Видеоспектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра Российский патент 2023 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к области технической физики, а именно - оптических методов контроля и может быть использовано в различных областях науки и техники.

Известен также (RU, патент 2258206, опубл. 10.08.2005) акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений, содержащий первый акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным, и элемент для компенсации дисперсии, установленный по ходу светового луча за первым акустооптическим фильтром, причем выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом элемента для компенсации дисперсии, причем в качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным с геометрической формой и с кристаллом, идентичными упомянутому первому акустооптическому фильтру, причем второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого акустооптического фильтра.

Известен (RU, патент 2569907, опубл. 10.12.2015) акустооптический спектрополяриметр изображений, содержащий установленный после оптической системы телескопа в сходящемся световом пучке со сходимостью 1/10-1/20 акустооптический фильтр на основе анизотропного кристалла парателлурита с геометрией акустооптического взаимодействия, при которой имеет место одновременная дифракция ортогонально поляризованных изображений наблюдаемого объекта, причем акустооптический фильтр расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее; в фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием, при этом более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала, имеющего центральное отверстие, через которое проходят пучки +1 и -1 порядков дифракции, совпадает с фокальной плоскостью телескопа; далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков дифракции отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются, после чего в более коротком фокусе при вершине эллиптического зеркала на одной ПЗС-матрице формируются два ортогонально поляризованных спектральных изображения наблюдаемого объекта, смещенные относительно друг друга в плоскости дифракции; в центральном отверстии эллиптического зеркала расположена диафрагма, перекрывающая пучок 0 порядка дифракции.

Недостатком всех известных устройств следует признать значительные габаритные размеры и массу, а также невысокое качество изображения.

Техническая проблема, решаемая использованием разработанного устройства, состоит в расширении ассортимента средств оптического контроля.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в уменьшении массы и габаритных размеров, а также повышении качества изображения, что позволяет расширить его область применения.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство. Видеоспектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра разработанной конструкции содержит черно-белую видеокамеру видимого и ближнего ИК диапазонов спектра с кремниевым матричным приемником излучения, входной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображений, акустооптический перестраиваемый фильтр, выходной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве объектов, модуль согласования, модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром и модуль питания с встроенным USB концентратором, причем выходы модуля питания подключены к соответствующим входам видеокамеры, модуля управления акустооптическим перестраиваемым фильтром, входной объектив установлен перед акустооптическим перестраиваемым фильтром с возможностью построения промежуточного изображения внутри акустооптического перестраиваемого фильтра, выходной объектив установлен за акустооптическим перестраиваемым фильтром с возможностью проектирования промежуточного изображения из акустооптического перестраиваемого фильтра на матричный приемник излучения видеокамеры, модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром подключен к модулю согласования, который, в свою очередь, подключен к пьезопреобразователю акустооптического перестраиваемого фильтра.

Акустооптический перестраиваемый фильтр установлен в телецентрических пучках лучей с возможностью построения промежуточного изображения как внутри акустооптического перестраиваемого фильтра, так и вблизи одной из его оптических поверхностей, что в свою очередь обеспечивает малые габаритные размеры и массу, а также высокое качество изображения видеоспектрометра.

Оптическая схема видеоспектрометра выполнена таким образом, что акустооптический перестраиваемый фильтр может быть установлен в видеоспектрометр без поляризационных фильтров, а нерабочий порядок дифракции подавляется апертурной диафрагмой выходного объектива видеоспектрометра.

Видеокамера обеспечивает прием и фиксацию видеопотока и отдельных изображений в спектральном диапазоне от 450 до 870 нм. Передача цифрового видеосигнала происходит по интерфейсу USB.

Акустооптический перестраиваемый фильтр(АОПФ) обеспечивает прохождение оптического излучения в узком перестраиваемом спектральном диапазоне на матричный приемник излучения (МПИ) видеокамеры. Значение номинальной длины волны пропускаемого узкого спектрального диапазона задается частотой высокочастотного (ВЧ) электрического сигнала подаваемого с модуля управления АОПФ на пьезопреобразователь АОПФ. Электрическое согласование входного сопротивления АОПФ реализуется с помощью модуля согласования.

Модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром выполнен с возможностью установки произвольной номинальной длины волны пропускаемого узкого спектрального диапазона в любой последовательности из диапазона от 450 до 870 нм. При этом он также:

- оценивает собственную температуру АОПФ;

- синхронизирует выдачу ВЧ электрического сигнала на пьезопреобразователь АОПФ с моментом экспозиции видеокамеры;

- производит информационный обмен по интерфейсу USB с управляющим персональным компьютером (ПК).

В основе модуля управления лежит микроконтроллер. ВЧ электрический сигнал заданной частоты формируется методом прямого цифрового синтеза от опорного генератора частотой 1ГГц. Требуемая выходная мощность обеспечивается двухкаскадным усилителем. Использование метода прямого цифрового синтеза позволяет управлять мощностью выходного ВЧ электрического сигнала с шагом, равным 0,001 от максимальной выходной мощности. Управление работой модуля управления АОПФ осуществляется по интерфейсу USB оператором с использованием программного обеспечения, установленного на ПК.

Модуль питания обеспечивает преобразование входного напряжения постоянного тока номинала 24 В в напряжение питания, необходимое для каждого элемента устройства. Встроенный в модуль питания USB концентратор позволяет обеспечить управление устройством, а также передачу цифрового видеосигнала от видеокамеры по одному физическому интерфейсу.

Изобретение относится к области спектральных измерений и касается видеоспектрометра видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазонов спектра. Видеоспектрометр содержит видеокамеру видимого и ближнего ИК диапазонов спектра с кремниевым матричным приемником излучения, входной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображений, акустооптический перестраиваемый фильтр, выходной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве объектов, модуль согласования, модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром и модуль питания с встроенным USB концентратором. Входной объектив выполнен с возможностью построения промежуточного изображения внутри акустооптического перестраиваемого фильтра. Выходной объектив установлен за акустооптическим перестраиваемым фильтром с возможностью проектирования промежуточного изображения из акустооптического перестраиваемого фильтра на матричный приемник излучения видеокамеры. Технический результат заключается в уменьшении массы и габаритных размеров устройства, а также в повышении качества изображения. 6 з.п. ф-лы.

1. Видеоспектрометр видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазонов спектра, характеризуемый тем, что он содержит видеокамеру видимого и ближнего ИК диапазонов спектра с кремниевым матричным приемником излучения, входной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве изображений, акустооптический перестраиваемый фильтр, выходной объектив с телецентрическим ходом лучей в пространстве объектов, модуль согласования, модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром и модуль питания с встроенным USB концентратором, причем выходы модуля питания подключены к соответствующим входам видеокамеры, модуля управления акустооптическим перестраиваемым фильтром, входной объектив установлен перед акустооптическим перестраиваемым фильтром с возможностью построения промежуточного изображения внутри акустооптического перестраиваемого фильтра, выходной объектив установлен за акустооптическим перестраиваемым фильтром с возможностью проектирования промежуточного изображения из акустооптического перестраиваемого фильтра на матричный приемник излучения видеокамеры, модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром подключен к модулю согласования, который, в свою очередь, подключен к пьезопреобразователю акустооптического перестраиваемого фильтра.

2. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что акустооптический перестраиваемый фильтр установлен в телецентрических пучках лучей с возможностью построения промежуточного изображения как внутри акустооптического перестраиваемого фильтра, так и вблизи одной из его оптических поверхностей, что, в свою очередь, обеспечивает малые габаритные размеры и массу, а также высокое качество изображения видеоспектрометра.

3. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическая схема видеоспектрометра выполнена таким образом, что акустооптический перестраиваемый фильтр установлен в видеоспектрометр без поляризационных фильтров, а нерабочий порядок дифракции подавляется апертурной диафрагмой выходного объектива видеоспектрометра.

4. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что модуль управления акустооптическим перестраиваемым фильтром выполнен с возможностью установки произвольной номинальной длины волны пропускаемого узкого спектрального диапазона в любой последовательности из диапазона от 450 до 870 нм.

5. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что модуль управления выполнен на основе микроконтроллера.

6. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что модуль питания выполнен с возможностью преобразования входного напряжения постоянного тока номинала 24 В в напряжение питания, необходимое для каждого элемента устройства.

7. Видеоспектрометр по п. 1, отличающийся тем, что встроенный в модуль питания USB концентратор выполнен с возможностью управления видеоспектрометром, а также передачи цифрового видеосигнала от видеокамеры по одному физическому интерфейсу.