Способ калибровки пространственной спектральной чувствительности мультиспектральной камеры Российский патент 2024 года по МПК G01J1/42 G01M11/02 

Изобретение относится к методам бесконтактных измерений, а именно методам определения пространственной спектральной чувствительности мультиспектральных камер видимого и ближнего ИК диапазона на основе матричных приемников.

Для качественной обработки данных полученных с мультиспектральных камер необходимо знать спектральную чувствительность матрицы. Решение проблем в указанной области в настоящее время является весьма актуальной задачей в связи с повышением требований к метрологической точности матричных камер. К примеру, одной из важных характеристик в физическом экспериментах по измерению распределения спектральной температуры является знание о пространственной спектральной чувствительности матричного приемника излучения [Булатов К.М., Зинин П.В., Мачихин А.С. и Кутуза И.Б. Мультиспектральная камера для динамических измерений распределения высоких температур на поверхности твердых тел. «СВЕТОТЕХНИКА». 2022. №5. С. 67-70].

Известен способ формирования цвета на основе одновременного управления интенсивностью излучения нескольких светодиодных источников [RU 2476765 С2] и пространственного совмещения световых пучков от этих источников. К недостаткам такого способа управления относятся ограниченное число спектральных каналов и, как следствие, невозможность воспроизведения узкоспектрального излучения, а также неоднородность направленного пучка из-за наличия множества излучателей.

Изобретение [RU 94 037 473 А1] относится к медицинской технике, а именно к аномалоскопам, предназначенным для точной и объективной оценки качества цветового зрения. Воспроизведение заданного цвета в таких устройствах может быть реализовано за счет механического переключения светофильтров что приводит к ограниченному число спектральных каналов, сложность сборки и юстировки, значительные габариты и пр.

Имитатор спектральной зависимости световых сигналов [RU 196522 U1], дополнительно содержит раздельные источники света, каждый из которых излучает на своей фиксированной длине волны, имитируя в совокупности спектр солнечного излучения. Недостатком данного устройства является сложность создания однородного поля, невозможность изменения спектрального диапазона.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования спектра на основе фильтрации электромагнитного излучения осуществляется акустооптическим АО фильтром [RU 2786365]. К недостаткам такого способа относятся отсутствие эталонного канала, как следствие, невозможность произведение калибровки, значительный дрейф луча относительно камеры из-за использования одиночного АО фильтра.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Технический результат - возможность быстрой и автоматической пространственной спектральной калибровки мультиспектральных камер, как в параллельных, так и в сходящихся пучках с использованием одного широкополосного источника излучения без механического сканирования. А также возможность получения спектральной характеристики от угла наклона матрицы камеры к параллельному пучку излучения.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ, состоящий в формировании коллимированного пучка широкополосного электромагнитного излучения видимого диапазона известного спектрального состава, выделении из него спектральных интервалов, положения которых и их коэффициент пропускания обеспечивают заданные спектральные характеристики. Их регистрация осуществляется мультиспектральной камерой и эталонным приемником излучения. Спектральная фильтрация осуществляется за счет дифракции Брэгга, с помощью двойного АО фильтра за счет возбуждения акустических волн. Переход калибровки в коллимированных пучках к сходящимся пучкам обеспечивается за счет смещения линз. Привязка спектральной чувствительности мультиспектральной камеры к зависимости от угла обеспечивается применением автоматического гониометра. Однородность излучения обеспечивается за счет использования источника света на основе плоского излучателя и возможности его автоматического смещения во время процесса калибровки.

Технический результат также достигается за счет создания установки, реализующей способ измерения спектральных характеристик камер в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах [К.М. Bulatov 1, P.V. Zinin 1, A.A. Bykov 1, I.V. Malykhina, RGB color camera for dynamical measurements of high temperature distribution on a surface of the heated solid // Computer Optics, 2023, Vol. 47(1)]

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показана принципиальная схема установки калибровки пространственной спектральной чувствительности мультиспектральной матричной камеры: 1 - источник питания; 2 - двухкоординатный автоматический столик 3 -широкодиапазонный источник излучения на основе плоской лампы со смотровым окном лампа модели; 4 - коллимирующая линза; 5 - двойной изображающий акустооптический фильтр; 6 - светоделитель или откидывающиеся зеркало; 7 - собирающая линза; 8 - калибруемая мультиспектральная камера установленная на автоматическом гониометре 9; 10 - юстировочное зеркало; 11 - собирающая линза; 12 устройство связывающее две линзы и позволяющее убирать их из оптической системы при необходимости; 13 - эталонный приемник излучения. Спектры показывают состав излучения.

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: широкополосного источника света; коллимирующий оптической системы, обеспечивающей светоэнергетическое сопряжение источника света и двойного АО фильтра; светоделителя разделяющего вышедшее из двойного АО фильтра излучения; формирующей оптической системы и эталонного приемника излучения и калибруемого мультиспектрального приемника. Юстировка излучения, падающего на формирующую оптическую систему и приемника излучения осуществляется зеркалом. Калибруемый мультиспектральный приемник установлен на автоматический поворотный столик. Перемещение источника излучения осуществляется при помощи автоматизированного координатного столика. Питание источника излучения осуществляется блоком питания. Извлечение линз осуществляется при помощи держателя.

Отличием изобретения является то, что спектральная фильтрация осуществляется с помощью двойного АО фильтра, работающего в монохроматическом режиме за счет возбуждения одной акустической волны, параметры (частоты и амплитуды) которых определяют положения и интенсивность выделяемых спектральных каналов. Это позволяет исключить подвижные части, сопряжения нескольких источников излучения. В результате устройство на основе предлагаемого метода отличается компактностью, простотой сборки и юстировки, отсутствием подвижных элементов, полным программным управлением и возможностью работы в автоматическом режиме калибровки мультиспектральной камеры.

Система работает следующим образом.

В случае калибровки камеры с линзой 7: Пользователь выставляет спектральный диапазон излучения, на котором необходимо провести калибровку камеры, посредством устройства управления двойного АО фильтра 5. Устанавливается широкополосный источник света 3 с известным спектром электромагнитного излучения видимого и ИК диапазона на моторизированный столик 2. Питание источника излучения 3 осуществляется источником постоянного тока 1. Посредством моторизированного столика 2, производится установка широкополосного источника излучения 3 в фокус оптической системы 4. Направляют пучок, сформированный оптической системой 4, на двойной АО фильтр 5. После одночастотной АО дифракции на выходе двойного АО фильтра 5 появляются отфильтрованный пучок электромагнитного излучения, который с помощью светоделительного куба 6 направляется на юстировочное зеркало 10 и линза 11. Линза 11 фокусирует излучение на матрицу приемника 13 с известной спектральной чувствительностью. Путем перестройки двойного АО фильтра 5 и измерением пришедшего излучения камерой 13 пользователем проводится калибровка оптической системы, состоящей из элементов 4, 5, 6, 11. Одновременно происходит калибровка и мультиспектральной камеры 8, т.к. часть излучения проходит через светоделительный куб 6 с известными спектральными параметрами и попадает на линзу 7 и линзу 11.

В случае отсутствия линзы 11, измерения выполняются последовательно. Сначала вместо линзы 7 устанавливается линзу 11, после производится калибровка оптической системы, состоящей из элементов 4, 5, 6, 11. Далее линза 11 устанавливается на свое место, перед мультиспектральной камерой и проводится повторная калибровка с учетом оптической системы с линзой 11.

В случае калибровки камеры с использование коллимированого луча: Пользователь выставляет спектральный диапазон излучения, на котором необходимо провести калибровку камеры, посредством устройства управления двойного АО фильтра 5. Устанавливается широкополосный источник света 3 с известным спектром электромагнитного излучения видимого и ИК диапазона на моторизированный столик 2. Питание источника излучения 3 осуществляется источником постоянного тока 1. Посредством мотризированого столика 2, производится установка широкополосного источника излучения 3 в фокус оптической системы 4. Направляют пучок, сформированный оптической системой 4, на двойной АО фильтр 5. После одночастотной АО дифракции на выходе двойного АО фильтра 5 появляются отфильтрованный пучок электромагнитного излучения, который с помощью светоделительного куба 6 направляется на юстировочное зеркало 10 и на матрицу приемника 13, с известной спектральной чувствительностью. Линзы 7 и 11, посредством оправы 12 извлекаются из оптического пути излучения. Путем перестройки двойного АО фильтра 5 и измерением пришедшего излучения камерой 13 пользователем проводится калибровка оптической системы состоящей из элементов 4, 5, 6. Одновременно происходит калибровка и мультиспектральной камеры 8, т.к. часть излучения проходит через светоделительный куб 6 с известными спектральными параметрами и на матричный приемник 8.

В случаи необходимости калибровки чувствительной от угла падения излучения. Производится автоматический поворот камеры на углы заданные пользователем, на каждом из которых производится калибровки камеры с использование коллимированого луча.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа калибровки пространственной спектральной чувствительности мультиспектральной камеры. Способ включает формирование коллимированного пучка широкополосного электромагнитного излучения и выделение из него узких спектральных интервалов. Регистрацию излучения осуществляют мультиспектральной камерой и эталонным приемником излучения. В качестве источника излучения используют источник излучения на основе плоского излучателя, выполненного с возможностью его автоматического смещения во время процесса калибровки Спектральную фильтрацию излучения осуществляют двойным акустооптическим фильтром. Переход между калибровкой в коллимированных пучках к сходящимся пучкам обеспечивают за счет механического смещения оптических систем. Измерение спектральной чувствительности мультиспектральной камеры к зависимости от угла выполняют с использованием автоматического гониометра. Технический результат заключается в обеспечении возможности быстрого автоматического измерения пространственной спектральной чувствительности мультиспектральных камер как в параллельных, так и в сходящихся пучках, а также в зависимости от угла наклона матрицы камеры к параллельному пучку излучения. 1 ил.

Способ калибровки пространственной спектральной чувствительности мультиспектральной камеры, заключающийся в формировании коллимированного пучка широкополосного электромагнитного излучения видимого и ИК диапазонов, известного спектрального состава; пространственной спектральной фильтрации электромагнитного излучения видимого и ИК диапазонов, производимой с изменяющимся коэффициентом пропускания; формировании сфокусированного или коллимированного пучка электромагнитного излучения на матрице спектральной камеры; сравнении сигналов от эталонного приемника и мультиспектральной видеокамеры; возможности получения спектральной чувствительности от угла падающего излучения на мультиспектральную камеру, отличающийся использованием теплового источника излучения с известной спектральной плотностью; однородностью излучения, которая обеспечивается за счет использования источника света на основе плоского излучателя и возможности его автоматического смещения во время процесса калибровки; использованием двойного акустооптического фильтра для выделения из излучения с известной спектральной плотностью спектральных интервалов, положения которых и коэффициент пропускания обеспечивают заданные спектральные характеристики, спектральная фильтрация осуществляется за счет дифракции Брэгга с помощью двойного АО фильтра за счет возбуждения акустических волн; разделением пучков с одновременной или последовательной регистрацией их мультиспектральной камерой и эталонным приемником излучения; переходом между калибровкой в коллимированных пучках к сходящимся пучкам, обеспечивающимся за счет механического смещения оптических систем; привязкой спектральной чувствительности мультиспектральной камеры к зависимости от угла обеспечивается применением автоматического гониометра.