МНОГОКАНАЛЬНОЕ СПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ФУРЬЕ Российский патент 2020 года по МПК G01J3/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к многоканальному спектральному устройству получения изображений с преобразованием Фурье, предназначенному для одновременного получения изображений данного множества состояний интерференций сцены. В частности, изобретение относится к компактному устройству, предназначенному для получения изображений сцены одновременно и на разных длинах волн. Такое устройство называется спектральным устройством получения изображений.

Область техники и уровень техники

Известное спектральное устройство 10 получения изображений с преобразованием Фурье, показанное на фиг. 1, содержит двухлучевой интерферометр. Это спектральное устройство получения изображений, выпускаемое в настоящее время компанией TELOPS под названием “Hyper-Cam^TM”, содержит интерферометр Майкельсона и фотодетектор 40.

Фотодетектор 40 содержит множество фоточувствительных участков (“Pixel” в англо-саксонской терминологии), предназначенных для отображения сцены 30.

При разных положениях подвижного зеркала 30 интерферометра Майкельсона каждый фоточувствительный участок фотодетектора 40, соответствующее данной точке сцены 30, воспринимает силу света, характеризующую интерференционное состояние указанной точки. Совокупность значений силы света, воспринимаемых набором фоточувствительных участков для данного положения подвижного зеркала 30, соответствует интерференционному состоянию сцены 30, которое мы называем «интерференционной картиной».

Во время работы такое устройство собирает множество интерференционных картин для разных положений подвижного зеркала 30, поэтому для каждого фоточувствительного участка совокупность интерференционных состояний, собираемых указанным участком, соответствует интерферограмме, кодирующей трансформанту Фурье спектра (или спектральную силу света) точки сцены 30. Можно применить математическую обработку типа «преобразования Фурье» для совокупности интерференционных картин, чтобы получить совокупность изображений сцены 30 на разных длинах волн, которые мы назовем «спектральными изображениями» (совокупность спектральных изображений образует «кубическую картину»).

Однако такое устройство не является удовлетворительным.

Действительно, формирование спектрального изображения сцены в плоскости фотодетектора 40 требует получения последовательности интерференционных картин для разных положений подвижного зеркала 20. Следовательно, съемка находящихся в движении сцен с достаточным разрешением затруднена и даже невозможна.

Кроме того, такие устройства требует точного совмещения их оптических компонентов, поэтому они являются сложными в применении.

Кроме того, каждый раз при изменении температуры и давления необходимо производить повторное точное совмещение.

Наконец, с учетом своей массы и своего габарита охлаждается только детектор, что требует регулярного повторного совмещения.

На фиг. 2 показано другое известное спектральное устройство 11 получения изображений, раскрытое в документе [1], указанном в конце описания.

Согласно документу [1], спектральное устройство получения изображений содержит набор микролинз 70, расположенных напротив фоточувствительного детектора (“Image Sensor” в англо-саксонской терминологии). Спектральное устройство получения изображений содержит также набор цветных фильтров 60, расположенных между набором микролинз и фоточувствительным детектором.

Расположение, форма и размер микролинз и цветных фильтров позволяют формировать по существу монохромные изображения одной и той же сцены на разных участках фоточувствительного детектора (каждый фильтр фильтрует изображение сцены на специфической длине волны, прежде чем передать его на фоточувствительный детектор).

В отличие от спектрального устройства получения изображений, показанного на фиг. 1, здесь подвижной части нет, и съемка сцены является одновременной для всех характерных длин волн фильтров набора цветных фильтров. Мы называем это устройство многоканальным (каждый цветной фильтр соответствует одному каналу). Это устройство формирует напрямую спектральные изображения на фотодетекторе без применения вычисления обратного преобразования Фурье (кубическую картину получают непосредственно на поверхности фотодетектора).

Это устройство тоже не является удовлетворительным.

Действительно, спектральное разрешение такого устройства в основном зависит от числа фильтров 60 и от спектральной ширины каждого фильтра. Таким образом, увеличение спектрального разрешения требует увеличения числа фильтров и уменьшения спектральной ширины каждого фильтра, что приводит к соответствующему уменьшению размера указанных фильтров и, следовательно, к значительному уменьшению светового потока, проходящего через каждый фильтр 60. Соответственно, поскольку число фильтров увеличивается, чувствительность устройства снижается.

Кроме того, если число цветных фильтров 60 увеличивается, изображение становится размытым и неконтрастным.

Кроме того, устройство, показанное на фиг. 2, не позволяет наблюдать темные сцены.

В связи с этим, изобретение призвано предложить многоканальное спектральное устройство получения изображений, обеспечивающее одновременно получение нескольких монохромных изображений одной и той же сцены с повышенными спектральным разрешением и чувствительностью по сравнению с известными решениями.

Изобретение призвано также предложить спектральное устройство получения изображений, более компактное, чем известные устройства, чтобы его можно было полностью охлаждать при низкой температуре.

Раскрытие сущности изобретения

Задачи изобретения по меньшей мере частично решаются при помощи многоканального спектрального устройства получения изображений с преобразованием Фурье, при этом устройство содержит:

- фотодетектор, содержащий множество фоточувствительных участков, находящихся на одном уровне с фоточувствительной поверхностью указанного фотодетектора,

- набор двухлучевых интерферометров, каждый из которых содержит полость, ограниченную двумя сторонами, расположенными друг против друга и параллельно относительно фоточувствительной поверхности, при этом две стороны каждого интерферометра разделены промежутком h, отличающимся от одного интерферометра к другому, и интерферометры расположены в плоскости, параллельной относительно фоточувствительной поверхности,

- набор микролинз, расположенных в плоскости, параллельной относительно фоточувствительной поверхности.

Каждая микролинза набора микролинз связана с одним интерферометром набора интерферометров, образуя оптическую пару, при этом указанная оптическая пара имеет фокальную плоскость изображения, совпадающую с фоточувствительной поверхностью, при этом указанная пара находится напротив участка фоточувствительной поверхности.

Таким образом, каждая оптическая пара расположена таким образом, чтобы формировать интерференционную картину (то есть отображать интерференционное состояние для данной разности ступеньки) на участке фоточувствительной поверхности, напротив которого она находится.

Заявленное спектральное устройство получения изображений позволяет одновременно собирать множество интерференционных картин.

Кроме того, заявленное спектральное устройство получения изображений позволяет наблюдать находящиеся в движении сцены.

Кроме того, заявленное спектральное устройство получения изображений имеет улучшенную чувствительность по сравнению со спектральным устройством получения изображений, показанным на фиг. 2. Действительно, построение спектральных изображений происходит на основании совокупности интерференционных картин, то есть в отличие от известного устройства для построения спектральных изображений используется весь световой поток, достигающий фоточувствительной поверхности. Это позволяет разработать спектральное устройство получения изображений с высоким спектральным разрешением без снижения чувствительности указанного спектрального устройства получения изображений.

Наконец, в отличие от устройства, показанного на фиг. 2, заявленное спектральное устройство получения изображений является более гибким с точки зрения охватываемых длин волн. Действительно, длины волн, исследуемые устройством, показанным на фиг. 2, являются зафиксированными раз и навсегда в момент проектирования указанного устройства.

Кроме того, спектральное устройство получения изображений может содержать коллимационную линзу, имеющую промежуточную фокальную плоскость, расположенную параллельно относительно фоточувствительной поверхности. Коллимационная линза может иметь выпуклую поверхность. На выпуклую поверхность коллимационной линзы можно нанести антибликовое покрытие, при этом антибликовым покрытием предпочтительно является слой диэлектрического материала, предпочтительно, ZnS.

Согласно варианту выполнения, спектральное устройство получения изображений дополнительно содержит набор разделителей сигналов, при этом каждый разделитель сигнала связан с оптической парой и расположен таким образом, чтобы изображение, формируемое каждой оптической парой на уровне фоточувствительной поверхности, было ограничено участком фоточувствительной поверхности, напротив которого находится указанная оптическая пара.

Согласно варианту выполнения, каждый разделитель сигнала содержит боковые стенки, перпендикулярные к фоточувствительной поверхности и предпочтительно опирающиеся на указанную фоточувствительную поверхность.

Согласно варианту выполнения, каждый разделитель сигнала содержит вторые боковые стенки, при этом каждая из вторых боковых стенок изолирует оптически два смежных двухлучевых интерферометра.

Согласно варианту выполнения, спектральное устройство получения изображений содержит первую субпластинку, при этом первая субпластинка содержит первую сторону и вторую сторону, параллельную первой стороне, при этом вторая сторона расположена параллельно и напротив первой стороны второй субпластинки, при этом вторая субпластинка содержит также вторую сторону, на которой расположен набор микролинз, при этом устройство содержит также ступеньки, образованные на одной из двух сторон, выбранных среди второй стороны первой субпластинки и первой стороны второй субпластинки, при этом другая из сторон является плоским диоптром, и ступеньки, выполненные на одной из двух сторон, образуют с плоским диоптром набор двухлучевых интерферометров, при этом каждая ступенька выполнена с глубиной, отличной от глубины других ступенек, и расположена над микролинзой в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности.

Согласно варианту выполнения, вторая сторона первой субпластинки имеет коэффициент отражения, составляющий от 5% до 90%.

Согласно варианту выполнения, первая сторона второй субпластинки имеет коэффициент отражения, составляющий от 5% до 90%.

Согласно варианту выполнения, ступеньки имеют квадратную, прямоугольную или шестиугольную форму.

Согласно варианту выполнения, интерферометры набора двухлучевых интерферометров распределены в виде двухмерной матрицы, предпочтительно в виде квадратной двухмерной матрицы.

Согласно варианту выполнения, фотодетектор, набор двухлучевых интерферометров и набор микролинз расположены в термостатической камере, при этом термостатическая камера предпочтительно имеет отверстие.

Согласно варианту выполнения, микролинзы имеют, каждая, выпуклую поверхность, при этом на указанные выпуклые поверхности нанесено антибликовое покрытие, при этом антибликовое покрытие предпочтительно является слоем диэлектрического материала, предпочтительно ZnS.

Согласно варианту выполнения, интерферометры набора двухлучевых интерферометров имеют средний коэффициент отражения, составляющий от 12% до 60%, предпочтительно составляющий от 20% до 50%, предпочтительно равный 42%.

Объектом изобретения является также использование спектрального устройства получения изображений в соответствии с изобретением для обнаружения и/или количественного определения газов и/или аэрозолей.

Согласно варианту выполнения, газы являются газами с парниковым эффектом, в частности, диоксидом углерода, водой или метаном.

Объектом изобретения является также мобильное электронное устройство, содержащее спектральное устройство получения изображений в соответствии с изобретением, при этом мобильное электронное устройство предпочтительно является мобильным телефоном, планшетом или беспилотным летательным аппаратом.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения заявленного многоканального спектрального устройства получения изображений с преобразованием Фурье, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - схематичный вид известного спектрального устройства получения изображений с преобразованием Фурье, содержащего интерферометр Майкельсона, при этом устройство выполнено с возможностью получения изображений интерференционного состояния сцены для каждого положения зеркала;

фиг. 2 - схематичный вид известного спектрального устройства получения изображений, при этом устройство содержит набор микролинз, расположенных напротив фоточувствительного детектора, при этом каждая микролинза имеет на входе оптического пути цветной фильтр, и изображение, проецируемое каждой линзой на находящийся напротив нее участок фоточувствительного детектора, в основном является монохромным;

фиг. 3а-3d - схематичные виды спектрального устройства получения изображений в соответствии с конкретным применением изобретения (при этом фиг. 3b идентична с фиг. 3а, чтобы не перегружать схему обозначениями), при этом на фиг. 3с показано расположение первой и второй субпластинок, а на фиг. 3d показан детальный вид двухлучевого интерферометра;

фиг. 3е - схематичный вид разделителя сигнала;

фиг. 4 - схематичный вид фотодетектора, представленного в виде матрицы фоточувствительных участков, расположенных в М столбцах и в N строках;

фиг. 5 - схематичный вид прохождения светового излучения через двухлучевой интерферометр.

Осуществление изобретения

Подробно описанное ниже изобретение использует набор 140 двухлучевых интерферометров, расположенный в оптическом устройстве, содержащем набор микролинз. Каждая микролинза связана с интерферометром, образуя с ним оптическую пару 160. Оптическая пара 160 выполнена с возможностью проецировать, для данной разности ступеньки, интерференционное состояние сцены на участок фоточувствительного детектора. Такое устройство позволяет получать одновременно множество интерференционных картин без применения подвижных деталей.

Оптическое устройство может также содержать коллимационную линзу 110, предназначенную для передачи в бесконечность изображения объекта, находящегося в ее передней фокальной плоскости (в дальнейшем называемой промежуточной фокальной плоскостью).

На фиг. 3а-3d представлен пример выполнения двухлучевого интерферометрического устройства 100 в соответствии с изобретением.

Многоканальное спектральное устройство 100 получения изображений с преобразованием Фурье содержит фотодетектор 120 (фиг. 4), содержащий множество фоточувствительных участков (“Pixel” в англо-саксонской терминологии), находящихся на одном уровне с фоточувствительной поверхностью 121 указанного фотодетектора 120. В дальнейшем направление, перпендикулярное к фоточувствительной поверхности 121, будет называться направлением Y.

Под фоточувствительным участком следует понимать участок, выполненный с возможностью воспринимать некоторое число фотонов, попадающих на его поверхность, и преобразовывать указанное число фотонов в электрический сигнал, например, в напряжение и/или ток. Фоточувствительные участки могут быть расположены в виде матрицы, содержащей М столбцов и N строк (то есть содержащей М х N фоточувствительных участков). Кроме того, размер фоточувствительных участков обозначен t_pix.

Фотодетектор 120 может содержать датчик изображений CMOS, датчик изображений CCD (“Charge Coupled Device” в англо-саксонской терминологии).

Предпочтительно фоточувствительные участки фотодетектора 120 могут быть расположены упорядоченно (периодически) на плоской поверхности.

Двухлучевое интерферометрическое устройство 100 может также содержать коллимационную линзу 100 (фиг. 3с). Ось коллимационной линзы 110 проходит параллельно направлению Y (то есть коллимационная линза 110 расположена параллельно относительно фоточувствительной поверхности 121). В дальнейшем тексте описания термины «коллимационная линза» и «диоптр» будут использованы равнозначно (согласно изобретению, их можно свести также к средствам оптической коллимации). Ось линзы является осью, соединяющей задний и передний фокусы коллимационной линзы 110. Коллимационная линза 110 содержит промежуточную фокальную плоскость 130. Промежуточную фокальную плоскость 130 определяют как плоскость, перпендикулярную к оси коллимационной линзы 110 и проходящую через передний фокус указанной коллимационной линзы 110. Коллимационная линза 110 является линзой, имеющей диаметр Ф2 и фокусное расстояние f2.

Заявленное устройство 100 содержит набор 140 двухлучевых интерферометров. Каждый двухлучевой интерферометр 141 содержит полость 141а, ограниченную двумя сторонами 141b, 141с, расположенными друг против друга, параллельными между собой и разделенными промежутком h в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности 121. Интерферометры расположены в плоскости, параллельной относительно фоточувствительной поверхности 121.

Полость 141а может быть воздушной полостью или может быть заполнена твердым материалом, например, германием.

Под набором интерферометров следует понимать двухмерную матрицу интерферометров 141, расположенных рядом друг с другом в плоскости и отличающихся друг от друга. Выражение «отличающиеся друг от друга» значит, что промежуток h отличается от одного двухлучевого интерферометра 141 к другому. Следовательно, набор 140 двухлучевых интерферометров характеризуется совокупностью разных промежутков h, каждый из которых задает определенную разность ступеньки (фиг. 3е).

В альтернативном варианте определенная разность ступеньки между каждым интерферометром может быть также задана определенным показателем преломления в полости, образованной каждым интерферометром. Иначе говоря, полости каждого из интерферометров могут быть заполнены материалом с разным показателем преломления таким образом, чтобы каждый интерферометр соответствовал разности ступеньки, отличной от других интерферометров.

Под двухлучевым интерферометром 141 в рамках настоящего изобретения следует понимать воздушную полость 141а, ограниченную двумя параллельными сторонами 141b, 141с (которые параллельны также относительно фоточувствительной поверхности 121). Две параллельные стороны 141b, 141с имеют средний коэффициент отражения R, меньший 60%, предпочтительно меньший 50% и еще предпочтительнее - меньший 45%. Средний коэффициент отражения определяют при помощи отношения , где R₁ и R2 являются соответствующими коэффициентами внутреннего отражения двух сторон 141b, 141с, ограничивающих воздушную полость 141 двухлучевого интерферометра 141 в соответствии с изобретением.

Заявленный двухлучевой интерферометр 141 может быть также характеризован своей точностью настройки F, которую определяют при помощи следующего отношения:

При точности настройки F=10 средний коэффициент отражения R равен 72%.

Высокий средний коэффициент отражения, например, превышающий 70%, является характерным для интерференционного фильтра (то есть для многолучевого интерферометра). Такое устройство является очень сложным в изготовлении, в применении и не может быть произведено в промышленных масштабах. Кроме того, такое устройство является очень чувствительным к окружающей его внешней среде (пыль, влага,…).

Согласно настоящему изобретению, двухлучевой интерферометр является интерферометром, точность настройки F которого составляет от 2 до 10, предпочтительно от 2 до 5, например, равна 4.

На фиг. 5 представлен принцип работы двухлучевого интерферометра 141 в соответствии с изобретением. В примере, представленном на фиг. 5, интерферометр 141 освещается излучением F. Первый пучок FA проходит без отражения, а второй пучок FB проходит после отражения от каждой из сторон 141b, 141с со смещением Δφ, задаваемым промежутком h между двумя сторонами 141b, 141с двухлучевого интерферометра 141. Оба пучка накладываются друг на друга, образуя объем интерференций. Если в объеме интерференций расположить плоскость обнаружения, можно наблюдать интерференционную картину. Для более подробной информации о двухлучевых интерферометрах 141 специалист в данной области может обратиться к документу [2], указанному в конце подробного описания.

Заявленное устройство содержит также набор 150 микролинз. Микролинзы 151 расположены в плоскости, параллельной относительно фоточувствительной поверхности 121.

Под набором 150 микролинз следует понимать двухмерную матрицу микролинз 151, расположенных рядом друг с другом в плоскости. Каждая микролинза 151 имеет числовую апертуру или апертурное число, обозначаемое N_ouv.

Каждая микролинза 151 набора 150 микролинз связана с одним интерферометром 141 набора 140 интерферометров, образуя с ним оптическую пару 160.

«Связана» значит, что каждая микролинза 151 совмещена с одним интерферометром 141 в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности 121. Иначе говоря, в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности 121, каждая микролинза 151 совмещена и находится напротив одного интерферометра 141 из набора 140 интерферометров. Понятно, что каждая оптическая пара 160 соответствует наложению друг на друга одной микролинзы 151 и одного двухлучевого интерферометра 141 в направлении Y. Из подробного описания частных вариантов выполнения изобретения специалисту в данной области понятно, что набор 150 микролинз и набор 140 двухлучевых интерферометров образуют набор оптических пар 160.

Таким образом, каждая оптическая пара 160 содержит заднюю фокальную плоскость, совмещенную с фоточувствительной поверхностью 121. Если рассматривать коллимационную линзу 110, то каждая оптическая пара 160 расположена относительно коллимационной линзы 110 и фоточувствительной поверхности 121 таким образом, чтобы сцена, находящаяся в промежуточной фокальной плоскости 130, проецировалась каждой оптической парой на участок 122 фоточувствительной поверхности 121. Понятно также, что каждая оптическая пара 160 соответствует участку 122 фоточувствительной поверхности 121, и все участки 122 фоточувствительной поверхности 121 образуют набор участков фоточувствительной поверхности 121. Участок 122 поверхности будет также называться «каналом».

Число участков 122 поверхности называют также «числом каналов» и обозначают N_voies. Каждый канал может содержать фоточувствительные участки фотодетектора 120, расположенные в μ столбцах и в ν строках (то есть существует μ × ν фоточувствительных участков на каждый канал).

Согласно изобретению, каждый из каналов одновременно показывает интерференционное состояние (при данной разности ступеньки, задаваемой промежутком h связанного с ним двухлучевого интерферометра). Иначе говоря, все изображения получают на уровне разных каналов. Набор оптических пар 160 позволяет одновременно получать столько интерференционных картин, сколько существует оптических пар 160. Таким образом, согласно изобретению, обработка полученных таким образом данных посредством обратного преобразования Фурье позволяет воспроизвести кубические монохромные изображения (или спектральные изображения).

Таким образом, получение спектральных изображений является моментальным (все данные, необходимые для воспроизведения спектральных изображений, получают одновременно).

Кроме того, заявленное устройство не содержит никакой подвижной детали.

Предпочтительно каждый участок 122 фоточувствительной поверхности 121 содержит одинаковое число фоточувствительных участков. Это облегчает обработку данных, собираемых во время наблюдения сцены. Предпочтительно все участки 122 фоточувствительной поверхности 121 имеют одинаковую форму и одинаковые размеры.

Промежутки h совокупности промежутков набора 140 двухлучевых интерферометров могут быть равномерно распределены между минимальным промежутком h_min и максимальным промежутком h_max. Следует отметить, что, чем больше максимальный промежуток h_max, тем лучше спектральное разрешение.

Далее со ссылками на фиг. 3а-3d следует описание применения изобретения.

В этом примере устройство оснащено коллимационной линзой 110. Разумеется, эта линза может быть исключена.

Согласно этому применению, коллимационная линза 110 содержит промежуточную фокальную плоскость 130. Кроме того, коллимационная линза 110 расположена таким образом, чтобы излучение, проходящее через промежуточную фокальную плоскость 130, направлялось в бесконечность в направлении фоточувствительной поверхности 121. Согласно этому первому варианту применения, коллимационная линза 110 содержит выпуклый диоптр (в этом тексте понятия выпуклой линзы и выпуклого диоптра совпадают), образованный первой стороной 171 первой субпластинки 170.

Если коллимационная линза 110 исключена, первая сторона 171 первой субпластинки 170 может быть плоским диоптром.

Первая субпластинка 170 содержит также вторую сторону 172. Двухлучевое интерферометрическое устройство содержит также вторую субпластинку 180. Вторая субпластинка 180 содержит параллельные между собой первую сторону 181 и вторую сторону 182.

Первая субпластинка 170 и вторая субпластинка 180 могут быть параллельными относительно фоточувствительной поверхности 121.

Вторая сторона 172 первой субпластинки 170 находится напротив первой стороны 181 второй субпластинки 180.

Под субпластинкой следует понимать тонкую пластинку с соединенными контуром параллельными сторонами.

Вторая субпластинка 180 содержит также вторую сторону 182, на которой расположен набор 150 микролинз. На одной из двух сторон, выбранной среди второй стороны 172 первой субпластинки 170 и первой стороны 181 второй субпластинки 180, выполнены ступеньки 142, при этом другая из двух сторон является плоским диоптром, поэтому ступеньки 142, выполненные на одной из двух сторон, образуют вместе с плоским диоптром набор 140 двухлучевых интерферометров. Каждая ступенька 142 выполнена на глубине, отличной от глубины других ступенек 142, и находится над микролинзой 151 в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности 121. В примере, представленном на фиг. 3а-3d, ступеньки 142 выполнены на второй стороне 172 первой субпластинки 170, хотя можно предусмотреть выполнение ступенек 142 на первой стороне 181 второй субпластинки 180.

Технология выполнения ступенек 142 входит в объем общих знаний специалиста в данной области, поэтому ее подробное описание в рамках настоящего изобретения опускается.

Обозначим d_e перепад между двумя соседними ступеньками 142. Иначе говоря, d_e является разностью между промежутками h двух соседних ступенек 142. Предпочтительно d_e может быть постоянным на всей площади поверхности, на которой выполнены ступеньки 142.

Предпочтительно коэффициент отражения второй стороны 172 первой субпластинки 170 может составлять от 5% до 90%.

Предпочтительно коэффициент отражения первой стороны 181 второй субпластинки 180 может составлять от 5% до 90%.

Предпочтительно вторая сторона 172 и первая сторона 181 имеют одинаковые коэффициенты отражения. Таким образом, спектральное устройство получения изображений имеет лучшую контрастность.

Ступеньки 142 могут иметь квадратную или прямоугольную или шестиугольную форму.

Предпочтительно набор 140 двухлучевых интерферометров может представлять собой квадратную двухмерную матрицу или прямоугольную двухмерную матрицу.

Предпочтительно спектральное устройство 100 получения изображений дополнительно содержит набор 220 разделителей сигналов, при этом каждый разделитель 221 сигнала связан с оптической парой 160 и расположен таким образом, чтобы изображение, формируемое каждой оптической парой 160 на уровне фоточувствительной поверхности 121, было ограничено участком 122 фоточувствительной поверхности 121, напротив которого находится указанная оптическая пара 160.

Таким образом, изображение, формируемое оптической парой, не заходит на участок 122, связанный с другой оптической парой.

Каждый разделитель 221 сигнала может содержать первые боковые стенки, перпендикулярные к фоточувствительной поверхности и предпочтительно опирающиеся на указанную фоточувствительную поверхность. Иначе говоря, разделители сигналов образуют решетку на фоточувствительной поверхности 121 и физически отделяют каждый канал таким образом, чтобы каждый из указанных каналов воспринимал только оптический сигнал, исходящий из оптической пары, с которой он связан.

Каждый разделитель 221 сигнала может также содержать вторые боковые стенки, при этом каждая из вторых боковых стенок оптически изолирует два смежных двухлучевых интерферометра.

Выражение «оптически изолирует» значит, что стенки являются непрозрачными в области рабочих длин волн спектрального устройства получения изображений.

Предпочтительно фотодетектор 120, коллимационная линза 110 (при ее наличии), набор 140 двухлучевых интерферометров и набор 150 микролинз могут быть расположены в термостатической камере 190. Действительно, компактность устройство позволяет предусмотреть охлаждение всего комплекта устройства.

Предпочтительно термостатическая камера 190 может содержать отверстие 200 на уровне холодного экрана указанной камеры 190. Иначе говоря, холодный экран и его отверстие 200 образуют диафрагму, позволяющую ограничивать поле, например, отверстие 200 имеет диаметр Ф_DF. В частности, отверстие 200 совмещено с промежуточной фокальной плоскостью 130. Термостатическая камера 190 является, например, криостатом, в частности, криостатом типа ScorpioTM или DaphisTM, выпускаемым в продажу компанией SOFRADIR.

Следует отметить, что термостатическая камера 190 не ограничивается только этим первым применением и может быть распространена на все версии настоящего изобретения.

Устройство может дополнительно содержать фокусирующий объектив 210, предназначенный для фокусирования падающего излучения на уровне промежуточной фокальной плоскости 130. Фокусирующий объектив 210 имеет фокусное расстояние f1 и диаметр Ф1. Фокусирующий объектив может быть линзой или оптическим объективом.

Коллимационная линза 110 имеет первую поверхность напротив промежуточной фокальной плоскости 130, и каждая из микролинз 151 имеет выпуклую поверхность. Указанные первая поверхность и выпуклые поверхности могут быть обработаны посредством нанесения на них антибликового покрытия, при этом антибликовое покрытие предпочтительно является слоем диэлектрического материала, предпочтительно ZnS.

Предпочтительно интерферометры 141 набора 140 двухлучевых интерферометров могут иметь средний коэффициент отражения R, составляющий от 12% до 60%, предпочтительно составляющий от 20% до 50%, например, равный 42%.

Во время работы считывание интерференционных картин осуществляют на каждом из каналов фотодетектора. При этом можно вносить поправки, такие как линейность, коэффициент усиления или «смещение».

В интерференционные картины можно также вносить следующие виды коррекции:

1) удаление плохих пикселей,

2) удаление пикселей на уровне границ различных каналов,

3) сдвиг,

4) оправа объектива (коррекция геометрических аберраций),

5) виньетирование (регулирование яркости),

6) фотометрические коррекции.

Кроме того, для каждого эквивалентного пикселя в интерференционных картинах можно затем реконструировать интерферограммы, иначе говоря для каждого эквивалентного пикселя можно заполнить таблицу значениями потока в зависимости от разности ступеньки, задаваемой разными двухлучевыми интерферометрами.

Наконец, каждую интерферограмму можно поменять на обратную посредством обратного преобразования Фурье, чтобы получить набор данных, однородных по числу волн и по длине волны, иначе говоря, чтобы воспроизвести кубическую картину изображений.

В этом первом варианте применения первая и вторая субпластинки 170, 180 могут содержать германий. Германий представляет особый интерес для применения в области инфракрасного спектра. Термомеханические свойства совместимы также с охлаждением устройства, когда его помещают в термостатическую камеру 190.

Кроме того, размеры ступенек 142, совокупность промежутков h, геометрические характеристики выпуклого диоптра и микролинз 151 можно определять при помощи методов вычисления, известных специалисту в данной области (например, характеристики диоптра и микролинз 151 можно вычислить при помощи программного приложения ZEMAX).

Параметры первой и второй субпластинок 179, 180 могут зависеть от характеристик фотодетектора 120 и от конечных характеристик устройства. В связи с этим в рамках первого применения можно представить методологию для определения параметров выпуклого диоптра, ступенек 142 и микролинз 151. Однако этот подход не ограничивается этим первым вариантом применения и может быть распространен на все варианты выполнения, описанные в настоящей заявке.

Фотодетектор 120 может иметь характеристики, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Параметр Значение (пример) Описание λ_min 1,5 мкм Минимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором λ_max 5,5 мкм Максимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором M 640 Число столбцов фотодетектора N 512 Число строк фотодетектора μ 20 Число столбцов на один канал V 20 Число строк на один канал n 1 Показатель преломления среды в полости двухлучевых интерферометров t_pix 15 мкм Размер фоточувствительных участков фотодетектора FOV 5° Общее поле спектрального устройства получения изображения (Field of View) f2 Фокусная длина, задаваемая выпуклым диоптром первой субпластинки Nouv 3 Апертурное число каждой микролинзы

Характеристики фотодетектора позволяют вычислить характеристики заявленного устройства, представленные в таблице 2.

Таблица 2

Параметр Описание Уравнения N_voies Число каналов спектрального устройства получения изображений K Коэффициент субдискретизации интерферограммы
где Е является функцией «целая часть» d_e Перепад ступеньки между двумя соседними каналами dσ Спектральное разрешение (выраженное в cм^-1) e_max Перепад между первой ступенькой и последней ступенькой

На фиг. 5 показан путь лучей для одного оптического канала. Излучение, падающее на коллимационную линзу 110 (с углом падения θ относительно оптической оси коллимационной линзы 110), преломляется, попадая на первую сторону 171 первой субпластинки 170. Излучение выходит из первой субпластинки 170 на уровне ее второй стороны 172 (в воздушную полость 141а двухлучевого интерферометра 141) под тем же углом θ. Часть этого излучения (обозначенная FA на фиг. 5) передается, то есть фокусируется микролинзой 151 на фотодетектор 120. Другая часть этого излучения отражается от каждой из сторон 141b, 141с двухлучевого интерферометра 141, после чего, в свою очередь, передается и фокусируется микролинзой 151 (на фиг. 5 это излучение обозначено FB). Излучения FA и FB интерферируют в фоточувствительной поверхности 121 (действительно, эти два излучения FA и FB фокусируются в одной точке фоточувствительной поверхности 121). Разность ступеньки, задаваемая двухлучевым интерферометром 141, между излучениями FA и FB равна:

где n является показателем преломления воздушной полости 141а (n=1). Таким образом, начиная от определенного угла падения θ, на фоточувствительной поверхности 121 образуются интерференционные кольца. Иначе говоря, данному каналу, например, каналу n°k, в основном соответствует разность ступеньки δ_k, но эта разность ступеньки меняется в зависимости от угла падения θ в соответствии с правилом квадратического отклонения в θ. Таким образом, начиная от определенного угла падения θ, интерференционные кольца становятся слишком стиснутыми, чтобы фоточувствительные участки могли осуществить их правильную дискретизацию. При этом в качестве максимальной допустимой разности ступеньки внутри фоточувствительного участка можно задать значение λ_min/4. Дифференцируя отношение, регулирующее разность ступеньки, получаем: , где .

Таким образом, максимальный угол падения θ_max можно получить для каждого канала и связать с различными параметрами устройства при помощи отношения:

где Ф_μL является диаметром микролинзы 151, и f_μL является фокусным расстоянием микролинзы 151.

Таким образом, чем больше e_max, тем лучше спектральное разрешение и тем меньше будет допустимое угловое поле на канал.

На практике для конфигурации с низким спектральным разрешением максимальный допустимый угол падения ограничен углом апертуры микролинз 151. Как только это значение будет превышено, поле, воспроизводимое микролинзой 151 на фоточувствительной поверхности 121, может превосходить поле соседних микролинз 151 .

Как было указано выше, каждый канал соответствует одной микролинзе 151, и зона детектора, выделенная для каждого канала, соответствует диаметру микролинзы 151 (иначе говоря, Ф_μL = t_pix µ).

Приведенные выше рассуждения дают представление о выполнении заявленного устройства в соответствии с первым вариантом применения.

Таким образом, при помощи отношений, представленных в таблице 3, остается определить параметры фокусирующего объектива 210 с фокусной длиной f1 и с диаметром Ф1, ограничителя поля с диаметром ФDF и первой субпластинки с фокусной длиной f2 (входная данная) и с диаметром Ф2.

Таблица 1

Параметр Уравнения Ф_DF Ф₂ f₁ Ф₁

Первый пример многоканального спектрального устройства 100 получения изображений с преобразованием Фурье представлен в таблицах 4 и 5. В этом примере устройство работает на длинах оптических волн, составляющих от 1,5 до 5,5 мкм, со спектральным разрешением 1 см^-1.

Таблица 4

Параметр Значение (пример) Описание λ_min 1,5 мкм Минимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором λ_max 5,5 мкм Максимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором M 640 Число столбцов фотодетектора N 512 Число строк фотодетектора μ 7 Число столбцов на один канал v 7 Число строк на один канал n 1 Показатель преломления среды в полости двухлучевых интерферометров t_pix 15 мкм Размер фоточувствительных участков фотодетектора FOV 1° Общее поле спектрального устройства получения изображения (Field of View) f2 Фокусная длина, задаваемая выпуклым диоптром первой субпластинки Nouv 30 Апертурное число каждой микролинзы

Таблица 2

Параметр Значение (пример) Nvoies 6643 K 0 d_e 0,375 d_σ 1 cм^-1 Число полезных полос 4831 e_max 2490,75 мкм θ_max 0,011 рад Ф_µL 105 мкм f_µL 3150 мкм Пятно рассеивания 105 мкм Число разрешаемых точек 1 Глубина поля 3150 мкм Ф_DF Ф₂ f₁ Ф₁

Второй пример многоканального спектрального устройства 100 получения изображений с преобразованием Фурье представлен в таблицах 6 и 7.

В этом примере устройство работает на длинах оптических волн, составляющих от 1,5 до 5,5 мкм.

Таблица 6

Параметр Значение (пример) Описание λ_min 1,5 мкм Минимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором λ_max 5,5 мкм Максимальная длина волны, обнаруживаемая фотодетектором M 1024 Число столбцов фотодетектора N 768 Число строк фотодетектора μ 100 Число столбцов на один канал v 100 Число строк на один канал n 1 Показатель преломления среды в полости двухлучевых интерферометров t_pix 10 мкм Размер фоточувствительных участков фотодетектора FOV 30° Общее поле спектрального устройства получения изображения (Field of View) f2 Фокусная длина, задаваемая выпуклым диоптром первой субпластинки Nouv 4 Апертурное число каждой микролинзы

Таблица 7

Параметр Значение (пример) Nvoies 70 K 0 d_e 0,375 d_σ 96,62 cм^-1 Число полезных полос 50 e_max 25,875 мкм θ_max 0,125 рад Ф_µL 1000 мкм f_µL 4000 мкм Пятно рассеивания 14 мкм Число разрешаемых точек 5102 Глубина поля 56 мкм Ф_DF Ф₂ f₁ Ф₁

Настоящее изобретение было описано для частного варианта выполнения набора двухлучевых интерферометров 140 и набора 150 микролинз. Вместе с тем, изобретение не ограничивается этим вариантом выполнения. Действительно, в рамках настоящего изобретения можно легко предусмотреть спектральное устройство получения изображений, в котором порядок между набором микролинз и набором двухлучевых интерферометров можно поменять на обратный по сравнению с предыдущим описанием (то есть набор 140 интерферометров может быть расположен между фоточувствительной поверхностью и набором микролинз).

Предпочтительно заявленное спектральное устройство получения изображений можно применять для обнаружения и/или количественного определения газов и/или аэрозолей, в частности, диоксида углерода, воды или метана. Принцип измерения основан на методе, описанном автором Фортунато [3].

Предпочтительно спектральное устройство 100 получения изображений можно применять в мобильном устройстве, например, в мобильном телефоне или в планшете, или в беспилотном аппарате.

Ссылки

[1] Rui Shogenji et al., “Multispectral imaging using compact compound optics”, Optics Express, 12, 8, 1643-1655, (2004).

[2] Principles of Optics, Max Born & Emil Wolf, Pergamon Press, Sixth Edition, 1980, section VII (“Elements of the theory of interferences and interferometers”).

[3] G. Fortunato, “Application de la corrélation interférentielle de spectres à la détection de polluants atmosphériques,” (Application of the interference correlation of spectra to detection of atmospheric pollutants”) J. Opt. 9, 281 (1978).

Группа изобретений относится к многоканальному спектральному устройству получения изображений с преобразованием Фурье. Многоканальное спектральное устройство получения изображений с преобразованием Фурье содержит фотодетектор, содержащий множество фоточувствительных участков, находящихся на одном уровне с фоточувствительной поверхностью, коллимационную линзу, имеющую промежуточную фокальную плоскость, набор двухлучевых интерферометров, каждый из которых содержит полость, ограниченную двумя сторонами, набор микролинз, расположенных в плоскости, параллельной фоточувствительной поверхности, при этом каждая микролинза связана с одним интерферометром, образуя оптическую пару, имеющую фокальную плоскость, совпадающую с фоточувствительной поверхностью, и находящуюся напротив секции фоточувствительной поверхности. Технический результат – повышение спектрального разрешения монохромных изображений. 3 н. 12 з.п. ф-лы, 5 ил., 7 табл.

1. Многоканальное спектральное устройство (100) получения изображений с преобразованием Фурье, содержащее:

фотодетектор (120), содержащий множество фоточувствительных участков, находящихся на одном уровне с фоточувствительной поверхностью (121) указанного фотодетектора (120),

набор (140) двухлучевых интерферометров, каждый из которых содержит полость (141а), ограниченную двумя сторонами (141b, 141c), расположенными друг против друга и параллельными фоточувствительной поверхности (121), при этом две стороны (141b, 141c) каждого интерферометра (141) разделены промежутком h, отличающимся от одного интерферометра (141) к другому, при этом интерферометры (141) набора (140) интерферометров расположены в плоскости, параллельной фоточувствительной поверхности (121),

набор (150) микролинз, расположенных в плоскости, параллельной фоточувствительной поверхности (121),

при этом каждая микролинза (151) из набора (150) микролинз связана с одним интерферометром (141) из набора (140) двухлучевых интерферометров, образуя оптическую пару (160), при этом указанная оптическая пара (160) имеет фокальную плоскость, совпадающую с фоточувствительной поверхностью (121), при этом указанная пара находится напротив секции (122) фоточувствительной поверхности (121).

2. Спектральное устройство получения изображений по п. 1, дополнительно содержащее набор (220) разделителей сигналов, при этом каждый разделитель (221) сигнала связан с оптической парой (160) и расположен таким образом, чтобы изображение, формируемое каждой оптической парой (160) на фоточувствительной поверхности (121), было ограничено секцией (122) фоточувствительной поверхности (121), напротив которого находится указанная оптическая пара (160).

3. Спектральное устройство получения изображений по п. 2, в котором каждый разделитель (221) сигнала содержит боковые стенки, перпендикулярные к фоточувствительной поверхности и предпочтительно опирающиеся на указанную фоточувствительную поверхность.

4. Спектральное устройство получения изображений по п. 2 или 3, в котором каждый разделитель (221) сигнала содержит вторые боковые стенки, при этом каждая из вторых боковых стенок изолирует оптически два смежных двухлучевых интерферометра.

5. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 1-4, содержащее первую субпластинку (170), при этом первая субпластинка (170) содержит первую сторону (171) и вторую сторону (172), параллельную первой стороне (171), при этом вторая сторона (172) расположена параллельно и напротив первой стороны (181) второй субпластинки (180), при этом вторая субпластинка (180) содержит также вторую сторону (182), на которой расположен набор (150) микролинз, при этом устройство содержит также ступеньки (142), образованные на одной из двух сторон, выбранных из второй стороны (172) первой субпластинки (170) и первой стороны (181) второй субпластинки (180), при этом другая из указанных сторон является плоским диоптром, так что ступеньки (142), выполненные на одной из указанных двух сторон, образуют с плоским диоптром указанный набор (140) двухлучевых интерферометров, при этом каждая ступенька (142) выполнена с глубиной, отличной от глубины других ступенек (142), и расположена над микролинзой в направлении, перпендикулярном к фоточувствительной поверхности (121).

6. Спектральное устройство получения изображений по п. 5, в котором вторая сторона (172) первой субпластинки (170) имеет коэффициент отражения, составляющий от 5% до 90%.

7. Спектральное устройство получения изображений по п. 5 или 6, в котором первая сторона (181) второй субпластинки (180) имеет коэффициент отражения, составляющий от 5% до 90%.

8. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 4-6, в котором ступеньки (142) имеют квадратную, прямоугольную или шестиугольную форму.

9. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 1-8, в котором интерферометры (141) из набора (140) двухлучевых интерферометров распределены в виде двумерной матрицы, предпочтительно в виде квадратной двумерной матрицы.

10. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 1-9, в котором фотодетектор (120), набор (140) двухлучевых интерферометров и набор (150) микролинз расположены в термостатической камере (190), при этом термостатическая камера (190) имеет отверстие (200).

11. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 1-10, в котором каждая из микролинз (151) имеет изогнутую поверхность, при этом на указанные изогнутые поверхности нанесено антибликовое покрытие, при этом антибликовое покрытие предпочтительно является слоем диэлектрического материала, предпочтительно ZnS.

12. Спектральное устройство получения изображений по любому из пп. 1-11, в котором интерферометры (141) из набора (140) двухлучевых интерферометров имеют средний коэффициент отражения, составляющий от 12% до 60%, предпочтительно составляющий от 20% до 50%, предпочтительно равный 42%.

13. Применение спектрального устройства (100) получения изображений по любому из пп. 1-12 для обнаружения и/или количественного определения газов и/или аэрозолей.

14. Применение по п. 13, в котором газы являются газами с парниковым эффектом, в частности диоксидом углерода, водой или метаном.

15. Мобильное электронное устройство, содержащее спектральное устройство (100) получения изображений по любому из пп. 1-12, при этом мобильное электронное устройство предпочтительно является мобильным телефоном, планшетом или беспилотным летательным аппаратом.