RU2624622C1 - Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения - Google Patents
Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2624622C1 RU2624622C1 RU2016127644A RU2016127644A RU2624622C1 RU 2624622 C1 RU2624622 C1 RU 2624622C1 RU 2016127644 A RU2016127644 A RU 2016127644A RU 2016127644 A RU2016127644 A RU 2016127644A RU 2624622 C1 RU2624622 C1 RU 2624622C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- slit
- image tracking
- combined image
- lens
- camera
- Prior art date
Links
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- LPLLVINFLBSFRP-UHFFFAOYSA-N 2-methylamino-1-phenylpropan-1-one Chemical compound CNC(C)C(=O)C1=CC=CC=C1 LPLLVINFLBSFRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000003023 Cosmos bipinnatus Species 0.000 description 1
- 235000005956 Cosmos caudatus Nutrition 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения. Камера включает в себя входной объектив, щелевую структуру, коллимационный объектив, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство. Фотоприемное устройство выполнено в виде строчно-кадровой ПЗС-матрицы, работающей в режиме отслеживания изображения с временной задержкой и накоплением (ВЗН). Щелевая структура формируется с помощью жидкокристаллического дисплея или матрицы микрозеркал. Технический результат заключается в повышении чувствительности камеры. 3 з.п. ф-лы. 4 ил.
Description
Изобретение относится к гиперспектрометрам, а более конкретно к устройствам гиперспектральной регистрации оптического излучения и может быть использовано для дистанционного зондирования объектов различной природы с подвижных аппаратов (космический аппарат, самолет, вертолет, беспилотное летающее устройство), обеспечивая идентификацию объектов и их элементного состава.
Известен авиационный гиперспектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазонов содержащем входную телескопическую систему, однощелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор, спектроделитель и оптоэлектронный блок, включающий выходной объектив и фотоприемное устройство. Недостатком данного технического решения является недостаточная чувствительность функционирования однощелевых гиперспектральных камер. (Орлов А.Г., «Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов», опубликовано 2008. http://iki.cosmos.ru/rus/orl.pdf.)
Наиболее близким к заявляемому изобретению является многощелевой спектрометр, содержащий: многощелевую структуру, определенную набором параллельно расположенных щелей; входную оптическую структуру, направляющую излучение от объекта в многощелевую структуру; световой диспергирующий элемент; оптическую коллимационную систему, которая коллимирует и направляет световое излучение, прошедшее через многощелевую структуру на диспергирующий элемент; оптическую фокусирующую структуру, предназначенную для фокусирования излучения прошедшего через диспергирующий элемент на фокальную плоскость и матричного фотоприемного устройства, которое размещено в плоскости формирования изображения. При этом фотоприемное устройство состоит из отдельных пикселей каждый из которых обладает размером «ширина» в перпендикулярном щелям направлении, вышеупомянутые щели расположены на равном расстоянии друг от друга, и это расстояние является кратным к размеру «ширина» матричного фотоприемника и равняется NM+1 или NM-1, где М - количество щелей, а N - целое. По п. 15 заявленного изобретения известен многощелевой спектрометр, установленный на авиационном носителе, состоящий из: многощелевой структуры, состоящей из множества параллельно расположенных тонких щелей, входной оптической структуры, направляющей излучение от объекта в многощелевую структуру, светового диспергирующего элемента, коллимационной оптической структуры, направляющей излучение, вышедшее из многощелевой структуры в диспергирующий элемент, оптической фокусирующей структуры, фокусирующей излучение, прошедшее через диспергирующий элемент на фокальную плоскость, Оптические схемы адаптированы для формирования изображения от нескольких щелей многощелевой структуры. Помимо этого спектрометр дополнительно оснащен зеркалом, которое направляет излучение от исследуемых объектов во входную оптическую структуру, зеркало поворачивается с угловой скоростью, сопровождая исследуемые объекты в течение времени накоплении. Поворотное устройство функционирует в соответствии с командами контроллера, учитывающего скорость и высоту авиационного носителя. (Описание к изобретению US №6122051 опубликовано 19.09.2000). Недостатком указанного технического решения является механический способ отслеживания изображения за счет крупногабаритных подвижных элементов конструкции, что не позволяет обеспечить достаточную равномерность их движения, это в свою очередь приводит к дополнительному смазу изображения, ухудшая его качество. Также использование дополнительного оптического элемента в виде зеркальной поверхности, расположенной перед входным зрачком входного объектива, вносит дополнительные оптические искажения, что также негативно влияет на качество изображения.
При решении задач панхроматической или мультиспектральной съемки Земной поверхности существует универсальный метод увеличения сигнала, основанный на режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Этот метод, за счет электронного отслеживания изображения, позволяет увеличить значение сигнала в десятки или сотни раз, а значит величина сигнально-шумовой характеристики прибора определяется только динамическим диапазоном фотоприемного устройства. Но в гиперспектральной камере (ГСК) ввиду конструктивных особенностей прибора прямое использование данного режима невозможно, а следовательно, в ГСК присутствует принципиальное ограничение, препятствующее дальнейшему развитию таких систем, связанное с нехваткой сигнала. Ограничение в развитии присутствует в части: увеличения пространственного разрешения, увеличения спектрального разрешения и при съемке объектов с низкой освещенностью.
В работах (Ansley D.A., Cook L.G. Multi-slit spectrometer. 1998. US 6122051 А.], [Valle Т., Hardesty С., Davis С., Tufillaro N., Stephens M., Good W., Spuhler P. Multi-Slit Optimized Spectrometer: An Innovative Design for Geostationary Hyperspectral Imaging // Optical Remote Sensing of the Environment. Monterey. 2012) исследована возможность увеличения чувствительности гиперспектрального прибора за счет применения многощелевой структуры. Данный подход является усовершенствованным методом тангажного замедления, а основной принцип сводится к увеличению эффективного времени накопления. Рассмотрим функционирование стандартной ГСК с одной щелью в режиме тангажного замедления. На Фиг. 2.а показана малая область поз. 1, заметаемая щелью в таком режиме съемки, но подспутниковая точка перемещается на большее расстояние области, поз. 1 и 2. В этом случае изображение подстилающей поверхности не формируется полностью, а состоит из отдельных фрагментов.
В случае функционировании многощелевой ГСК принцип съемки основан на пространственном разделении проекций щелей вдоль полета. Расстояние между щелями, периодичность и длительность одного цикла сканирования подобраны таким образом, что дополнительные щели снимают недостающие области подстилающей поверхности (ПП) Фиг. 2.б. То есть в процессе съемки формируется непрерывный трек изображения ПП с повышенным значением чувствительности. В заявляемом изобретении предлагается производить синхронное сопровождение движущегося изображения в двух ключевых элементах: многощелевой структуре и фотоприемном устройстве (ФПУ), выполненном в виде жидкокристаллического дисплея (ЖК-дисплей) или в виде микрозеркальной матрицы (МКМ).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение чувствительности гиперспектральной камеры за счет использования механизма комбинированного отслеживания изображения. Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении чувствительности гиперспектральной камеры при одновременном сохранении качества изображения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения содержит расположенные вдоль оптического хода лучей входной объектив поз. 1 Фиг. 1а, б, щелевую структуру, выполненную в виде ЖК-дисплея с возможностью подключения к управляющему контроллеру поз. 2 Фиг. 1а или в виде микрозеркальной матрицы с возможностью подключения к управляющему контроллеру поз. 7 Фиг. 1б, при этом в качестве входного объектива используют широкоугольный объектив, коллимационный объектив поз. 3 Фиг. 1а, б, диспергирующий элемент, который может быть выполнен в виде призмы прямого зрения Амичи поз. 4 Фиг. 1а, б, выходной объектив поз. 5 Фиг. 1а, б, фотоприемное устройство, которое выполнено в виде строчно-кадровой ПЗС-матрицы, работающей в режиме ВЗН поз. 6 Фиг. 1а, б.
Заявляемое изобретение и пояснения его работы приведены на следующих чертежах.
На Фиг. 1а. представлена принципиальная схема многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения, где:
1 - входной объектив;
2 - щелевая структура, выполненная в виде жидкокристаллического дисплея с возможностью подключения к управляющему контроллеру;
3 - коллимационный объектив;
4 - диспергирующий элемент, выполнен в виде призмы прямого зрения Амичи;
5 - выходной объектив;
6 - строчно-кадровая ПЗС-матрица, работающая в режиме ВЗН с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
На Фиг. 1б. представлена принципиальная схема многощелевой гиперспектральной камеры с комбинированным отслеживанием изображения, где:
1 - входной объектив;
7 - щелевая структура, выполненная в виде микрозеркальной матрицы с возможностью подключения к управляющему контроллеру;
3 - коллимационный объектив;
4 - диспергирующий элемент, выполненный в виде призмы прямого зрения Амичи;
5 - выходной объектив;
6 - строчно-кадровая ПЗС-матрица, работающая в режиме ВЗН, с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
На Фиг. 2а. представлен маршрут при съемке однощелевой гиперспектральной камерой, где:
8. Область, заметаемая щелью, при съемке в первой итерации сканирования.
9. Область, пропущенная при сканировании в первой итерации.
10. Область, заметаемая щелью, при съемке во второй итерации сканирования.
11. Область, пропущенная при сканировании во второй итерации.
На Фиг. 2б. представлен маршрут при съемке многощелевой гиперспектральной камерой, где:
12. Область, заметаемая первой щелью в первой итерации сканирования.
13. Область, заметаемая второй щелью в первой итерации сканирования.
14. Область, заметаемая третьей щелью в первой итерации сканирования.
15. Область, заметаемая четвертой щелью в первой итерации сканирования.
16. Область, заметаемая первой щелью во второй итерации сканирования.
17. Область, заметаемая второй щелью во второй итерации сканирования.
18. Область, заметаемая третьей щелью во второй итерации сканирования.
19. Область, заметаемая четвертой щелью во второй итерации сканирования.
На Фиг. 3.1-3.2 представлена структурная схема алгоритма управления многощелевой гиперспектральной камерой с комбинированным отслеживанием изображения.
Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения работает следующим образом. Отраженные, рассеянные и излученные фотоны от исследуемых объектов подстилающей поверхности попадают во входной объектив. Данный объектив формирует изображение на ЖК-дисплее или МКМ. На ЖК-дисплее или МКМ с помощью управляющего контроллера формируется щелевая структура в виде отдельных строк, каждая из которых выполняет роль щели. Организация тактирования ЩС по ЖК-дисплею или МКМ позволяет производить сопровождение движущегося изображения.
Каждая щель щелевой структуры направляет изображение узкого участка подстилающей поверхности в коллимационный объектив. Далее лучи проходят через коллимационный объектив и попадают на диспергирующий элемент. В качестве диспергирующего элемента предпочтительно использовать призму Амичи, поскольку в такой призме присутствует заданная спектральная длина волны, для которой угол отклонения равен нулю. В качестве заданной спектральной длины волны предлагается использование центральной длины волны. То есть при использовании такой призмы для центральной длины волны оси коллимационного и выходного объектива совпадают, а следовательно, в оптической системе не возникают дополнительные оптические искажения, связанные с работой коллимационного и выходного объектива в наклонном пучке. После диспергирующего элемента разложенные по спектру лучи с помощью выходного объектива фокусируются на фотоприемное устройство. В качестве фотоприемного устройства предлагается использовать строчно-кадровую ПЗС-матрицу, работающую в режиме ВЗН. Наличие режима ВЗН в строчно-кадровой ПЗС-матрицы требуется для реализации электронного отслеживания изображения. Реализация режима ВЗН раскрыта в источнике информации: Щербина Г.А. “Реализация режима ВЗН на базе строчно-кадровой ПЗС матрицы” // Журнал Радиоэлектроники. 2014. №6.
Предлагаемый алгоритм управления работы камеры предназначен для проведения съемки и направлен на получение конечного продукта - набора спектральных изображений подстилающей поверхности и показан на Фиг. 3. При проведения съемки работа камеры состоит из трех вложенных циклов.
- Внешний по номеру сканирования. На Фиг. 2б показаны две итерации сканирования, так за первую итерацию сканирования формируется набор спектральных изображений областей 1-4, а за вторую 5-8. В начале каждой итерации сканирования осуществляется перевод щелевой структуры в ЖК-дисплее (МКМ) в первоначальное пространственное положение. При формировании непрерывного трека изображения выполняется совмещение областей от различных щелей внутри каждой итерации сканирования. А также после выполнения последней итерации сканирования производится совмещение областей различных итераций сканирования.
- Средний по номеру линейного участка внутри области одной щели, внутри одной итерации сканирования. С управляющего контроллера подается синхросигнал который поступает на: ФПУ и является импульсом начала кадра; ЖК-дисплей (МКМ) и является импульсом начала сопровождения нового линейного участка. Таким образом, начало съемки и сопровождения линейного участка задается управляющим контроллером. Частота следования синхроимпульсов управляющего контроллера определяется с учетом: высоты и скорости носителя, а также величины пространственного разрешения вдоль вектора скорости полета. После проведения съемки всех линейных участков внутри области одной щели внутри одной итерации сканирования производится составление спектральных откликов каждого линейного участка и формируется общий набор спектральных изображений каждой щели для одной итерации сканирования.
- Внутренний по номеру шага сопровождения одного линейного участка, внутри области одной щели, внутри области одной итерации сканирования. Во внутреннем цикле осуществляется сопровождение изображения в двух ключевых элементах ФПУ и ЖК-дисплее (МКМ). В ФПУ сопровождение изображения выполнено за счет режима ВЗН в строчно-кадровой ПЗС-матрице, с параметром работы: тактовое время переноса зарядовых пакетов на одну строку равно времени пролета изображением одной строки. В ЖК-дисплее (МКМ) щелевая структура представляет собой ряд параллельно расположенных линейных отрезков, каждый из которых выполняет функцию щели. Тактирование щелевой структуры по ЖК-дисплею (МКМ) синхронизовано с ФПУ, а именно: время начала кадра в ФПУ совпадает со временем начала сопровождения линейных участков в ЖК-дисплее (МКМ). Перед проведением первого этапа накопления щелевая структура не тактируется. На 2-м и последующих шагах накопления щелевая структура тактируется Nн-1 раз (Nн - количество шагов накопления, количество шагов накопления равно или менее количества щелей в ГСК) на расстояние - одна строка вдоль направления бега изображения и с периодом, равным времени пролета изображением одной строки ЖК-дисплея (МКМ).
Claims (4)
1. Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения, содержащая расположенные вдоль оптического хода лучей входной объектив, щелевую структуру, коллимационный объектив, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство, отличающаяся тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде строчно-кадровой ПЗС-матрицы, работающей в режиме отслеживания изображения ВЗН с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
2. Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения по п.1, отличающаяся тем, что щелевая структура формируется с помощью жидкокристаллического дисплея с возможностью подключения к управляющему контроллеру.
3. Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения по п.1, отличающаяся тем, что щелевая структура формируется с помощью матрицы микрозеркал с возможностью подключения к управляющему контроллеру, а входной объектив выполнен широкоугольным.
4. Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения по пп.1-3, отличающаяся тем, что диспергирующий элемент выполнен в виде призмы прямого зрения Амичи.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127644A RU2624622C1 (ru) | 2016-07-09 | 2016-07-09 | Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127644A RU2624622C1 (ru) | 2016-07-09 | 2016-07-09 | Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2624622C1 true RU2624622C1 (ru) | 2017-07-04 |
Family
ID=59312701
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016127644A RU2624622C1 (ru) | 2016-07-09 | 2016-07-09 | Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2624622C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998010254A1 (en) * | 1996-09-04 | 1998-03-12 | Erim International, Inc. | High-sensitivity multispectral sensor |
| US6122051A (en) * | 1998-06-04 | 2000-09-19 | Raytheon Company | Multi-slit spectrometer |
| RU158856U1 (ru) * | 2015-07-22 | 2016-01-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "РЕАГЕНТ" | Устройство для дистанционного изучения процессов горения и взрыва с использованием гиперспектрометрии и скоростной фотосъемки |
-
2016
- 2016-07-09 RU RU2016127644A patent/RU2624622C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998010254A1 (en) * | 1996-09-04 | 1998-03-12 | Erim International, Inc. | High-sensitivity multispectral sensor |
| US6122051A (en) * | 1998-06-04 | 2000-09-19 | Raytheon Company | Multi-slit spectrometer |
| RU158856U1 (ru) * | 2015-07-22 | 2016-01-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "РЕАГЕНТ" | Устройство для дистанционного изучения процессов горения и взрыва с использованием гиперспектрометрии и скоростной фотосъемки |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Щербина Г.А. "Реализация режима ВЗН на базе строчно-кадровой ПЗС матрицы", ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, No 6, 2014 г., стр. 1-24. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6230420B2 (ja) | 光ビームを受光するシステムと方法とコンピュータ・プログラム | |
| US20170214861A1 (en) | Rapid and precise optically multiplexed imaging | |
| US8144312B2 (en) | Telescope with a wide field of view internal optical scanner | |
| US20200370959A1 (en) | Time-resolved hyper-spectral single-pixel imaging | |
| US10141186B2 (en) | Target image-capture device, extreme-ultraviolet-light generation device, and extreme-ultraviolet-light generation system | |
| CN101384945A (zh) | 光学多路复用成像系统及操作方法 | |
| US11578964B2 (en) | Optical coherence tomography apparatus and image generation method using the same | |
| Diego et al. | Final tests and commissioning of the UCL echelle spectrograph | |
| CN104159007B (zh) | 一种基于多线列时差扫描扩展采样的点目标搜索探测装置 | |
| US20220307903A1 (en) | An imaging system and a light encoding device therefor | |
| CN110567581B (zh) | 一种基于dmd的多目标成像光谱系统对相近目标的探测方法 | |
| US10422622B2 (en) | Interference optical device, interference observation device, and interference observation method | |
| RU2624622C1 (ru) | Многощелевая гиперспектральная камера с комбинированным отслеживанием изображения | |
| CN103558160A (zh) | 一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统 | |
| JP5856440B2 (ja) | 観察装置 | |
| JP7194437B2 (ja) | 干渉信号強度取得方法及び干渉信号強度取得装置 | |
| CN104034417B (zh) | 一种机载宽视场成像光谱仪视场配准装置和方法 | |
| RU2658140C1 (ru) | Конфокальный спектроанализатор флуоресцентных изображений | |
| JPS6366469B2 (ru) | ||
| JP7194438B2 (ja) | ２次元分光計測方法及び２次元分光計測装置 | |
| Vogt et al. | Pure-rotational and rotational-vibrational Raman spectrum of the atmosphere at an altitude of 23 km | |
| RU2653087C1 (ru) | Способ получения оптических изображений объектов, наблюдаемых при больших угловых скоростях, и устройство для его реализации | |
| CN102175321A (zh) | 基于光栅平动式光调制器的多目标成像光谱仪 | |
| US20240061085A1 (en) | Solid-state scanning flash lidar by diffractive field-of-view steering with digital micromirror device | |
| JP7272652B2 (ja) | ２次元分光法及び２次元分光装置 |