Отображающий спектрометр (варианты)
Владельцы патента RU 2331049:
Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" ФГУП "НПО "ОРИОН" (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения. В спектрометре интерферометры, зеркала которых не имеют отражающих покрытий, установлены по отношению к оси оптической системы, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение, под углом φ, равным углу Брюстера. В спектрометр дополнительно введен поляроид, при этом фокусное расстояние объектива, расположенного перед матричным приемником, и расстояния между зеркалами интерферометров установлены таким образом, чтобы на крайние строки матрицы попадали, соответственно, излучения с длинами волн, относящихся к верхней и нижней границам рабочего спектрального диапазона. Технический результат - обеспечивается мгновенная (за один кадр) регистрация пространственной и спектральной информации, а также возможность быстрого переключения режима работы. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для регистрации ИК изображений объектов в любых произвольно выбранных узких спектральных полосах, находящихся внутри рабочего спектрального диапазона устройства. Устоявшегося названия подобных устройств пока нет. Наиболее часто для обозначения этого направления и оптических приборов подобного назначения используются названия: spectral imaging (SI), imaging spectroradiometer или imaging spectrometer (спектральное отображение, отображающий спектрорадиометр, отображающий спектрометр). При реализации отображающих спектрометров (ОС) используются как методы непосредственной оптической фильтрации принимаемого излучения с помощью перестраиваемых оптических фильтров различных видов (акустооптические, интерференционные, интерференционно-поляризационные и др.), так и методы выделения спектральных изображений, основанные на компьютерной обработке оптических полей, регистрируемых матричным приемником (например, сигналов после Фурье -интерферометра, голограмм и др.).
Известны различные типы отображающих спектрометров, использующих перечисленные выше методы обработки оптических излучений [R.Glenn Sellar, Glenn D.Boreman. Classification of imaging spectrometers for remote sensing applications // Optical Engineering, January 2005 / Vol.44 (1)].
Например, известен инфракрасный Фурье-спектрометр на основе интерферометра Саньяка [J.B.Rafert, R.G.Sellar, and J.H.Blatt, "Monolithic Fourier-transform imaging spectrometer", Appl. Opt. 34, pp.7228-7230, 1995], в котором спектральная и пространственная информация о наблюдаемом объекте накапливается за τн-время относительного углового перемещения ОС и объекта в пределах мгновенного угла поля зрения ОС (время сканирования). Если пространственные и спектральные характеристики объекта (сцены) непостоянны и меняются в течение промежутка времени τн, требуемого для накопления пространственной и спектральной информации об объекте (например, наблюдается взрыв), то ОС даст искаженную информацию.
Таким образом, основной недостаток, присущий этому и другим ОС, классификация которых дана в [R.Glenn Sellar, Glenn D.Boreman. Classification of imaging spectrometers for remote sensing applications // Optical Engineering, January 2005 / Vol.44 (1)], связан с тем, что все они требуют определенного времени для накопления пространственной и спектральной информации о наблюдаемом объекте и, следовательно, непригодны для регистрации быстропротекающих процессов (явлений). Для получения пространственной и спектральной информации необходимо формирование трех массивов данных: массивов по каждой из двух пространственных координат и массива спектральной информации о каждой точке изображения, определенной во многих узких спектральных полосах, принадлежащих исследуемому достаточно широкому спектральному диапазону. Такая трехмерная природа накопления данных привела к термину 3D или "куб данных". Чем больший объем имеет 3D и чем с большей скоростью он создается, и далее, чем с большей скоростью воспроизводятся его пространственные и спектральные выборки, тем эффективнее работает спектрометр отображения. Возможности быстрого получения 3D определяются как конструктивными особенностями ОС (Hard ОС), так методами обработки информации (Soft ОС).
Известен несканирующий ОС, работающей в средней ИК области спектра (3...5 мкм), пригодный для регистрации пространственных и спектральных данных о быстроменяющихся процессах (сценах) [Curtis E. Volin, John P.Garcia, Eustace L.Dereniak, Michael R.Descour, Tom Homilton, Robert McMillan" Midwave-Infrared Snapshot Imaging Spectrometer" // Proceedings of SPIE Vol.4880, (2002), 355-366]. Этот ОС основан на принципах компьютерной томографии и позволяет производить реконструкцию 3D из двадцати пяти 2D проекций, записанных одновременно в разных узких спектральных полосах на двумерный матричный приемник из InSb с числом элементов 512×512.
Основным недостатком этого ОС является очень маленький массив пространственной информации. Любое моноспектральное изображение (2D проекция) регистрируется и воспроизводится массивом из 46×46 точек, что явно недостаточно для получения полноценного изображения. (Для сравнения отметим, что современные тепловизоры, работающие в этом диапазоне длин волн, обеспечивают передачу кадра изображения массивами из 512×512 точек и более.) Другим существенным недостатком этого ОС является необходимость выполнения большого объема вычислений для реконструкции куба данных и воспроизведения требуемого моноспектрального 2D изображения.
Наиболее близким (по принципу действия и конструкции) аналогом-прототипом является ОС, описанный в [Christopher M.Gittins and William J.Marinelli. "LWIR multispectral imaging chemical sensor" // Proc. of SPIE, 1998. Vol.3533. (SPIE Paper №3533-13)], содержащий интерферометр Фабри-Перо, с прецизионной перестройкой расстояния между зеркалами с отражающими интерференционными покрытиями, причем отражающие поверхности зеркал перпендикулярны оптической оси ОС, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение; матричный приемник (2×4 пиксела) на основе соединения кадмий-ртуть-теллур, с электронным блоком обработки информации, соединенный с монитором, воспроизводящим спектральные изображения; полосовой охлаждаемый фильтр, пропускающий излучение только в спектральной рабочей полосе ОС; оптические элементы (линзы или зеркала), согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемника; вращающийся механический модулятор принимаемого излучения; электромеханическое устройство, обеспечивающее двухосное сканирование мгновенного угла поля зрения ОС. Рассматриваемый ОС обеспечивает принципиальную возможность получения моноспектральных изображений в рабочем спектральном диапазоне от 9.5 до 11.5 мкм в узких спектральных полосах шириной δλ≈7 см-1 (при относительном спектральном разрешении λ/δλ>100). Настройка на фильтрацию выбранной длины волны происходит путем прецизионной перестройки расстояния между зеркалами интерферометра. В качестве рабочего используется третий порядок интерференции m=3, при котором обеспечивается следующее соотношение между длиной фильтруемой волны λ и d - расстоянием между зеркалами интерферометра d=(m/2)·/λ=(3/2)·λ. Например, в этом случае для фильтрации излучения с длиной волны λ=10 мкм требуется установить расстояние между пластинами интерферометра равным d = 15 мкм. Зеркала интерферометра имеют диэлектрические отражающие покрытия, обеспечивающие отражение 94% в рабочем спектральном диапазоне. Время настройки интерферометра на отдельную выбранную длину волны не менее 1.3 мс.
Для накопления полного куба пространственной и спектральной информации электромеханическое устройство, обеспечивающее двухосное сканирование мгновенного угла поля зрения ОС, за 9 секунд производит 288 дискретных позиционирований, причем во время каждого позиционирования производится сканирование интерферометра. При этом обеспечивается пространственное разрешение 48×48 элементов в пределах полного поля зрения ОС 40×40 градусов.
Основным недостатком этого ОС (как и практически всех известных ОС) является невозможность регистрации быстропротекающих процессов (обусловленная необходимостью выполнения пространственного и (или) спектрального сканирования для накопления куба данных), т.к. время, требуемое для проведения сканирования, во много раз больше типичных длительностей быстропротекающих процессов (0.001-0.1 с).
Другим недостатком этого ОС, обусловленным тем, что зеркала интерферометра имеют отражающие интерференционные покрытия, обеспечивающие высокие коэффициенты отражения (94%), только в сравнительно узком рабочем спектральном диапазоне ОС (9.5-11.5 мкм), является невозможность его работы в других спектральных диапазонах (т.е. в других порядках интерференции).
Общими признаками заявляемого изобретения и прототипа являются наличие спектрального фильтрующего элемента - интерферометра; матричного приемного устройства с электронным блоком обработки информации, соединенного с монитором, воспроизводящим спектральные изображения; охлаждаемого полосового фильтра, пропускающего излучение только в спектральной рабочей полосе ОС и отрезающего излучение, за пределами рабочего диапазона; оптических элементов (линз и (или) зеркал), согласующих сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемника.
Задачами изобретения являются: обеспечение возможности одновременной регистрации пространственной и спектральной информации при наблюдении быстропротекающих процессов, обеспечение принципиальной возможности работы ОС в других спектральных диапазонах (т.е. в других порядках интерференции), обеспечение возможности быстрого переключения режима работы прибора от режима отображающего спектрометра (мультиспектрального тепловизора) к режиму "обычного" тепловизора.
Поставленные задачи решаются двумя вариантами устройства.
По первому варианту в отображающем спектрометре, содержащем n интерферометров (n>1), зеркала, матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, соединенное с монитором, воспроизводящим спектральные изображения, фильтр, пропускающий излучение только в спектральной рабочей полосе ОС и отрезающий излучение за пределами рабочего диапазона, оптические элементы (линзы и (или) зеркала), согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемного устройства,
интерферометры, зеркала которых не имеют отражающих покрытий, установлены по отношению к оси оптической системы, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение, под углом φ, равным углу Брюстера (φ=φБрюстер, где φБрюстер - угол Брюстера),
в ОС дополнительно введен поляроид, установленный в положение 1, при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, причем поляроид изготовлен с возможностью устанавливаться в положение 2 с помощью поворота на 90° вокруг оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение так, чтобы в положении 2 он пропускал только излучение с поляризацией, параллельной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, фокусное расстояние объектива, установленного перед матричным приемным устройством, выбирается в соответствии со следующим выражением:
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),
где ε - высота (в направлении перпендикулярном строкам) матричного приемного устройства, F - фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn,
расстояния между зеркалами интерферометров d1, d2...dn установлены равными: d1=K1·λm, d2=K2·λm, ..., dn=K1·λm, где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси ОС, соответствующая середине фильтруемого диапазона, К1, К1, ..., Кn - коэффициенты, выбираемые в зависимости от материала зеркал интерферометров и рабочего спектрального диапазона ОС.
Расстояния L между соседними интерферометрами установлены в соответствии со следующим выражением:
где j - длина пластины (зеркала) интерферометра; N - допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров;
Для обеспечения возможности работы ОС в других спектральных диапазонах зеркала интерферометров не имеют отражающих покрытий. Благодаря этому возможно, заменяя охлаждаемый полосовой фильтр, установленный перед матричным приемником, или заменяя охлаждаемый фильтр вместе с матричным приемником, обеспечить работу ОС в других спектральных диапазонах (порядках интерференции).
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.1. зеркала интерферометров изготовлены из германия, причем обращенные друг к другу плоские полированные поверхности каждого интерферометра не имеют отражающих, поэтому, меняя охлаждаемый полосовой фильтр 10 (см. Фиг.1), можно выбирать для работы тот или иной порядок интерференции (см. Фиг.4)).
Установка интерферометров по отношению к оси оптической системы, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение, под углом φ, равным углу Брюстера (φ=φБрюстер, где φБрюстер - угол Брюстера), позволяет:
- обеспечить требуемый спектральный диапазон работы ОС (для лучей с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения) при угле поля зрения устройства, равном α(λn)-α(λ1), и благодаря этому обеспечить возможность фильтрации различных длин волн для лучей, падающих на интерферометры под различными углами. В результате появляется возможность одновременно регистрировать излучения с различными длинами волн без перестройки расстояний между зеркалами интерферометров за промежуток времени, равный одному кадру, которое в случае использования матричного приемного устройства на основе соединения КРТ (кадмий-ртуть-теллур) оценивается величиной 10-4-10-2 с, и, следовательно, одновременно получать пространственную и спектральную информацию при регистрации быстропротекающих процессов.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.1. с зеркалами из германия выбран третий порядок интерференции с помощью установки перед приемником охлаждаемого полосового фильтра с полосой пропускания 7.5...11 мкм, благодаря чему обеспечивается (без перестройки расстояний между зеркалами) работа ОС в диапазоне от λ1 = 8 мкм до λn = 10.87 мкм; при угле поля зрения устройства, равном α(λn)-α(λ1)=4.36°).
- Увеличить коэффициент отражения наклонных зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, и, следовательно, увеличить разрешающую способность ОС.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.1 R - коэффициент отражения германиевых зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, увеличивается с R = 36% при φ=0° до R = 78% при φ - 76°).
- Устранить вредное влияние интерференции между зеркалами соседних интерферометров путем установления L-расстояний между соседними интерферометрами в соответствии со следующим выражением:
где j - длина пластины (зеркала ) интерферометра; N - допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.1 с зеркалами из германия, расстояния между наружными поверхностями зеркал соседних интерферометров, рассчитанные по выражению (1) при j = 212 мм, φ = 76° и N = 2, равны L = 26 мм. При этом паразитные интерферирующие лучи после двух отражений от зеркал соседних интерферометров выдут из оптической системы и не попадут на матричное приемное устройство.
- Увеличить (в результате увеличения спектрального интервала между соседними полосами пропускания) расстояния между зеркалами каждого интерферометра до d1 = K1·λm, d2 = K2·λm, ..., dn = K1·λm, что в свою очередь также приводит к увеличению добротности и разрешающей способности, где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси ОС, соответствующая середине фильтруемого диапазона; K1, K1, ..., Кn - коэффициенты, выбираемые в зависимости от материала зеркал интерферометров, рабочего спектрального диапазона ОС.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.1 c зеркалами из германия для λm ≈ 9.44 мкм, λ1 = 8 мкм, λn = 10.87 мкм при работе в третьем порядке интерференции (m=3) расстояния между зеркалами интерферометров выбраны одинаковыми и равными d1 = d2 = d3 = d4= K·λm = 39 мкм, при К = 4.131, в то время как в прототипе для фильтрации такой же длины волны и порядка интерференции расстояния между зеркалами интерферометров равны 14.16 мкм).
Дополнительно введенный поляроид, установленный в положение 1,при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, обеспечивает поступление на матричное приемное устройство только на длинах волн, соответствующих полосам пропускания мультиплекса. Т.е. если поляроид установлен в положение 1, то устройство работает в режиме отображающего спектрометра (мультиспектрального тепловизора), если поляроид установить в положение 2, то на приемник будет поступать только излучение, поляризованное в плоскости, параллельной плоскости падения излучения на интерферометры. Так как зеркала интерферометров установлены под углом Брюстера к оптической оси устройства, то составляющие излучения, поляризованные в плоскости, параллельной плоскости, падения, на всех длинах волн проходят через зеркала на приемник без потерь на отражения. Т.е. в этом случае отсутствует многолучевая интерференция и устройство работает как обычный тепловизор, регистрирующий излучение во всей полосе пропускания установленного перед ним интерференционного фильтра. Это вспомогательный режим работы устройства. Он может быть полезен при предварительном обследовании сцены для получения интегральной информации.
Выбор фокусного расстояния объектива, установленного перед матричным приемником в соответствии с выражением arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn), обеспечивает попадание излучения с длиной волны λ1, соответствующей нижней (коротковолновой) границе фильтруемого диапазона на левую строку матричного приемного устройства, а излучения с длиной волны λn, соответствующей верхней (длинноволновой) границе фильтруемого диапазона, на правую строку матричного приемного устройства (где ε - высота матричного приемного устройства, F - фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn).
По второму варианту (п.2 формулы)
в отображающем спектрометре, содержащем n интерферометров (n≥1), зеркала, матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, соединенное с монитором, воспроизводящим спектральные изображения, фильтр, пропускающий излучение только в спектральной рабочей полосе ОС и отрезающий излучение за пределами рабочего диапазона, оптические элементы (линзы и (или) зеркала), согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемного устройства,
интерферометры, зеркала которых не имеют отражающих покрытий, наклонены к оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение под углом φ, равным φБрюстер - углу Брюстера, выполнены в виде двух параллельных между собой цельных или составных прямоугольных пластин (каждая длиной j и шириной b), расположенных на расстоянии d, вставленных на глубину h в промежуток между плоскими отражающими поверхностями двух дополнительных прямоугольных зеркал (каждое длиной j и шириной b, находящихся на расстоянии 2·t+u друг от друга), параллельных пластинам интерферометров, так, чтобы расстояния между отражающей поверхностью каждого дополнительного зеркала и наружной поверхностью противолежащей ему пластины интерферометра были равны t, причем к коротким торцам этих двух дополнительных зеркал вплотную примыкает отражающая поверхность третьего дополнительного зеркала шириной b и длиной 2·t+u, таким образом, чтобы отражающая поверхность третьего дополнительного зеркала была перпендикулярна отражающим поверхностям дополнительных зеркал:
где n - число проходов фильтруемого излучения через интерферометры, n = 2, 4, 6 ..., u - толщина (расстояние между наружными поверхностями зеркал) интерферометра,
в ОС дополнительно введен поляроид, установленный в положение 1, при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, причем поляроид установлен с возможностью поворота на 90° вокруг оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение (положение 2), так, чтобы в положении 2 он пропускал только излучение с поляризацией, параллельной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров,
фокусное расстояние объектива, установленного перед матричным приемным устройством, выбирается в соответствии со следующим выражением:
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),
где ε - высота (в направлении, перпендикулярном строкам) матричного приемного устройства, F - фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn,
расстояния между зеркалами интерферометров установлены равными d = K·λm, где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси ОС, соответствующая середине фильтруемого диапазона, К - коэффициент, выбираемый в зависимости от материала зеркал интерферометров и рабочего спектрального диапазона ОС.
Для обеспечения возможности работы ОС в других спектральных диапазонах зеркала интерферометров не имеют отражающих покрытий. Благодаря этому возможно, заменяя охлаждаемый полосовой фильтр, установленный перед матричным приемником, или заменяя охлаждаемый фильтр вместе с матричным приемным устройством, обеспечить работу ОС в других спектральных диапазонах (порядках интерференции).
(В рассматриваемом варианте реализации конструкции по п.2 зеркала интерферометров изготовлены из германия, обращенные друг к другу плоские полированные поверхности каждого интерферометра не имеют отражающих покрытий, меняя охлаждаемый полосовой фильтр 9, можно (см. Фиг.2) выбирать для работы тот или иной порядок интерференции (см. Фиг.4)).
Установка интерферометров по отношению к оси оптической системы, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение, под углом φ, равным углу Брюстера (φ≈φБрюстер, где φБрюстер - угол Брюстера), позволяет:
- Обеспечить требуемый спектральный диапазон работы ОС (для лучей с поляризацией перпендикулярной плоскости падения) при угле поля зрения устройства, равном α(λn)-α(λ1), и благодаря этому обеспечить возможность одновременной фильтрации различных длин волн для лучей, падающих на интерферометры под различными углами. В результате появляется возможность одновременно регистрировать излучения с различными длинами волн без перестройки расстояний между зеркалами интерферометров за промежуток времени, равный одному кадру, которое, например, в случае использования матричного приемного устройства на основе соединения КРТ (кадмий-ртуть-теллур) оценивается величиной 10-4-10-2, с и получать одновременно пространственную и спектральную информацию при регистрации быстропротекающих процессов.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.2 выбран третий порядок интерференции с помощью установки перед приемным устройством охлаждаемого полосового фильтра полосой λмах = 11 мкм, λмин = 7.5 мкм, благодаря чему (без перестройки расстояний между зеркалами) обеспечивается работа ОС в диапазоне от λn = 10.87 мкм до λ1 = 8 мкм; при угле поля зрения устройства, равном α(λn)-α(λ1) = 4.36°).
- Увеличить до максимально возможной величины коэффициент отражения наклонных зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.2. R - коэффициент отражения германиевых зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, увеличивается с R = 36% при φ =0° до R = 78% при φ=φБрюстер = 76°).
- Устранить вредное влияние интерференции между зеркалами соседних интерферометров.
(В рассматриваемом варианте реализации конструкции по п.2 полностью устраняется интерференция между соседними зеркалами интерферометров, т. к. зеркала интерферометров находятся в одних плоскостях).
- Увеличить (в результате увеличения спектрального интервала между соседними полосами пропускания) расстояния между зеркалами каждого интерферометра до d = К·λm (где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси ОС, соответствующая середине фильтруемого диапазона), что в свою очередь также приводит к увеличению добротности и разрешающей способности.
(В рассматриваемом, для примера, варианте реализации конструкции по п.2 с зеркалами из германия расстояния для фильтрации излучения с длиной волны λ ≈ 9.44 мкм при работе в третьем порядке интерференции (m=3) равны d = К·λm = 39 мкм, при К= 4.131, в то время как в прототипе для такой же длины волны и порядка интерференции равны 15 мкм).
Дополнительно введенный поляроид, установленный в положение 1,при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, обеспечивает поступление на приемное устройство излучения только на длинах волн, соответствующих полосам пропускания мультиплекса. Т.е. если поляроид установлен в положение 1, то устройство работает в режиме отображающего спектрометра (мультиспектрального тепловизора), если поляроид установить в положение 2, то на приемник будет поступать только излучение, поляризованное в плоскости, параллельной плоскости падения излучения на интерферометры. Так как зеркала интерферометров установлены под углом Брюстера к оптической оси устройства, то составляющие излучения, поляризованные в плоскости, параллельной плоскости падения, на всех длинах волн проходят на приемник без отражений от германиевых зеркал. Т.е. в этом случае устройство работает как обычный тепловизор, регистрирующий излучение во всей полосе пропускания установленного перед ним интерференционного фильтра.
Это вспомогательный режим работы устройства. Он может быть полезен при предварительном обследовании сцены для получения интегральной информации.
Выбор фокусного расстояния объектива, установленного перед матричным приемником, в соответствии с выражением:
arcsin(a/2F)=α(λ1)-α(λn) (где а - высота матричного приемного устройства, F-фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn), обеспечивает попадание излучения с длиной волны λ1, соответствующей нижней (коротковолновой) границе фильтруемого диапазона) на левую строку матричного приемного устройства, а излучения с длиной волны λn, соответствующей верхней (длинноволновой) границе фильтруемого диапазона, на правую строку матричного приемного устройства.
Конструкция ОС по п.2 обеспечивает двукратное прохождение фильтруемого излучения через каждый интерферометр (см. Фиг.2), что позволяет в два раза уменьшить суммарную длину германиевых пластин интерферометров по сравнению с конструкцией по п.1 и упрощает первоначальную настройку ОС.
Приведем основные соотношения, описывающие аппаратную функцию ОС для первого и второго вариантов. Можно показать, что tn(α, dn, λ) - пропускание наклонного интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, зависит от угла падения α, расстояния между внутренними гранями dn и длины волны λ следующим образом:
.
где n(λ) - зависимость коэффициента преломления германия от длины волны [Е.М.Воронкова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров // Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965]
Результирующее пропускание tn(α, dn, λ) четырех установленных друг за другом интерферометров (с расстояниями между пластинами (зеркалами) d1, d2, d3, d4 для излучения, падающего на каждый интерферометр под углом α, выражается следующим произведением:
Сущность устройства по варианту 1 поясняется чертежом (Фиг.1.).
Устройство содержит:
1, 2, 3, 4 - интерферометры; 5, 6 - линзы, согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемного устройства, регистрирующего отфильтрованное излучение; 7 - поляроид,; 8 - объектив; 9 - зеркало, обеспечивающее сканирование изображения по плоскости матрицы (в направлении, перпендикулярном строкам) путем прецизионных поворотов вокруг оси, перпендикулярной плоскости ZY; 10 - охлаждаемый полосовой фильтр, отрезающий излучение с длинами волн, находящимися за пределами рабочего спектрального диапазона фильтрующего устройства; 11 - матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации; 12 - монитор.
Сущность устройства по варианту 2 поясняется чертежом (Фиг.2). Устройство содержит:
1, 2, 3 - стеклянные (кварцевые) зеркала с золотым отражающим покрытием; 4, 5 - пластины интерферометра, изготовленные, например, из германия (внешние поверхности которых имеют просветляющие покрытия, обеспечивающие максимальное пропускание для фильтруемого излучения); 6 - поляроид; 7 - объектив; 8 - зеркало, обеспечивающее сканирование изображения по плоскости матрицы (в направлении, перпендикулярном строкам) путем прецизионных поворотов вокруг оси, перпендикулярной плоскости ZY; 9 - охлаждаемый полосовой фильтр, отрезающий излучение с длинами волн, находящимися за пределами рабочего спектрального диапазона фильтрующего устройства; 10 - матричный приемное устройство с электронным блоком обработки информации; 11 - монитор.
Устройство по варианту 1 работает следующим образом.
Полихроматическое излучение от исследуемого объекта (сцены), поступающее на вход оптического устройства, распространяется вдоль ее оптической оси в пределах угла поля зрения 2·β, последовательно проходит через интерферометры 1, 2, 3, 4, при этом составляющие излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения излучения на интерферометры, для которых коэффициент отражения внутренних обращенных друг к другу поверхностей зеркал интерферометров равен 76% (для зеркал из германия, установленных под углом Брюстера к оптической оси устройства), испытывают многократные отражения внутри каждого интерферометра (явление многолучевой интерференции), в результате чего из составляющих излучения (с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения) после прохождения интерферометров (образующих спектральный фильтр) будут выделены узкие спектральные линии с длинами волн, определяемыми расстояниями между зеркалами интерферометров и α-углами падения лучей на зеркала. Далее излучение проходит через телескопическую систему, образованную линзами 5 и 6. В рассматриваемом случае эта система в два раза уменьшает диаметр пучка и одновременно в два раза увеличивает угол, в котором распространяется излучение. Это необходимо для того, чтобы, при приемлемом фокусном расстоянии объектива 8, лучи, распространяющиеся под максимальными углами, после отражения от зеркала 9 (которое изготовлено с возможностью прецизионного поворота вокруг оси Х на любой требуемый угол) были сфокусированы на соответствующие крайние строки матричного приемного устройства 11 с электронным блоком обработки информации, соединенного с монитором 12, воспроизводящим спектральные изображения. Ограничение спектрального состава излучения, поступающего на приемное устройство, происходит при прохождении последнего через полосовой интерференционный фильтр 10, который должен пропускать длины волн, соответствующие только одному порядку интерференции.
На Фиг.3 показаны зависимости контуров пропускания (соответствующих третьему порядку интерференции) tnα(λ) от λ, рассчитанные (по выражению 2) при следующих расстояниях между пластинами (зеркалами) интерферометров: d1 = d2 = d3 = d4 = d = K·λm = 39 мкм (для λm = 9.44мкм) для лучей, распространяющихся в плоскостях перпендикулярных плоскости ZY, расположенных под следующими углами β к оптической оси ОС: β = 2.18° (α = 73.82°), t1α (λ); β = 1.09° (α = 74.91°), t2α (λ); β = 0° (α = 76°), t3αλ); β = -1.09° (α = 77.09°), t4α (λ); β = -2.18° (α = 78.18°), t5α(λ).
Отметим, что для интерферометра с оптической толщиной d, зеркала которого нормальны к падающим лучам (см. прототип), длина волны пропускания связана следующим образом с порядком интерференции m: λ=2·d/m, при увеличении угла наклона интерферометра по отношению к падающему излучению длина волны пропускания уменьшается. На Фиг.4 показаны зависимости длин волн полос пропускания рассматриваемого мультиплекса интерферометров от α -угла наклона интерферометров к падающему излучению. Каждая из зависимостей соответствует определенному порядку интерференции. Например, зависимость λ4(α) соответствует первому порядку интерференции (m=1), зависимость λ1(α) соответствует второму порядку интерференции (m=2), зависимость λ2(α) соответствует третьему порядку интерференции (m=3), зависимость λ3(α) соответствует четвертому порядку интерференции (m=4). Заменяя интерференционный фильтр 10, можно изменять спектральный диапазон работы ОС, выбирая для работы желаемый порядок интерференции.
Например, зависимость λ2(α) показывает возможность осуществления плавной фильтрации длин волн в интересующем нас диапазоне 8...10.87 мкм (соответствующий диапазон углов падения пучков фильтруемого излучения на интерферометры α мин ≤ α ≤ α мах, где α мин = 73.82°, α мах = 78.18°) при установке перед матричным приемным устройством охлаждаемого интерференционного фильтра, пропускающего излучение в полосе 7.7...11.5 мкм. Как видно из Фиг.5 (на которой показаны в увеличенном масштабе фрагменты зависимостей, приведенных выше на Фиг.4), подобный интерференционный фильтр, в рассматриваемом диапазоне углов падения 73.82°...78.18°, обеспечит попадание на матричное приемное устройство излучений, соответствующих выбранному спектральному диапазону: 8...10.87 мкм.
Матричное приемное устройство 11 установлено таким образом, чтобы его строки были перпендикулярны плоскости ZY, ось объектива совпадает с оптической осью системы, фокусное расстояние объектива выбрано таким образом, чтобы пучки, распространяющиеся под углом β = 2.18° (β = 73.82°), фокусировались на левую строку матрицы, а пучки, распространяющиеся под углом β = -2.18° (α = 78.18°), фокусировались на правую строку матрицы.
В результате на правую строку матрицы 11 будет поступать излучение с длиной волны λмах = 10.87 мкм от пучков, распространяющихся в плоскости, перпендикулярной плоскости ZY и наклоненной к оси ОС на угол β=2.18° (α = 73.82), а на левую строку матрицы 11 будет поступать излучение с длиной волны λмин=8 мкм от пучков, распространяющихся в плоскости, перпендикулярной плоскости ZY и наклоненной к оси ОС на угол β = -2.18° (α = 78.18°).
Из пучка, распространяющегося вдоль оптической оси системы (β = 0°, α = 76), фильтруется излучение с длиной волны λm = 9.44мкм, которое фокусируется объективом на пиксел, расположенный в середине средней строки матричного приемного устройства 11.
Таким образом, из полихроматического пучка, излучаемого участком сцены, оптически сопряженным с одним из пикселов матричного приемного устройства, принадлежащим строке с номером n, будет выделено (отфильтровано) и сфокусировано на этот пиксел матрицы, излучение (поляризованное в плоскости, перпендикулярной плоскости падения) с длиной волны λn, соответствующей угловой координате этой строки βn (где -2.18°≤βn≤2.18°, βn - угол наклона плоскости, в которой распространяется пучок к оптической оси ОС).
Очевидно, что в результате такой оптической фильтрации на матрице за один кадр формируется "разноцветное" изображение наблюдаемого объекта, где на каждую строку поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны, соответствующей порядковому номеру (угловой координате (βn) этой строки.
Отличительной особенностью и основным достоинством предложенного ОС является принципиальная возможность регистрировать быстропротекающие процессы путем получения за один кадр их мгновенного "изображения с разноцветными строками", т.е. изображения, в котором каждая строка отображает интенсивность излучения только с определенной длиной волны, соответствующей номеру этой строки от оптически сопряженной с этой строкой полоски сцены. Такое изображение получается без всякого сканирования за время накопления кадра ˜10-2...10-4 c.
Следует отметить, что при наблюдении неподвижных объектов этот ОС обеспечивает накопление пространственной и спектральной информации ("куба данных") путем сканирования изображения в плоскости матричного приемного устройства, осуществляемого с помощью качания зеркала 9 вокруг оси X, перпендикулярной плоскости чертежа. В этом случае можно получать монохромные изображения в любой из Ny (где Ny - число строк матричного приемного устройства ) узких спектральных полос, рабочего диапазона ОС.
Дополнительно введенный поляроид, установленный в положение 1,при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, обеспечивает поступление на приемное устройство только на длинах волн, соответствующих полосам пропускания мультиплекса. Т.е. если поляроид установлен в положение 1, то устройство работает в режиме отображающего спектрометра (мультиспектрального тепловизора), если поляроид установить в положение 2, то на приемник будет поступать только излучение, поляризованное в плоскости, параллельной плоскости падения излучения на интерферометры. Так как зеркала интерферометров установлены под углом Брюстера к оптической оси устройства, то составляющие излучения, поляризованные в плоскости, параллельной плоскости падения, на всех длинах волн проходят на приемник без многократных отражений от зеркал, т.е. без многолучевой интерференции. В этом случае устройство работает как обычный тепловизор, регистрирующий излучение во всей полосе пропускания установленного перед ним интерференционного фильтра. Это вспомогательный режим работы устройства. Он может быть полезен при предварительном обследовании сцены для получения интегральной информации.
Устройство, выполненное по второму варианту, работает следующим образом. Полихроматическое излучение от исследуемого объекта (сцены), поступающее на вход оптического устройства, распространяется вдоль ее оптической оси в пределах угла поля зрения 2·β и падает под углом Брюстера (рассчитанным для длины волны λm, находящейся в центре фильтруемого диапазона λ1...λn) на зеркало 4 и далее на зеркало 5, которые фактически вместе с зеркалами 1, 2, 3 (имеющими металлические отражающие покрытия) работают (так же, как в устройстве, выполненном по первому варианту) как четыре расположенных друг за другом интерферометра с одинаковыми расстояниями между зеркалами, в каждом из которых имеет место многолучевая интерференция для лучей с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения. Действительно, после прохождения зеркала 5 излучение отражается от зеркала 2 и вновь падает на зеркало 5 под углом Брюстера, далее излучение падает на зеркало 4 интерферометра, потом на зеркало 1 (с отражающим металлическим покрытием, потом еще раз проходит под углом Брюстера зеркала 4 и 5 интерферометра, вновь отражается от зеркала 2, падает на зеркало 3, далее на зеркало 1, далее еще дважды проходит через зеркала 4 и 5 интерферометра, после чего излучение проходит через поляроид 6 и объективом 7 с помощью зеркала 8 (которое изготовлено с возможностью прецизионного поворота вокруг оси Х на любой требуемый угол) фокусируется на пикселы матричного приемного устройства таким образом, чтобы лучи, распространяющиеся под наибольшими углами к оптической оси ОС, фокусировались на соответствующие крайние строки матричного приемного устройства 10 с электронным блоком обработки информации, соединенного с монитором 11, воспроизводящим спектральные изображения.
Таким образом, в устройстве по второму варианту (так же, как и в устройстве, выполненном по первому варианту) фильтруемое излучение четыре раза проходит под углом Брюстера через интерферометры с неселективными зеркалами (с зеркалами без отражающих покрытий), потом также проходит через поляроид и охлаждаемый полосовой фильтр и фокусируется на матричное приемное устройство.
Отметим два преимущества второго варианта устройства.
В нем зеркала "соседних интерферометров" расположены в одной плоскости, благодаря чему полностью устраняется возможность паразитной интерференции (паразитной связи интерферометров). Оптическая схема второго варианта обеспечивает двукратное прохождение фильтруемого излучения через каждый интерферометр (см. Фиг.2), что позволяет в два раза уменьшить суммарную длину германиевых пластин интерферометров по сравнению с первым вариантом и упрощает первоначальную настройку ОС.
В остальном устройство, выполненное по второму варианту, работает так же, как и устройство, выполненное по первому варианту, и обладает практически теми же свойствами.
В заключение отметим, что
- по сравнению с аналогом оба устройства (отображающие спектрометры, выполненные по первому и второму варианту) обеспечивают быстрое (за один кадр) получение и пространственной и спектральной информации без всякой потери количества пространственной информации;
- по сравнению с прототипом оба устройства (отображающие спектрометры, выполненные по первому и второму варианту) обладают принципиальной возможностью регистрировать быстропротекающие процессы путем получения за один кадр их мгновенного "изображения с разноцветными строками"; обеспечивает возможность работы ОС в других спектральных диапазонах (т.е. в других порядках интерференции); обеспечивает возможность быстрого переключения режима работы прибора от режима отображающего спектрометра (мультиспектрального тепловизора) к режиму "обычного" тепловизора.
1. Отображающий спектрометр, содержащий n интерферометров (n≥1), зеркала, матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, соединенное с монитором, воспроизводящим спектральные изображения, фильтр, пропускающий излучение только в спектральной рабочей полосе отображающего спектрометра и отрезающий излучение за пределами рабочего диапазона, оптические элементы (линзы и (или) зеркала), согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемного устройства, отличающийся тем, что интерферометры, зеркала которых не имеют отражающих покрытий, установлены по отношению к оси оптической системы, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение, под углом φ, равным углу Брюстера (φ≈φБрюстер, где φБрюстер - угол Брюстера), в отображающий спектрометр дополнительно введен поляроид, установленный в положение 1, при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, причем поляроид изготовлен с возможностью устанавливаться в положение 2 с помощью поворота на 90° вокруг оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение так, чтобы в положении 2 он пропускал только излучение с поляризацией, параллельной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, фокусное расстояние объектива, установленного перед матричным приемным устройством, выбирается в соответствии со следующим выражением:
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),
где ε - высота (в направлении, перпендикулярном строкам) матричного приемного устройства, F - фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn, расстояния между зеркалами интерферометров d1, d2...dn установлены равными d1=K1·λm, d2=K2·λm, ..., dn=K1·λm, где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси отображающего спектрометра, соответствующая середине фильтруемого диапазона, К1, К2,..., Kn - коэффициенты, выбираемые в зависимости от материала зеркал интерферометров и рабочего спектрального диапазона отображающего спектрометра, расстояния L между соседними интерферометрами установлены в соответствии со следующим выражением:
где j - длина пластины (зеркала) интерферометра; N - допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров.
2. Отображающий спектрометр, содержащий n интерферометров (n≥1), зеркала, матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, соединенное с монитором, воспроизводящим спектральные изображения, фильтр, пропускающий излучение только в спектральной рабочей полосе отображающего спектрометра и отрезающий излучение за пределами рабочего диапазона, оптические элементы (линзы и (или) зеркала), согласующие сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом матричного приемного устройства, отличающийся тем, что интерферометры, зеркала которых не имеют отражающих покрытий, наклонены к оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение под углом φ, равным φБрюстер - углу Брюстера, выполнены в виде двух параллельных между собой цельных или составных прямоугольных пластин (каждая длиной j и шириной b), расположенных на расстоянии d, вставленных на глубину h в промежуток между плоскими отражающими поверхностями двух дополнительных прямоугольных зеркал (каждое длиной j и шириной b, находящихся на расстоянии 2·t+u друг от друга), параллельных пластинам интерферометров так, чтобы расстояния между отражающей поверхностью каждого дополнительного зеркала и наружной поверхностью противолежащей ему пластины интерферометра были равны t, причем к коротким торцам этих двух дополнительных зеркал вплотную примыкает отражающая поверхность третьего дополнительного зеркала шириной b и длиной 2·t+u, таким образом, чтобы отражающая поверхность третьего дополнительного зеркала была перпендикулярна отражающим поверхностям дополнительных зеркал, где
, где n - число проходов фильтруемого излучения через интерферометры, n=2, 4, 6..., u - толщина (расстояние между наружными поверхностями зеркал) интерферометра, в отображающий спектрометр дополнительно введен поляроид, установленный в положение 1, при котором он пропускает излучение с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, причем поляроид установлен с возможностью поворота на 90° вокруг оптической оси устройства, вдоль которой распространяется фильтруемое излучение (положение 2) так, чтобы в положении 2 он пропускал только излучение с поляризацией, параллельной плоскости падения фильтруемого излучения на зеркала интерферометров, фокусное расстояние объектива, установленного перед матричным приемником, выбирается в соответствии со следующим выражением:
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),
где ε - высота (в направлении, перпендикулярном строкам) матричного приемника излучения, F - фокусное расстояние объектива, фокусирующего фильтруемое излучение на матричное приемное устройство, λ1, λn - соответственно нижняя и верхняя границы фильтруемого диапазона длин волн, α(λ1) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λ1, α(λn) - угол падения фильтруемого излучения на отражающие грани интерферометра, при котором интерферометр имеет максимальное пропускание излучения с длиной волны λn, расстояния между зеркалами интерферометров установлены равными d=K·λm, где λm - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси отображающего спектрометра, соответствующая середине фильтруемого диапазона, К-коэффициент, выбираемый в зависимости от материала зеркал интерферометров и рабочего спектрального диапазона отображающего спектрометра.
