RU2397457C1

RU2397457C1 - Displaying focal spectrometre (versions)

Info

Publication number: RU2397457C1
Application number: RU2009121946/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Свиридов (RU); Анатолий Николаевич Свиридов; Анатолий Михайлович Филачев (RU); Анатолий Михайлович Филачев; Владимир Павлович Пономаренко (RU); Владимир Павлович Пономаренко; Андрей Сергеевич Кононов (RU); Андрей Сергеевич Кононов; Леонид Яковлевич Гринченко (RU); Леонид Яковлевич Гринченко; Александр Иванович Дирочка (RU); Александр Иванович Дирочка
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН"
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: spectrometre has on a single optical axis an input lens (1), a focusing and diverging lens (4), two identical fibre-optic converters, a lens (8) of a matrix reception device (9) with a data processing unit (10). Each fibre-optic converter has smaller (2 and 7) and larger (3 and 6) faces. The converters are made from identical fibres which are transparent in the operating spectral range of the spectrometre. An opaque screen (5) covers the centre of the lens (4).

EFFECT: possibility of detecting fast processes when controlling the aperture ratio and spectral resolution of the spectrometre.

8 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и могут быть использованы для получения изображений объектов (сцены) в любых произвольно выбранных узких спектральных полосах, находящихся внутри рабочего спектрального диапазона устройства.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used to obtain images of objects (scenes) in any arbitrarily selected narrow spectral bands within the working spectral range of the device.

В видимой или инфракрасной (ИК) областях спектра изображения можно наблюдать, например, с помощью устройств, содержащих объектив, матричное фотоприемное устройство и монитор.In the visible or infrared (IR) regions of the spectrum, the image can be observed, for example, using devices containing a lens, a photodetector array and a monitor.

Устройства, позволяющие получать спектральные изображения объектов в любых произвольно выбранных узких спектральных полосах, находящихся внутри рабочего спектрального диапазона, называют устройствами для спектральной фильтрации изображений, устройствами для спектрального видения, устройствами для спектрального отображения, отображающими спектрометрами или отображающими монохроматорами.Devices that allow obtaining spectral images of objects in any arbitrarily selected narrow spectral bands within the working spectral range are called devices for spectral filtering of images, devices for spectral vision, devices for spectral imaging, displaying spectrometers or imaging monochromators.

При реализации отображающих спектрометров 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.).When imaging spectrometers are implemented, both the methods of direct optical filtering of the received radiation using tunable optical filters of various types (acousto-optical, interference, interference-polarizing, etc.) and the methods for extracting spectral images based on computer processing of optical fields recorded by a 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)].

В этих отображающих спектрометрах 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". Поэтому практически все отображающие спектрометры требуют определенного времени для накопления пространственной и спектральной информации о наблюдаемом объекте. Причем они не могут регистрировать одновременно пространственную и спектральную информацию и, следовательно, не пригодны для регистрации быстропротекающих процессов (явлений).To obtain spatial and spectral information in these imaging spectrometers, 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”. Therefore, almost all imaging spectrometers require a certain time for the accumulation of spatial and spectral information about the observed object. Moreover, they cannot register spatial and spectral information at the same time and, therefore, are not suitable for recording fast-moving processes (phenomena).

Аналогом заявляемых отображающих спектрометров является фокальный монохроматор, описанный в [А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский «Техника и практика спектроскопии» // Издат. «Наука», 1978 г., с.112], содержащий линзу, выполняющую роль фокусирующего и диспергирующего элементов и примыкающий к ней непрозрачный экран, закрывающий ее центральную область. В нем свет от точечного источника, которым может быть искра, лампа сверхвысокого давления, либо отверстие в непрозрачном экране (диафрагма), освещенное светом протяженного источника, фокусируется линзой, центральная область которой закрыта экраном. Вследствие хроматической аберрации фокусы лучей для длин волн λ₁, λ₂, λ₃ находятся на разных расстояниях L(λ₁), L(λ₂), L(λ₃) от поверхности линзы. Если поместить на расстоянии L(λ₁) от поверхности линзы диафрагму, диаметр, которой равен диаметру изображения точечного источника на этом же расстоянии от поверхности линзы, то через отверстие диафрагмы пройдут в основном только лучи с длиной волны λ₁. Экран, закрывающий центральную часть линзы, создает полость в конусе лучей, обеспечивая достаточную чистоту выделяемого участка спектра. Изменяя расстояние L, можно изменять длину волны выходящего излучения. Относительное спектральное разрешение фокального монохроматора λ/Δλ, с уменьшением диаметра диафрагмы увеличивается, но при этом одновременно уменьшается число спектральных мод (точек изображения), пропускаемых диафрагмой.An analogue of the claimed imaging spectrometers is a focal monochromator described in [A.N. Zaidel, G.V. Ostrovskaya, Yu.I. Ostrovsky "Technique and practice of spectroscopy" // Publ. “Science”, 1978, p.112], containing a lens acting as a focusing and dispersing element and an opaque screen adjacent to it, covering its central region. In it, light from a point source, which can be a spark, an ultrahigh pressure lamp, or a hole in an opaque screen (diaphragm) illuminated by the light of an extended source, is focused by a lens whose central region is covered by a screen. Due to chromatic aberration, the foci of the rays for wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ are at different distances L (λ ₁ ), L (λ ₂ ), L (λ ₃ ) from the lens surface. If you place a diaphragm at a distance L (λ ₁ ) from the surface of the lens whose diameter is equal to the diameter of the image of a point source at the same distance from the lens surface, then only rays with a wavelength of λ ₁ will pass through the aperture. A screen covering the central part of the lens creates a cavity in the cone of the rays, ensuring sufficient purity of the allocated portion of the spectrum. By changing the distance L, you can change the wavelength of the output radiation. The relative spectral resolution of the focal monochromator λ / Δλ, with a decrease in the diameter of the aperture, increases, but at the same time the number of spectral modes (image points) transmitted by the aperture decreases.

Из рассмотренных выше конструкции и принципа действия фокального монохроматора видно, что его основным недостатком, обусловленным тем, что выделение нужной длины волны осуществляется с помощью точечной диафрагмы, является принципиальная невозможность получения на экране или на поверхности матричного приемного устройства монохроматических (моноспектральных) изображений протяженных объектов.From the design and principle of operation of the focal monochromator considered above, it is seen that its main drawback, due to the fact that the desired wavelength is extracted using a point aperture, is the fundamental impossibility of obtaining monochromatic (monospectral) images of extended objects on the screen or on the surface of the matrix receiving device.

Наиболее близким аналогом-прототипом для предлагаемых изобретений является отображающий фокальный спектрометр с дисперсионным оптическим элементом, выполненным в виде линзы, описанный в [В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения // М.: Университетская книга, Логос, 2007 г., с.62].The closest analogue prototype for the proposed invention is a focal spectrometer with a dispersive optical element made in the form of a lens, described in [V.V. Tarasov, Yu.G. Yakushenkov. Two-and multi-band optical-electronic systems with matrix radiation detectors // M .: University book, Logos, 2007, p.62].

Известный спектрометр содержит линзу, являющуюся фокусирующим и диспергирующим элементом, и перемещаемое вдоль оси линзы матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, электрически соединенное с монитором, воспроизводящим изображения. В нем каждый чувствительный элемент (пиксель) матричного приемника выполняет также роль точечной диафрагмы. Однако в известном отображающем фокальном спектрометре в плоскости наилучшей фокусировки излучения, например, с длиной волны λ₁ присутствуют расфокусированные изображения, создаваемые излучениями с другими длинами волн, т.е. на монохроматическое изображение с длиной волны λ₁ накладывается полихроматическое изображение. Таким образом, первым существенным недостатком известного спектрометра является то, что в нем на любое выделенное монохроматическое изображение накладывается полихроматическое изображение, что резко ухудшает отношение сигнал/шум и, следовательно, ухудшает качество фильтруемого изображения. Второй недостаток известного спектрометра обусловлен тем, что в нем различным длинам волн соответствуют различные фокусные расстояния, следовательно, увеличение в такой схеме зависит от λ. Поэтому для восприятия каждого монохроматического изображения нужна коррекция изменяющегося увеличения и, следовательно, нужна коррекция размеров монохроматических изображений. Третьим недостатком известного спектрометра (как и практически всех известных спектрометров) является невозможность регистрации быстропротекающих процессов, обусловленная необходимостью выполнения 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 known spectrometer contains a lens, which is a focusing and dispersing element, and a matrix receiving device with an electronic information processing unit that is electrically connected to an image-reproducing monitor and moved along the axis of the lens. In it, each sensitive element (pixel) of the matrix receiver also acts as a point aperture. However, in the known imaging focal spectrometer in the plane of the best focusing of radiation, for example, with a wavelength of λ _1, there are defocused images produced by radiation with different wavelengths, i.e. A polychromatic image is superimposed on a monochromatic image with a wavelength of λ ₁ . Thus, the first significant drawback of the known spectrometer is that in it any polychromatic image is superimposed on any selected monochromatic image, which sharply degrades the signal-to-noise ratio and, therefore, degrades the quality of the filtered image. The second disadvantage of the known spectrometer is due to the fact that different focal lengths correspond to different wavelengths in it, therefore, the increase in such a scheme depends on λ. Therefore, for the perception of each monochromatic image, a correction of the changing magnification is needed and, therefore, a correction of the size of the monochromatic images is needed. The third disadvantage of the known spectrometer (as well as almost all known spectrometers) is the impossibility of registering fast processes, due to the need to perform 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).

Общими признаками заявленных отображающих фокальных спектрометров и прототипа являются наличие линзы, выполняющей задание диспергирующего и фокусирующего элементов, и матричного приемного устройства с электронным блоком обработки информации, электрически соединенного с монитором, воспроизводящим изображения.Common features of the claimed imaging focal spectrometers and prototype are the presence of a lens that performs the task of the dispersing and focusing elements, and a matrix receiving device with an electronic information processing unit, electrically connected to a monitor that reproduces images.

Задачей изобретения является обеспечение возможности получения и наблюдения монохроматических (моноспектральных) изображений двумерных объектов в любой заданной узкой спектральной полосе, принадлежащей рабочему спектральному диапазону спектрометра без наличия полихроматических изображений и без необходимости коррекции размеров монохроматических изображений, и обеспечение возможности регистрации быстропротекающих процессов путем получения мгновенных (за время накопления чувствительного элемента матричного приемного устройства) изображений с «разноцветными строками», т.е. изображений, где на каждую строку матричного приемного устройства поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны, соответствующей порядковому номеру (угловой координате β_i) этой строки.The objective of the invention is to provide the possibility of obtaining and observing monochromatic (monospectral) images of two-dimensional objects in any given narrow spectral band belonging to the working spectral range of the spectrometer without the presence of polychromatic images and without the need to correct the size of monochromatic images, and providing the possibility of recording fast processes by obtaining instantaneous (for accumulation time of the sensor element of the matrix receiving device wa) images with "multi-colored lines", i.e. images where each line of the matrix receiving device receives radiation from the optically conjugated points of the object at a wavelength corresponding to the serial number (angular coordinate β _i ) of this line.

Поставленная задача решается двумя вариантами отображающих фокальных спектрометров (далее спектрометров).The problem is solved by two versions of imaging focal spectrometers (hereinafter referred to as spectrometers).

Предложен отображающий фокальный спектрометр, содержащий фокусирующую и диспергирующую линзу, матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, электрически соединенное с монитором, воспроизводящим изображения, входной объектив, два идентичных волоконно-оптических преобразователя, каждый из которых имеет меньший и больший торцы, непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе и закрывающий ее центральную область, и расположенный между вторым волоконно-оптическим преобразователем и матричным приемным устройством объектив, в плоскости изображения которого находятся чувствительные элементы матричного приемного устройства, при этом оптические оси объективов совпадают с оптической осью фокусирующей и диспергирующей линзы, оптической осью непрозрачного экрана и оптическими осями волоконно-оптических преобразователей и образуют оптическую ось спектрометра, волоконно-оптические преобразователи установлены симметрично относительно центра симметрии, находящегося в точке пересечения оптической оси спектрометра с условной плоскостью, проходящей между главными плоскостями фокусирующей и диспергирующей линзы на одинаковом расстоянии от этих плоскостей, волоконно-оптические преобразователи изготовлены из одинаковых волокон диаметром Θв, прозрачных в спектральном диапазоне работы спектрометра, причем Θв>λn, где λn - длинноволновая граница спектрального диапазона спектрометра, число волокон каждого волоконно-оптического преобразователя равно числу чувствительных элементов матричного приемного устройства, меньший торец первого волоконно-оптического преобразователя установлен в плоскости изображения входного объектива, волокна в плоскости меньших торцов первого и второго волоконно-оптических преобразователей примыкают друг к другу и расположены рядами таким образом, чтобы условные прямые линии, соединяющие центры торцов каждого ряда волокон, были перпендикулярны оптической оси спектрометра и параллельны строкам матричного приемного устройства, волокна в плоскости больших торцов первого и второго волоконно-оптических преобразователей не примыкают друг к другу и расположены рядами таким образом, что центры торцов волокон i-го ряда были удалены от точки пересечения оптической оси спектрометра с ближней к торцам главной плоскостью линзы на расстояние L(λi), определяемое следующим соотношением:An imaging focal spectrometer comprising a focusing and dispersing lens, a matrix receiving device with an electronic information processing unit, electrically connected to an image reproducing monitor, an input lens, two identical fiber-optic converters, each of which has smaller and larger ends, an opaque screen, is proposed. adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region, and located between the second fiber-optic converter and the mat a primary receiving device, a lens in the image plane of which there are sensitive elements of the matrix receiving device, while the optical axis of the lens coincides with the optical axis of the focusing and dispersing lenses, the optical axis of the opaque screen and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis of the spectrometer, fiber-optic the transducers are mounted symmetrically with respect to the center of symmetry located at the intersection of the optical axis of the spectrometer with with a clear plane passing between the main planes of the focusing and dispersing lens at the same distance from these planes, fiber-optic converters are made of the same fibers with a diameter of Θв, transparent in the spectral range of the spectrometer, Θв> λn, where λn is the long-wavelength spectral range of the spectrometer, the number of fibers of each fiber-optic converter is equal to the number of sensitive elements of the matrix receiving device, the smaller end of the first fiber-optic the transducer is installed in the image plane of the input lens, the fibers in the plane of the smaller ends of the first and second fiber-optic converters are adjacent to each other and arranged in rows so that the conditional straight lines connecting the centers of the ends of each row of fibers are perpendicular to the optical axis of the spectrometer and parallel to the rows matrix receiving device, the fibers in the plane of the large ends of the first and second fiber-optic converters do not adjoin each other and are located p rows so that the centers of the ends of the fibers i-th row have been removed from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the proximal ends to the main plane of the lens by a distance L (λi), defined by the following relation:

где fл(λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi,where fl (λi) is the focal length of the lens for radiation with a wavelength of λi,

r1 и r2 - радиусы кривизны поверхностей линзы;r1 and r2 are the radii of curvature of the lens surfaces;

λk - коротковолновая граница спектрального диапазона спектрометра,λk is the short-wavelength spectral range of the spectrometer,

Δt - толщина линзы,Δt is the thickness of the lens,

N - число рядов волокон волоконно-оптического преобразователя, равное числу строк матричного фотоприемного устройства,N is the number of rows of fibers of the fiber optic converter, equal to the number of rows of the matrix photodetector,

n(λi) - показатель преломления материала линзы для i,n (λi) is the refractive index of the lens material for i,

i=1, 2, 3, …, N,i = 1, 2, 3, ..., N,

при этом соседние условные линии, параллельные оптической оси спектрометра и соединяющие центры волокон, находящихся в плоскостях больших торцов первого и второго волоконно-оптических преобразователей, расположены на расстоянии ρ, определяемом следующим соотношением:the adjacent conditional lines parallel to the optical axis of the spectrometer and connecting the centers of the fibers located in the planes of the large ends of the first and second fiber-optic converters are located at a distance ρ, defined by the following relation:

где Θ - диаметр фокусирующей и диспергирующей линзы,where Θ is the diameter of the focusing and dispersing lenses,

f(λk), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λk и λn.f (λk), f (λn) are the focal lengths of the focusing and dispersing lenses, respectively, for emissions with wavelengths λk and λn.

Непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе и закрывающий ее центральную область, может быть изготовлен с возможностью изменения его диаметра Θэ, определяемого следующим соотношением:An opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region can be made with the possibility of changing its diameter ,e, defined by the following ratio:

где Δλ - заданная разрешающая способность спектрометра на длинноволновой границе спектрального диапазона,where Δλ is the specified resolution of the spectrometer at the long-wavelength boundary of the spectral range,

f(λn+Δλ), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λn+Δλ и λn.f (λn + Δλ), f (λn) are the focal lengths of the focusing and dispersing lenses, respectively, for emissions with wavelengths λn + Δλ and λn.

В спектрометр по первому варианту изобретения может быть дополнительно введено электромеханическое устройство, содержащее W спектральных полосовых фильтров, где W≥2, разбивающих рабочий спектральный диапазон на полосы равной ширины, причем это устройство устанавливает по команде оператора любой из этих фильтров, так чтобы он находился перед входным объективом и его оптическая ось была бы совмещена с оптической осью входного объектива, при этом фильтры изготовлены так, чтобы выполнялось следующее соотношение: Δλ₁+Δλ₂+…+Δλ_w=λn-λk, где Δλ₁, Δλ₂, …, Δλ_w - ширины полос пропускания соответствующих фильтров.In the spectrometer according to the first embodiment of the invention, an electromechanical device can be added containing W spectral bandpass filters, where W≥2, dividing the working spectral range into bands of equal width, and this device sets any of these filters at the command of the operator so that it is in front of the input lens and its optical axis would be aligned with the optical axis of the input lens, while the filters are made so that the following relation holds: Δλ ₁ + Δλ ₂ + ... + Δλ _w = λn-λk, where Δλ ₁ , Δλ ₂ , ..., Δλ _w are the bandwidths of the corresponding filters.

В спектрометр по первому варианту изобретения может быть введены два одинаковых прямоугольных плоских зеркала длиной А≥1.42·а и шириной В≥b, первое из которых установлено перед входным объективом спектрометра так, чтобы оптическая ось объектива пересекала геометрический центр этого зеркала под углом 45° к его поверхности, а плоскость, в которой расположен этот угол, была перпендикулярна строкам матричного приемника излучения, при этом отражающая поверхность зеркала обращена к объективу, второе зеркало установлено параллельно первому так, чтобы расстояние между зеркалами h>1.42·а и его отражающая поверхность была обращена к отражающей поверхности первого зеркала, причем второе зеркало установлено с возможностью прецизионного вращения вокруг оси, параллельной строкам матричного приемника и проходящей через геометрический центр второго зеркал, где а и b - соответственно высота и ширина меньших торцов волоконно-оптических преобразователей.In the spectrometer according to the first embodiment of the invention, two identical rectangular planar mirrors of length A≥1.42 · a and width B≥b can be introduced, the first of which is installed in front of the input lens of the spectrometer so that the optical axis of the lens intersects the geometric center of this mirror at an angle of 45 ° to of its surface, and the plane in which this angle is located was perpendicular to the rows of the matrix radiation detector, while the reflecting surface of the mirror is facing the lens, the second mirror is installed parallel to the first k, so that the distance between the mirrors h> 1.42 · a and its reflecting surface are facing the reflective surface of the first mirror, and the second mirror is installed with the possibility of precision rotation around an axis parallel to the rows of the matrix receiver and passing through the geometric center of the second mirror, where a and b - respectively, the height and width of the smaller ends of the fiber optic converters.

Предложен отображающий фокальный спектрометр, содержащий первую фокусирующую и диспергирующую линзу и матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации, электрически соединенное с монитором, воспроизводящим изображения, входной объектив, два идентичных волоконно-оптических преобразователя, каждый из которых имеет меньший и больший торцы, вторую фокусирующую и диспергирующую линзу, расположенную от первой фокусирующей и диспергирующей линзы на расстоянии L₀ вдоль оси спектрометра, не превышающем радиуса линзы, первый и второй непрозрачные экраны, примыкающие и закрывающие центральную область соответствующей фокусирующей и диспергирующей линзы, и расположенный между вторым волоконно-оптическим преобразователем и матричным приемным устройством объектив, в плоскости изображения которого находятся чувствительные элементы матричного приемного устройства, при этом оптические оси объективов совпадают с оптической осью идентичных фокусирующих и диспергирующих линз, оптической осью непрозрачных экранов и оптическими осями волоконно-оптических преобразователей и образуют оптическую ось спектрометра, волоконно-оптические преобразователи установлены симметрично относительно центра симметрии, находящегося в точке пересечения оптической оси спектрометра с условной плоскостью, параллельной главным плоскостям линз и расположенной между фокусирующими и диспергирующими линзами на равных расстояниях от ближайших к ней главных плоскостей каждой линзы, волоконно-оптические преобразователи изготовлены из одинаковых волокон диаметром Θв, прозрачных в спектральном диапазоне работы спектрометра, причем Θв>λn, где λn - длинноволновая граница спектрального диапазона спектрометра, число волокон каждого волоконно-оптического преобразователя равно числу чувствительных элементов матричного приемного устройства, меньший торец первого волоконно-оптического преобразователя установлен в плоскости изображения входного объектива, волокна в плоскости меньших торцов первого и второго волоконно-оптических преобразователей примыкают друг к другу и расположены рядами таким образом, чтобы условные прямые линии, соединяющие центры торцов каждого ряда волокон, были перпендикулярны оптической оси спектрометра и параллельны строкам матричного приемного устройства, волокна в плоскости больших торцов первого и второго волоконно-оптических преобразователей не примыкают друг к другу и расположены рядами таким образом, что центры торцов волокон i-го ряда были удалены от точки пересечения оптической оси спектрометра с ближней к торцам главной плоскостью линзы на расстояние L(λi), определяемое следующим соотношением:An imaging focal spectrometer is proposed, comprising a first focusing and dispersing lens and a matrix receiving device with an electronic information processing unit, electrically connected to an image-reproducing monitor, an input lens, two identical fiber-optic converters, each of which has smaller and larger ends, and a second focusing one and a dispersing lens located from the first focusing and dispersing lens at a distance L ₀ along the axis of the spectrometer not exceeding the radius of the lens, the first and second opaque screens adjoining and covering the central region of the corresponding focusing and dispersing lens, and located between the second fiber-optic converter and the matrix receiving device, the lens in the image plane of which are the sensitive elements of the matrix receiving device, while the optical axis of the lens coincides with the optical axis of identical focusing and dispersing lenses, optical axis of opaque screens and optical axes of fiber optic x transducers and form the optical axis of the spectrometer, fiber-optic transducers are installed symmetrically with respect to the center of symmetry located at the intersection of the optical axis of the spectrometer with a conventional plane parallel to the main planes of the lenses and located between the focusing and dispersing lenses at equal distances from the main planes of each lenses, fiber-optic converters are made of identical fibers with a diameter of Θв, transparent in the spectral range of спектb> λn, where λn is the long-wavelength spectral range of the spectrometer, the number of fibers of each fiber-optic converter is equal to the number of sensitive elements of the matrix receiving device, the smaller end of the first fiber-optic converter is installed in the image plane of the input lens, the fibers in the plane of smaller the ends of the first and second fiber-optic converters are adjacent to each other and arranged in rows so that the conditional straight lines connecting e the centers of the ends of each row of fibers were perpendicular to the optical axis of the spectrometer and parallel to the rows of the matrix receiving device, the fibers in the plane of the large ends of the first and second fiber-optic converters are not adjacent to each other and are arranged in rows so that the centers of the ends of the fibers of the ith row were removed from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the main lens plane closest to the ends of the lens at a distance L (λi), defined by the following relation:

где r1 и r2 - радиусы кривизны поверхности линзы;where r1 and r2 are the radii of curvature of the lens surface;

Δt - толщина линзы,Δt is the thickness of the lens,

i=1, 2, 3, …, N,i = 1, 2, 3, ..., N,

Непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе и закрывающий ее центральную область, может быть изготовлен с возможностью изменения его диаметра Θэ, определяемого следующих соотношением:An opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region can be made with the possibility of changing its diameter ,e, defined by the following ratio:

В отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения может быть дополнительно введено электромеханическое устройство, содержащее W спектральных полосовых фильтров, где W≥2, разбивающих рабочий спектральный диапазон на полосы равной ширины, причем это устройство устанавливает по команде оператора любой из этих фильтров, так чтобы он находился перед входным объективом и его оптическая ось была бы совмещена с оптической осью входного объектива, при этом фильтры изготовлены так, чтобы выполнялось следующее соотношение: Δλ₁+Δλ₂+…+Δλ_w=λn-λk, где Δλ₁, Δλ₂, …, Δλ_w - ширины полос пропускания соответствующих фильтров.An electromechanical device containing W spectral bandpass filters, where W≥2, dividing the working spectral range into bands of equal width, can be additionally introduced into the imaging focal spectrometer according to the second embodiment of the invention, and this device sets any of these filters at the command of the operator so that it located in front of the input lens and its optical axis would be aligned with the optical axis of the input lens, while the filters are made so that the following relation holds: Δλ ₁ + Δλ ₂ + ... + Δλ _w = λn-λk, where Δλ ₁ , Δλ ₂ , ..., Δλ _w are the bandwidths of the corresponding filters.

В отображающий спектрометр по второму варианту изобретения могут быть дополнительно введены два одинаковых прямоугольных плоских зеркала длиной А≥1.42·а и шириной В≥b, первое из которых установлено перед входным объективом спектрометра так, чтобы оптическая ось объектива пересекала геометрический центр этого зеркала под углом 45° к его поверхности, а плоскость, в которой расположен этот угол, была перпендикулярна строкам матричного приемника излучения, при этом отражающая поверхность зеркала обращена к объективу, второе зеркало установлено параллельно первому так, чтобы расстояние между зеркалами h>1.42·а и его отражающая поверхность была обращена к отражающей поверхности первого зеркала, причем второе зеркало установлено с возможностью прецизионного вращения вокруг оси, параллельной строкам матричного приемника и проходящей через геометрический центр второго зеркал, где а и b соответственно высота и ширина меньших торцов волоконно-оптических преобразователей.Two identical rectangular planar mirrors of length A≥1.42 · a and width B≥b, the first of which is installed in front of the input lens of the spectrometer so that the optical axis of the lens intersects the geometric center of the mirror at an angle of 45 ° to its surface, and the plane in which this angle is located was perpendicular to the rows of the matrix radiation detector, while the reflecting surface of the mirror is facing the lens, the second mirror is set parallel to the first so that the distance between the mirrors h> 1.42 · a and its reflecting surface is turned to the reflecting surface of the first mirror, and the second mirror is mounted with the possibility of precision rotation around an axis parallel to the rows of the matrix receiver and passing through the geometric center of the second mirror, where a and b, respectively, the height and width of the smaller ends of the fiber optic converters.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 - график зависимости двойного фокусного расстояния линзы от длины волны фокусируемого излучения.Figure 1 is a graph of the dependence of the double focal length of the lens on the wavelength of the focused radiation.

На фиг.2 - график зависимости расстояний центров выходных торцов волокон i-го ряда первого преобразователя и оптически сопряженных с ними центров входных торцов волокон i-го ряда второго преобразователя от точки пересечения оптической оси спектрометра с ближней к торцам главной плоскостью линзы.Figure 2 is a graph of the distance between the centers of the output ends of the fibers of the i-th row of the first transducer and the centers of the input ends of the fibers of the i-th row of the second transducer optically conjugated with them from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the main lens plane closest to the ends.

На фиг.3 - график зависимости длины волны, излучаемой из выходных торцов волокон i-го ряда второго преобразователя от номера ряда i.Figure 3 is a graph of the wavelength radiated from the output ends of the fibers of the i-th row of the second transducer from the row number i.

На фиг.4 - график зависимости относительного спектрального разрешения от диаметра непрозрачного экрана для отображающего фокального спектрометра с одной фокусирующей и диспергирующей линзой.Figure 4 is a graph of the relative spectral resolution on the diameter of the opaque screen for the imaging focal spectrometer with one focusing and dispersing lens.

На фиг.5 - график зависимости относительного спектрального разрешения от диаметра непрозрачного экрана для отображающего фокального спектрометра с двумя фокусирующими и диспергирующими линзами.Figure 5 is a graph of the relative spectral resolution on the diameter of the opaque screen for the imaging focal spectrometer with two focusing and dispersing lenses.

На фиг.6 - отображающий фокальный спектрометр по первому варианту изобретения.Figure 6 - imaging focal spectrometer according to the first embodiment of the invention.

На фиг.7 - отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения.7 is a display focal spectrometer according to the second variant of the invention.

На фиг.8 - отображающий фокальный спектрометр со спектральными полосовыми фильтрами.On Fig - imaging focal spectrometer with spectral bandpass filters.

На фиг.9 - отображающий фокальный спектрометр со спектральными полосовыми фильтрами и плоскими зеркалами.In Fig.9 - imaging focal spectrometer with spectral bandpass filters and flat mirrors.

Отображающий фокальный спектрометр (далее спектрометр) по первому варианту изобретения содержит (фиг.6):The imaging focal spectrometer (hereinafter referred to as the spectrometer) according to the first embodiment of the invention comprises (FIG. 6):

1 - входной объектив;1 - input lens;

2 и 3 - соответственно меньший и больший торцы первого волоконно-оптического преобразователя (далее первого преобразователя);2 and 3, respectively, the smaller and larger ends of the first fiber-optic converter (hereinafter, the first converter);

4 - фокусирующая и диспергирующая линза;4 - focusing and dispersing lens;

5 - непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе;5 - an opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens;

6 и 7 - соответственно больший и меньший торцы второго волоконно-оптического преобразователя (далее второго преобразователя);6 and 7, respectively, the larger and smaller ends of the second fiber-optic converter (hereinafter, the second converter);

8 - объектив матричного приемного устройства;8 - lens matrix receiving device;

9 - матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации;9 - matrix receiving device with an electronic information processing unit;

10 - монитор, воспроизводящий изображения.10 is a monitor that reproduces images.

Оптические оси объективов 1 и 8 совпадают с оптической осью фокусирующей и диспергирующей линзы 4, оптической осью непрозрачного экрана 5 и оптическими осями волоконно-оптических преобразователей и образуют оптическую ось спектрометра х-x₁.The optical axes of the lenses 1 and 8 coincide with the optical axis of the focusing and dispersing lens 4, the optical axis of the opaque screen 5 and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis of the x-x ₁ spectrometer.

Отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения содержит (фиг.7):The imaging focal spectrometer according to the second embodiment of the invention comprises (Fig. 7):

1 - входной объектив;1 - input lens;

2 и 3 - соответственно меньший и больший торцы первого преобразователя;2 and 3, respectively, the smaller and larger ends of the first transducer;

4 - первая фокусирующая и диспергирующая линза;4 - the first focusing and dispersing lens;

5 - непрозрачный экран, примыкающий к первой линзе;5 - an opaque screen adjacent to the first lens;

6 и 7 - соответственно больший и меньший торцы второго преобразователя;6 and 7, respectively, the larger and smaller ends of the second Converter;

10 - монитор, воспроизводящий изображения;10 is a monitor that reproduces images;

11 - вторая фокусирующая и диспергирующая линза;11 - the second focusing and dispersing lens;

12 - непрозрачный экран, примыкающий ко второй фокусирующей и диспергирующей линзе.12 is an opaque screen adjacent to the second focusing and dispersing lens.

Оптические оси объективов 1 и 8 совпадают с оптическими осями фокусирующих и диспергирующих линз 4 и 11, оптическими осями непрозрачных экранов 5 и 12 и оптическими осями волоконно-оптических преобразователей и образуют оптическую ось спектрометра x-x₁.The optical axes of the lenses 1 and 8 coincide with the optical axes of the focusing and dispersing lenses 4 and 11, the optical axes of the opaque screens 5 and 12 and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis of the xx ₁ spectrometer.

Непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе и закрывающий ее центральную часть в первом и втором вариантах изобретения, может быть выполнен с возможностью изменения его диаметра.An opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central part in the first and second embodiments of the invention can be configured to change its diameter.

Оптические оси объективов 1 и 8 совпадают с оптической осью фокусирующей и диспергирующей линзы 4, оптической осью непрозрачного экрана и оптическими осями волоконно-оптических преобразователей и образуют оптическую ось спектрометра.The optical axes of the lenses 1 and 8 coincide with the optical axis of the focusing and dispersing lens 4, the optical axis of the opaque screen and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis of the spectrometer.

Отображающий фокальный спектрометр по первому и второму вариантам изобретения может содержать 13 - электромеханическое устройство, содержащее W спектральных полосовых фильтров (фиг.8).The imaging focal spectrometer according to the first and second embodiments of the invention may comprise a 13 - electromechanical device containing W spectral bandpass filters (Fig. 8).

Отображающий фокальный спектрометр по первому и второму вариантам изобретения может содержать 13 - электромеханическое устройство, содержащее W спектральных полосовых фильтров; 14 - неподвижное плоское зеркало; 15 - подвижное плоское зеркало с осью вращения 16 (фиг.9).The imaging focal spectrometer according to the first and second embodiments of the invention may include 13 - an electromechanical device containing W spectral bandpass filters; 14 - stationary flat mirror; 15 - a movable flat mirror with an axis of rotation 16 (Fig.9).

Поясним сущность работы отображающего фокального спектрометра по первому варианту изобретения.Let us explain the essence of the imaging focal spectrometer according to the first embodiment of the invention.

Входной объектив строит полихроматическое изображение наблюдаемого объекта в плоскости, в которой расположен меньший торец первого волоконно-оптического преобразователя. На этом торце преобразователя волокна, в которые входит излучение, примыкают друг к другу и расположены рядами таким образом, что условные прямые линии, соединяющие центры входных торцов волокон каждого ряда, параллельны строкам матричного приемного устройства. Число точек изображения, передаваемых этим преобразователем, будет равно числу волокон N.The input lens builds a polychromatic image of the observed object in the plane in which the smaller end of the first fiber-optic converter is located. At this end of the transducer, the fibers into which the radiation enters are adjacent to each other and arranged in rows so that the conditional straight lines connecting the centers of the input ends of the fibers of each row are parallel to the rows of the matrix receiving device. The number of image points transmitted by this converter will be equal to the number of fibers N.

На выходе первого преобразователя волокна не примыкают друг к другу, из каждого выходного торца волокна будет излучаться полихроматический пучок с дифракционной расходимостью, определяемой диаметром волокна Θв и интенсивностью, пропорциональной облученности входного торца волокна.At the output of the first transducer, the fibers do not adjoin each other, a polychromatic beam with diffraction divergence, determined by the fiber diameter Θb and intensity proportional to the irradiation of the input fiber end, will be emitted from each output end of the fiber.

Выходные торцы волокон первого преобразователя действуют как совокупность точечных полихроматических источников с различными интенсивностями. Излучения от каждого из этих точечных источников проходят через фокусирующую и диспергирующую линзу.The output ends of the fibers of the first transducer act as a combination of point polychromatic sources with different intensities. Radiation from each of these point sources passes through a focusing and dispersing lens.

Вследствие хроматической аберрации лучи с разными длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, … λ_n, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться линзой на разных расстояниях L(λ₁) от главной плоскости линзы, соответственно равных L(λ₁), L(λ₂), L(λ₃), … L(λ_n). Выходные торцы волокон i-го ряда (где i - номер ряда; i=1, 2, 3, …, N) первого преобразователя удалены от точки пересечения оптической оси спектрометра с ближней к этим волокнам главной плоскости линзы на расстояние, равное двойному фокусному (L(λ₁)=2fл(λi), где fл(λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi. Симметричные им (относительно центра симметрии) и оптически сопряженные с ними входные торцы волокон i-го ряда второго преобразователя также удалены от ближней к ним главной плоскости линзы на расстояние, равное двойному фокусному для излучения с длиной волны λi. Поэтому лучи с длиной волны λi, выходящие из торцов волокон i-го ряда первого преобразователя, будут сфокусированы линзой на оптически сопряженные с ними входные торцы волокон i-го ряда второго преобразователя. Отметим, что отсчет рядов волокон в первом и втором преобразователях ведется от первых рядов, обозначенных на фиг.6 соответственно индексами А₁ и А. Таким образом, на входные торцы волокон каждого ряда второго преобразователя будет попадать только излучение с длиной волны, соответствующей номеру этого ряда. Следовательно, из каждого ряда выходных торцов волокон второго преобразователя (эти торцы расположены перед объективом матричного приемного устройства) будут выходить лучи с длиной волны λi, соответствующей номеру этого ряда (см. фиг.3).Due to chromatic aberration, rays with different wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , ... λ _n coming from each fiber of the first transducer will be focused by the lens at different distances L (λ ₁ ) from the main plane of the lens, respectively equal to L (λ ₁ ), L (λ ₂ ), L (λ ₃ ), ... L (λ _n ). The output ends of the fibers of the ith row (where i is the row number; i = 1, 2, 3, ..., N) of the first transducer are removed from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the lens main plane closest to these fibers at a distance equal to double focal ( L (λ ₁ ) = 2fl (λi), where fl (λi) is the focal length of the lens for radiation with a wavelength of λi, symmetrical to them (relative to the center of symmetry) and the input ends of the fibers of the ith row of the second transducer that are optically conjugated from the main lens plane closest to them by a distance equal to double focal y for radiation with a wavelength of λi. Therefore, rays with a wavelength of λi coming from the ends of the fibers of the i-th row of the first transducer will be focused by the lens on the optically conjugated input ends of the fibers of the i-th row of the second transducer. the first and second converters is conducted from the first series, respectively identified in Figure 6 subscripts a and ₁ A. Thus, the input ends of the fibers of each row of the second transducer will fall only radiation with a wavelength corresponding to this number of the series. Therefore, from each row of output ends of the fibers of the second transducer (these ends are located in front of the lens of the matrix receiving device), rays with a wavelength λi corresponding to the number of this row will come out (see FIG. 3).

Объектив матричного приемного устройства сфокусирует эти лучи на строки матричного приемного устройства, имеющие те же порядковые номера, что и ряды волокон выходного торца второго преобразователя. Очевидно, что в результате такой оптической фильтрации на матрице формируется "разноцветное" изображение наблюдаемого объекта, где на каждую строку поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны λi, соответствующей порядковому номеру i этой строки.The lens of the matrix receiving device will focus these rays on the rows of the matrix receiving device having the same serial numbers as the rows of fibers of the output end of the second transducer. Obviously, as a result of such optical filtering, a “multi-colored” image of the observed object is formed on the matrix, where radiation from the optically conjugated points of the object at a wavelength λi corresponding to the serial number i of this line is received on each line.

Для более детального пояснения сущности изобретения приведем соотношения, с помощью которых определяются конструктивные размеры и оцениваются достижимые характеристики спектрометра.For a more detailed explanation of the invention, we present the relationships by which the structural dimensions are determined and the achievable characteristics of the spectrometer are evaluated.

Пусть требуется разработать спектрометр со следующими характеристиками:Let you want to develop a spectrometer with the following characteristics:

Спектральный диапазон 8…10 мкм (λk=8 мкм, λn=10 мкм). Пространственное разрешение 400×400 точек. Относительное спектральное разрешение (на длине волны 10 мкм) λn/Δλ≥150.The spectral range is 8 ... 10 μm (λk = 8 μm, λn = 10 μm). The spatial resolution is 400 × 400 pixels. Relative spectral resolution (at a wavelength of 10 μm) λn / Δλ≥150.

Пример реализации отображающего фокального спектрометра по первому варианту изобретения.An example implementation of the imaging focal spectrometer according to the first embodiment of the invention.

N - число волокон преобразователя выбирается, исходя из необходимого числа точек получаемого моноспектрального изображения, и характеризует достигаемое пространственное разрешение. Выберем N=1.6·10⁵. В качестве материала, из которого изготавливаются волокна преобразователя и линза, выберем хлористое серебро (AgCl), зависимость показателя преломления n(λi) которого от длины волны можно описать следующим образом [Е.М.Воронкова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров // Оптические материалы для инфракрасной техники, Издательство "Наука", Москва, 1965 г.]:N - the number of converter fibers is selected based on the required number of points of the obtained monospectral image, and characterizes the spatial resolution achieved. Choose N = 1.6 · 10 ⁵ . As the material from which the fibers of the transducer and lens are made, we choose silver chloride (AgCl), the dependence of the refractive index n (λi) of which on the wavelength can be described as follows [E.M. Voronkova, B.N. Grechushnikov, G.I. .Distler, IPPetrov // Optical materials for infrared technology, Publishing House "Science", Moscow, 1965]:

Зависимость фокусного расстояния линзы от длины волны выражается следующим соотношением:The dependence of the focal length of the lens on the wavelength is expressed by the following relation:

гдеWhere

Δt - оптическая толщина линзы.Δt is the optical thickness of the lens.

Выберем следующие размеры линзы:Choose the following lens sizes:

r1=0.5 м, r2=0.15 м, Θ=0.1 м, Δt=0.03 м, где Θ - диаметр линзы.r1 = 0.5 m, r2 = 0.15 m, Θ = 0.1 m, Δt = 0.03 m, where Θ is the diameter of the lens.

В этом случае диаметры дифракционных пятен в фокальной плоскости линзы будут соответственно равны Θп(λk)≈25 мкм и Θп(λn)≈32 мкм.In this case, the diameters of diffraction spots in the focal plane of the lens are respectively equal to Θп (λk) ≈25 μm and Θп (λn) ≈32 μm.

Фокусные расстояния линзы для излучений с длинами волн λk=8 мкм и λn=10 мкм будут равны f(λk)=0.1195 м и f(λn)=0.1208 м.The focal lengths of the lens for radiation with wavelengths λk = 8 μm and λn = 10 μm will be f (λk) = 0.1195 m and f (λn) = 0.1208 m.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 представлены рассчитанные для этого случая зависимости L(λi), L(i), λi(i).Figure 1, figure 2, figure 3 presents the calculated for this case, the dependence of L (λi), L (i), λi (i).

Видно, что зависимость L(λi) несколько отличается от линейной (для визуального сравнения на фиг.1 приведен график прямой линии Y(λi)). Минимизировать это отличие можно соответствующим подбором радиусов кривизны фокусирующей и диспергирующей линзы.It can be seen that the dependence L (λi) is somewhat different from the linear one (for visual comparison, Fig. 1 shows a graph of a straight line Y (λi)). This difference can be minimized by appropriate selection of the radii of curvature of the focusing and dispersing lenses.

С помощью выражения (4), полученного в приближении геометрической оптики, можно рассчитать зависимость относительного спектрального разрешения (на длине волны 10 мкм) λn/Δλ от диаметра непрозрачного экрана Θэ. Рассчитанная (при Θв=50 мкм) зависимость приведена на фиг.4. Видно, что разрешение λn/Δλ≥150 достигается при Θэ≥0.062 м. При λ=10 мкм обеспечивается абсолютное разрешение Δλ≈0.07 мкм.Using expression (4), obtained in the approximation of geometric optics, we can calculate the dependence of the relative spectral resolution (at a wavelength of 10 μm) λn / Δλ on the diameter of the opaque screen Θэ. The calculated (at Θв = 50 microns) dependence is shown in Fig. 4. It is seen that the resolution λn / Δλ≥150 is achieved at Θэ≥0.062 m. At λ = 10 μm, the absolute resolution Δλ≈0.07 μm is provided.

Определим (с помощью соотношения (5)) ρ - минимальное расстояние между центрами соседних волокон в больших торцах преобразователя (большими торцами преобразователя будем называть те торцы преобразователя, где волокна не примыкают к друг к другу), при котором (в приближении геометрической оптики) исключается оптическая связь между оптически несопряженными волокнами больших торцов первого и второго преобразователей. После подстановки заданных величин λk и λn получим ρ≥0.55 мм.Define (using relation (5)) ρ - the minimum distance between the centers of adjacent fibers at the large ends of the transducer (the ends of the transducer where the fibers do not adjoin each other) will be called the large ends of the transducer), at which (in the approximation of geometrical optics) optical coupling between optically non-conjugated fibers of the large ends of the first and second converters. After substituting the given values of λk and λn, we obtain ρ≥0.55 mm.

Примем ρ=0.6 мм и определим стороны больших торцов преобразователей (торцы являются квадратными) как ρ·N=240 мм. Размеры малых торцов преобразователей (малыми торцами преобразователей будем называть те торцы, где волокна примыкают друг к другу) равны Θв·N=20 мм.We take ρ = 0.6 mm and define the sides of the large ends of the transducers (the ends are square) as ρ · N = 240 mm. The sizes of the small ends of the transducers (the small ends of the transducers will be called those ends where the fibers are adjacent to each other) are equal to Θв · N = 20 mm.

Спектрометр по первому варианту по принципу действия не отличается от спектрометра по второму варианту.The spectrometer in the first embodiment does not differ in principle from the spectrometer in the second embodiment.

Приведем возможные параметры спектрометра по второму варианту изобретения.We give the possible parameters of the spectrometer according to the second embodiment of the invention.

Выберем следующие размеры линзы (так как первая и вторая линзы идентичны, расчет проводится для любой из них):We choose the following lens sizes (since the first and second lenses are identical, the calculation is carried out for any of them):

В этом случае диаметры дифракционных пятен в фокальной плоскости линз будут соответственно равны Θп(λk)≈12.75 мкм и Θп(λn)≈16 мкм.In this case, the diameters of the diffraction spots in the focal plane of the lenses are respectively equal to Θп (λk) ≈12.75 μm and Θп (λn) ≈16 μm.

Фокусные расстояния линз для излучений с длинами волн λk=8 мкм и λn=10 мкм будут равны f(λk)=0.1195 м и f(λn)=0.1208 м.The focal lengths of lenses for radiation with wavelengths λk = 8 μm and λn = 10 μm will be f (λk) = 0.1195 m and f (λn) = 0.1208 m.

С помощью выражения (4), полученного в приближении геометрической оптики, можно рассчитать зависимость относительного спектрального разрешения (на длине волны 10 мкм) λn/Δλ от диаметра непрозрачного экрана Θэ. Рассчитанная зависимость λn/Δλ приведена на фиг.5, где при Θв=25 мкм. Видно, что при Θэ=0.062 м достигается разрешение λn/Δλ=300, что в два раза превосходит разрешение спектрометра с одной линзой.Using expression (4), obtained in the approximation of geometric optics, we can calculate the dependence of the relative spectral resolution (at a wavelength of 10 μm) λn / Δλ on the diameter of the opaque screen Θэ. The calculated dependence λn / Δλ is shown in figure 5, where at Θв = 25 microns. It can be seen that at =э = 0.062 m, a resolution of λn / Δλ = 300 is achieved, which is two times higher than the resolution of a single-lens spectrometer.

Определим (с помощью соотношения (4)) ρ - минимальное расстояние между центрами соседних волокон в больших торцах преобразователей, при котором (в приближении геометрической оптики) исключается оптическая связь между оптически несопряженными волокнами больших торцов первого и второго преобразователей. После подстановки заданных величин λk и λn получим ρ≥0.55 мм.Let us determine (using relation (4)) ρ - the minimum distance between the centers of adjacent fibers at the large ends of the transducers, at which (in the approximation of geometric optics) the optical coupling between optically non-conjugated fibers of the large ends of the first and second transducers is excluded. After substituting the given values of λk and λn, we obtain ρ≥0.55 mm.

Примем ρ=0.6 мм и определим стороны больших квадратных торцов преобразователей как ρ·N=240 мм. Размеры малых торцов преобразователей равны Θв·N=20 мм.We take ρ = 0.6 mm and define the sides of the large square ends of the transducers as ρ · N = 240 mm. The dimensions of the small ends of the transducers are equal to Θв · N = 20 mm.

Таким образом, при меньших линейных размерах и лучшем спектральном разрешении спектрометр по второму варианту изобретения содержит на одну линзу больше, чем спектрометр по второму варианту изобретения.Thus, with smaller linear dimensions and better spectral resolution, the spectrometer according to the second embodiment of the invention contains one more lens than the spectrometer according to the second embodiment of the invention.

Обеспечение возможности изменения диаметра непрозрачного экрана, примыкающего к фокусирующей и диспергирующей линзе, позволяет в предлагаемых спектрометрах расширить динамический диапазон по интенсивности и разрешающей способности. Увеличение диаметра непрозрачного экрана позволяет (см. фиг.4 и фиг.5) увеличивать разрешающую способность спектрометров, однако при этом происходит уменьшение эффективной площади линзы, т.е. уменьшение ее светосилы, что приводит к уменьшению интенсивности проходящего оптического сигнала. Поэтому, изменяя диаметр непрозрачного экрана, можно в каждом конкретном случае подобрать компромиссные значения разрешающей способности и интенсивности оптического излучения на выходе спектрометра.Providing the ability to change the diameter of the opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens allows the proposed spectrometers to expand the dynamic range in intensity and resolution. An increase in the diameter of the opaque screen allows (see Fig. 4 and Fig. 5) to increase the resolution of the spectrometers, however, this reduces the effective area of the lens, i.e. a decrease in its aperture, which leads to a decrease in the intensity of the transmitted optical signal. Therefore, by changing the diameter of the opaque screen, it is possible in each case to select compromise values of the resolution and intensity of the optical radiation at the output of the spectrometer.

Возможно дополнительное введение в отображающий фокальный спектрометр (по первому и второму вариантам изобретения) электромеханического устройства. Электромеханическое устройство содержит W спектральных полосовых фильтров (где W≥2), разбивающих рабочий спектральный диапазон на полосы равной ширины. По команде оператора любой из этих фильтров устанавливается перед входным объективом так, чтобы его оптическая ось была бы совмещена с оптической осью входного объектива и при этом выполнялись условия: Δλ₁+Δλ₂+…+Δλ_w=λn-λk (где Δλ₁, Δλ₂, …, Δλ_w - ширины полос пропускания соответствующих фильтров), позволяет без уменьшения спектральной разрешающей способности и спектрального диапазона спектрометра уменьшить его габариты за счет уменьшения поперечных размеров больших торцов преобразователей.An additional introduction to the imaging focal spectrometer (according to the first and second variants of the invention) of an electromechanical device is possible. The electromechanical device contains W spectral bandpass filters (where W≥2) dividing the working spectral range into bands of equal width. At the operator’s command, any of these filters is installed in front of the input lens so that its optical axis is aligned with the optical axis of the input lens and the following conditions are satisfied: Δλ ₁ + Δλ ₂ + ... + Δλ _w = λn-λk (where Δλ ₁ , Δλ ₂ , ..., Δλ _w is the bandwidth of the corresponding filters), without reducing the spectral resolution and spectral range of the spectrometer, it can be reduced by reducing the transverse dimensions of the large ends of the transducers.

Действительно расчеты, проведенные с использованием выражений (1-6), показывают, что введение в спектрометр по первому варианту изобретения электромеханического устройства, содержащего, например, пять спектральных полосовых фильтров (W=5) с полосами пропускания: Δλ₁=Δλ₂=Δλ₃=Δλ₄=Δλ₅=0.4 мкм, имеющих максимальные пропускания (соответственно для первого и последующих фильтров) на длинах волн 8.2 мкм, 8.6 мкм, 9 мкм, 9.4 мкм, 9.8 мкм, позволяет без уменьшения спектральной разрешающей способности и спектрального диапазона ОФС уменьшить его габариты путем уменьшения сторон больших торцов преобразователей с 240 мм до 48 мм.Indeed, the calculations performed using expressions (1-6) show that the introduction of an electromechanical device into the spectrometer according to the first embodiment of the invention, containing, for example, five spectral bandpass filters (W = 5) with bandwidths: Δλ ₁ = Δλ ₂ = Δλ ₃ = Δλ ₄ = Δλ ₅ = 0.4 μm, having maximum transmittance (respectively for the first and subsequent filters) at wavelengths of 8.2 μm, 8.6 μm, 9 μm, 9.4 μm, 9.8 μm, allows without reducing the spectral resolution and the spectral range of the OFS reduce its dimensions put We reduce the sides of the large ends of the transducers from 240 mm to 48 mm.

Электромеханическое устройство, например, может быть выполнено в виде диска с полосовыми спектральными фильтрами. Диск поворачивается по команде оператора вокруг неподвижной оси, параллельной оптической оси входного объектива, на заданный угол так, чтобы перед объективом устанавливался требуемый фильтр.An electromechanical device, for example, can be made in the form of a disk with band-pass spectral filters. The disk is rotated at the command of the operator around a fixed axis parallel to the optical axis of the input lens, at a predetermined angle so that the required filter is installed in front of the lens.

С целью обеспечения возможности накопления полной пространственной и спектральной информации ("куба данных") при наблюдении неподвижных объектов и получения моноспектральных изображений этих объектов в отображающий фокальный спектрометр дополнительно введены два одинаковых прямоугольных плоских зеркала длиной G≥1.42·а и шириной Q≥b, где a и b - соответственно высота и ширина меньших торцов волоконно-оптических преобразователей. Первое зеркало установлено перед входным объективом спектрометра так, чтобы оптическая ось объектива пересекала геометрический центр этого зеркала под углом 45° к его поверхности, а плоскость, в которой расположен этот угол, была перпендикулярна строкам матричного приемного устройства, при этом отражающая поверхность зеркала обращена к объективу. Второе зеркало установлено параллельно первому зеркалу. Расстояние между зеркалами h>1.42·a. Отражающая поверхность второго зеркала обращена к отражающей поверхности первого зеркала, причем второе зеркало установлено с возможностью прецизионного вращения вокруг оси, параллельной строкам матричного приемника и проходящей через геометрический центр второго зеркал.In order to enable the accumulation of full spatial and spectral information (the “data cube”) when observing stationary objects and obtaining monospectral images of these objects, two identical rectangular planar mirrors with a length of G≥1.42 · a and a width of Q≥b are additionally introduced, where a and b are, respectively, the height and width of the smaller ends of the fiber optic converters. The first mirror is mounted in front of the input lens of the spectrometer so that the optical axis of the lens intersects the geometric center of this mirror at an angle of 45 ° to its surface, and the plane in which this angle is located is perpendicular to the rows of the matrix receiving device, with the reflecting surface of the mirror facing the lens . The second mirror is mounted parallel to the first mirror. The distance between the mirrors h> 1.42 · a. The reflective surface of the second mirror faces the reflective surface of the first mirror, and the second mirror is mounted with the possibility of precision rotation around an axis parallel to the rows of the matrix receiver and passing through the geometric center of the second mirror.

Для получения полного "Куба данных" о неподвижных объектах необходимо провести с помощью прецизионного вращения зеркала 15 (фиг.9) сканирование изображения объекта по матрице так, чтобы изображение объекта перемещалось в направлении, перпендикулярном строкам матрицы. При этом из излучения, исходящего от каждого фрагмента наблюдаемого объекта, отфильтровывается излучение с длиной волны, соответствующей номеру той строки, на один из чувствительных элементов которой в данный момент фокусируется это излучение. Сканирование можно производить дискретными шагами или непрерывно. При шаговом сканировании за каждый шаг изображение каждой точки объекта перемещается на соседнюю строку. За время между двумя последовательными шагами производится регистрация и запись в памяти компьютера сигналов от всех элементов матрицы - запись кадра. В случае непрерывного сканировании запись кадра проводится за время перемещения изображения каждой точки изображения на чувствительный элемент соседней строки.To obtain a complete "Cube of data" about stationary objects, it is necessary to use a precision rotation of mirror 15 (Fig. 9) to scan the image of the object along the matrix so that the image of the object moves in a direction perpendicular to the rows of the matrix. In this case, radiation with a wavelength corresponding to the number of the line on which one of the sensitive elements this radiation is currently focused is filtered out from the radiation emanating from each fragment of the observed object. Scanning can be done in discrete steps or continuously. During step-by-step scanning, for each step, the image of each point of the object moves to the next line. During the time between two consecutive steps, the signals from all matrix elements are recorded and recorded in the computer’s memory - frame recording. In the case of continuous scanning, a frame is recorded during the movement of the image of each image point on the sensitive element of the adjacent line.

Таким образом, для записи "многоспектрального" изображения объекта требуется записать число кадров, равное удвоенному числу строк матрицы. Далее из полученного трехмерного (две пространственные и спектральная координаты) массива информации, на монитор можно выводить моноспектральное изображение - изображение объекта в выбранном узком спектральном диапазоне.Thus, to record a “multispectral” image of an object, it is necessary to record the number of frames equal to twice the number of rows of the matrix. Further, from the obtained three-dimensional (two spatial and spectral coordinates) array of information, a monospectral image — an image of an object in a selected narrow spectral range — can be displayed on a monitor.

Отображающий фокальный спектрометр по первому варианту изобретения (фиг.6) работает следующим образом.The imaging focal spectrometer according to the first embodiment of the invention (Fig. 6) operates as follows.

Входной объектив 1 строит полихроматическое изображение наблюдаемого объекта в плоскости меньшего торца 2 первого преобразователя. На выходе из большого торца 3 первого преобразователя из каждого отдельного волокна будет излучаться полихроматический пучок с дифракционной расходимостью, определяемой диаметром волокна и интенсивностью, пропорциональной облученности меньшего торца. Выходные торцы волокон первого преобразователя, действуют как совокупность точечных полихроматических источников с различными интенсивностями. Излучения от каждого из этих точечных источников проходят через фокусирующую и диспергирующую линзу 4.The input lens 1 builds a polychromatic image of the observed object in the plane of the smaller end 2 of the first transducer. At the exit from the large end face 3 of the first transducer, a polychromatic beam with diffraction divergence determined by the fiber diameter and intensity proportional to the irradiation of the smaller end face will be emitted from each individual fiber. The output ends of the fibers of the first transducer act as a combination of point polychromatic sources with different intensities. Radiations from each of these point sources pass through a focusing and dispersing lens 4.

Вследствие хроматической аберрации лучи с разными длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_n, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться линзой 4 на разных расстояниях L(λi), соответственно равных L(λ₁), L(λ₂), L(λ₃), …L(λ_n) от главной плоскости линзы 4. Выходные торцы волокон i-ro ряда (где i - номер ряда и i=1, 2, 3, …, N) первого преобразователя удалены от точки пересечения оптической оси спектрометра с ближней к этим волокнам главной плоскости линзы на расстояние, равное двойному фокусному (L(λi)=2fл(λi), где fл(λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi). Симметричные им (относительно центра симметрии) входные торцы волокон i-го ряда большого торца второго преобразователя также удалены от ближней к ним главной плоскости линзы 4 на расстояние, равное двойному фокусному для излучения с длиной волны λi. Поэтому лучи с длиной волны λi, выходящие из торцов 3 волокон i-го ряда первого преобразователя, будут сфокусированы линзой 4 на оптически сопряженные с ними входные торцы волокон i-го ряда большого торца 6 второго преобразователя. Отметим, что отсчет рядов волокон в первом и втором преобразователях ведется от первых рядов обоих преобразователей, обозначенных на фиг.6 соответственно индексами А₁ и А. Таким образом, на входные торцы волокон i-го ряда второго преобразователя будет попадать только излучение с длиной волны λi. Следовательно, из каждого ряда выходных торцов волокон меньшего торца 7 второго преобразователя (эти торцы расположены перед объективом 8 матричного приемного устройства 9) будут выходить лучи с длиной волны λi, соответствующей номеру этого ряда.Due to chromatic aberration, rays with different wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , ..., λ _n coming out of each fiber of the first transducer will be focused by lens 4 at different distances L (λi), respectively equal to L (λ ₁ ), L (λ ₂ ), L (λ ₃ ), ... L (λ _n ) from the main plane of the lens 4. The output ends of the fibers of the i-ro row (where i is the row number and i = 1, 2, 3, ..., N) of the first the transducer is removed from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the lens main plane closest to these fibers by a distance equal to the double focal length (L (λi) = 2fл (λi), where fл (λi) is the focal length lenses for radiation with a wavelength of λi). The input ends of the fibers of the ith row of the large end of the second transducer symmetrical to them (with respect to the center of symmetry) are also removed from the nearest main plane of the lens 4 by a distance equal to the double focal length for radiation with a wavelength λi. Therefore, rays with a wavelength λi emerging from the ends 3 of the fibers of the ith row of the first transducer will be focused by the lens 4 onto the input ends of the fibers of the ith row of the large end 6 of the second transducer that are optically conjugated with them. Note that the counting of the rows of fibers in the first and second converters is carried out from the first rows of both converters, indicated in FIG. 6 by the indices A ₁ and A. Thus, only radiation with a wavelength will fall on the input ends of the fibers of the i-th row of the second converter λi. Therefore, from each row of output ends of the fibers of the smaller end 7 of the second transducer (these ends are located in front of the lens 8 of the matrix receiving device 9), rays with a wavelength λi corresponding to the number of this row will come out.

Объектив 8 матричного приемного устройства сфокусирует эти лучи на строки матричного приемного устройства 9, имеющие те же порядковые номера, что и ряды меньшего торца второго преобразователя. Очевидно, что в результате такой оптической фильтрации на матрице формируется "разноцветное" изображение наблюдаемого объекта, где на каждую строку поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны λi, соответствующей порядковому номеру i этой строки.The lens 8 of the matrix receiving device will focus these rays on the rows of the matrix receiving device 9 having the same serial numbers as the rows of the smaller end of the second transducer. Obviously, as a result of such optical filtering, a “multi-colored” image of the observed object is formed on the matrix, where radiation from the optically conjugated points of the object at a wavelength λi corresponding to the serial number i of this line is received on each line.

Отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения (фиг.7) работает следующим образом.The imaging focal spectrometer according to the second embodiment of the invention (Fig. 7) works as follows.

Входной объектив 1 строит полихроматическое изображение наблюдаемого объекта в плоскости меньшего торца 2 первого волоконно-оптического преобразователя. На выходе первого преобразователя (в плоскости большего торца 3) из каждого отдельного волокна будет излучаться полихроматический пучок с дифракционной расходимостью, определяемой диаметром волокна и интенсивностью, пропорциональной облученности меньшего торца. Первая линза 4, центральная область которой закрыта примыкающим к ней непрозрачным экраном 5, установленная на расстоянии L(λi)=fл(λi) от i-го ряда волокон большего торца 3 первого преобразователя, преобразует эти пучки и направляет их на вторую линзу 11, находящуюся на расстоянии L₀ вдоль оси спектрометра, не превышающем радиуса линзы. Полностью идентичный первому второй волоконно-оптический преобразователь расположен симметрично к первому волоконно-оптическому преобразователю относительно центра симметрии - точки пересечения оптической оси спектрометра с условной плоскостью, параллельной главным плоскостям линз, расположенной между линзами на равных расстояниях от ближайших к ней главных плоскостей каждой линзы.The input lens 1 builds a polychromatic image of the observed object in the plane of the smaller end 2 of the first fiber-optic converter. At the output of the first transducer (in the plane of the larger end 3), a polychromatic beam with diffraction divergence determined by the fiber diameter and intensity proportional to the irradiation of the smaller end will be emitted from each individual fiber. The first lens 4, the central region of which is closed by the adjacent opaque screen 5, installed at a distance L (λi) = fл (λi) from the ith row of fibers of the larger end face 3 of the first transducer, converts these beams and directs them to the second lens 11, located at a distance L ₀ along the axis of the spectrometer, not exceeding the radius of the lens. Completely identical to the first, the second fiber-optic transducer is located symmetrically to the first fiber-optic transducer relative to the center of symmetry - the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with a conventional plane parallel to the main planes of the lenses located between the lenses at equal distances from the main planes of each lens closest to it.

Вторая линза 11, центральная область которой закрыта примыкающим к ней непрозрачным экраном 12, установленная на расстоянии L(λi)=fл(λi) от i-го ряда волокон большего торца 6 второго преобразователя, диспергирует падающие на нее полихроматические пучки и фокусирует каждый пучок с длиной волны λi в пятно, расположенное на расстоянии f(λi) от этой линзы. Вследствие хроматической аберрации лучи с разными длинами волн λ₁, λ₂, λ₃, … λ_n, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться второй линзой 11 на разных расстояниях L(λi), соответственно равных L(λ₁), L(λ₂), L(λ₃), … L(λ_n) от главной плоскости второй линзы 11. Выходные торцы 3 волокон i-го ряда (где i - номер ряда и i=1, 2, 3, …, N) первого преобразователя удалены от центра симметрии (точки пересечения оптической оси спектрометра с условной плоскостью, параллельной главным плоскостям линз, расположенной между линзами на равных расстояниях от ближайших к ней главных плоскостей каждой линзы), на расстояние, равное фокусному L(λi)=fл(λi), где fл (λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi. Симметричные им (относительно центра симметрии) входные торцы волокон i-го ряда большого торца 6 второго преобразователя также удалены от ближней к ним главной плоскости второй линзы 11 на расстояние, равное фокусному для излучения с длиной волны λi. Поэтому лучи с длиной волны λi, выходящие из торцов волокон i-го ряда большого торца 3 первого преобразователя, будут сфокусированы линзой на оптически сопряженные с ними входные торцы волокон i-го ряда большого торца 6 второго преобразователя. Отметим, что отсчет рядов волокон в первом и втором преобразователях ведется от первого ряда, обозначенного на фиг.7 соответственно индексами A₁ и А. Таким образом, на входные торцы каждого i-го ряда второго преобразователя будет попадать только излучение с длиной волны λi. Следовательно, из каждого ряда выходных волокон меньшего торца 7 второго преобразователя, расположенного перед объективом 8 матричного приемного устройства 9, будут выходить лучи с длиной волны λi, соответствующей номеру этого ряда.The second lens 11, the central region of which is closed by an opaque screen 12 adjacent to it, installed at a distance L (λi) = fl (λi) from the ith row of fibers of the larger end face 6 of the second transducer, disperses the polychromatic beams incident on it and focuses each beam with wavelength λi in a spot located at a distance f (λi) from this lens. Due to chromatic aberration, rays with different wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , ... λ _n coming from each fiber of the first transducer will be focused by the second lens 11 at different distances L (λi), respectively equal to L (λ ₁ ), L (λ ₂ ), L (λ ₃ ), ... L (λ _n ) from the main plane of the second lens 11. Output ends of 3 fibers of the i-th row (where i is the row number and i = 1, 2, 3, ..., N ) of the first transducer are removed from the center of symmetry (the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with a conventional plane parallel to the main planes of the lenses located between the lenses at 's distance from the nearest thereto principal planes of each lens) for a distance equal to the focal length L (λi) = Fl (λi), where Fl (λi) - lens focal distance for radiation with a wavelength λi. The input ends of the fibers of the ith row of the large end face 6 of the second transducer symmetrical to them (with respect to the center of symmetry) are also removed from the nearest main plane of the second lens 11 by a distance equal to the focal length for radiation with a wavelength λi. Therefore, rays with a wavelength λi emerging from the ends of the fibers of the ith row of the large end face 3 of the first transducer will be focused by the lens on the input ends of the fibers of the ith row of the large end face 6 of the second transducer optically mated with them. Note that the counting of the rows of fibers in the first and second converters is carried out from the first row, indicated in FIG. 7 by the indices A ₁ and A. Thus, only radiation with a wavelength λi will fall on the input ends of each i-th row of the second converter. Therefore, from each row of output fibers of the smaller end 7 of the second transducer located in front of the lens 8 of the matrix receiving device 9, rays with a wavelength λi corresponding to the number of this row will come out.

Изменение диаметра непрозрачного экрана 5, примыкающего к фокусирующей и диспергирующей линзе 4, позволяет расширить динамический диапазон по интенсивности и разрешающей способности. Увеличение диаметра непрозрачного экрана 5 позволяет увеличивать разрешающую способность спектрометра, однако при этом происходит уменьшение эффективной площади линзы 4, т.е. уменьшение ее светосилы, что приводит к уменьшению интенсивности проходящего оптического сигнала. Поэтому, изменяя диаметр непрозрачного экрана 5, можно в каждом конкретном случае подобрать компромиссные значения разрешающей способности и интенсивности оптического излучения на выходе спектрометра.Changing the diameter of the opaque screen 5, adjacent to the focusing and dispersing lens 4, allows you to expand the dynamic range in intensity and resolution. Increasing the diameter of the opaque screen 5 allows you to increase the resolution of the spectrometer, however, this reduces the effective area of the lens 4, i.e. a decrease in its aperture, which leads to a decrease in the intensity of the transmitted optical signal. Therefore, by changing the diameter of the opaque screen 5, it is possible in each case to select compromise values of the resolution and intensity of the optical radiation at the output of the spectrometer.

Введение в спектрометр по команде оператора с помощью электромеханического устройства 11 полосового фильтра 13 (см. фиг.8) позволяет увеличить (в соответствии с выражением (4) разрешающую способность спектрометра без увеличения расстояния ρ между соседними волокнами в больших торцах 3 и 6 первого и второго преобразователей.Introduction to the spectrometer at the operator’s command using the electromechanical device 11 of the band-pass filter 13 (see Fig. 8) allows to increase (in accordance with expression (4) the resolution of the spectrometer without increasing the distance ρ between adjacent fibers at large ends 3 and 6 of the first and second converters.

В заключение отметим, что по сравнению с аналогом и прототипом оба спектрометра, выполненные по первому и второму вариантам изобретения, обеспечивают возможности получения монохроматических (моноспектральных) изображений двумерных объектов в любой заданной узкой спектральной полосе, принадлежащей рабочему спектральному диапазону спектрометра, без наличия полихроматических изображений и без необходимости коррекции размеров монохроматических изображений. Заявляемые спектрометры также обеспечивают возможность регистрации быстропротекающих процессов путем получения мгновенных (за время накопления чувствительного элемента матричного приемного устройства) изображений с «разноцветными строками», т.е. изображений, где на каждую строку матричного приемного устройства поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны, соответствующей порядковому номеру (угловой координате βi) этой строки.In conclusion, we note that, compared with the analogue and prototype, both spectrometers made according to the first and second variants of the invention provide the possibility of obtaining monochromatic (monospectral) images of two-dimensional objects in any given narrow spectral band belonging to the working spectral range of the spectrometer, without the presence of polychromatic images and without the need for size adjustment of monochromatic images. The inventive spectrometers also provide the ability to register fast processes by obtaining instant (during the accumulation of the sensitive element of the matrix receiving device) images with "multi-colored lines", i.e. images, where each line of the matrix receiving device receives radiation from the optically conjugated points of the object at a wavelength corresponding to the serial number (angular coordinate βi) of this line.

Claims

1. Displaying a focal spectrometer containing a focusing and dispersing lens and a matrix receiving device with an electronic information processing unit, electrically connected to a monitor that reproduces images, characterized in that it further comprises an input lens, two identical fiber-optic converters, each of which has smaller and larger ends, an opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region, and located between the second a mounted optical transducer and a matrix receiving device, a lens in the image plane of which there are sensitive elements of the matrix receiving device, while the optical axes of the lenses coincide with the optical axis of the focusing and dispersing lenses, the optical axis of the opaque screen and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis spectrometer, fiber-optic converters are installed symmetrically relative to the center of symmetry located at the intersection of the optical axis of the spectrometer with a conventional plane passing between the main planes of the focusing and dispersing lens at the same distance from these planes, fiber-optic converters are made of the same fibers with a diameter of Θв, transparent in the spectral range of the spectrometer, Θв> λn, where λn is the long-wavelength the spectral range of the spectrometer, the number of fibers of each fiber-optic converter is equal to the number of sensitive elements of the matrix receiving device, The largest end of the first fiber-optic converter is installed in the image plane of the input lens, the fibers in the plane of the smaller ends of the first and second fiber-optic converters are adjacent to each other and arranged in rows so that the conditional straight lines connecting the centers of the ends of each row of fibers are perpendicular optical axis of the spectrometer and parallel to the rows of the matrix receiving device, the fibers in the plane of the large ends of the first and second fiber-optic converters e adjacent to each other and arranged in rows such that the centers of the ends of the fibers i-th row have been removed from the intersection point with the optical axis of the spectrometer to the proximal ends of the main lens plane by a distance L (λi), defined by the following relation:
L (λi) = 2fl (λi),
where fl (λi) is the focal length of the lens for radiation with a wavelength of λi,

r1 and r2 are the radii of curvature of the lens surfaces;
λk is the short-wavelength spectral range of the spectrometer,
Δt is the thickness of the lens,
N is the number of rows of fibers of the fiber optic converter, equal to the number of rows of the matrix photodetector,
n (λi) is the refractive index of the lens material for i,
i = 1,2,3, ..., N,
the adjacent conditional lines parallel to the optical axis of the spectrometer and connecting the centers of the fibers located in the planes of the large ends of the first and second fiber-optic converters are located at a distance ρ, defined by the following relation:

where Θ is the diameter of the focusing and dispersing lenses,
f (λk), f (λn) are the focal lengths of the focusing and dispersing lenses, respectively, for emissions with wavelengths λk and λn.

2. The imaging focal spectrometer according to claim 1, characterized in that the opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region is made with the possibility of changing its diameter ,e, defined by the following ratio:

where Δλ is the specified resolution of the spectrometer at the long-wavelength boundary of the spectral range,
f (λn + Δλ), f (λn) are the focal lengths of the focusing and dispersing lenses, respectively, for emissions with wavelengths λn + Δλ and λn.

3. The imaging focal spectrometer according to claim 1, characterized in that an electromechanical device comprising W spectral bandpass filters, where W≥2, dividing the working spectral range into bands of equal width, is additionally inserted into it, and this device sets any of these filters so that it was in before the input lens and its optical axis be aligned with the optical axis of the input lens, wherein the filters are made so as to satisfy the following relation: Δλ + Δλ ₁ ₂ + ... + λw = λn-λk, where Δλ _1, Δλ _2, Δλ _w - bandwidths respective filter bandwidth.

4. The imaging spectrometer according to claim 1, characterized in that two identical rectangular flat mirrors of length A≥1.42 · a and width B≥b are additionally introduced into it, the first of which is installed in front of the input lens of the spectrometer so that the optical axis of the lens intersects the geometric the center of this mirror is at an angle of 45 ° to its surface, and the plane in which this angle is located is perpendicular to the rows of the matrix radiation receiver, while the reflecting surface of the mirror is facing the lens, a second mirror is installed allele to the first so that the distance between the mirrors h> 1.42 · a and its reflecting surface is facing the reflective surface of the first mirror, and the second mirror is mounted with the possibility of precision rotation around an axis parallel to the rows of the matrix receiver and passing through the geometric center of the second mirror, where a and b, respectively, the height and width of the smaller ends of the fiber optic converters.

5. An imaging focal spectrometer comprising a first focusing and dispersing lens and a matrix receiving device with an electronic information processing unit, electrically connected to an image reproducing monitor, characterized in that it further comprises an input lens, two identical fiber-optic converters, each of which It has smaller and larger ends, the second focusing and dispersive lens disposed from the first focusing and dispersive lens distance L ₀ along axis spe of a trometer not exceeding the radius of the lens, the first and second opaque screens adjoining and covering the central region of the corresponding focusing and dispersing lens, and located between the second fiber-optic converter and the matrix receiving device, in the image plane of which there are sensitive elements of the matrix receiving device, the optical axes of the lenses coincide with the optical axis of the identical focusing and dispersing lenses, the optical axis of the opaque screens and the optical axes of the fiber-optic converters and form the optical axis of the spectrometer, the fiber-optic converters are installed symmetrically with respect to the center of symmetry located at the intersection of the optical axis of the spectrometer with a conventional plane parallel to the main planes of the lenses and located between the focusing and dispersing lenses at equal distances from the nearest to it the main planes of each lens, fiber optic converters are made of the same fibers with a diameter of Θв, which are transparent in the spectral range of the spectrometer’s operation, with Θв> λn, where λn is the long-wavelength boundary of the spectral range of the spectrometer, the number of fibers of each fiber-optic converter is equal to the number of sensitive elements of the matrix receiving device, the smaller end of the first fiber-optic converter is installed in the image plane of the input lens, the fibers in the plane of the smaller ends of the first and second fiber-optic converters adjoin each other and are arranged in rows in such a way so that the conditional straight lines connecting the centers of the ends of each row of fibers are perpendicular to the optical axis of the spectrometer and parallel to the rows of the matrix receiving device, the fibers in the plane of the large ends of the first and second fiber-optic converters do not adjoin each other and are arranged in rows so that the centers of the ends fibers of the ith row were removed from the point of intersection of the optical axis of the spectrometer with the main lens plane closest to the ends of the lens at a distance L (λi), determined by the following relation:
L (λi) = fl (λi),
where fl (λi) is the focal length of the lens for radiation with a wavelength of λi,

r1 and r2 are the radii of curvature of the lens surface;
λk is the short-wavelength spectral range of the spectrometer,
Δt is the thickness of the lens,
N is the number of rows of fibers of the fiber optic converter, equal to the number of rows of the matrix photodetector,
n (λi) is the refractive index of the lens material for i,
i = 1, 2, 3, ..., N,
the adjacent conditional lines parallel to the optical axis of the spectrometer and connecting the centers of the fibers located in the planes of the large ends of the first and second fiber-optic converters are located at a distance ρ, defined by the following relation:

6. The imaging focal spectrometer according to claim 5, characterized in that the opaque screen adjacent to the focusing and dispersing lens and covering its central region is made with the possibility of changing its diameter Θe, defined by the following ratio:

where Δλ is the specified resolution of the spectrometer at the long-wavelength boundary of the spectral range, f (λn + Δλ), f (λn) are the focal lengths of the focusing and dispersing lenses, respectively, for radiation with wavelengths λn + Δλ and λn.

7. The imaging focal spectrometer according to claim 5, characterized in that it additionally introduces an electromechanical device containing W spectral bandpass filters, where W≥2, dividing the working spectral range into bands of equal width, and this device sets any of these filters so that it was in before the input lens and its optical axis be aligned with the optical axis of the input lens, wherein the filters are made so as to satisfy the following relation: Δλ + Δλ ₁ ₂ + ... + λ _w = λn-λk, where Δλ _1, Δλ _2, Δλ _w - bandwidths respective filter bandwidth.

8. The imaging spectrometer according to claim 5, characterized in that it is additionally introduced two identical rectangular flat mirrors of length A≥1.42 · a and width B≥b, the first of which is installed in front of the input lens of the spectrometer so that the optical axis of the lens intersects the geometric the center of this mirror is at an angle of 45 ° to its surface, and the plane in which this angle is located is perpendicular to the rows of the matrix radiation receiver, while the reflecting surface of the mirror is facing the lens, a second mirror is installed allele to the first so that the distance between the mirrors h> 1.42 · a and its reflecting surface is facing the reflective surface of the first mirror, and the second mirror is mounted with the possibility of precision rotation around an axis parallel to the rows of the matrix receiver and passing through the geometric center of the second mirror, where a and b, respectively, the height and width of the smaller ends of the fiber optic converters.