркала поворачиваются вокруг своих осей с помощью инновационных устройств современного типа, каковыми являются электроприводные динамические системы типа абсолютного энкодера. Однако, с другой стороны, все существующие изображающие Фурье-спектрометры требуют какого-то времени на сканирование либо по разности хода, либо по второй координате пространства. В предполагаемом изобретении сканирование осуществляется, как и в динамических Фурье-спектрометрах, по разности хода, а не по пространству, но требуемая точность такого сканирования существенно ниже, что позволяет реализовать его достаточно простыми средствами за счет применения известных абсолютных энкодеров.

В сущности, предлагаемое устройство не является в чистом виде ни статическим, ни динамическим Фурье-спектрометром, а занимает свое особое промежуточное положение, обладая преимуществами обоих типов приборов.

Источники информации

1. Г.Г. Горбунов и др. «Гиперспектральная аппаратура для дистанционного зондирования Земли», «Оптич. журнал», том 76, номер 10, 2009, стр.76-77.

2. А.Н. Морозов, С.И.Светличный «Основы Фурье-спектрорадиометрии», М., «Наука», 2006.

3. Ссылка /2/, стр.119-122.

4. Егорова Л.В. и др. «Интерференционный спектрометр». Патент RU 2313070 C2.

5. Ссылка /1/, стр.77-78.

6. http://www.skbis.ru/index.php?p=3&c=5&d=40

7. http://www.controltechniques.ru/продукты/электродвигатели/серводвигатели/unimotor fm/unimotor fm.aspx.

8. http://www.controltechniques.ru/продукты/сервоприводы/digitax st/digitax st.aspx.

Изобретение может быть использовано для регистрации спектров источников излучения, в том числе для регистрации малых атмосферных примесей с подвижных носителей. Фурье-спектрометр построен на основе двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей и содержит расположенные по ходу луча входную апертуру, входной объектив, двухлучевой интерферометр с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, Фурье-объектив и многоэлементное матричное фотоприемное устройство. Между входной апертурой и входным объективом, а также между Фурье-объективом и многоэлементным матричным фотоприемным устройством установлены под одинаковыми углами к оптической оси плоские поворотные зеркала, снабженные интегрированной электроприводной динамической системой. Оси поворота зеркал лежат в плоскости самих зеркал, проходят через оптическую ось и перпендикулярны плоскости, в которой имеет место поперечный сдвиг интерферирующих лучей. Технический результат - повышение спектрального разрешения и упрощение системы сканирования. 1 ил.

Изображающий Фурье-спектрометр, построенный на основе двухлучевого интерферометра с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, содержащий расположенные по ходу луча входную апертуру, входной объектив, двухлучевой интерферометр с поперечным сдвигом интерферирующих лучей, Фурье-объектив и многоэлементное матричное фотоприемное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения спектрального разрешения и упрощения конструкции системы сканирования, между входной апертурой и входным объективом, а также между Фурье-объективом и многоэлементным матричным фотоприемным устройством установлены под одинаковыми углами к оптической оси плоские поворотные зеркала, снабженные интегрированной электроприводной динамической системой, при этом оси поворота зеркал лежат в плоскости самих зеркал, проходят через оптическую ось и перпендикулярны плоскости, в которой имеет место поперечный сдвиг интерферирующих лучей.