Способ одновременной регистрации мультиспектральных изображений Российский патент 2023 года по МПК G01J5/08 G01J3/02 

Изобретение относится к технологиям мультиспектральной съемки без сканирования, то есть получения трехмерного массива данных I(х,у,λ_n) без перестройки по пространственным или спектральной координатам, где I - интенсивность, х и у - пространственные координаты, λ - длина волны оптического излучения, n=1,2…N - номер спектрального канала, N - число спектральных каналов.

Для решения задачи регистрации пространственно-спектральных данных без сканирования существуют оптические устройства с несколькими апертурами [ЕР 2630785 В1, US 9030528], в которых два и более изображений объекта одновременно формируются несколькими оптическими системами (каналами) на разных областях одного матричного приемника излучения. Помимо изображений в видимой области оптического излучения для решения многих сельскохозяйственных, медицинских и научных задач могут регистрироваться изображения в инфракрасном [US 9030528] диапазоне спектра. Недостатками данных решений являются небольшое число спектральных каналов, отсутствие спектральных каналов в ультрафиолетовой области спектра, невозможность подстраивать светосилу отдельных спектральных каналов, сложность сборки и юстировки.

Способ мультиспектральной съемки может быть осуществлен на основе устройства, состоящего из фронтальной оптической системы, коллимирующей излучение от объекта, массива спектральных фильтров и микролинзового растра для формирования нескольких изображений на одном приемнике излучения [US 9625789 B2]. Недостаток данного решения связан с малой светосилой предложенной оптической схемы, что может затруднить проведение съемки в условиях недостаточной освещенности. Увеличение светосилы в данной системе неизбежно приводит к существенному ухудшению качества изображения вследствие роста аберраций.

Таким образом, ни один из известных способов не является универсальным: каждый обладает недостатками, ограничивающими его область применения.

В качестве прототипа выбран способ получения мультиспектральных изображений без сканирования, использованный для определения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объекта [RU 2721097 C1]. Спектральные изображения формируются за счет выделения из широкополосного пучка от объекта с помощью линзового растра нескольких изображений, их спектральной фильтрации с помощью растра из светофильтров и одновременной регистрации одним матричным приемником излучения. Недостатками данного способа, наряду с другими, свойственными вышеописанному способу на основе линзового растра, является низкая светосила и невозможность получения спектральных изображений одинаково высокого качества. Компоновка каждого элемента линзового растра должна быть достаточно простой, при этом отдельные элементы растра должны иметь одинаковое исполнение при существенно различающихся условиях работы пространственно разнесенных элементов растра. Фронтальная оптическая система имеет апертурные искажения, которые приводят к разным аберрационным требованиям для элементов растра, расположенных вблизи оптической оси и на достаточно большом удалении от нее. Кроме апертурных неизбежны также хроматические искажения, связанные с прохождением широкополосного оптического излучения. Требования к их исправлению приводят к ограниченному выбору материалов линз фронтальной системы и линз растра, что не позволяет одновременно использовать такие материалы в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Кроме того, неодинаковая спектральная чувствительность матричного приемника излучения при одинаковой апертуре отдельных элементов растра приводит к существенным различиям в экспонировании отдельных спектральных изображений. При этом использование ослабляющих фильтров при низкой апертуре растра нецелесообразно.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации изображений удаленных объектов в нескольких спектральных заданных интервалах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения одним матричным приемником без пространственного и спектрального сканирования.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ одновременной регистрации мультиспектрального изображения объекта на основе пространственно-спектрального разделения полихроматического широкополосного излучения, заключающийся в формировании пучка широкополосного оптического излучения, переносящего изображение объекта, пространственном и спектральном разделении этого пучка с помощью мультиапертурной оптической системы, каждый канал которой формирует узкополосное изображение в заданном спектральном интервале, одновременной регистрации всех спектральных изображений одним матричным приемником излучения и совместной цифровой обработке полученных изображений.

Пространственное разделение излучения проводится с помощью N отдельных каналов мультиапертурной оптической системы, каждый из которых содержит одинаковый или уникальный набор оптических элементов, обеспечивающих близкие значения углового поля и фокусного расстояния каждого канала, что позволяет сформировать N изображений на одном матричном приемнике излучения. Помимо силовых оптических элементов, в каждом канале содержатся спектральные фильтры. Регистрация всех пространственно и спектрально разделенных изображений происходит одновременно одним матричным приемником излучения.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный способ, где 1 - исследуемый объект, 2 - входное окно, 3 - мультиапертурная оптическая система, 4 - ослабляющие фильтры, 5 - светофильтры, 6 - спектральные изображения исследуемого объекта, 7 - матричный приемник излучения.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: входного окна 2, обеспечивающего прохождение пучка широкополосного излучения I(λ), идущего от исследуемого объекта 1; N-апертурной оптической системы, каждый канал которой содержит нейтральные 4 и спектральные 5 фильтры и формирует N спектральных изображений 6 исследуемого объекта 1, пространственно разделенных на матричном приемнике излучения 7.

Отличием изобретения является то, что каналы мультиапертурной оптической системы 3 имеют одинаковую оптическую силу, содержат спектральные фильтры 5, выделяющие излучение в заданных диапазонах длин волн, и ослабляющие фильтры 4, компенсирующие спектральную зависимость чувствительности матричного приемника излучения 7. Кроме того, каналы мультиапертурной оптической системы 3 установлены в индивидуальные цилиндрические оправы для независимой юстировки и пространственного разделения спектральных изображений 6 исследуемого объекта на матричном приемнике излучения 7.

Это позволяет обеспечить идентичные поля зрения и одинаково высокое качество изображения в каждом спектральном канале. При этом все изображения 6 оказываются пространственно и спектрально разнесены. Более совершенная конструкция оптической схемы каждого канала по сравнению с линзовым растром позволяет повысить относительное отверстие и при необходимости регулировать освещенность в разных каналах за счет введения ослабляющих фильтров 4. В зависимости от решаемых задач оптическая схема каждого канала может быть одинаковой или уникальной, что расширяет возможности использования разных материалов для формирования спектральных изображений в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра в одном устройстве. Цилиндрическая оправа каждого канала служит для пространственного разделения спектральных изображений 6 на матричном приемнике излучения 7 и срезания перекрестного излучения из других каналов, а также может иметь резьбовое крепление для осуществления продольных перемещений с целью высокоточной фокусировки и компенсации влияния хроматических аберраций.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант N-апертурной оптической системы 3, содержащей как каналы со светофильтрами для фильтрации излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, так и канал(ы) без светофильтров - для регистрации широкополосного изображения(й), а регистрация данных осуществляется матричным приемником излучения 7, чувствительность которого лежит в спектральном диапазоне 200-1000 нм. При этом каждый канал системы 3 установлен в индивидуальную цилиндрическую оправу для обеспечения его независимой прецизионной юстировки и фокусировки изображения в нем, а также пространственного разделения спектральных изображений на матричном приемнике излучения 7.

Система работает следующим образом. Определяют количество N необходимых спектральных интервалов, изображения в которых необходимо зарегистрировать, центральные длины волн λ_n и ширины этих каналов, и, исходя из этого и спектральной кривой используемого матричного приемника излучения 7, подбирают материалы нейтральных и спектральных фильтров так, чтобы при калибровке устройства спектральные изображения объекта, имеющего равномерный спектр излучения (отражения в случае внешней подсветки), имели бы одинаковую 2 среднюю интенсивность. Излучение от исследуемого объекта 1 поступает через входное окно в N-апертурную оптическую систему 3, формирующую N изображений 6 объекта 1 в плоскости матричного приемника излучения 7. Благодаря установленным в каждом канале светофильтрам 5 на матричном приемнике излучения 7 одновременно регистрируют N пространственно разнесенных спектральных изображений, интенсивностью которых можно управлять с помощью ослабляющих фильтров 4. Далее спектральные изображения подвергаются совместной цифровой обработке с целью их пространственного совмещения и вычисления неискаженного трехмерного массива данных I(х,у,λ_n).

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а конкретно к технологиям мультиспектральной съемки без сканирования. Заявленный способ одновременной регистрации мультиспектрального изображения объекта на основе пространственно-спектрального разделения полихроматического широкополосного излучения заключается в формировании пучка широкополосного оптического излучения, переносящего изображение объекта, пространственном и спектральном разделении этого пучка с помощью мультиапертурной оптической системы, каждый канал которой формирует узкополосное изображение в заданном спектральном интервале, одновременной регистрации всех спектральных изображений одним матричным приемником излучения и совместной цифровой обработке полученных изображений. Пространственное разделение излучения обеспечено N отдельными каналами мультиапертурной оптической системы, каждый из которых содержит одинаковый или уникальный набор оптических элементов, обеспечивающих близкие значения углового поля и фокусного расстояния каждого канала, что позволяет сформировать N изображений на одном матричном приемнике излучения. Помимо силовых оптических элементов, в каждом канале содержатся нейтральные и спектральные фильтры. Регистрация всех пространственно и спектрально разделенных изображений происходит одновременно одним матричным приемником излучения. Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации изображений удаленных объектов в нескольких спектральных заданных интервалах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения одним матричным приемником без пространственного и спектрального сканирования. 1 ил.

Способ одновременной регистрации мультиспектральных изображений, заключающийся в формировании пучка широкополосного оптического излучения, переносящего изображение объекта; пространственном и спектральном разделении этого пучка с помощью мультиапертурной оптической системы, каждый канал которой формирует изображение в заданном спектральном интервале; одновременной регистрации всех спектральных изображений одним матричным приемником излучения; совместной цифровой обработке зарегистрированных изображений, отличающийся тем, что каналы мультиапертурной оптической системы содержат одинаковые силовые оптические элементы и обеспечивают идентичные поля зрения; спектральные фильтры, выделяющие излучение в заданных диапазонах длин волн; ослабляющие фильтры, компенсирующие спектральную зависимость чувствительности матричного приемника излучения; и установлены в индивидуальные цилиндрические оправы для независимой юстировки, фокусировки и пространственного разделения спектральных изображений на матричном приемнике излучения.