Широкополосный спектрозональный анализатор

 

Использование: устройства для исследования пространственно-спектральных свойств неоднородных макро- и микрообъектов. Сущность изобретения: применение в данном устройстве световолоконного оптического преобразователя двумерной системы координат в одномерную с кольцевой укладкой выходного торца, сканированием полученного одномерного пространства вращающимся сканером позволяет увеличить быстродействие анализатора, а специальная укладка волокон в выходном торце дает возможность непосредственно измерять абсолютную яркость объекта. 8 з.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для определения спектрального состава излученного или рассеянного света преимущественно пространственно неоднородных объектов.

Например: для определения координат и спектральных свойств одновременно нескольких объектов в поле зрения прибора; для определения длины волны, соответствующей максимальному контрасту объекта на изменяющемся фоне окружающей обстановки; для поиска источников загрязнения атмосферы или водной среды по распределению концентрации загрязняющих веществ, а также мест утечки в трубопроводах, емкостях или ином технологическом оборудовании, исследования спектральных свойств других пространственно неоднородных макро- и микрообъектов.

Известен сканирующий тепловизор AGA THW 6805W (LW) (Ж. Гроссорг, "Инфракрасная термография. Основы, техника, применение", Издательство "Мир", Москва, 1988 г. стр. 312), который содержит объектив, призмы двухкоординатного сканера, промежуточную оптику, одноэлементный охлаждаемый фотоприемник, систему обработки сигнала, видеоконтрольное устройство. Прибор обладает относительным пространственным разрешением 70 * 135 элементов, выпускается в двух модификациях на 3,5-5,5 мкм или 8-12 мкм, но не позволяет получать спектральные характеристики объекта. Тепловизор имеет низкое быстродействие из-за наличия быстровращающихся тяжелых призм. Частота кадров составляет 16 Гц. Кроме того тепловизор предназначен для измерения контраста объектов, а измерения абсолютных яркостей связано с необходимостью введения дополнительных электромеханических средств коррекции состояния прибора.

Наиболее близким по технической сущности является "Широкополосный спектрометр с волоконно-оптическим преобразователем" (Патент США, N 4678332, МКИ G 01 J 3/18, 7 июля 1987 г.), позволяющий отображать на матричном фотоприемном устройстве (ФПУ) одновременно пространственную и спектральную информацию о неоднородных объектах.

Такая возможность получается за счет применения волоконно-оптического преобразователя, в котором двумерная координата каждого волокна в прямоугольном входном торце соответствует определенному номеру в однорядной линейной укладке выходного торца. Выходной торец служит одновременно входной щелью спектрометра, а выходной плоскости которого помещена матрица ФПУ. Дисперсия прибора подобрана так, чтобы разместить по ширине матрицы заданный спектральный диапазон. Таким образом в каждом столбце матрицы содержится монохроматическое изображение объекта с числом элементов разложения, равном числу волокон в преобразователе, а номер столбца соответствует определенной длине волны данного монохроматического изображения.

Важным преимуществом схемы является высокое быстродействие, определяемое временем опроса элементов матрицы.

Недостатком схемы следует считать невысокую пространственную разрешающую способность, а также технологическую неидентичность характеристик элементов, приводящую к снижению обнаружительной способности прибора при малом контрасте объекта. Увеличение числа волокон в преобразователе с целью увеличения относительного пространственного разрешения, то есть числа элементов разложения в поле зрения прибора, а следовательно высоты входной щели спектрометра приводит к прогрессирующему возрастанию аберраций типа астигматизма и кривизны линий, что ухудшает в данной схеме одновременно и пространственное и спектральное разрешение прибора. Эти искажения быстро возрастают при увеличении относительного отверстия фокусирующей оптики спектрометра и, таким образом, ограничивают светосилу устройства.

Целью изобретения является увеличение информационной способности прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном спектрозональном анализаторе с волоконно-оптическим преобразователем, включающем последовательно расположенные по ходу излучения собирающую оптику, волоконно-оптический преобразователь, спектрометр, фотоприемное устройство и систему обработки сигналов выходные торцы волокон преобразователя уложены таким образом, что образуют осесимметричную кольцевую структуру, между выходным торцом преобразователя и входной диафрагмой спектрометра размещено оптико-механическое светокоммутирующее устройство, в волоконно-оптический преобразователь введены дополнительные волокна, положение которых в выходном торце преобразователя соответствует началу каждой строки прямоугольного входного торца преобразователя, а входные торцы дополнительных волокон оптически связаны с источником реперного сигнала, фотоприемное устройство выполнено в виде одноэлементного ФПУ или линейки ФПУ.

С целью увеличения поля зрения количество волокон в преобразователе пропорционально увеличивается, а волокна выходного торца образуют многорядную структуру.

С целью получения возможности измерения абсолютной яркости объекта волокна выходного торца преобразователя уложены в один ряд с шагом, равным диаметру волокна.

С целью упрощения технологии сборки или обеспечения скрытности передачи информации укладка волокон выходного торца может быть неупорядоченной.

Светокоммутирующее устройство выполнено в виде отрезка волоконного световода, изогнутого и закрепленного на элементе вращения (роторе сканера).

С целью согласования апертуры входного объекта и спектрометра коммутирующий световод выполнен из волокна переменного сечения (фокон).

С той же целью светокоммутирующее устройство может быть выполнено в виде блока отражающих и фокусирующих элементов, размещенных на роторе сканера.

Светокоммутирующее устройство может быть выполнено в виде планарного интегрального световода.

С целью расширения рабочей спектральной области прибора линейка фотоприемников может быть выполнена в виде набора чередующихся элементов, чувствительных к излучению из разных порядков спектра дифракционной решетки спектрометра.

На чертеже изображена оптическая схема широкополосного спектрозонального анализатора, где собирающая оптика 1, входной торец волоконно-оптического преобразователя 2, выходной торец преобразователя 3, светокоммутирующее устройство (сканер) 4, входная диафрагма спектрометра 5, диспергирующая система спектрометра 6, фотоприемное устройство 7, система обработки сигналов 8, дополнительные волокна для строчных и кадровых импульсов 9, источник формирования оптических реперных сигналов 10.

Спектрозональный анализатор с волоконно-оптическим преобразователем работает следующим образом.

Изображение объекта исследования проецируется собирающей оптикой (1) с фокусным расстоянием F на входной торец (2) волоконного световода, например квадратной формы со стороны d и числом волокон F. Поле зрения прибора ω = d/F, угловое пространственное разрешение δω=t/F, где t диаметр волокон световода. Выходные торцы волокон световода укладываются последовательно строка за строкой на кольцевом статоре преобразователя (3). Таким образом двумерная координата изображения объекта на входном торце преобразуется в одномерную на выходном торце, а процедура сканирования пространства сводится к простому вращению светокоммутирующего элемента (4). Пространственное разрешение прибора определяется количеством элементов разложения, то есть числом волокон преобразователя. В прототипе число волокон ограничено высотой щели спектрометра, которая из соображений аберраций типа астигматизма не может быть больше чем 30-40 мм, в предлагаемом же устройстве длина линейной укладки L=πD, где D диаметр выходного торца преобразователя, ограниченный габаритами прибора, что дает число элементов разложения пространства на порядок выше чем в прототипе.

Для увеличения поля зрения прибора (по п.2 формулы) можно увеличить общее число волокон в преобразователе, а укладку выходного торца выполнить многорядной. При этом уменьшится пространственное и спектральное разрешение. Однако в частном случае двухрядной укладки волокон в шахматном порядке можно сохранить эти параметры, если использовать светокоммутирующее устройство по п. 7, а входную диафрагму спектрометра выполнить в виде щели высотой 2t и шириной 0,5t, где t толщина волокна.

Предлагаемая по п.3 схема укладки выходного торца преобразователя позволяет сравнительно просто решить проблему измерения распределения абсолютной яркости объекта. Укладка в один ряд с шагом, равным диаметру волокна при сканировании создает между любой парой волокон оптический "0", от которого можно отсчитывать абсолютную яркость объекта в очередной точке пространства. Абсолютная привязка достигается тем, что строчные синхроимпульсы, передаваемые по дополнительным волокнам (9) калиброваны по амплитуде, так как волокна оптически связаны с эталонным источником света (10).

Для упрощения сборки волоконного преобразователя или обеспечения скрытности передачи ин формации укладку волокон выходного торца можно делать неупорядоченной, а восстановление подлинного пространственного распределения возложить на компьютер в системе обработки сигнала (8), который после воспроизведения специального тест-объекта запоминает однозначное соответствие между координатами торцов каждого волокна в входном и выходном торцах преобразователя.

Светокоммутирующее устройство (4) (сканер) выполнено таким образом, что пучок света из каждого коммутируемого волокна выводится на ось вращения сканера и может быть использован для дальнейшего анализа или для непосредственной регистрации с помощью одноэлементного ФПУ. На этом завершается пространственный анализ объекта. В заявляемом устройстве сканер передает излучение последовательно от всех точек изображения объекта в спектрометр для второго этапа анализа спектрального.

Выбор конструкции сканера зависит от технологических возможностей изготовления.

Наилучший результат дает вариант по п.8, поскольку планарная, дисковая конструкция имеет минимальный дебаланс, а интегральная технология обеспечивает максимальную точность и воспроизводимость конструкции.

Наиболее громоздка конструкция по п.7, однако в ней наиболее просто реализуется возможность абсолютных измерений (см. п.3), легче согласовать апертуры объектива и спектрометра, а кроме того, она наименее критична к торцевым биениям сканера.

Согласование апертур объектива и спектрометра можно достичь также по варианту п. 6, по которому светокоммутирующее устройство выполнено из волокна переменного сечения (фокона). В прототипе для реализации такой возможности предлагается изготовить весь преобразователь из волокон переменного сечения, в заявляемом устройстве только коммутирующий световод.

Независимо от конструкции волоконного преобразователя и сканера заявляемое устройство обладает важным преимуществом сканирующего одноэлементного тепловизора перед матричным, а именно более высокую обнаружительную способность при малом контрасте объекта на окружающем фоне, поскольку современная технология позволяет обеспечить идентичность пропускания волокон световода с большей точностью, чем идентичность чувствительности элементов матричного ФПУ.

Спектрометр, также как в прототипе, построен по известной схеме, но его входная диаграмма близка по размеру к диаметру волокон преобразователя, то есть представляет собой малоразмерный, практически точечный источник света. В этом случае создаются наиболее благоприятные условия для увеличения спектральной разрешающей способности и/или светосилы прибора, поскольку отсутствуют аберрации внеосевого пучка типа астигматической кривизны линий и кривизны поля, свойственные спектрометром с входной диафрагмой в виде высокой щели. Для увеличения пространственного разрешения или поля зрения требуется увеличить количество волокон в преобразователе. В прототипе это означает увеличение высоты щели, что приводит к потере не только спектрального, но и пространственного разрезания анализатора, так как оба вида информации отображаются оптикой спектрометра на матрицу ФПУ.

В предлагаемой схеме спектрометр в принципе не может ухудшить пространственное разрешение, поскольку пространственный анализ полностью завершен на выходе сканера.

Излучение, прошедшее через входную диафрагму спектрометра (5) разлагается диспергирующей системой (6) в плоскости выходной диафрагмы (7). Спектр представляет собой ряд монохроматических изображений входной диафрагмы, расположенных в одну линию. Поскольку входная диафрагма представляет собой малоразмерный источник света, то в качестве приемника излучения можно использовать малоразмерный фотоприемник или линейку таких фотоприемников, что выгодно с точки зрения увеличения детектирующей способности прибора.

В процессе пространственного сканирования яркость всех монохроматических изображений изменяется одновременно и строго пропорционально, следовательно в процессе пространственного сканирования не будет возникать дополнительного запаздывания спектральной информации, что имеет место в прототипе при последовательном электронном сканировании элементов матрицы.

Если по условию применения прибора достаточно получать изображение объекта на одной длине волны, то в качестве приемника используется одноэлементное ФПУ. Для выбора нужной длины волны можно либо поместить приемник в соответствующую точку выходной фокальной плоскости либо повернуть решетку так, чтобы направить на приемник излучения нужной длине волны. Если по условию применения необходимо получать одновременно несколько монохроматических изображений, то в фокальную плоскость нужно поместить линейку фотоприемников с выходом сигнала от каждого из них. Следует подчеркнуть, что каждый элемент линейки ФРУ дает монохроматическое изображение объекта, так что по отношению к пространственному анализу данная система ведет себя как система с одноэлементным приемником. Отсюда следует отмеченная выше возможность более успешной работы с низким уровнем контраста объекта на окружающем фоне по сравнению с матричным ФРУ, то есть с прототипом. Количество элементов m в линейке зависит от требуемого шага по длинам волн одновременно передаваемых монохроматических изображений, требуемой ширины спектрального диапазона, но не должно превышать величины относительного спектрального разрешения m≅ Δλ/δλ, где Dl ширина спектрального диапазона, dl величина разрешаемого спектрального интервала. Последняя зависит от дисперсии спектрометра и диаметра входной диафрагмы, то есть диаметра волокон преобразователя , где δλ/dl величина обратной дисперсии спектрометра. Таким образом, уменьшение диаметра волокон преобразователя пропорционально увеличивает не только пространственное, но и спектральное разрешение анализатора.

Для увеличения ширины спектрального диапазона прибора в заявляемом устройстве по п. 9 применена гибридная линейка с чередованием элементов, чувствительных в разных участках спектра в сочетании с использованием разных порядков дифракции решетки спектрометра. Таким путем можно построить, например, тепловизионный прибор, совмещающий в себе обе модификации тепловизора "AGA THWG80SW" и LW, причем, дающий по несколько монохроматических изображений в каждом из спектральных интервалов с частотой кадров в 5-7 раз более высокой. Расширение полосы спектра в прототипе таким способом весьма сложно, поскольку изготовить гибридную матрицу несравненно более трудно, чем гибридную линейку. В прототипе предлагается ввести либо вторую матрицу в спектрометр с одной диспергирующей системой, что трудно сделать, не ухудшая качества прибора из-за сильной зависимости астигматизма от угла дифракции либо развести сигнал от волоконного преобразователя на два независимых спектрометра, что, очевидно, увеличивает вес и стоимость прибора. Если путем подбора спектральных характеристик приемников не удается достаточно эффективно разделить порядки дифракции решетки, то можно применить любой из разделителей порядков, например простую призму. В случае применения гибридной технологии не важно, что простая призма дает искривление строк высших порядков спектров, нужно просто установить фотоприемник в расчетных точках этой кривой в фокальной плоскости спектрометра.

Система обработки сигнала должна обеспечить его линейное усиление в достаточно широком динамическом диапазоне, достаточную скорость аналого-цифрового преобразования с требуемым амплитудным разрешением, произвести математические операции в реальном масштабе времени и/или записать информацию в подходящее постоянное запоминающее устройство. Оценка потока информации дает при динамическом диапазоне 10 бит порядка 10⁷ бит/сек на один спектральный канал. Эта скорость доступна современным электронным средствам.

Высокую информативность прибора целесообразно использовать для решения динамических задач, например для автоматического поиска оптимальной длины волны, соответствующей наилучшему контрасту объекта в быстро изменяющейся обстановке либо, если имеется запас по времени обработки, осреднять сигналы по методу наименьших квадратов с целью увеличения отношения сигнал/шум, потерянного из-за расширения полосы пропускания быстродействующей системы регистрации. Наконец, ничто не мешает уменьшить скорость вращения до сколь угодно малой величины вплоть до дискретного перемещения сканера шаговым двигателем.

В заявляемом устройстве достаточно просто решается вопрос индикации сигнала, то есть вывода на экран монитора монохроматических изображений, так как на выходе сканера формируется полный видеосигнал с синхроимпульсами строк и кадров, вводимых через дополнительные волокна (9) кольцевой укладки волоконного преобразователя. Синхроимпульсы вводятся от генератора (10), который может представлять собой, например эталонный источник света с уровнем сигнала "чернее черного", по терминологии телевизионной техники. Эти эталонные импульсы можно использовать для абсолютной привязки сигнала, решая таким образом задачу абсолютных измерений совместно со специальной укладкой по п. 3. Простота индикации, а также небольшой вес анализатора позволяет использовать его в качестве поисково-наблюдательного переносного прибора, в котором, например, вручную устанавливается длина волны монохроматического изображения, а запись сигнала ведется в аналоговом виде на видеомагнитофон.

Приведенный пример показывает, что заявляемое устройство обладает при высокой информативности достаточной гибкостью в применении и позволяет создать широкий набор приборов различного назначения. Достаточно высокое пространственное разрешение позволяет использовать прибор в качестве тепловизора, работающего во всей области чувствительности приемника, если нет нужды в монохpоматизации изображения, либо в режиме двухцветного тепловизора с двумя приемниками и наложением порядков дифракции.

Сочетания более высокого пространственного и спектрального разрешения дает возможность более эффективно использовать анализатор по основному назначению прототипа дистанционному анализу газовых облаков. Эти свойства полезны при обнаружении мест утечек газообразных продуктов с узкими полосами поглощения (например, метана), когда при точном совпадении длины волны настройки анализатора с полосой поглощения газа на монохроматическом изображении объекта появляется темное изображение облака, по конфигурации которого можно обнаружить место утечки газа.

Возможно использование прибора и в других режимах. Например, остановив сканер в точке, соответствующей центру поля зрения можно использовать прибор, как весьма узкопольный и быстродействующий анализатор с заданным спектральным разрешением. Его можно нацелить, например, на срез дымовой трубы и вести непрерывный контроль спектрального состава газа.

Можно, наоборот, измерять среднюю яркость объекта путем установки квадратичного интегратора на выходе каждого канала линейки, что полезно для накопления информации о слабосветящихся образованиях. Получить возможность осреднения яркости неоднородных объектов в достаточно широком поле зрения при сохранении высокого спектрального разрешения иными методами затруднительно.

Из вышесказанного видно, что выполнение выходного торца преобразователя в виде кольцевой структуры (однорядной или многорядной) обеспечивает при том же диаметре волокон преобразователя, как в прототипе увеличения поля зрения при заданном пространственном разрешении или с уменьшением толщины волокна - увеличение пространственного и специального разрешения при заданном поле зрения.

Выполнение сканера в виде светокоммутирующего устройства с выводом изображения торцов отдельных волокон преобразователя в одну точку входной фокальной плоскости спектрометра при сохранении направления пучка света позволяет использовать более светосильную оптику в спектрометре при заданной спектральной разрешающей способности либо более дешевую оптику при заданной светосиле благодаря тому, что входной диафрагмой спектрометра является практически точечный источник. Этот же признак дает возможность применить приемники минимальных размеров, то есть с максимальной детектирующей способностью или линейки на основе таких приемников.

Совокупность указанных признаков, в дополнение к сказанному, дает возможность пространственного анализа объекта с помощью одноэлементного приемника, что по сравнению с матрицей позволяет увеличить обнаружительную способность при малом контрасте. Это же относится ко всем монохроматическим изображениям объекта, которые выдает анализатор, если в качестве ФПУ применена линейка фотоприемников.

Совокупность указанных признаков позволила в избранной схеме прибора четко разделить функции пространственного и спектрального анализа, в то время как в прототипе пространственная информация может дополнительно искажаться оптикой спектрометра. Кроме того разделение функций при невысоких требованиях к спектральному разрешению дает возможность резко упростить спектральный канал вплоть до замены его полосовым фильтром. В этом случае спектрозональный анализатор превращается в сканирующий тепловизор с повышенным для данного класса быстродействием за счет упрощения кинематики.

Известно применение пространственного оптического сканирования, например в тепловизионных установках типа "AGA THW680", где сканирование пространства происходит путем синхронного вращения с разными скоростями двух восьмигранных призм, обеспечивающих развертку пространства по двум координатам. Пространственное разрешение в данной системе определяется размером фотоприемной площадки, быстродействие скорость вращения призм и быстродействием фотоприемников. В заявляемом же устройстве сканирование пространства происходит путем простого вращения дискового сканера, что позволяет при том же пространственном разрешении увеличить скорость обзора пространства. Так при скорости вращения строчной призмы тепловизора "AGA" равной 12 тыс.об./мин частота кадров составляет 16 Гц, а при той же скорости вращения ротора сканера в заявляемом устройстве частота кадров составляет 200 Гц, что сравнимо с быстродействием матрицы, применяемой в анализаторе - прототипе. Помимо того, техническая реализация одномерного вращения дискового сканера позволяет сократить вес и габариты прибора по сравнению с призменным сканером.

Сканирующее устройство типа тепловизора "AGA", также как матричное ФПУ прототипа, не позволяет непосредственно измерять распределение абсолютной яркости объекта в то время как светокоммутирующее устройство в заявленной совокупности признаков п.1, 3 позволяет решить эту задачу.

Пример расчета анализатора.

В качестве примера можно привести расчет оптических элементов цветного тепловизора с пространственными характеристиками, близкими к сканирующему тепловизору модели "AGA 782 TW".

Пусть габаритный размер определяется диаметром объектива D_o 100 мм. Того же диаметра кольцевая укладка выходного торца волоконно-оптического преобразователя. Длина выходной укладки L 300 мм. Число разрешаемых элементов пространства N 100 * 100 10 тыс. Толщина волокна t L/N 0,03 мм (при однослойной укладке). Размер входного торца d t * 3 мм. Фокусное расстояние объектива F 200 мм. При этих данных получается величина поля зрения ω = d/F ≈ 1 град., а угловое разрешение δω = t/F≈ 30 угл.секунд..

При скорости вращения сканера n 12 тыс.об./мин частота кадров f_к 200 Гц. Время на обработку сигнала в каждом элементе пространства τ = 1/f_к·1/N≈ 0,7 мксек..

Пусть прибор одновременно выдает изображение на трех длинах волн, соответствующих окнам прозрачности атмосферы: 8-14 мкм; 4,8-5,2 мкм; 3,2-4,2 мкм. Здесь удобно использовать трехэлементный гибридный фотоприемник с чувствительными площадками в виде фотодиодов, например из HgTeCd, InSb, InAs соответственно. Для спектрального разложения светового сигнала можно применить дифракционную решетку с максимумом отражения в первом порядке на длине волны ; во втором порядке и в третьем . Причем сами элементы разместить так, чтобы положение приемника для третьего окна прозрачности соответствовало в точности (поскольку высшие порядки узкие), для второго окна сместить на 0,4 мм в КВ-область, то есть λ₂= 5,0 мкм, а для первого окна сместить на 0,8 мм в ДВ-область, то есть λ₁= 11,6 мкм.. В результате, при обратной дисперсии прибора в первом порядке ≈ 0,3 мкм/мм, приемные площадки будут отстоять на 3 мм друг от друга, образуя компактную линейку и могут иметь общий теплоотвод, например внутри сосуда Дьюара.

Для данного приложения не требуется высокого спектрального разрешение, поэтому собственно спектрометр можно выполнить весьма компактным образом, используя схему с одним внеосевым эллиптическим зеркалом и решеткой, работающей в непараллельном пучке.

Тепловые изображения объектов можно наблюдать на экране цветного монитора в условных цветах и записывать на видеомагнитофон для последующей обработки.

В качестве другого приложения можно привести оценочный расчет прибора для анализа газовых облаков. В данном случае более существенными является не пространственное, а спектральное разрешение. Блок пространственного анализа можно упростить путем уменьшения числа волокон и увеличения их толщины. Например, при N 20 * 20 400; t 0,75 мм будет d 15 мм; ω ≈ 5 град.;; δω ≈ 15 угл.мин..

Применяя здесь более сложную оптическую схему спектрометра можно получить более высокое спектральное разрешение порядка 0,05 мкм и построить перестраиваемый по спектру прибор для визуализации газовых облаков. Например, фосгена на длине волны 5,52 мкм, или других газообразных ОВ на своих характерных длинах волн промышленных газов типа метана на 7,65 мкм, формальдегида на 3,6 мкм, аммиака на 10,7 мкм с целью определения мест их утечки из трубопроводов или емкостей.

Провести сравнительный анализ конкретных характеристик прибора с прототипом затруднительно, поскольку в материалах патента они не приведены. Не приведены также и данные отдельных элементов оптической схемы, например матричного ФПУ. Можно сделать лишь грубые оценки этих характеристик, исходя из опубликованных литературных данных. Так, реально достижимое количество строк в ИК-матрицах не превышает 512. Поскольку в прототипе количество элементов пространства равно количеству строк матрицы, то относительное пространственное разрешение прототипа будет не лучше чем 23 * 23 элемента независимо от толщины волокна и габаритов прибора. В заявляемом устройстве количество пространственных элементов при толщине волокна 0,01 мм и двойной укладке на сканере диаметром 100 мм будет равно 60000, то есть 240 * 240 элементов.

Чувствительность заявляемого прибора следует сравнивать с одноэлементным тепловизором, то есть в своем классе. Здесь пропускание волоконного сканера сравнимо с пропусканием системы сканирования тепловизора "А А" и можно говорить о достижении пороговой чувствительности порядка 0,1 К при условии того же быстродействия. Чувствительность прототипа по пороговой яркости (не по контрасту) может быть более высокой, чем в заявляемом приборе, если в качестве ФПУ применить матрицу с накоплением заряда. Что касается собственно быстродействия предлагаемого прибора, то реально достижимой скоростью вращения сканера может быть 40 тыс.об./мин, то есть частота кадров до 670 Гц. Очевидно, что получить одновременно чувствительность 0,1 К при относительном пространственном разрешении 240 * 240 и частоте кадров 670 Гц при использовании современных фотоприемников невозможно, так как этому мешает фундаментальная связь детектирующей способности приемника с шумовой полосой пропускания системы. Но реализовать любой из этих параметров при снижении требований к остальным возможно.

Спектральные характеристики прототипа жестко связаны с пространственными и с параметрами матрицы ФПУ. Например, в матрице 512 * 512 элементов спектральная разрешающая сила λ/δλ ≅ 512,, в то время как в заявляемом устройстве может варьироваться в широких пределах независимо от пространственного разрешения и достигать более высоких значений в силу практического отсутствия астигматизма, например до λ/δλ≈ 10 000//;/ в переносном приборе.

Таким образом, из сравнения с прототипом можно утверждать: 1) пространственное разрешение заявляемого прибора может быть на порядок выше, чем у прототипа; 2) чувствительность по абсолютной пороговой яркости будет выше у прототипа при применении ПЗС-матрицы; 3) чувствительность по контрасту будет выше в заявляемом устройстве, чем у прототипа; 4) быстродействие обеих систем сравнимо;
5) спектральные характеристики заявляемого прибора произвольны и могут быть на порядок выше, чем у прототипа;
6) расширение полосы пропускания анализатора по спектру дается более простыми средствами, чем в прототипе, например, в цветном тепловизоре 3-элементный гибридный приемник вместо трех матриц.

Формула изобретения

1. Широкополосный спектрозональный анализатор, включающий последовательно расположенные по ходу излучения собирающую оптику, волоконно-оптический преобразователь, спектрометр с входной и выходной диафрагмой, фотоприемное устройство и систему обработки сигналов, отличающийся тем, что в него введены светокоммутирующее устройство, источник реперного сигнала, дополнительные волокна, вплетенные в выходной торец волоконно-оптического преобразователя, входные торцы дополнительных волокон оптически связаны с источником реперного сигнала, при этом все волокна выходного торца волоконно-оптического преобразователя уложены в один ряд без зазора таким образом, что образуют осесимметричную кольцевую структуру, светокоммутирующее устройство расположено между выходным торцом волоконно-оптического преобразователя и входной диафрагмой спектрометра, а фотоприемное устройство выполнено в виде одноэлементного фотоприемного устройства или линейки фотоприемных устройств.

2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что волокна выходного торца волоконно-оптического преобразователя уложены так, что образуют многорядную структуру.

3. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что волокна выходного торца волоконно-оптического преобразователя уложены произвольно.

4. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что светокоммутирующее устройство выполнено в виде волоконного световода.

5. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что волокна выходного торца волоконно-оптического преобразователя уложены в один ряд с шагом, равным диаметру волокна.

6. Анализатор по п.4, отличающийся тем, что светокоммутирующее устройство выполнено в виде световода переменного сечения.

7. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что светокоммутирующее устройство выполнено в виде блока отражающих и фокусирующих элементов.

8. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что светокоммутирующее устройство выполнено в виде планарного интегрального световода.

9. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что линейка фотоприемных устройств выполнена в виде набора чередующихся элементов, чувствительных к разным областям спектра.

РИСУНКИ

Рисунок 1