ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЙ 2D (ИЗОБРАЖАЮЩИЙ) СПЕКТРОФОТОМЕТР РАССЕЯННЫХ ИЛИ ВЫНУЖДЕННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ В ШИРОКОМ (ОПРЕДЕЛЕННОМ) СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2017 года по МПК G01J3/36 G02B27/10 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к приборам для спектральной фильтрации излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне.

В основу работы таких приборов положен способ выделения и регистрации определенной спектральной составляющей излучения в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока выделяемого излучения. Изобретение может найти применение в спектральном анализе (люминесцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ слабосветящейся плазмы, диффузно рассеивающих поверхностей и т.п.) и лазерном зондировании рассеивающих и поглощающих природных сред (залежи углеводородных ископаемых, химические загрязнения земной и водной поверхности, состав тумана, растительность, состояние водоемов) в условиях дневного или ночного освещения.

Известно устройство бортового спектрометра с высоким пространственным разрешением /5/, в котором в качестве элемента, разлагающего излучение в спектр (спектроделителя), используется стеклянная призма.

На рис. 1 представлена оптическая схема гиперспектрометра, который является прототипом предлагаемого изобретения. В оптической схеме представлены следующие элементы: 1 - полоска изображения щели, 2 - входной объектив, 3 - щель, 4 - коллимирующий объектив. В гиперспектрометре в качестве разлагающего в спектр элемента (спектроделителя) используется стеклянная призма - 5.

Изображение с помощью проекционного объектива - 6 регистрируется на активно-пиксельной кремниевой матрице - 7, в плоскости XOY которой формируется пространственное изображение зондируемого объекта, для каждого пикселя которого существует развертка по длине волны. В результате проведения гиперспектральной съемки объекта дистанционного зондирования формируется так называемый «гиперкуб» (рис. 2). В плоскости XOY формируется пространственное изображение зондируемого объекта, для каждого пиксела которого существует развертка по длине волны λ (цветовая информация). Кроме трех указанных координат к ним может добавляться еще поляризационная координата. Таким образом, измеряемые гиперспектрометром данные представляют собой значения функции, заданной в многомерном пространстве. Это устройство формирует информацию о спектральном составе изображения объекта за счет получения развертки по длине волны, что требует дополнительной памяти для каждого пикселя в изображающей матрице.

Недостатком этого устройства является невозможность параллельного получения полезной информации о спектральном составе светового потока. Оно имеет ограничения при анализе многоспектральных объектов, например при анализе залежей полезных ископаемых с борта самолета.

Целью предлагаемого изобретения является создание высокотехнологичного спектроанализирующего устройства с параллельной 2D визуализацией составляющих спектра широкого диапазона, обеспечивающего структурирование широких и узких зон светового потока от любого потока в широком диапазоне одновременно.

Поставленная цель достигается за счет того, что спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогональных скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой [1, 4]. Применение в качестве отражающих элементов зеркально полых или заполненных материалом с показателем преломления, большим 1, сегментов цилиндра позволяет при вводе внутрь сегментов параллельного светового потока от исследуемой плоскости предметов обеспечивать разделение проходящего через сегмент (сегменты) излучения на отдельные световые потоки. Каждый из световых потоков имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости светового потока, и спектральная фильтрация осуществляется раздельно для каждого из этих световых потоков. Технический результат заключается в формировании заданной расходимости потока по зонам полного или полного внутреннего отражения от цилиндрических сегментов и одновременной регистрации интенсивностей разделенных потоков излучения на единые многоэлементные матрицы, чувствительные в УФ-, видимом или ИК-диапазонах.

В предлагаемом устройстве в качестве спектроделителя (Рис. 3) используются анастигматы, построенные на основе геометрии ортогонального сопряжения линейно-однородных зон внутри сегментированных элементов цилиндрического типа 8 и 9.

Для получения матрицы изображений удаленных объектов без астигматизма достаточно выполнить спектроделитель в виде сборки взаимно ортогонально совмещенных двух оптических четвертьсегментов цилиндра, как это показано на рис. 3.

В предлагаемом спектрофотометре на одном экране цифрового видеомонитора, по-пиксельно сопряженного с матричным фотоприемным устройством 11, одновременно (без организации сканирования по координате цветности) с помощью проекционного объектива 10 формируются как широкоформатные, так и узкопольные 2D изображения объекта исследований, соответственно в широком и узких спектральных диапазонах, в виде матрицы цифровых изображений. При этом с помощью блока цифрового малогабаритного (БЦМ), являющегося устройством связи, сопряжения и управления между кремниевой приемной матрицей и широкоформатным цифровым видеомонитором, обеспечивается возможность как одновременного предъявления всей матрицы изображений широких и узких зон наблюдения объектов, так и выделение краевых ячеек. Реализация предлагаемого способа возможна на основе использования в качестве источника света, например, высокостабильного непрерывного или импульсного лазерного излучателя нано- или пикосекундного диапазонов длительности, направляемого на исследуемую поверхность рассеяния, в структуре которой необходимо выделить спектры поглощения (или излучения) искомых элементов (веществ или газов), при этом отраженный или рассеянный поток принимается входной плоскостью анастигмата, построенного на сегментированных фрактальных элементах, формирующих матрицу изображений с дискретной панкратикой, где по диагонали матрицы формируются анастигматичные зонные матрицы с множеством изображений на выходе, выделяющие узкие спектральные зоны, вплоть до предельных (при коэффициентах фрактальности k>50…75), в которых могут быть достигнуты значения Δλ/λ~10^-3-10^-4.

Особым отличительным свойством данного устройства является возможность оптического совмещения размеров выходной плоскости выходного четверть-цилиндрического анастигмата с плоскостью высокоразрешающих приемных матриц, чувствительных в УФ-, видимой или ИК-областях спектра с 2D визуализацией через БЦМ и координатной привязкой спектральных зон к зонам широкоформатных телевизионных мониторов. В этом случае, в зависимости от выбранных диапазонов, четверть-цилиндрические астигматы выполняются либо из кварцевого стекла (УФ + видимый диапазоны), либо из керамики ПО-4 (видимый + ИК-диапазоны) и из германия (ИК-диапазон).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЗАЯВКЕ

Гиперспектральный 2D (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне.

1. Мельников Г.С., Ларионов С.А., Михеев П.А., Цветков Е.А. // Изв. АН, Серия физическая, М., 1995., т 59, N12, с 143…150., Gennady S. Melnikov, Sergey A. Larionov, Pyotr A. Mikheev, Eugeny A. Tsvetkov "Discrete scanning systems for digital optical processing and transfer of images by systolic methods", journal B.R.A.S PHYSICS, Vol. 59 No. 12 1995, pp 2097-2103 Allerton Press, Inc. / New York.

2. Мельников Г.С., Ларионов С.А., Михеев П.А., Цветков Е.А. "Способ создания временных задержек светового потока". Патент РФ N 2109257 G01J 9/00, G02 В 27/14 по Заявке N 95114222/25 от 07. 08. 1995. Официальный Бюллетень Российского Агентства по Патентам и Товарным Знакам "Изобретения" N 11 (II ч), 2108694-2109417, стр. 298-299, 20.04.1998 г.; Патент N 2109257 зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 20 апреля 1998 года.

3. М.А. Gan, S.A. Larionov, G.S. Melnikov. "Elements of fractal optics for synchrogenerators and digital illumination devices", in Photonic Quantum Computing, Steven P. Hotaling, Andrew R. Pirich, c, Proceedings of SPIE Vol. 3076, p. 207…219 (1997r.).

4. С. Мельников Фрактальное единство пространства и времени. Publisher: LAP LAMBERT Academic Publishing, ISBN: 978-3-659-59837-1, pp 281, 2014. (p 116… p 125).

5. A.H. Виноградов, В.В. Егоров, А.П. Калинин, А.И. Родионов, И.Д. Родионов. Бортовой гиперспектрометр видимого и ближнего ИК-диапазона с высоким пространственным разрешением. \\ Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2012. Т. 9. №3. С. 101-107.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается бортового широкодиапазонного спектрометра рассеянных или вынужденных излучений. Спектрометр включает в себя входной объектив, щель, коллимирующий объектив, спектроделитель, проекционный объектив, фотоприемную матрицу, малогабаритный цифровой блок и цифровой видеомонитор. Спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогонально скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного структурирования широких и узких зон светового потока в широком спектральном диапазоне. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бортовой широкодиапазонный спектрометр рассеянных или вынужденных излучений, содержащий входной объектив, щель, коллимирующий объектив, спектроделитель, проекционный объектив, фотоприемную матрицу, малогабаритный цифровой блок и цифровой видеомонитор, отличающийся тем, что с целью обеспечения одновременного структурирования широких и узких зон светового потока от любого источника спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогонально скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой.

2. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в видимом и УФ-диапазонах спектра в качестве источника излучения используются излучатели с перестройкой длины волны видимого и УФ-излучения, а анализирующий матричный анастигмат выполнен в виде фрактально-матричных элементов из кварцевого стекла.

3. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в видимом и ИК-диапазонах спектра в качестве источника излучения используются излучатели с перестройкой длины волны видимого и ИК-излучения, а анализирующий матричный анастигмат выполнен в виде фрактально-матричных элементов из сегментов керамики ПО-4.

4. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в ИК-диапазоне спектра при использовании излучателей с перестройкой длины волны ИК-излучения анализирующий матричный анастигмат выполнен состоящим из сегментированных фрактальных элементов из германия.