Способ получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием
Владельцы патента RU 2779967:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) (RU)
Изобретение относится к области спектральных измерений и касается способа получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием. Способ заключается в формировании коллимированного светового пучка, его спектральной фильтрации посредством акустооптической дифракции на ультразвуковой волне и регистрации двумерных спектральных изображений. Спектральные изображения регистрируют при разных частотах ультразвуковой волны и сводят в трехмерный массив пространственно-спектральных данных. Кроме того, при осуществлении способа производят предварительную регистрацию серии диагностических изображений пространственно однородного оптического шаблона при различных длинах волн монохроматического излучения и различных ультразвуковых частотах. По диагностическим изображениям определяют зависимости отфильтрованной длины волны света от частоты ультразвука в каждой точке углового поля и корректируют сформированный трехмерный массив пространственно-спектральных данных с использованием этих зависимостей. Технический результат заключается в получении неискаженных пространственно-спектральных характеристик оптического излучения в более широком угловом поле и с высоким спектральным разрешением. 2 ил.
Изобретение относится к технологиям создания гиперспектрометров - спектральных изображающих систем.
Одной из наиболее важных характеристик оптического излучения является его спектр I(λ), позволяющий получить информацию о химическом составе, состоянии и структуре объекта, излучающего, отражающего, пропускающего или рассеивающего свет. В случае неоднородного по составу объекта спектр излучения от разных точек объекта отличается, так что поток излучения от объекта характеризуется функцией трех переменных I(х,у,λ): спектральной (λ) и двух пространственных (x,y), характеризующих распределение свойств по полю зрения (далее - угловое поле). Этот массив данных, часто называемый «гиперкубом», несет информацию о пространственно-спектральных свойствах объекта. Число отсчетов по каждой координате определяется параметрами гиперспектрометра: угловым полем, рабочим спектральным диапазоном, разрешением по спектру и по пространству.
Принципиальная техническая проблема, возникающая при получении трехмерного массива данных I(х,у,λ) заключается в том, что наиболее распространенные матричные приемники излучения представляют собой двумерный массив дискретных элементов. Поэтому одномоментно на матрице можно отразить зависимость только от двух переменных при фиксированной третьей (λ, х или у), так что для регистрации всего «гиперкуба» необходимо провести серию измерений, изменяя значение третьей переменной. Например, системы на основе перестраиваемых оптических фильтров, способные формировать монохроматическое изображение объекта, требуют перестройки по спектру (λ) для формирования массива пространственно-спектральных данных I(х,у,λ). Системы на основе дифракционных решеток [Imaging Spectrometry: Basic Principles and Prospective Applications / Ed. F.D. van der Meer, S.M. de Long. Springer, 2006. 403 p.], регистрирующие распределение излучения по длине волны λ с разрешением по одной из координат, требуют сканирования по второй координате. Таким образом, трехмерный массив I(х,у,λ), как правило, формируется из двумерных слоев (изображений).
Основным методом одномоментного получения пространственно-спектрального распределения, является использование матричного приемника с установленным на нем мозаичным многоцветным растром [R. Hahn, F. Hämmerling, Т. Haist, D. Fleischle, О. Schwanke, О. Hauler, К. Rebner, M. Brecht, W. Osten. Detailed characterization of a mosaic based hyperspectral snapshot imager. // Optical Engineering, 2020. V. 59(12). №125102], однако этот подход имеет два существенных недостатка. Во-первых, число спектральных каналов, как правило, не велико, что не позволяет построить полноценный спектр объекта. Во-вторых, пиксели, соответствующие одному цвету, расположены не вплотную, а с заметными зазорами, что приводит к снижению пространственного разрешения и необходимости интерполяции данных.
Фундаментальной проблемой всех методов регистрации массива I(х,у,λ) является деформация получаемого трехмерного массива по отношению к реальному пространственно-спектральному распределению анализируемого излучения вследствие неидеальности (наличия дисперсии, аберраций и пр.) реальных оптических элементов. Это отражается на основных характеристиках, используемых при анализе светового излучения и идентификации объектов, которыми являются спектральные зависимости в отдельных точках I(х0,у0;λ) и спектральные изображения на отдельных длинах волн I(х,у,λ0). Первые дают информацию о свойствах объекта в выбранной точке, вторые - о пространственном распределении структурных элементов объекта. Искажения этих характеристик препятствуют правильной интерпретации полученных данных и могут быть причиной ошибочных выводов. Поэтому учет и коррекция таких искажений является важной задачей.
Каждый из методов регистрации, использующих сканирование (спектральное или пространственное), имеет свою область применений. Сканирование по пространству требует относительного движения регистрирующей системы и объекта или же использования элемента пространственной (угловой) развертки. Поэтому этот подход нашел применение для гиперспектральной съемки с борта равномерно движущихся платформ (спутника, самолета и др.). Альтернативный подход, основанный на спектральном сканировании, эффективно реализуется путем применения, например, электронно-перестраиваемых акустооптических (АО) фильтров. Он отличается тем, что не требует движения, а потому может быть реализован при установке на неподвижной платформе или на таких летательных аппаратах, как вертолеты и мультикоптеры, способных осуществлять съемку в статическом положении. Дополнительными преимуществами спектрального сканирования с использованием АО фильтров является отсутствие подвижных элементов и возможность одномоментного получения изображения в заданном спектральном интервале, которое может отображать структуру объекта и потому имеет самостоятельное значение: на этом основаны такие технологии визуализации как химическое и медицинское «видение» (imaging).
Акустооптические фильтры основаны на брэгговской дифракции света на динамической дифракционной решетке, образованной ультразвуковой волной [Chang I.C. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture // Appl. Phys. Lett., 1974. V. 25. №7. P. 370-372.]. Дифрагированное излучение имеет узкий спектр, центральная длина волны которого λc изменяется в зависимости от частоты ультразвука ƒ, что позволяет использовать этот эффект для создания перестраиваемых спектральных фильтров, а зависимость λc(f) называют спектрально-частотной (или перестроечной) характеристикой. При этом при заданной частоте ультразвука условие дифракции Брэгга выполняется для разных длин волн в зависимости от угла падения луча света на решетку. Вследствие этого, при падении расходящегося или сходящегося светового пучка дифрагированное излучение оказывается спектрально неоднородным, то есть центральные и периферийные лучи имеют разную длину волны. Это обстоятельство, фактически, расширяет интервал выделяемых длин волн, что влияет на спектральное разрешение приборов на основе АО фильтров и точность спектральных измерений.
Для устранения этой проблемы и сохранения предельно достижимого спектрального разрешения угловое поле АО фильтра сокращают с помощью дополнительных диафрагм так, чтобы в пределах выделенного углового поля (называемого в акустооптике «угловой апертурой») излучение оставалось спектрально однородным [Design and fabrication of acousto-optic devices / ed. Goutzoulis A.P., Pape D.R., Kulakov S.V. New York: M. Dekker, 1994. 497 р.]. Величина этого минимального приемлемого углового интервала вычисляется для монохроматического коллимированного пучка и в общем случае составляет всего несколько угловых минут, что крайне мало для оптических изображающих приборов. Наибольшая величина углового поля достигается в геометрии, называемой «касательной» (tangential) или «широкоапертурной», и составляет до 4° при относительно высоком спектральном разрешении λ/Δλ~300. Однако использование этой геометрии не решает проблему полностью. Достигаемая величина углового поля все равно мала в сравнении с типичными оптическими приборами, а ценой выбора именно такой геометрии является ограничение выбора других важных параметров АО фильтра, например, рабочей частоты ультразвука. В частности, в парателлурите (наиболее широко используемом материале для акустооптики) эта геометрия не совместима с коллинеарной геометрией, в которой спектральное разрешение наиболее высоко.
Таким образом, в настоящее время в задачах регистрации пространственно-спектральных характеристик со спектральным сканированием используются АО фильтры с малым угловым полем. Следствием этого является относительно низкая светосила приборов на основе таких фильтров и сложность оптического согласования их с иными оптическими элементами и приборами (световодами, микроскопами и т.п.) без значительных световых потерь [Мачихин А.С., Батшев В.И. Оптическая система для сопряжения двойных акустооптических монохроматоров и окуляров наблюдательных приборов. // Приборы и техника эксперимента, 2014. №6. С. 93-99]. Сопутствующим фактором является жесткое ограничение на геометрию дифракции и, соответственно, на конфигурацию АО ячеек. Необходимость использовать «касательную» геометрию ограничивает возможности оптимизации параметров АО фильтра, в том числе конструктивных.
Решение проблемы низкой светосилы АО гиперспектрометров было предложено за счет расширения углового поля АО фильтров в нескольких работах [Мазур М.М. и др. Повышение выходного оптического сигнала акустооптического монохроматора при частотной модуляции управляющего сигнала // Журнал технической физики, 2018. V. 125. №10. Р. 572; Anikin S. et al. AOTF transmission shaping for spectral polarimetric imaging // SPIE Future Sensing Technologies / ed. Valenta C.R., Shaw J.A., Kimata M. Online Only, Online Only: SPIE, - 2020. P. 40; Spectral imaging system and method employing an acousto-optic tunable filter for wavelength selection with increased field of view brightness / Patent US5828451 A, 1998]. В этих работах, однако, расширение углового поля в сравнении с типичными АО фильтрами достигается за счет отказа от высокого спектрального разрешения. В двух первых работах для этого полоса пропускания искусственно расширяется за счет модуляции подаваемого на АО фильтр акустического сигнала, а в третьей - запатентованная система не предназначена для получения и сохранения гиперкуба данных, а лишь для вычисления определенной комбинации сигналов в нескольких широких спектральных каналах. Спектральное разрешение таких систем становится на порядок ниже и составляет λ/Δλ~15÷50.
Таким образом, проблемы существующих подходов к задаче получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием связаны с малой величиной углового поля и вытекающих из этого проблем и ограничений, существенно сокращающих возможную область применения гиперспектрометров на основе АО фильтров. Выход за пределы «угловой апертуры», одного из канонических параметров АО фильтров, ведет к неоднородности спектральных характеристик по угловому полю и, фактически, к снижению разрешающей способности [Gorevoy А. V. et al. Spatiospectral transformation of non-collimated light beams diffracted by ultrasound in birefringent crystals //Photon. Res., PRJ. Optical Society of America, - 2021. - Vol. 9, №5. P. 687-693].
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков указанных систем и существенное расширение их функциональных возможностей. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, описанное в [Епихин В.М., Кияченко Ю.Ф., Мазур ММ., Мазур Л.И., Пальцев Л.Л., Судденок Ю.А., Шорин В.Н. Акустооптические спектрометры изображения видимого и ближнего ИК диапазонов // Физические основы приборостроения. 2013. Т. 2. №4 (9). С. 116-125], в которой реализован способ получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием, предусматривающий регистрацию серии спектральных изображений с изменением длины волны настройки АО фильтра. Устройства, которые реализуют этот способ, называемые в статье «спектрометры изображения», содержат последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив, АО фильтр, выходной объектив, видеокамеру, соединенную с компьютером, который управляет драйвером, вырабатывающим управляющий сигнал для АО фильтра. Такой прибор обеспечивает угловое поле до 5° при спектральном разрешении λ/Δλ~250÷500.
Технический результат, который может быть получен, состоит в получении неискаженных пространственно-спектральных характеристик оптического излучения путем спектрального сканирования в более широком угловом поле с высоким спектральным разрешением и получении из них неискаженных спектральных характеристик в каждой точке объекта и монохроматических спектральных изображений объекта на разных длинах волн.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием, состоящий в формировании из анализируемого оптического излучения коллимированного светового пучка, его спектральной фильтрации посредством селективной АО дифракции на ультразвуковой волне определенной частоты, фокусировке выходного дифрагированного пучка на матричном фотоприемнике, регистрации двумерного пространственного распределения его интенсивности - спектрального изображения, повторении последовательности этих операций при разных частотах ультразвуковой волны, соответствующих требуемому спектральному диапазону анализа, сведении полученных двумерных спектральных изображений в трехмерный массив пространственно-спектральных данных, коррекции этого массива на основе спектрально-частотных зависимостей, определенных в каждой точке углового поля по серии полученных при различных ультразвуковых частотах диагностических изображений оптического шаблона, представляющего собой пространственно однородный и освещенный монохроматическим светом образец.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема предпочтительного варианта осуществления устройства, реализующего способ, где
1 - источник анализируемого светового потока,
2 - входной объектив,
3 - входной поляризатор,
4 - АО ячейка,
5 - выходной поляризатор (ортогональный входному),
6 - АО фильтр (состоит из поляризаторов 3,5 и АО ячейки 4)
7 - выходной объектив,
8 - матричный фотоприемник излучения,
9 - устройство хранения информации,
10 - устройство вывода и отображения информации,
11 - устройство управления и коммутации,
12 - устройство обработки оптических изображений,
13 - генератор высокочастотного сигнала (драйвер),
14 - оптический шаблон,
15 - источник узкополосного монохроматическое излучения,
16 - устройство переключения световых потоков.
Красным фоном показано монохроматическое излучение источника 15. Оранжевым фоном выделен принимаемый световой поток после АО фильтра. Недифрагированное излучение задерживается экраном или поляризатором.
На Фиг. 2 схематически изображен принцип формирования спектрально-пространственного массива данных, где
а - трансформация спектра источника света при распространении светового пучка через АО фильтр;
б - коррекция спектрально-пространственного массива;
1 - источник анализируемого светового потока,
2 - входной объектив,
3 - входной поляризатор,
4 - АО ячейка,
5 - выходной поляризатор (ортогональный входному),
6 - АО фильтр (состоит из поляризаторов 3,5 и АО ячейки 4)
7 - выходной объектив,
8 - матричный фотоприемник излучения,
9 - спектр анализируемого излучения,
10 - частотный спектр подаваемого на АО фильтр управляющего высокочастотного сигнала,
11 - спектр отфильтрованного излучения,
15 - массив пространственно-спектральных данных (интенсивностей), образованный зарегистрированной стопкой снимков,
16 - скорректированный массив пространственно-спектральных данных,
17- извлеченный из этого массива спектр одной из точек изображения.
Изобретение может быть реализовано на основе АО системы регистрации спектральных изображений, оборудования для получения диагностических изображений (оптического шаблона, источника монохроматического излучения и др.) и устройства (модуля) обработки оптических изображений.
АО система регистрации спектральных изображений (фиг. 1) состоит из оптически связанных и последовательно расположенных формирователя светового пучка 2; АО перестраиваемого фильтра 6 (состоящего из поляризаторов 3,5 и АО ячейки 4), осуществляющего спектральную фильтрацию оптического пучка, несущего изображение; фокусирующего оптического элемента 7, формирующего изображение на матричном фотоприемнике 8.
Изменение спектра излучения, пропускаемого АО фильтром 6, происходит за счет управления частотой ультразвука, генерируемого посредством подаваемого на АО ячейку электрического сигнала, вырабатываемого драйвером 13 по программе или командам, задаваемым устройством управления и коммутации 11.
Цифровой сигнал с матричного фотоприемника, соответствующий двумерным распределениям интенсивности света на матрице, передается в устройство хранения информации 9. В ходе предварительного диагностического измерения серии снимков оптического шаблона 14, полученные последовательно при разных длинах волн λ монохроматического источника излучения 15, поступают в устройство обработки оптических изображений 12, которое вычисляет зависимости частоты ультразвука f (х, у, λ), соответствующей максимальной величине сигнала каждого элемента МПИ (х, у), от длины волны λ источника излучения (спектрально-частотные зависимости) и сохраняет их в устройстве хранения информации 9.
В ходе регистрации пространственно-спектральных данных цифровой сигнал с матричного фотоприемника излучения 8 передается в устройство хранения информации 9, а оттуда - в устройство обработки оптических изображений 12, которое для каждого элемента (х,у) трехмерного массива данных I(x,y, f) производит по ранее определенным зависимостям вычисление набора частот f(λ)), соответствующего набору длин волн λ, заданных с равномерным шагом в пределах требуемого спектрального диапазона анализа, интерполирует величину сигнала I(f) на этих частотах, а затем объединяет полученные данные I(λ) в скорректированный трехмерный массив I(х,у,λ).
Полученный неискаженный трехмерный массив данных I'(ху,λ) или его части (спектры в отдельных точках или монохроматические пространственные распределения) отображаются устройством вывода и отображения информации 10. Все операции по передаче данных, их хранению, коррекции и отображению осуществляются по командам устройства управления и коммутации 11.
Отличием изобретения является то, что для получения неискаженных пространственно-спектральных характеристик в увеличенном угловом поле АО фильтра без потери спектрального разрешения регистрируемый массив данных, образованный как набор спектральных снимков, корректируют, для чего предварительно регистрируют при различных ультразвуковых частотах серию спектральных изображений оптического шаблона, представляющего собой пространственно однородный и освещенный монохроматическим светом образец, определяют по диагностическим изображениям спектрально-частотные зависимости в каждой точке углового поля и преобразуют сформированный трехмерный массив пространственно-спектральных данных с использованием этих зависимостей.
Другим отличием изобретения является то, что для спектральной фильтрации изображений становится возможным использовать любой АО фильтр, а не только фильтры в «касательной» геометрии, а потому оптимизация параметров АО фильтра ведется по принципиально большему множеству вариантов, включающем все «касательные» геометрии как подмножество.
В предпочтительном варианте осуществления:
АО фильтр 6 (фиг. 1) содержит кристаллическую АО ячейку 4 с поляризаторами 3,5 (фиг. 1), которая управляется сигналом от высокочастотного генератора 13. В качестве формирователя входного пучка 2, используется собирающая линза, обеспечивающая достаточно большое угловое поле. В качестве матричного приемника 8 используется монохромная видеокамера. Элементы 9, 10, 11, 12 реализованы на основе компьютера. В качестве оптического шаблона 14 используется однородный плоский рассеиватель (молочное стекло), освещаемое источником 15, обеспечивающим возможность последовательного выделения нескольких узких линий излучения.
Способ реализуется следующим образом.
Из анализируемого светового потока линза 2 (фиг. 1) формирует световой пучок, несущий изображение объекта (источника света) 1 в виде углового распределения интенсивности. Из этого пучка АО фильтр 6 выделяет те спектральные компоненты, которые дифрагировали на ультразвуковой решетке, имеющей период, определяемый частотой сигнала, вырабатываемого генератором 13 по команде с устройства управления 11, которое работает по программе или в интерактивном режиме. Дифрагированный пучок фокусируется выходным объективом 7 на фотоприемную матрицу 8. Оцифрованный сигнал с нее (спектральный снимок) попадает в устройство хранения информации 9. После завершения серии измерений весь массив зарегистрированных данных по команде устройства управления 11 передается на устройство обработки оптических изображений 12, которое вычисляет скорректированный массив данных. По мере необходимости из полученного массива данных извлекают спектральные зависимости в каждой точке изображения, монохроматические пространственные распределения (спектральные срезы) или другие данные.
Способ получения пространственно-спектральных характеристик оптического излучения со спектральным сканированием, заключающийся в формировании из анализируемого оптического излучения коллимированного светового пучка, его спектральной фильтрации посредством селективной акустооптической дифракции на ультразвуковой волне определенной частоты, фокусировке выходного дифрагированного пучка на матричном фотоприемнике, регистрации двумерного пространственного распределения его интенсивности - спектрального изображения, повторении последовательности этих операций при разных частотах ультразвуковой волны, соответствующих требуемому спектральному диапазону анализа, сведении полученных двумерных спектральных изображений в трехмерный массив пространственно-спектральных данных, получении из полученного трехмерного массива спектров и монохроматических изображений, отличающийся тем, что осуществляют предварительную регистрацию серии диагностических изображений оптического шаблона, представляющего собой пространственно однородный и освещенный монохроматическим светом образец, при различных длинах волн монохроматического излучения и различных ультразвуковых частотах, по диагностическим изображениям определяют зависимости отфильтрованной длины волны света от частоты ультразвука в каждой точке углового поля, корректируют сформированный трехмерный массив пространственно-спектральных данных с использованием этих зависимостей.
