RU2331049C2 - Displaying spectrometer (versions) - Google Patents
Displaying spectrometer (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2331049C2 RU2331049C2 RU2006127741/28A RU2006127741A RU2331049C2 RU 2331049 C2 RU2331049 C2 RU 2331049C2 RU 2006127741/28 A RU2006127741/28 A RU 2006127741/28A RU 2006127741 A RU2006127741 A RU 2006127741A RU 2331049 C2 RU2331049 C2 RU 2331049C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- mirrors
- interferometer
- interferometers
- filtered
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Description
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.).The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used to register IR images of objects in any arbitrarily selected narrow spectral bands within the working spectral range of the device. There is no established name for such devices yet. Most often, the names are used to denote this direction and optical devices for this purpose: spectral imaging (SI), imaging spectroradiometer or imaging spectrometer (spectral imaging that displays a spectroradiometer that displays a spectrometer). When implementing imaging spectrometers (OS), both direct optical filtering methods of the received radiation are used using tunable optical filters of various kinds (acousto-optical, interference, interference-polarizing, etc.), and spectral image extraction methods based on computer processing of optical fields recorded matrix receiver (for example, signals after the Fourier interferometer, holograms, etc.).
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)].Various types of imaging spectrometers are known using the above optical radiation processing methods [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.For example, the infrared Fourier spectrometer based on the Sagnac interferometer [J.B. Rafert, R. G. Sellar, and J.H. Blatt, "Monolithic Fourier-transform imaging spectrometer", Appl. Opt. 34, pp.7228-7230, 1995], in which the spectral and spatial information about the observed object is accumulated over the tn-time of the relative angular displacement of the OS and the object within the instantaneous angle of the field of view of the OS (scan time). If the spatial and spectral characteristics of an object (scene) are unstable and change during the time interval τn required to accumulate spatial and spectral information about the object (for example, an explosion is observed), then the OS will give distorted information.
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).Thus, the main drawback inherent in this and other operating systems, the classification of which is given in [R. Glenn Sellar, Glenn D.Boreman. Classification of imaging spectrometers for remote sensing applications // Optical Engineering, January 2005 / Vol.44 (1)], due to the fact that they all require a certain time for the accumulation of spatial and spectral information about the observed object and, therefore, are unsuitable for registration fast processes (phenomena). To obtain spatial and spectral information, it is necessary to form three data arrays: arrays for each of the two spatial coordinates and an array of spectral information about each image point defined in many narrow spectral bands belonging to the studied fairly wide spectral range. This three-dimensional nature of data storage has led to the term 3D or “data cube”. The larger the volume 3D has and the faster it is created, and the further its spatial and spectral samples are reproduced, the more efficiently the display spectrometer works. The possibilities of quickly obtaining 3D are determined both by the design features of the OS (Hard OS) and by the methods of information processing (Soft OS).
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.Known non-scanning OS operating in the mid-IR spectral range (3 ... 5 μm), suitable for recording spatial and spectral data on rapidly changing processes (scenes) [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]. This OS is based on the principles of computed tomography and allows 3D reconstruction of twenty-five 2D projections recorded simultaneously in different narrow spectral bands on a two-dimensional matrix receiver from InSb with the number of elements 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.The main disadvantage of this OS is a very small array of spatial information. Any monospectral image (2D projection) is recorded and reproduced by an array of 46 × 46 pixels, which is clearly not enough to obtain a full-fledged image. (For comparison, we note that modern thermal imagers operating in this wavelength range provide image frame transmission with arrays of 512 × 512 pixels or more.) Another significant drawback of this OS is the need to perform a large amount of computation to reconstruct the data cube and reproduce the required monospectral 2D Images.
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.The closest (by the principle of action and design) analogue prototype is the OS described in [Christopher M. Gittins and William J. Marinelli. "LWIR multispectral imaging chemical sensor" // Proc. of SPIE, 1998. Vol. 3533. (SPIE Paper No. 3533-13)], comprising a Fabry-Perot interferometer with precision adjustment of the distance between mirrors with reflective interference coatings, the reflecting surfaces of the mirrors being perpendicular to the optical axis of the OS along which the filtered radiation propagates; a matrix receiver (2 × 4 pixels) based on a cadmium-mercury-tellurium connection with an electronic information processing unit connected to a monitor reproducing spectral images; a band-pass cooled filter that transmits radiation only in the spectral operating band of the OS; optical elements (lenses or mirrors) matching the cross section and the angle of divergence of the filtered radiation flux with the inlet and the aperture angle of the matrix receiver; rotating mechanical modulator of received radiation; an electromechanical device that provides biaxial scanning of the instantaneous angle of view of the OS. The OS under consideration provides the fundamental possibility of obtaining monospectral images in the working spectral range from 9.5 to 11.5 μm in narrow spectral bands with a width of δλ≈7 cm -1 (with a relative spectral resolution of λ / δλ> 100). Tuning to filter the selected wavelength occurs by precision adjustment of the distance between the mirrors of the interferometer. As a worker, the third interference order m = 3 is used, which ensures the following relation between the filtered wavelength λ and d - the distance between the interferometer mirrors d = (m / 2) · / λ = (3/2) · λ. For example, in this case, to filter radiation with a wavelength of λ = 10 μm, it is required to set the distance between the plates of the interferometer equal to d = 15 μm. The interferometer mirrors have dielectric reflective coatings providing a reflection of 94% in the working spectral range. The setup time of the interferometer for an individual selected wavelength is at least 1.3 ms.
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.To accumulate a full cube of spatial and spectral information, an electromechanical device that provides biaxial scanning of the instantaneous angle of view of the OS performs 288 discrete positions in 9 seconds, and an interferometer is scanned during each positioning. This ensures a spatial resolution of 48 × 48 elements within the full field of view of the
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).The main disadvantage of this OS (as well as almost all known OSs) is the impossibility of registering fast processes (due to the need to perform spatial and (or) spectral scanning to accumulate a data cube), because the time required for scanning is many times longer than typical durations of fast processes (0.001-0.1 s).
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).Another disadvantage of this OS, due to the fact that the interferometer mirrors have reflective interference coatings that provide high reflection coefficients (94%), only in the relatively narrow operating spectral range of the OS (9.5-11.5 μm), is the impossibility of its operation in other spectral ranges (t .e. in other orders of interference).
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.Common signs of the claimed invention and prototype are the presence of a spectral filter element - interferometer; a matrix receiving device with an electronic information processing unit connected to a monitor reproducing spectral images; a cooled band-pass filter that transmits radiation only in the spectral operating band of the OS and cuts off radiation outside the operating range; optical elements (lenses and (or) mirrors) matching the cross section and the angle of divergence of the filtered radiation flux with the inlet and the aperture angle of the matrix receiver.
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.The objectives of the invention are: providing the possibility of simultaneous registration of spatial and spectral information when observing fast processes, ensuring the fundamental possibility of operating the OS in other spectral ranges (i.e., in other interference orders), providing the ability to quickly switch the operating mode of the device from the display spectrometer (multispectral thermal imager) to the "normal" thermal imager mode.
Поставленные задачи решаются двумя вариантами устройства.The tasks are solved in two versions of the device.
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,According to the first embodiment, in a display spectrometer containing n interferometers (n> 1), mirrors, a matrix receiving device with an electronic information processing unit, connected to a monitor that reproduces spectral images, a filter that transmits radiation only in the spectral operating band of the OS and cuts off radiation outside operating range, optical elements (lenses and (or) mirrors), matching section and angle of divergence of the filtered radiation flux with the inlet and the aperture angle of the matrix receiving device ystva
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),interferometers whose mirrors do not have reflective coatings are installed with respect to the axis of the optical system along which the filtered radiation propagates at an angle φ equal to the Brewster angle (φ = φ Brewster, where φ Brewster is the Brewster angle),
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:an additional polaroid is installed in the OS, set to
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),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,where ε is the height (in the direction perpendicular to the rows) of the matrix receiver, F is the focal length of the lens focusing the filtered radiation onto the matrix receiver, λ1, λn are the lower and upper boundaries of the filtered wavelength range, and α (λ1) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer, at which the interferometer has a maximum transmission of radiation with a wavelength of λ1, α (λn) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer, at which the interferome p has the maximum transmittance of light with a wavelength 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.the distances between the mirrors of the interferometers d1, d2 ... dn are set equal: d1 = K1 · λm, d2 = K2 · λm, ..., dn = K1 · λm, where λm is the wavelength of the rays at the output of the multiplex of interferometers propagating along the optical axis OS, corresponding to the middle of the filtered range, K1, K1, ..., Kn are the coefficients selected depending on the material of the interferometer mirrors and the operating spectral range of the OS.
Расстояния L между соседними интерферометрами установлены в соответствии со следующим выражением:The distances L between adjacent interferometers are set in accordance with the following expression:
где j - длина пластины (зеркала) интерферометра; N - допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров;where j is the length of the plate (mirror) of the interferometer; N is the allowable number of beam reflections from mirrors of adjacent interferometers;
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).To provide the possibility of operating the OS in other spectral ranges, the mirrors of interferometers do not have reflective coatings. Due to this, it is possible, by replacing the cooled bandpass filter installed in front of the matrix receiver, or by replacing the cooled filter together with the matrix receiver, to ensure the operation of the OS in other spectral ranges (interference orders).
(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)).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
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:The installation of interferometers with respect to the axis of the optical system along which the filtered radiation propagates at an angle φ equal to the Brewster angle (φ = φ Brewster, where φ Brewster is the Brewster angle), allows:
- 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.- to provide the required spectral range of operation of the OS (for rays with polarization perpendicular to the plane of incidence) with a device field of view equal to α (λn) -α (λ1), and due to this, to ensure the possibility of filtering different wavelengths for rays incident on interferometers under different angles. As a result, it becomes possible to simultaneously register radiation with different wavelengths without adjusting the distances between the interferometer mirrors for a period of time equal to one frame, which in the case of using a matrix receiving device based on the SRT (cadmium-mercury-tellurium) compound is estimated at 10 -4 -10 -2 s, and, therefore, simultaneously obtain spatial and spectral information when registering fast processes.
(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°).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
- Увеличить коэффициент отражения наклонных зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, и, следовательно, увеличить разрешающую способность ОС.- Increase the reflection coefficient of the inclined mirrors of the interferometer for radiation with polarization perpendicular to the plane of incidence, and, therefore, increase the resolution of the OS.
(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°).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
- Устранить вредное влияние интерференции между зеркалами соседних интерферометров путем установления L-расстояний между соседними интерферометрами в соответствии со следующим выражением:- Eliminate the harmful effects of interference between mirrors of adjacent interferometers by establishing L-distances between adjacent interferometers in accordance with the following expression:
где j - длина пластины (зеркала ) интерферометра; N - допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров.where j is the length of the plate (mirror) of the interferometer; N is the allowable number of beam reflections from mirrors of adjacent interferometers.
(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.(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
- 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.- Increase (as a result of increasing the spectral interval between adjacent passbands) the distances between the mirrors of each interferometer to d1 = K1 · λm, d2 = K2 · λm, ..., dn = K1 · λm, which in turn also leads to an increase in the quality factor and resolution, where λm is the wavelength of the rays at the output of the multiplex of interferometers propagating along the optical axis of the OS, corresponding to the middle of the filtered range; K1, K1, ..., Kn are the coefficients selected depending on the material of the interferometer mirrors and the operating spectral range of the OS.
(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).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
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.An additionally introduced polaroid, set to
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).The choice of the focal length of the lens mounted in front of the matrix receiver in accordance with the expression arcsin (ε / 2F) = α (λ1) -α (λn) ensures that radiation with a wavelength λ1 corresponding to the lower (short-wave) boundary of the filtered range is incident on the left row of the matrix receiving device, and radiation with a wavelength λn corresponding to the upper (long-wave) boundary of the filtered range, to the right line of the matrix receiving device (where ε is the height of the matrix receiving device, F is the focal length of the lens, focus filtering radiation to the matrix receiving device, λ1, λn are the lower and upper boundaries of the filtered wavelength range, α (λ1) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting edges of the interferometer at which the interferometer has a maximum radiation transmission with wavelength λ1, α ( λn) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer at which the interferometer has a maximum transmission of radiation with a wavelength of λn).
По второму варианту (п.2 формулы)According to the second option (
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,in a display spectrometer containing n interferometers (n≥1), mirrors, a matrix receiving device with an electronic information processing unit, connected to a monitor that reproduces spectral images, a filter that transmits radiation only in the spectral operating band of the OS and cuts off radiation outside the operating range, optical elements (lenses and (or) mirrors) matching the cross section and the angle of divergence of the filtered radiation flux with the inlet and the aperture angle of the matrix receiving device,
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:interferometers whose mirrors do not have reflective coatings are inclined to the optical axis of the device along which filtered radiation propagates at an angle φ equal to φ Brewster – Brewster angle, made in the form of two integral or composite rectangular plates parallel to each other (each with length j and width b ) located at a distance d, inserted to a depth h in the gap between the flat reflective surfaces of two additional rectangular mirrors (each of length j and width b, located at a distance of 2 · t + u from each other a) parallel to the plates of the interferometers, so that the distances between the reflecting surface of each additional mirror and the outer surface of the opposing plate of the interferometer are equal to t, and the reflecting surface of the third additional mirror of width b and
где n - число проходов фильтруемого излучения через интерферометры, n = 2, 4, 6 ..., u - толщина (расстояние между наружными поверхностями зеркал) интерферометра,where n is the number of passes of the filtered radiation through interferometers, n = 2, 4, 6 ..., u is the thickness (distance between the outer surfaces of the mirrors) of the interferometer,
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,an additional polaroid is installed in the OS, set to
фокусное расстояние объектива, установленного перед матричным приемным устройством, выбирается в соответствии со следующим выражением:the focal length of the lens mounted in front of the matrix receiving device is selected in accordance with the following expression:
arcsin(ε/2F)=α(λ1)-α(λn),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,where ε is the height (in the direction perpendicular to the rows) of the matrix receiving device, F is the focal length of the lens focusing the filtered radiation onto the matrix receiving device, λ1, λn are the lower and upper boundaries of the filtered wavelength range, and α (λ1) is the angle of incidence filtered radiation to the reflecting faces of the interferometer, in which the interferometer has a maximum transmission of radiation with a wavelength of λ1, α (λn) is the angle of incidence of the filtered radiation of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer, in which the interferometer has a maximum transmission of radiation with a wavelength of 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.the distances between the mirrors of the interferometers are set equal to d = K · λm, where λm is the wavelength of rays at the output of the multiplex of interferometers propagating along the optical axis of the OS, corresponding to the middle of the filtered range, K is the coefficient chosen depending on the material of the mirrors of the interferometers and the operating spectral range of the OS .
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).To provide the possibility of operating the OS in other spectral ranges, the mirrors of interferometers do not have reflective coatings. Due to this, it is possible, by replacing the cooled bandpass filter installed in front of the matrix receiver, or by replacing the cooled filter with the matrix receiver, to ensure the operation of the OS in other spectral ranges (interference orders).
(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)).(In the considered embodiment of the construction according to
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:The installation of interferometers with respect to the axis of the optical system along which the filtered radiation propagates at an angle φ equal to the Brewster angle (φ≈φ Brewster, where φ Brewster is the Brewster angle), allows:
- 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.- To provide the required spectral range of the operating system (for rays with polarization perpendicular to the plane of incidence) at a field of view angle of the device equal to α (λn) -α (λ1), and thereby provide the possibility of simultaneous filtering of different wavelengths for rays incident on interferometers under different angles. As a result, it becomes possible to simultaneously register radiation with different wavelengths without adjusting the distances between the mirrors of the interferometers for a period of time equal to one frame, which, for example, in the case of using a matrix receiving device based on the SRT (cadmium-mercury-tellurium) compound, is estimated at 10 - 4 -10 -2 , s and receive both spatial and spectral information when registering fast processes.
(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°).(In the example of the construction embodiment under consideration according to
- Увеличить до максимально возможной величины коэффициент отражения наклонных зеркал интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения.- Increase to the maximum possible value the reflection coefficient of the inclined mirrors of the interferometer for radiation with a polarization perpendicular to the plane of incidence.
(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°).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
- Устранить вредное влияние интерференции между зеркалами соседних интерферометров.- Eliminate the harmful effects of interference between mirrors of adjacent interferometers.
(В рассматриваемом варианте реализации конструкции по п.2 полностью устраняется интерференция между соседними зеркалами интерферометров, т. к. зеркала интерферометров находятся в одних плоскостях).(In the considered embodiment of the construction according to
- 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.- Increase (as a result of increasing the spectral interval between adjacent passbands) the distances between the mirrors of each interferometer to d = K · λm (where λm is the wavelength of rays at the output of the multiplex of interferometers propagating along the optical axis of the OS, corresponding to the middle of the filtered range), which in in turn, also leads to an increase in the quality factor and resolution.
(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).(In the considered, for example, embodiment of the construction according to
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.An additionally introduced polaroid, set to
Это вспомогательный режим работы устройства. Он может быть полезен при предварительном обследовании сцены для получения интегральной информации.This is an auxiliary mode of operation of the device. It can be useful in a preliminary examination of the scene to obtain integral information.
Выбор фокусного расстояния объектива, установленного перед матричным приемником, в соответствии с выражением:The choice of the focal length of the lens mounted in front of the matrix receiver, in accordance with the expression:
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.arcsin (a / 2F) = α (λ1) -α (λn) (where a is the height of the matrix receiving device, the F-focal length of the lens focusing the filtered radiation onto the matrix receiving device, λ1, λn are the lower and upper boundaries of the filtered range, respectively wavelengths, α (λ1) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer, at which the interferometer has a maximum transmission of radiation with a wavelength λ1, α (λn) is the angle of incidence of the filtered radiation on the reflecting faces of the interferometer, at which the interferometer has the maximum acceleration of radiation with a wavelength of λn), ensures that radiation with a wavelength of λ1 corresponding to the lower (short-wave) boundary of the filtered range) hits the left row of the matrix receiver, and radiation with a wavelength λn corresponding to the upper (long-wave) boundary of the filtered range, to the right matrix receiver row.
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.The design of the OS according to
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:Here are the main relationships that describe the hardware function of the OS for the first and second options. It can be shown that tn (α, dn, λ) is the transmission of an oblique interferometer for radiation with polarization perpendicular to the plane of incidence, depending on the angle of incidence α, the distance between the internal faces dn and the wavelength λ as follows:
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]where n (λ) is the dependence of the refractive index of Germany on the wavelength [E. M. Voronkova, B. N. Grechushnikov, G. I. Distler, I. P. Petrov // Optical materials for infrared technology. M .: Nauka, 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:The resulting transmission tn (α, dn, λ) of four interferometers installed one after another (with the distances between the plates (mirrors) d1, d2, d3, d4 for radiation incident on each interferometer at an angle α, is expressed as the following product:
Сущность устройства по варианту 1 поясняется чертежом (Фиг.1.).The essence of the device according to
Устройство содержит:The device contains:
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.1, 2, 3, 4 - interferometers; 5, 6 - lenses matching the cross section and the angle of divergence of the filtered radiation flux with the inlet and the aperture angle of the matrix receiving device that records the filtered radiation; 7 - polaroid ;; 8 - lens; 9 is a mirror for scanning an image along the matrix plane (in a direction perpendicular to the rows) by precision rotations about an axis perpendicular to the ZY plane; 10 is a cooled band-pass filter that cuts off radiation with wavelengths outside the working spectral range of the filtering device; 11 - matrix receiving device with an electronic information processing unit; 12 - monitor.
Сущность устройства по варианту 2 поясняется чертежом (Фиг.2). Устройство содержит:The essence of the device according to
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.1, 2, 3 - glass (quartz) mirrors with a gold reflective coating; 4, 5 - interferometer plates made, for example, of germanium (the outer surfaces of which have antireflection coatings that provide maximum transmission for the filtered radiation); 6 - polaroid; 7 - lens; 8 is a mirror for scanning an image along the matrix plane (in a direction perpendicular to the rows) by precision rotations about an axis perpendicular to the ZY plane; 9 - a cooled band-pass filter that cuts off radiation with wavelengths outside the working spectral range of the filtering device; 10 - matrix receiving device with an electronic information processing unit; 11 - monitor.
Устройство по варианту 1 работает следующим образом.The device according to
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.Polychromatic radiation from the studied object (scene), entering the input of the optical device, propagates along its optical axis within the angle of
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).Figure 3 shows the dependences of the transmission circuits (corresponding to the third order of interference) tnα (λ) on λ, calculated (according to expression 2) for the following distances between the plates (mirrors) of the interferometers: d1 = d2 = d3 = d4 = d = K · λm = 39 μm (for λm = 9.44 μm) for rays propagating in planes perpendicular to the ZY plane located at the following angles β to the optical axis of the OS: 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.Note that for an interferometer with optical thickness d, the mirrors of which are normal to incident rays (see prototype), the transmission wavelength is related as follows to the interference order m: λ = 2 · d / m, with an increase in the angle of inclination of the interferometer with respect to the incident radiation transmission wavelength is reduced. Figure 4 shows the dependence of the wavelengths of the passband of the considered multiplex of interferometers on the α-angle of inclination of the interferometers to the incident radiation. Each of the dependencies corresponds to a specific order of interference. For example, the dependence λ4 (α) corresponds to the first order of interference (m = 1), the dependence λ1 (α) corresponds to the second order of interference (m = 2), the dependence λ2 (α) corresponds to the third order of interference (m = 3), the dependence λ3 ( α) corresponds to the fourth order of interference (m = 4). Replacing the
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.For example, the dependence λ2 (α) shows the possibility of smoothly filtering wavelengths in the range of interest of 8 ... 10.87 μm (the corresponding range of angles of incidence of filtered radiation beams on interferometers α min ≤ α ≤ α max, where α min = 73.82 °, α max = 78.18 °) when installing in front of the matrix receiver a cooled interference filter that transmits radiation in the band 7.7 ... 11.5 μm. As can be seen from Figure 5 (which shows on an enlarged scale fragments of the dependencies shown above in Figure 4), a similar interference filter, in the considered range of incidence angles of 73.82 ° ... 78.18 °, will ensure that radiation corresponding to selected spectral range: 8 ... 10.87 microns.
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.The
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°).As a result, radiation with a wavelength λ max = 10.87 μm from the beams propagating in the plane perpendicular to the ZY plane and inclined to the OS axis by an angle β = 2.18 ° (α = 73.82) will come to the right row of the
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.From a beam propagating along the optical axis of the system (β = 0 °, α = 76), radiation with a wavelength of λm = 9.44 μm is filtered, which is focused by the lens onto a pixel located in the middle of the middle row of the
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).Thus, from a polychromatic beam emitted by a portion of the scene that is optically conjugated to one of the pixels of the matrix receiving device belonging to row number n, radiation (polarized in a plane perpendicular to the plane of incidence) will be extracted and focused on this matrix pixel the wavelength λn corresponding to the angular coordinate of this row βn (where -2.18 ° ≤βn≤2.18 °, βn is the angle of inclination of the plane in which the beam propagates to the optical axis of the OS).
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.Obviously, as a result of such optical filtering, a “multi-colored” image of the observed object is formed on the matrix in one frame, where each line receives radiation from the object's optically conjugated points at a wavelength corresponding to the serial number (angular coordinate (βn) of this line.
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.A distinctive feature and main advantage of the proposed OS is the fundamental ability to register fast processes by obtaining in one frame their instant "image with multi-colored lines", i.e. image, in which each line displays the radiation intensity with only a certain wavelength corresponding to the number of this line from the scene strip optically conjugated to this line. Such an image is obtained without any scanning during the frame accumulation time ~ 10 -2 ... 10 -4 s.
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.It should be noted that when observing stationary objects, this OS provides the accumulation of spatial and spectral information (the "data cube") by scanning the image in the plane of the matrix receiving device, which is performed by swinging the
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.An additionally introduced polaroid, set to
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.The device made according to the second embodiment, operates as follows. Polychromatic radiation from the studied object (scene) entering the input of the optical device propagates along its optical axis within the angle of view of 2 · β and falls at the Brewster angle (calculated for the wavelength λm located in the center of the filtered range λ1 ... λn ) to
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.Thus, in the device according to the second embodiment (as well as in the device constructed according to the first embodiment), the filtered radiation passes four times at the Brewster angle through interferometers with non-selective mirrors (with mirrors without reflective coatings), then also passes through the polaroid and cooled band-pass filter and focuses on the matrix receiving device.
Отметим два преимущества второго варианта устройства.We note two advantages of the second variant of the device.
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.In it, the mirrors of "neighboring interferometers" are located in the same plane, which completely eliminates the possibility of spurious interference (spurious coupling of interferometers). The optical scheme of the second option provides a double passage of the filtered radiation through each interferometer (see Figure 2), which allows to halve the total length of the germanium plates of the interferometers in comparison with the first option and simplifies the initial OS setup.
В остальном устройство, выполненное по второму варианту, работает так же, как и устройство, выполненное по первому варианту, и обладает практически теми же свойствами.Otherwise, the device made in the second embodiment works the same way as the device made in the first embodiment, and has almost the same properties.
В заключение отметим, чтоIn conclusion, we note that
- 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;- in comparison with the analogue, both devices (imaging spectrometers made according to the first and second variants) provide fast (in one frame) acquisition of spatial and spectral information without any loss of the amount of spatial information;
- 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.- compared with the prototype, both devices (imaging spectrometers made according to the first and second embodiment) have the fundamental ability to register fast processes by obtaining in one frame their instant “image with multi-colored lines”; provides the possibility of operating the OS in other spectral ranges (i.e., in other orders of interference); provides the ability to quickly switch the operating mode of the device from the mode of the imaging spectrometer (multispectral thermal imager) to the "normal" thermal imager.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127741/28A RU2331049C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Displaying spectrometer (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127741/28A RU2331049C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Displaying spectrometer (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006127741A RU2006127741A (en) | 2008-02-10 |
| RU2331049C2 true RU2331049C2 (en) | 2008-08-10 |
Family
ID=39265788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006127741/28A RU2331049C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Displaying spectrometer (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2331049C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655464C1 (en) * | 2017-03-03 | 2018-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интегрированные электронно-оптические системы" | Thermal imaging module |
-
2006
- 2006-07-31 RU RU2006127741/28A patent/RU2331049C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655464C1 (en) * | 2017-03-03 | 2018-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интегрированные электронно-оптические системы" | Thermal imaging module |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006127741A (en) | 2008-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11415460B2 (en) | Fabry-Perot Fourier transform spectrometer | |
| EP2773929B1 (en) | Spectral camera with mosaic of filters for each image pixel | |
| US5926283A (en) | Multi-spectral two dimensional imaging spectrometer | |
| Geelen et al. | A snapshot multispectral imager with integrated tiled filters and optical duplication | |
| EP1495293B1 (en) | Imaging spectrometer | |
| US7330266B2 (en) | Stationary fourier transform spectrometer | |
| CN112789495A (en) | Hybrid spectral imager | |
| EP1705469B1 (en) | Polarimeter to similtaneously measure the stokes vector components of light | |
| AU2023204214A1 (en) | Fabry-Perot Fourier transform spectrometer | |
| US11733094B2 (en) | Compact computational spectrometer using solid wedged low finesse etalon | |
| CN109632099B (en) | Fabry-Perot interference imaging spectrometer | |
| WO2004005870A1 (en) | Imaging apparatus | |
| RU2331049C2 (en) | Displaying spectrometer (versions) | |
| Gupta | Acousto-optic tunable filter based spectropolarimetric imagers | |
| US6580509B1 (en) | High speed high resolution hyperspectral sensor | |
| Harvey et al. | High-throughput snapshot spectral imaging in two dimensions | |
| JP6941124B2 (en) | Fourier Transform Multi-Channel Spectrum Imager | |
| Fisher et al. | Survey and analysis of fore-optics for hyperspectral imaging systems | |
| Harvey et al. | Imaging spectrometry at visible and infrared wavelengths using image replication | |
| RU2377510C1 (en) | Displaying spectrometre | |
| JP3908726B2 (en) | Three-dimensional shape measuring device for transparent thin film using acousto-optic modulation filter | |
| Gunning et al. | LWIR/MWIR adaptive focal plane array | |
| Filachev et al. | Spectral filtration of images in the IR spectral region with use of a phenomenon of total internal reflection and multibeam interference | |
| WO2004074767A1 (en) | Method and apparatus for spectral analysis of images | |
| Sviridov et al. | Multispectral thermal imaging with interferometers at Brewster angle of incidence |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100801 |