ИНСТРУМЕНТ С МНОЖЕСТВОМ ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01J3/02 

Настоящее изобретение относится к инструменту с множеством оптических каналов, который включает в себя многоканальный монолитный оптический компонент, позволяющий разделять падающий световой пучок на множество выходящих пучков, которые отклоняются в разных направлениях.

Многочисленные устройства получения изображения или спектрометрического анализа требуют наличия расположенных параллельно нескольких оптических каналов между одним и тем же входным оптическим зрачком и одним и тем же датчиком изображения. Такая конфигурация может быть связана с ограничениями по размеру используемой оптической системы, легкости использования, снижению стоимости работ по сборке во время изготовления и/или себестоимости. Действительно, в этом случае оптическая система может быть моноблочной, компактной и может быть легко направлена на отображаемую и/или подвергаемую спектральному анализу сцену.

Такая конфигурация требует воспроизведения одного и того же участка изображения с поперечными смещениями на поверхности единственного датчика изображения. Вместе с тем известно, что такие смещения изображения можно получить несколькими способами, в частности, располагая зеркала, как описано в документе WO 2016/092236. Однако размещение такого делителя пучка с зеркалами требует увеличения размеров оптической системы. Другой подход состоит в использовании призм-делителей пучка в зрачке оптической системы. Для этого делитель пучка необходимо поместить в месте, куда пучка приходят в виде плоских волн, то есть либо на входном зрачке системы, либо на выходе афокальной системы. В этих условиях компонент, который выполняет функцию деления пучка, должен быть специально разработан для каждой оптической системы, так как диаметр входного зрачка зависит от фокусного расстояния этой оптической системы, или же оптическая система является громоздкой по причине добавления афокальной системы. В случае, когда через такой компонент-делитель пучка проходит пучок излучения в виде сферических волн, изображения, получаемые на фотодетекторе, не могут быть четкими, так как поверхность, которая содержит каждое из этих изображений, образует угол с поверхностью фотодетектора, и этот угол отличается от одного изображения к другому. В частности, призмы, освещаемые сферическими, то есть не плоскими волнами, создают аберрации кривизны поля. Это приводит к ухудшению четкости каждого изображения на значительной его части. Наконец, еще одно решение состоит в использовании на пути пучка излучения в виде сферических волн линз, смещенных в боковом направлении относительно друг друга. Таким образом, оптическая сила каждой линзы может позволить приблизить плоскость лучшей фокусировки и ориентировать пучки, которые прошли через различные линзы, на разные зоны поверхности фотодетектора. Однако, чтобы получить достаточные поперечные смещения изображений, использование линз с не равными нулю значениями оптической силы требует существенного изменения фокусного расстояния объектива оптической системы, чтобы сохранить одинаковой общее фокусное расстояние оптической системы. Кроме того, это требует увеличения длины части оптической системы, которая формирует пучок излучения в виде сферических волн, то есть объектива. Это приводит к увеличению размера и требует оптики с более значительными диаметрами. Оптическая система перестает при этом отвечать требованиям компактности во многих областях применения.

В этих обстоятельствах настоящее изобретение призвано предложить новый делитель пучка, который не имеет вышеупомянутых недостатков или в котором эти недостатки частично устранены. В частности, задачей изобретения является достижение лучшего компромисса между значениями фокусного расстояния, которые не являются слишком большими, и кривизной поля, которая не является слишком большой на поверхности фотодетектора, общего для всех оптических путей.

Изобретение призвано также предложить инструмент с множеством оптических каналов и с одним датчиком изображения, общим для всех каналов, являющийся компактным, легким в управлении и в калибровке.

Для решения по меньшей мере одной из этих задач или других задач изобретением предложен инструмент с множеством оптических каналов, имеющий поле зрения, которое является общим для этих оптических каналов и в котором оптические каналы расположены параллельно, каждый между оптическим входом инструмента, общим для оптических каналов, и матричным фотодетектором, тоже общим для оптических каналов, с участком этого матричного фотодетектора, выделенным для каждого оптического канала инструмента и отделенным от каждого другого оптического канала. Таким образом, инструмент может формировать одновременно несколько изображений на матричном фотодетекторе: одно изображение отдельно на каждый оптический канал. Заявленный инструмент содержит многоканальный монолитный оптический, который образован участком материала, прозрачного для рабочего излучения, причем этот участок заключен между двумя сторонами компонента, каждая из которых обращена в направлении, противоположном другой стороне, таким образом, что излучение, падающее на одну из двух сторон, проходит через участок между двумя сторонами и выходит через другую сторону. Иначе говоря, заявленный компонент имеет конфигурацию пропускающей пластинки. Первая из двух сторон компонента образована первой преломляющей поверхностью, которая имеет оптическую ось. Другая сторона компонента, называемая второй стороной, содержит несколько вторых преломляющих поверхностей, которые расположены рядом друг с другом без перекрывания на этой второй стороне. Каждая вторая преломляющая поверхность имеет при этом другую оптическую ось отделенную от каждой другой второй преломляющей поверхности, при этом оптическая ось по меньшей мере одной из этих вторых преломляющих поверхностей смещена относительно оптической оси первой преломляющей поверхности. Кроме того, вторые преломляющие поверхности распределены на второй стороне компонента таким образом, что световой пучок, проходящий через первую преломляющую поверхность, выходит из компонента не более чем через одну из вторых преломляющих поверхностей, при этом каждая вторая преломляющая поверхность образует с соответствующим участком первой преломляющей поверхности оптический канал пропускания, который отделен от каждой другой второй преломляющей поверхности. Многоканальный монолитный компонент расположен таким образом, чтобы каждый оптический канал пропускания этого компонента был выделен для одного из оптических каналов инструмента.

Инструмент дополнительно содержит объектив и модуль детектирования с множеством оптических каналов, при этом объектив содержит по меньшей мере одну линзу, общую для всех оптических каналов модуля детектирования, модуль детектирования содержит оптический компонент и матричный фотодетектор и связан с объективом таким образом, что оптический компонент находится в выходном зрачке объектива, и таким образом, что сцена, находящаяся в поле зрения инструмента, отображается через объектив и оптический компонент для каждого оптического канала на матричном фотодетекторе.

В заявленном инструменте сторона первой преломляющей поверхности монолитного оптического компонента может быть стороной входа пучка излучения, а сторона вторых преломляющих поверхностей этого компонента может быть стороной выхода соответствующих пучков излучения всех оптических каналов. Вместе с тем, в других инструментах, тоже выполненных в соответствии с изобретением, сторона вторых преломляющих поверхностей может быть, наоборот, стороной входа пучка излучения, а сторона первой преломляющей поверхности является при этом стороной выхода пучков излучения всех оптических каналов.

Согласно первому признаку изобретения, соответствующие значения кривизны первой преломляющей поверхности и каждой второй преломляющей поверхности монолитного оптического компонента являются ненулевыми по меньшей мере в одной соответствующей точке каждой из первой и вторых преломляющих поверхностей, поэтому каждая из первой и вторых преломляющих поверхностей изменяет индивидуально схождение пучка излучения, проходящего через нее в соответствующей точке с ненулевой кривизной.

Кроме того, согласно второму признаку изобретения, каждый оптический канал монолитного оптического компонента, в котором оптическая ось второй преломляющей поверхности смещена относительно оптической оси первой преломляющей поверхности, показывает ненулевую силу призматического отклонения, которая является эффективной для пучка излучения, пропускаемого этим оптическим каналом между двумя сторонами компонента. Кроме того, значение и/или ориентация силы призматического отклонения различаются между по меньшей мере двумя оптическими каналами компонента.

Таким образом, многоканальный монолитный оптический компонент, используемый в заявленном инструменте и называемый в дальнейшем просто «оптическим компонентом», можно использовать в качестве делителя пучка. В частности, пучок, падающий на первую или вторую сторону этого оптического компонента и являющийся общим для всех оптических каналов, может быть пучком излучения в виде сферических волн, то есть пучком излучения, в котором фронт волны является участком сферы.

Если одна из преломляющих поверхностей оптического компонента имеет кривизну, одинаковую с кривизной первой преломляющей поверхности в одном из оптических каналов, компонент имеет оптическую силу, которая является нулевой для этого оптического канала, но, тем не менее, может иметь силу призматического отклонения, которая не является нулевой для этого же оптического канала.

Предпочтительно, соответствующие значения кривизны первой преломляющей поверхности и каждой второй преломляющей поверхности оптического компонента могут быть такими, что отдельно для каждого оптического канала компонент имеет ненулевую оптическую силу, которая является эффективной для пучка излучения, пропускаемого этим оптическим каналом между двумя сторонами компонента.

Как известно специалисту в данной области техники, оптическая сила оптического компонента является эффектом изменения схождения или расхождения пучка излучения, который является эффективным между входом и выходом компонента. Оптическая сила является результатом эффекта преломления света, связанного со значениями кривизны преломляющих поверхностей, через которые проходит каждый световой пучок.

Оптическая сила принципиально отличается от силы призматического отклонения оптического компонента. Сила призматического отклонения является эффектом изменения наклона пучка излучения, тоже эффективным между входом и выходом компонента. Сила призматического отклонения является также результатом эффекта преломления света, но, когда она связана со средними плоскостями преломляющих поверхностей, которые не являются параллельными между собой.

В оптическом компоненте заявленного инструмента по меньшей мере для одного из оптических каналов, который смещен в поперечном направлении относительно оптической оси первой преломляющей поверхности, средняя плоскость второй преломляющей поверхности этого оптического канала может образовывать не равный нулю угол со средней плоскостью, которая определена для первой преломляющей поверхности в ее участке, эффективном для этого оптического канала. При этом сила призматического отклонения является результатом этой угловой разности между средними плоскостями, а ненулевое значение оптической силы компонента в рассматриваемом оптическом канале является результатом разности кривизны межу первой и второй преломляющими поверхностями внутри этого канала.

Таким образом, для каждого канала из оптических каналов, смещенного относительно оптической оси первой преломляющей поверхности, оптический компонент может сочетать в себе ненулевую оптическую силу и ненулевую силу призматического отклонения. Это сочетание позволяет получить для каждого оптического канала компромисс между значением фокусного расстояния, которое является не слишком большим для системы формирования изображения, включающей в себя указанный компонент, и кривизной поля, которая не является слишком большой в плоскости изображения, общей для всех оптических каналов. Благодаря этому последнему признаку, в модуле детектирования с множеством каналов указанного инструмента оптический компонент можно объединить с матричным фотодетектором, общим для всех оптических каналов. При этом модуль детектирования может быть компактным, хотя и имеет несколько оптических каналов.

Кроме того, такой модуль детектирования можно комбинировать с разными объективами, образующими, например, ряд объективов с разными значениями фокусного расстояния. Для того модуль детектирования можно соединять с каждым из взаимозаменяемых объективов каждый раз таким образом, чтобы заявленный оптический компонент находился в выходном зрачке объектива.

В целом, в рамках изобретения по меньшей мере одна поверхность из первой преломляющей поверхности и каждой второй преломляющей поверхности оптического компонента может быть поверхностью Френеля. В альтернативном варианте речь может идти о поверхности, не имеющей перепадов и угловых линий, то есть о сплошной и непрерывно дифференцируемой поверхности. Кроме того, первая преломляющая поверхность и/или по меньшей мере одна из вторых преломляющих поверхностей оптического компонента может(гут) быть асферической(ими). Такие асферические формы позволяют, в частности, уменьшить оптические аберрации и/или аберрации смещения по причине наклона пучка излучения, выходящего из каждого оптического канала, в котором оптическая ось второй преломляющей поверхности смещена в поперечном направлении относительно оптической оси первой преломляющей поверхности.

В целом, по меньшей мере одна поверхность из первой преломляющей поверхности и вторых преломляющих поверхностей оптического компонента может быть несвязанной поверхностью, то есть не иметь оси симметрии вращения и не иметь центра симметрии. Такая поверхность является так называемой поверхностью произвольной формы и известна под названием Freeform®.

В альтернативном варианте первая и/или вторая преломляющая поверхность оптического компонента может быть поверхностью с круговой симметрией, в частности, может быть участком сферы или может быть участком конусной поверхности.

Предпочтительно первая преломляющая поверхность и каждая вторая преломляющая поверхность оптического компонента могут иметь соответствующие центры кривизны, которые находятся с одной стороны компонента. Например, когда соответствующие центры кривизны находятся со стороны первой преломляющей поверхности компонента, эта первая преломляющая поверхность производит эффект рассеивающей линзы для пучка излучения, который падает на эту первую преломляющую поверхность, а каждая вторая преломляющая поверхность производит эффект собирающей линзы. Кроме того, соответствующие значения кривизны первой преломляющей поверхности и каждой второй преломляющей поверхности можно выбирать таким образом, чтобы компонент показывал эффект собирающей линзы в каждом из своих оптических каналов.

Поскольку оптический компонент является монолитным, его установка внутри оптического инструмента с множеством каналов может быть простой и быстрой. Вместе с тем, специальная доводка формы одной ли нескольких из вторых преломляющих поверхностей позволяет осуществлять фокусировку, одинаковую для рассматриваемых оптических каналов. За счет этого снижается себестоимость инструмента.

Кроме того, оптический компонент может иметь небольшие размеры, в частности, небольшую толщину, поэтому его теплоемкость может быть низкой. Его можно легко охлаждать, в частности, чтобы использовать в инструменте детектирования, который является чувствительным в тепловой инфракрасной области.

Наконец, оптический компонент, используемый в заявленном инструменте, можно изготовить при помощи процесса алмазной обработки, формования или фотолитографии в зависимости от его материала и от формы его преломляющих поверхностей.

В различных вариантах выполнения изобретения можно применять по меньшей мере один из следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в комбинации:

- оптическая ось каждой второй преломляющей поверхности оптического компонента может быть параллельной относительно оптической оси первой преломляющей поверхности;

- два из оптических каналов оптического компонента, в которых соответствующие оптические оси вторых преломляющих поверхностей смещены симметрично относительно оптической оси первой преломляющей поверхности, могут иметь равную оптическую силу и могут иметь силу призматического отклонения, которая является равной по абсолютной величине, но ориентирована симметрично относительно оптической оси первой преломляющей поверхности;

- вторые преломляющие поверхности оптического компонента могут быть расположены рядом друг с другом на второй стороне компонента, образуя матрицу 2 × 2, 2 × 3, 3 × 3, 3 × 4 или 4 × 4;

- материал оптического компонента может быть органическим, в частности, на основе поликарбоната, полиметилметакрилата, сополимера цикло-олефина, полиэтиленимина, полиэфирсульфона, полиамида-12, или может быть на основе расплавленного кремнезема, когда рабочее излучение имеет спектральные составляющие, длина волны которых находится в пределах от 0,36 мкм (микрометра) до 2 мкм;

- материалом оптического компонента может быть галогенид щелочного металла или “alkalide” на английском языке, такой как бромид калия, когда рабочее излучение имеет спектральные составляющие, длина волны которых находится в пределах от 0,36 мкм до 14 мкм;

- материал оптического компонента может быть на основе неферромагнитных материалов, таких как германий, кремний, сульфид цинка, арсенид галлия, или может быть стеклом на основе халькогенида, или может быть на основе полиэтилена, когда рабочее излучение имеет спектральные составляющие, длина волны которых находится в пределах от 0,36 мкм до 14 мкм;

- радиус кривизны первой преломляющей поверхности оптического компонента может составлять от 30 мм (миллиметров) до 600 мм по абсолютной величине, а радиус кривизны каждой второй преломляющей поверхности компонента может составлять от 5 мм до 300 мм по абсолютной величине;

- сила призматического отклонения каждого оптического канала оптического компонента, в котором оптическая ось каждой второй преломляющей поверхности смещена относительно оптической оси первой преломляющей поверхности, может составлять от 1° (градуса) до 40° по абсолютной величине;

- каждая вторая преломляющая поверхность оптического компонента может иметь площадь, составляющую от 7 мм² до 900 мм²; и

- оптический компонент может дополнительно содержать по меньшей мере один спектральный фильтр, выполненный с возможностью фильтровать световые лучи, пропускаемые через один из оптических каналов. Предпочтительно этот спектральный фильтр может быть расположен на второй преломляющей поверхности рассматриваемого оптического канала. Предпочтительно по меньшей мере две из вторых преломляющих поверхностей могут нести на себе соответствующие спектральные фильтры, по одному фильтру на каждую вторую преломляющую поверхность, причем эти фильтры имеют спектральные характеристики фильтрации, различающиеся между двумя из этих вторых преломляющих поверхностей.

Заявленный инструмент может, в частности, образовывать устройство получения многоспектральных изображений или часть спектрометра, или часть системы получения трехмерных изображений.

Предпочтительно объектив и модуль детектирования могут быть соединены между собой разъемно таким образом, что объектив можно заменять другим объективом, в частности, чтобы изменять значение общего фокусного расстояния инструмента.

Когда инструмент формирует на матричном фотодетекторе несколько изображений одного объекта, находящегося в поле зрения инструмента, излучение, исходящее из точки этого объекта, может иметь фронт волны, который является криволинейным на первой или второй стороне оптического компонента, которая обращена к объективу.

Инструмент может дополнительно содержать ограничитель углового поля, выполненный с возможностью фильтровать световые лучи, проходящие через оптический компонент, в зависимости от их наклона по отношению к оптической оси первой преломляющей поверхности таким образом, чтобы наклоны световых лучей, падающих на оптический компонент, были выборочно меньше порога наклона, определенного ограничителем углового поля. Альтернативно или в комбинации, инструмент может содержать по меньшей мере один набор разделительных стенок, расположенных между оптическим компонентом и матричным фотодетектором, чтобы изолировать излучения, пропускаемые разными оптическими каналами.

Предпочтительно, в некоторых вариантах применения в инструменте можно использовать маску с отверстиями, причем эта маска имеет одно отверстие на каждый оптический канал, чтобы ограничивать поперечное сечение этого оптического канала и/или чтобы закрывать зоны оптического компонента, которые не используются для функции инструмента по формированию изображений, и/или чтобы исключать паразитные изображения, образованные излучением, не прошедшим через полезные зоны оптического компонента, и/или чтобы определять соответствующие зрачки оптических каналов инструмента. Под полезными зонами оптического компонента следует понимать вторые преломляющие поверхности за исключением зон разделения, которые могут существовать на второй стороне оптического компонента между вторыми преломляющими поверхностями, которые находятся рядом друг с другом на этой второй стороне. Таким образом, эти зоны разделения являются зонами, не являющимися полезными для функции инструмента по формированию изображения, как и периферическая зона, которая может находиться на второй стороне оптического компонента вокруг всех вторых преломляющих поверхностей. Когда оптический компонент находится в выходном зрачке объектива, каждое отверстие этой маски имеет функцию апертурной диафрагмы для рассматриваемого оптического канала.

В некоторых вариантах применения заявленного инструмента каждый из его оптических каналов может содержать по меньшей мере один фильтр в дополнение к соответствующему участку матричного фотодетектора и к соответствующему каналу оптического компонента. Этот фильтр может определять спектральную полосу пропускания рассматриваемого оптического канала инструмента, которая отличается от спектральной полосы пропускания по меньшей мере одного из других оптических каналов инструмента. В этом случае две из вторых преломляющих поверхностей, связанных с разными фильтрами в соответствующих оптических каналах, могут иметь разную кривизну, чтобы компенсировать эффективный продольный хроматизм между двумя длинами волны излучения, каждая из которых пропускается раздельно через один из двух фильтров.

В зависимости от варианта применения заявленный инструмент может дополнительно содержать комбинацию криостата и холодильной машины. Внутри криостата матричный фотодетектор расположен на опоре, обычно называемой холодным столом или холодным держателем, связанной термически с холодильной машиной. Кроме того, многоканальный монолитный оптический компонент может быть окружен сбоку экраном, называемым холодным экраном, который входит также в термический контакт с опорой матричного фотодетектора. Этот холодный экран может служить оправой для компонента и/или для каждого используемого фильтра, и/или для маски, и/или для разделительных стенок. Он может также образовать ограничитель углового поля.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1а и фиг. 1b - два вида в перспективе оптического компонента, который может быть использован в заявленном инструменте, с двух противоположных сторон компонента.

Фиг. 2 - вид в плане другого оптического компонента, который может быть использован в заявленном инструменте.

Фиг. 3а и фиг. 3b - виды в разрезе двух инструментов, которые выполнены в соответствии с изобретением и каждый из которых включает в себя оптический компонент, показанный на фиг. 2.

Фиг. 4 - детальный вид в разрезе части инструментов, показанных на фиг. 3а и 3b.

Для большей ясности размеры элементов, показанных на фигурах, не соответствуют ни реальным размерам, ни реальным соотношениям размеров. Кроме того, одинаковыми позициями на разных фигурах обозначены идентичные элементы или элементы, имеющие идентичные функции.

Показанный на фиг. 1а и 1b и используемый в рамках изобретения оптический компонент 1 может быть выполнен из германия, чтобы быть прозрачным для электромагнитного излучения с длиной волны, составляющей от 2 мкм до 14 мкм. Компонент 1 имеет две противоположные стороны, которые могут быть соединены периферической рамкой 2. Например, компонент 1, показанный на фиг. 1а и на фиг. 1b, имеет квадратный контур. Первая сторона компонента 1, непосредственно показанная на фиг. 1а, образована преломляющей поверхностью S₁, которая может быть, например, сферической или асферической. Оптическая ось преломляющей поверхности S₁ обозначена А₁. Вторая сторона компонента 1, непосредственно показанная на фиг. 1b, образована четырьмя преломляющими поверхностями S₂, которые расположены рядом друг с другом в виде матрицы 2 × 2 и каждая из которых может быть, например, сферической или асферической. Соответствующая оптическая ось каждой преломляющей поверхности S₂ обозначена А₂. Каждая оптическая ось А₂ может проходить параллельно оптической оси А₁ и смещена относительно последней. Когда каждая преломляющая поверхность S₁ и S₂ является также участком сферы с центром сферы, находящимся на соответствующей оптической оси А₁ или А₂, то каждая преломляющая поверхность S₂ имеет среднюю плоскость, которая не является параллельной относительно средней плоскости указанного участка преломляющей поверхности S₁, через который проходит тот же пучок излучения, что и через эту поверхность S₂. По этой причине каждая преломляющая поверхность S₂ и соответствующий участок преломляющей поверхности S₁ проявляют вместе силу призматического отклонения для проходящего через них пучка излучения. Такая сила призматического отклонения является результатом отличающихся друг от друга наклонов двух преломляющих поверхностей. Для показанного компонента 1 преломляющая поверхность S₁ является вогнутой и по существу сферической, а каждая преломляющая поверхность S₂ является выпуклой и по существу сферической. При этом призматическое отклонение каждого оптического канала, образованного одной из преломляющих поверхностей S₂ с соответствующим участком преломляющей поверхности S₁, приводит к отдалению среднего направления пучка излучения с плоскими волнами, падающего параллельно этой оптической оси, от оптической оси А₂ преломляющей поверхности S₂.

Если преломляющая поверхность S₁ и одна из преломляющих поверхностей S₂ имеют одинаковую кривизну для компонента 1, показанного на фиг. 1а и 1b, то схождение или расхождение пучка излучения не меняется, когда он проходит через эти две поверхности. Если же, наоборот, преломляющая поверхность S₁ и преломляющая поверхность S₂ имеют разную кривизну, то схождение или расхождение пучка излучения меняется, когда он проходит через обе поверхности. Иначе говоря, оптический канал, образованный этими двумя преломляющими поверхностями, имеет оптическую силу ненулевого значения. В частности, оптическая сила каждого оптического канала компонента 1 является положительной и соответствует эффекту собирающей линзы, когда радиус кривизны соответствующей преломляющей поверхности S₂ меньше, чем радиус кривизны преломляющей поверхности S₁, причем эти радиусы рассматриваются по абсолютной величине.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 2, компонент 1 содержит круглую рамку 2 за пределами прямолинейного сегмента В края. Каждая из преломляющих поверхностей S₁ и S₂ имеет круговую периферическую границу. Кроме того, преломляющие поверхности S₂ имеют отличающиеся положения в направлениях х и у по отношению к преломляющей поверхности S₁: две преломляющие поверхности S₂, соседние в направлении у, касаются друг друга, а две преломляющие поверхности S₂, соседние в направлении х, отстоят друг от друга, при этом все преломляющие поверхности S₂ симметрично распределены по отношению к оптической оси А₁.

В качестве примера можно указать следующие возможные размеры:

- наружный радиус R₀ рамки 2 параллельно плоскости х-у: около 8,4 мм;

- радиус R₁ периферической границы преломляющей поверхности S₁ параллельно плоскости х-у: около 6,75 мм;

- радиус R₂ периферической границы каждой преломляющей поверхности S₂ параллельно плоскости х-у: около 2,5 мм;

- расстояние D между оптическими осями А₂ двух преломляющих поверхностей S₂, соседних в направлении х: около 6,25 мм;

- расстояние между оптическими осями А₂ двух преломляющих поверхностей S₂, соседних в направлении у: около 5,0 мм;

- радиус кривизны преломляющей поверхности S₂, которая предположительно является почти сферической и вогнутой: около 160 мм;

- радиус кривизны каждой преломляющей поверхности S₂, которая предположительно является почти сферической и выпуклой: около 83 мм;

- толщина компонента 1, измеренная параллельно оптической оси А₁ между контуром преломляющей поверхности S₁ и центром каждой преломляющей поверхности S₂: около 0,50 мм; и

- расстояние W между прямолинейным сегментом В края и оптической осью А₁: около 5,95 мм.

На основании этих размеров специалист в данной области техники может определить значения силы призматического отклонения и оптической силы каждого оптического канала компонента 1 либо посредством приблизительного вычисления, либо при помощи метода построения пути световых пучков. Эти значения не равны нулю при вышеуказанных конкретных размерах.

Как показано на фиг. 3а, оптический инструмент 100 содержит модуль 10 детектирования и объектив 20, соединенные друг с другом при помощи не показанных средств, например, при помощи монтажных колец или любого другого соединительного устройства.

Объектив 20 может быть моделью с большим полем зрения типа ретрофокусного объектива с фокусным расстоянием 39,5 мм, показанной на фиг. 3а. Вместе с тем, объектив 20 может быть взаимозаменяемым для других моделей, например, объективом 20’ с небольшим полем зрения для повторной съемки с фокусным расстоянием 158 мм, показанным на фиг. 3b. Специалист в данной области техники может определить цифровые данные линз 21, 22 и 23 объектива 20, показанного на фиг. 3а, или линз 21’-26’ объектива 20', показанного на фиг. 3b, и даже для линз любой другой модели объектива, предназначенного для использования альтернативно с модулем 10 детектирования. Е₂₀ обозначает оптический вход объектива 20 или 20’.

Модуль 10 детектирования, показанный на фиг. 3а и 3b, содержит по направлению распространения излучения, проходящего через объектив 20 или 20’: окно 11, широкополосный спектральный фильтр 12, оптический компонент 1, показанный на фиг. 2, узкополосные спектральные фильтры 13а, 13b,… и матричный фотодетектор 14. Модуль 10 детектирования и каждый объектив 20 или 20’ выполнены таким образом, чтобы, когда они соединены вместе в рабочем состоянии инструмента 100, оптический компонент 1 находился в выходном зрачке объектива 20 или 20’. Кроме того, линзы 21-23 объектива 20 или линзы 21’-26’ объектива 20’ имеют соответствующие оптические оси, совпадающие с оптической осью А₁ преломляющей поверхности S₁ оптического компонента 1, которая предпочтительно проходит через геометрический центр фоточувствительной поверхности матричного фотодетектора 14.

Внутри модуля 10 детектирования оптический компонент 1 может быть расположен таким образом, чтобы его преломляющая поверхность S₁ была обращена к объективу 20 или 20’, а преломляющие поверхности S₂ определяют оптические каналы инструмента 100. Линзы 21-23 объектива 20 или линзы 21’-26’ объектива 20’, окно 11, широкополосный спектральный фильтр 12 и матричный фотодетектор 14 являются общими для четырех оптических каналов. Фоточувствительная поверхность матричного фотодетектора 14 является перпендикулярной к оптической оси А₁ и находится примерно на 21,5 мм сзади оптического компонента 1 таким образом, что участок 14а фоточувствительной поверхности матричного фотодетектора 14 выделен для оптического канала 1а, а другой участок 14b его фоточувствительной поверхности, отделенный от участка 14а, выделен для оптического канала 1b. Еще два участка фоточувствительной поверхности матричного фотодетектора 14, отделенные друг от друга и от участков 14а и 14b, выделены для двух других оптических каналов (не показаны). Фильтр 13а располагают выборочно на оптическом канале 1а, фильтр 13b на оптическом канале 1b, и два других узкополосных спектральных фильтра (не показаны) - на двух других оптических каналах, по одному на каждый оптический канал. Узкополосные спектральные фильтры 13а, 13b,… предпочтительно могут быть объединены в виде матрицы 2 × 2 внутри единого жесткого компонента, который можно легко установить в модуль 10 детектирования. В частности, фильтры 13а, 13b,… могут быть либо закреплены индивидуально в общей оправе, либо могут быть соединены встык склеиванием, образуя общую пластинку, либо могут быть выполнены посредством фотолитографии и нанесения тонких слоев на пластинку, которая служит общей подложкой для этих фильтров. Например, каждый спектральный фильтр 13а, 13b,… может иметь толщину около 0,5 мм. В альтернативных вариантах выполнения, которые можно предусмотреть в зависимости от применения инструмента 100, каждый спектральный фильтр 13а, 13b,… может быть неподвижно соединен с компонентом 1, будучи расположенным на одной из его преломляющих поверхностей S₂.

Таким образом, четыре оптических канала 1а, 1b,… формируют одновременно соответствующие изображения одного и того же контента поля зрения инструмента 100 на соответствующих участках 14а, 14b,… фоточувствительной поверхности матричного фотодетектора 14. Эти изображения, которые вместе образуют многоспектральное изображение с четырьмя спектральными составляющими, по одной на каждый оптический канал, снимаются одновременно во время одного цикла работы матричного фотодетектора 1. Благодаря использованию оптического компонента 1, все четыре изображения одновременно являются четкими. С цифровыми значениями, которые были указаны со ссылками на фиг. 2, инструмент 100 имеет общее значение фокусного расстояния в 25 мм, когда используют объектив 20 ретрофокусного типа с большим полем зрения с фокусным расстоянием 39,5 мм, и общее значение фокусного расстояния в 100 мм, когда используют объектив 20’ для повторной съемки с небольшим полем зрения с фокусным расстоянием 158 мм. Расстояние между задней стороной окна 11 и фоточувствительной поверхностью 14 равно около 26,37 мм. Форму преломляющих поверхностей S₂ оптического компонента 1 можно доводить по-разному между разными оптическими каналами в зависимости от узкой спектральной полосы фильтра 13а, 13b,… этого оптического канала. В частности, эта дополнительная доводка может позволить компенсировать изменения значений показателей преломления материалов линз 21-23 или 21’-26’ и компонента 1 в зависимости от длины волны излучения. Кроме того, на каждой из фиг. 3а и 3b показан пучок излучения с плоской волной, который проникает в инструмент 100 через оптический вход Е₂₀ и который фокусируется одновременно на участках 14а, 14b,… фотодетектора 14.

Такой инструмент 100 может быть выполнен с возможностью работать в одной из видимых спектральных областей, а именно в ближней инфракрасной области, известной под аббревиатурой NIR, или в области SWIR. В этих случаях может понадобиться охлаждение для модуля 10 детектирования.

В альтернативном варианте инструмент 100 может быть выполнен с возможностью работать в одной из видимых спектральных областей, обозначаемых MWIR или LWIR (длинноволновая область спектра инфракрасного излучения). В этих других случаях может понадобиться система охлаждения модуля 10 детектирования. На фиг. 4 показана возможная конфигурация такого модуля 10 детектирования, предназначенного для охлаждения. Матричный фотодетектор 14 закреплен, например, при помощи клея, на опоре 16, обычно называемой холодным столом или холодным держателем на профессиональном языке специалиста в данной области техники, чтобы обеспечивать хороший термический контакт между фотодетектором 14 и опорой 16. Опора 16 выполнена из теплопроводного материала и связана с холодильной машиной (не показана). Боковая стенка 17 окружает оптическую часть модуля 10 детектирования, то есть компонент 1, спектральные фильтры, в частности, фильтры 13а, 13b,…, выделенные индивидуально для каждого оптического канала 1а, 1b,…, и другие необязательные компоненты модуля 10, такие как диафрагмы, маски, разделительные стенки между оптическими каналами и т.д. Задний конец боковой стенки 17 входит в термический контакт с холодным столом 16 для своего охлаждения одновременно с последним. По этой причине боковую стенку 17 часто называют холодным экраном. Кром того, описанный выше и предназначенный для охлаждения узел может находиться в вакуумной камере, которая образует криостат. Боковая стенка 18 криостата не входит в термический контакт с описанными выше частями, предназначенным для охлаждения, и герметично закрыта окном 11 со стороны объектива 20. Окно 11 выполнено из материала, прозрачного для рабочей спектральной области инструмента 100.

Чтобы уменьшить паразитное излучение и/или паразитные изображения, которые могут снизить качество изображений, формируемых при помощи оптических каналов 1а, 1b,… на фотодетекторе 14, модуль 10 детектирования может дополнительно содержать по меньшей мере один из следующих дополнительных элементов:

- ограничитель 15 углового поля, который можно установить непосредственно на входе оптического компонента 1 по направлению излучения в инструменте 100. Такой ограничитель углового поля может иметь форму сегмента трубки или усеченного конуса, который является коаксиальным с оптической осью А₁. В случае необходимости, он может быть продолжен холодным экраном17 на входе оптического компонента 1;

- маску 15’ с отверстиями, например, между оптическим компонентом 1 и узкополосными спектральными фильтрами 13а, 13b,…, для закрывания частей оптического компонента 1, которые являются промежуточными между двумя соседними преломляющими поверхностями S₂, и возможно также открытой части рамки 2. Учитывая, что оптический компонент 1 находится в выходном зрачке объектива 20 или 20’, и если маска 15’ с отверстиями находится близко к оптическому компоненту 1, каждое из ее отверстий ограничивает зрачок соответствующего оптического канала инструмента 100; и

- матрицу разделительных стенок 19, в которой каждая стенка 19 расположена в продольном направлении между оптическим компонентом 1 и матричным фотодетектором 14 или между узкополосными спектральными фильтрами 13а, 13b,…, с одной стороны, и фотодетектором 14, с другой стороны, с одной разделительной стенкой между двумя оптическими каналами 1а, 1b,…, которые являются соседними в любом из направлений матрицы вторых преломляющих поверхностей S₂ оптического компонента 1.

Подразумевается, что изобретение можно воспроизвести, адаптируя его второстепенные признаки к подробно описанным выше вариантам выполнения. В частности, число преломляющих поверхностей S₂ и все приведенные выше цифровые значения были указаны лишь в качестве иллюстрации.

Наконец, воспроизводить изобретение могут другие оптические инструменты, отличные от устройства получения многоспектральных изображений, описанного со ссылками на фиг. 3а, 3b и фиг. 4. В частности, такой другой инструмент можно использовать в многоканальном спектрометре. Например, каждый из оптических каналов спектрометра, образованный заявленным оптическим компонентом 1, может быть предназначен для соответствующего спектрального интервала с целью направления излучения этого спектрального интервала в дифракционную решетку, адаптированную для этого интервала.

Изобретение можно также использовать для системы получения трехмерных изображений. Такая система может иметь структуру, подобную структуре инструмента, показанного на фиг. 3а или на фиг. 3b, но без необходимости применения узкополосных спектральных фильтров 13а, 13b,… для функции получения трехмерных изображений. Кроме того, инструмент предусмотрен для снимаемых элементов сцены, которые находятся в ограниченном интервале расстояний между элементами перед объективом. Все оптические каналы собирают при этом одновременно световые лучи, исходящие от одного и того же элемента сцены, содержащегося во входном оптическом поле инструмента. Однако зрачки, которые являются эффективными для разных оптических каналов инструмента, смещены между собой в поперечном направлении. По этой причине изображения одного и того же элемента сцены, которые формируются соответственно при помощи оптических каналов, находятся, каждое, внутри участка фоточувствительной поверхности фотодетектора, который соответствует рассматриваемому оптическому каналу, в месте этого участка фоточувствительной поверхности, которое зависит от расстояния до элемента сцены. Сравнивая соответствующие положения этих изображений, формируемых при помощи всех оптических каналов, можно получить оценку расстояния до элемента сцены относительно инструмента. Работа системы получения трехмерных изображений, которую обеспечивает заявленный инструмент, представляет собой стереоскопическую съемку изображений.

Изобретение относится к устройству для получения многоспектральных изображений, которое включает в себя многоканальный монолитный оптический компонент, позволяющий разделять падающий световой пучок на множество выходящих пучков, которые отклоняются в разных направлениях. Устройство содержит многоканальный монолитный оптический компонент, который образован участком прозрачного материала между двумя противоположными сторонами указанного компонента. Одна из двух сторон образована первой преломляющей поверхностью, а другая сторона содержит несколько расположенных рядом друг с другом вторых преломляющих поверхностей. Каждый оптический канал компонента образован одной из вторых преломляющих поверхностей в комбинации с соответствующим участком первой преломляющей поверхности. Такой компонент подходит для того, чтобы быть внутри инструмента частью модуля детектирования с множеством оптических каналов, расположенных параллельно, и с матричным фотодетектором, который является общим для оптических каналов. Такой модуль детектирования может быть достаточном компактным, чтобы его можно было встроить в холодный экран криостата, улучшающий его охлаждение, и может быть использован в сочетании с объективом, чтобы образовать инструмент с множеством оптических каналов. Технический результат – упрощение конструкции устройства. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (100) получения многоспектральных изображений с множеством оптических каналов, имеющий поле зрения, которое является общим для указанных оптических каналов, оптические каналы расположены параллельно, каждый между оптическим входом (Е₂₀) устройства получения многоспектральных изображений, общим для указанных оптических каналов, и матричным фотодетектором (14), тоже общим для оптических каналов, с участком (14а, 14b,…) указанного матричного фотодетектора, выделенным для каждого оптического канала инструмента отдельно от каждого другого оптического канала,

при этом указанное устройство (100) получения многоспектральных изображений содержит многоканальный монолитный оптический компонент (1), который образован участком материала, прозрачного для используемого излучения, причем указанный участок заключен между двумя сторонами компонента, каждая из которых обращена в сторону, противоположную другой стороне, таким образом, что излучение, падающее на одну из двух сторон, проходит через указанный участок между двумя сторонами и выходит через другую сторону,

при этом первая из двух сторон компонента (1) образована первой преломляющей поверхностью (S₁), которая имеет оптическую ось (А₁),

другая сторона компонента (1), называемая второй стороной, содержит множество вторых преломляющих поверхностей (S₂), которые расположены рядом друг с другом без перекрывания на указанной второй стороне, при этом каждая вторая преломляющая поверхность имеет другую оптическую ось (А₂), отделенную от каждой другой второй преломляющей поверхности, при этом оптическая ось по меньшей мере одной из вторых преломляющих поверхностей смещена относительно оптической оси (А₁) первой преломляющей поверхности (S₁),

вторые преломляющие поверхности (S₂) распределены на второй стороне компонента (1) таким образом, что световой луч, проходящий через первую преломляющую поверхность (S₁), выходит из компонента через не более чем одну из вторых преломляющих поверхностей, при этом каждая вторая преломляющая поверхность образует с соответствующим участком первой преломляющей поверхности оптический канал пропускания, который отделен от каждой другой второй преломляющей поверхности,

при этом соответствующие значения кривизны первой преломляющей поверхности (S₁) и каждой второй преломляющей поверхности (S₂) компонента (1) являются ненулевыми по меньшей мере в одной соответствующей точке каждой из первой и вторых преломляющих поверхностей, поэтому каждая из первой и вторых преломляющих поверхностей изменяет индивидуально схождение пучка излучения, проходящего через указанную первую или вторую преломляющую поверхность в соответствующей точке с ненулевой кривизной,

при этом каждый оптический канал оптического компонента (1), в котором оптическая ось (А₂) второй преломляющей поверхности (S₂) смещена относительно оптической оси (А₁) первой преломляющей поверхности (S₁), показывает ненулевую силу призматического отклонения, которая является эффективной для пучка излучения, пропускаемого этим оптическим каналом между двумя сторонами компонента, и значение и/или ориентация указанной силы призматического отклонения различны по меньшей мере для двух оптических каналов компонента,

при этом многоканальный монолитный оптический компонент (1) расположен таким образом, что каждый оптический канал пропускания указанного компонента выделен для одного из оптических каналов устройства (100) получения многоспектральных изображений,

устройство (100) получения многоспектральных изображений также содержит объектив (20) и модуль (10) детектирования с множеством оптических каналов (1а, 1b,…), при этом объектив содержит по меньшей мере одну линзу (21-23), общую для всех оптических каналов модуля детектирования, при этом модуль детектирования содержит оптический компонент (1) и матричный фотодетектор (14) и связан с объективом таким образом, что указанный оптический компонент находится в выходном зрачке объектива, и таким образом, что сцена, находящаяся в поле зрения устройства получения многоспектральных изображений, отображается через объектив и оптический компонент для каждого оптического канала на матричном фотодетекторе.

2. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по п. 1, в котором соответствующие значения кривизны первой преломляющей поверхности (S₁) и каждой второй преломляющей поверхности (S₂) монолитного оптического компонента (1) являются такими, что отдельно для каждого оптического канала компонент имеет ненулевую оптическую силу, которая является эффективной для пучка излучения, пропускаемого указанным оптическим каналом между двумя сторонами компонента.

3. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере одна поверхность из первой преломляющей поверхности (S₁) и вторых преломляющих поверхностей (S₂) монолитного оптического компонента (1) является несвязанной поверхностью, то есть не имеет оси симметрии вращения и не имеет центра симметрии.

4. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из предыдущих пунктов, в котором два из оптических каналов оптического компонента (1), в которых соответствующие оптические оси (А₂) вторых преломляющих поверхностей (S₂) смещены симметрично относительно оптической оси (А₁) первой преломляющей поверхности (S₁), имеют равную оптическую силу, а сила призматического отклонения является равной по абсолютной величине, но ориентирована симметрично относительно указанной оптической оси первой преломляющей поверхности.

5. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из предыдущих пунктов, в котором вторые преломляющие поверхности (S₂) монолитного оптического компонента (1) расположены рядом друг с другом на второй стороне компонента, образуя матрицу 2 × 2, 2 × 3, 3 × 3, 3 × 4 или 4 × 4.

6. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из предыдущих пунктов, также содержащий по меньшей мере один из следующих элементов:

- ограничитель (15) углового поля, выполненный с возможностью фильтровать световые лучи, проходящие через монолитный оптический компонент (1), в зависимости от их наклона по отношению к оптической оси (А₁) первой преломляющей поверхности (S₁) указанного компонента таким образом, чтобы наклоны световых лучей, падающих на указанный оптический компонент, были выборочно меньше порогового значения наклона, определенного ограничителем углового поля,

- по меньшей мере один набор разделительных стенок (19), расположенных между монолитным оптическим компонентом (1) и матричным фотодетектором (14), чтобы изолировать излучение, пропускаемое разными оптическими каналами (1а, 1b,…); и

- маску (15’) с отверстиями, при этом указанная маска имеет одно отверстие на каждый оптический канал (1а, 1b,…), чтобы ограничивать поперечное сечение указанного оптического канала и/или чтобы закрывать зоны монолитного оптического компонента (1), которые не используются для функции устройства (100) получения многоспектральных изображений по формированию изображения, и/или чтобы исключить паразитные изображения, образованные излучением, не прошедшим через полезные зоны монолитного оптического компонента, и/или чтобы определить соответствующие зрачки оптических каналов устройства получения многоспектральных изображений.

7. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из пп. 1-6, в котором по меньшей мере две из вторых преломляющих поверхностей (S₂) монолитного оптического компонента несут на себе соответствующие спектральные фильтры, по одному фильтру на каждую вторую преломляющую поверхность, при этом указанные фильтры имеют спектральные характеристики фильтрации, различающиеся между двумя из указанных вторых преломляющих поверхностей.

8. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из пп. 1-6, в котором каждый из оптических каналов указанного устройства получения многоспектральных изображений содержит по меньшей мере один фильтр (13а, 13b,…) в дополнение к соответствующему участку (14а, 14b,…) матричного фотодетектора (14) и к соответствующему каналу монолитного оптического компонента (1), при этом указанный фильтр определяет спектральную полосу пропускания указанного оптического канала устройства получения многоспектральных изображений, которая отличается от спектральной полосы пропускания по меньшей мере одного из других оптических каналов устройства получения многоспектральных изображений.

9. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по п. 8, в котором две из вторых преломляющих поверхностей (S₂), связанных с разными фильтрами (13а, 13b,…) в соответствующих оптических каналах, имеют разную кривизну, чтобы компенсировать эффективный продольный хроматизм между двумя длинами волны излучения, каждая из которых пропускается раздельно через один из указанных фильтров.

10. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из предыдущих пунктов, также содержащий комбинацию криостата и холодильной машины, при этом внутри криостата матричный фотодетектор (14) расположен на опоре (16), связанной термически с холодильной машиной, а многоканальный монолитный оптический компонент (1) окружен сбоку экраном (17), который входит в термический контакт с опорой матричного фотодетектора.

11. Устройство (100) получения многоспектральных изображений по любому из предыдущих пунктов, которое образует часть спектрометра или часть системы получения трехмерных изображений.