RU2635841C2 - Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне - Google Patents

Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне Download PDF

Info

Publication number
RU2635841C2
RU2635841C2 RU2014150843A RU2014150843A RU2635841C2 RU 2635841 C2 RU2635841 C2 RU 2635841C2 RU 2014150843 A RU2014150843 A RU 2014150843A RU 2014150843 A RU2014150843 A RU 2014150843A RU 2635841 C2 RU2635841 C2 RU 2635841C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
wide
visible
anastigmat
spectrometer
Prior art date
Application number
RU2014150843A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014150843A (ru
Inventor
Геннадий Семенович Мельников
Владимир Михайлович Самков
Original Assignee
Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова") filed Critical Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority to RU2014150843A priority Critical patent/RU2635841C2/ru
Publication of RU2014150843A publication Critical patent/RU2014150843A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2635841C2 publication Critical patent/RU2635841C2/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/30Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1006Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается бортового широкодиапазонного спектрометра рассеянных или вынужденных излучений. Спектрометр включает в себя входной объектив, щель, коллимирующий объектив, спектроделитель, проекционный объектив, фотоприемную матрицу, малогабаритный цифровой блок и цифровой видеомонитор. Спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогонально скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного структурирования широких и узких зон светового потока в широком спектральном диапазоне. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к приборам для спектральной фильтрации излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне.
В основу работы таких приборов положен способ выделения и регистрации определенной спектральной составляющей излучения в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока выделяемого излучения. Изобретение может найти применение в спектральном анализе (люминесцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, анализ слабосветящейся плазмы, диффузно рассеивающих поверхностей и т.п.) и лазерном зондировании рассеивающих и поглощающих природных сред (залежи углеводородных ископаемых, химические загрязнения земной и водной поверхности, состав тумана, растительность, состояние водоемов) в условиях дневного или ночного освещения.
Известно устройство бортового спектрометра с высоким пространственным разрешением /5/, в котором в качестве элемента, разлагающего излучение в спектр (спектроделителя), используется стеклянная призма.
На рис. 1 представлена оптическая схема гиперспектрометра, который является прототипом предлагаемого изобретения. В оптической схеме представлены следующие элементы: 1 - полоска изображения щели, 2 - входной объектив, 3 - щель, 4 - коллимирующий объектив. В гиперспектрометре в качестве разлагающего в спектр элемента (спектроделителя) используется стеклянная призма - 5.
Изображение с помощью проекционного объектива - 6 регистрируется на активно-пиксельной кремниевой матрице - 7, в плоскости XOY которой формируется пространственное изображение зондируемого объекта, для каждого пикселя которого существует развертка по длине волны. В результате проведения гиперспектральной съемки объекта дистанционного зондирования формируется так называемый «гиперкуб» (рис. 2). В плоскости XOY формируется пространственное изображение зондируемого объекта, для каждого пиксела которого существует развертка по длине волны λ (цветовая информация). Кроме трех указанных координат к ним может добавляться еще поляризационная координата. Таким образом, измеряемые гиперспектрометром данные представляют собой значения функции, заданной в многомерном пространстве. Это устройство формирует информацию о спектральном составе изображения объекта за счет получения развертки по длине волны, что требует дополнительной памяти для каждого пикселя в изображающей матрице.
Недостатком этого устройства является невозможность параллельного получения полезной информации о спектральном составе светового потока. Оно имеет ограничения при анализе многоспектральных объектов, например при анализе залежей полезных ископаемых с борта самолета.
Целью предлагаемого изобретения является создание высокотехнологичного спектроанализирующего устройства с параллельной 2D визуализацией составляющих спектра широкого диапазона, обеспечивающего структурирование широких и узких зон светового потока от любого потока в широком диапазоне одновременно.
Поставленная цель достигается за счет того, что спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогональных скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой [1, 4]. Применение в качестве отражающих элементов зеркально полых или заполненных материалом с показателем преломления, большим 1, сегментов цилиндра позволяет при вводе внутрь сегментов параллельного светового потока от исследуемой плоскости предметов обеспечивать разделение проходящего через сегмент (сегменты) излучения на отдельные световые потоки. Каждый из световых потоков имеет сечение, не превышающее размера площадки пространственной когерентности при данной расходимости светового потока, и спектральная фильтрация осуществляется раздельно для каждого из этих световых потоков. Технический результат заключается в формировании заданной расходимости потока по зонам полного или полного внутреннего отражения от цилиндрических сегментов и одновременной регистрации интенсивностей разделенных потоков излучения на единые многоэлементные матрицы, чувствительные в УФ-, видимом или ИК-диапазонах.
В предлагаемом устройстве в качестве спектроделителя (Рис. 3) используются анастигматы, построенные на основе геометрии ортогонального сопряжения линейно-однородных зон внутри сегментированных элементов цилиндрического типа 8 и 9.
Для получения матрицы изображений удаленных объектов без астигматизма достаточно выполнить спектроделитель в виде сборки взаимно ортогонально совмещенных двух оптических четвертьсегментов цилиндра, как это показано на рис. 3.
В предлагаемом спектрофотометре на одном экране цифрового видеомонитора, по-пиксельно сопряженного с матричным фотоприемным устройством 11, одновременно (без организации сканирования по координате цветности) с помощью проекционного объектива 10 формируются как широкоформатные, так и узкопольные 2D изображения объекта исследований, соответственно в широком и узких спектральных диапазонах, в виде матрицы цифровых изображений. При этом с помощью блока цифрового малогабаритного (БЦМ), являющегося устройством связи, сопряжения и управления между кремниевой приемной матрицей и широкоформатным цифровым видеомонитором, обеспечивается возможность как одновременного предъявления всей матрицы изображений широких и узких зон наблюдения объектов, так и выделение краевых ячеек. Реализация предлагаемого способа возможна на основе использования в качестве источника света, например, высокостабильного непрерывного или импульсного лазерного излучателя нано- или пикосекундного диапазонов длительности, направляемого на исследуемую поверхность рассеяния, в структуре которой необходимо выделить спектры поглощения (или излучения) искомых элементов (веществ или газов), при этом отраженный или рассеянный поток принимается входной плоскостью анастигмата, построенного на сегментированных фрактальных элементах, формирующих матрицу изображений с дискретной панкратикой, где по диагонали матрицы формируются анастигматичные зонные матрицы с множеством изображений на выходе, выделяющие узкие спектральные зоны, вплоть до предельных (при коэффициентах фрактальности k>50…75), в которых могут быть достигнуты значения Δλ/λ~10-3-10-4.
Особым отличительным свойством данного устройства является возможность оптического совмещения размеров выходной плоскости выходного четверть-цилиндрического анастигмата с плоскостью высокоразрешающих приемных матриц, чувствительных в УФ-, видимой или ИК-областях спектра с 2D визуализацией через БЦМ и координатной привязкой спектральных зон к зонам широкоформатных телевизионных мониторов. В этом случае, в зависимости от выбранных диапазонов, четверть-цилиндрические астигматы выполняются либо из кварцевого стекла (УФ + видимый диапазоны), либо из керамики ПО-4 (видимый + ИК-диапазоны) и из германия (ИК-диапазон).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЗАЯВКЕ
Гиперспектральный 2D (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне.
1. Мельников Г.С., Ларионов С.А., Михеев П.А., Цветков Е.А. // Изв. АН, Серия физическая, М., 1995., т 59, N12, с 143…150., Gennady S. Melnikov, Sergey A. Larionov, Pyotr A. Mikheev, Eugeny A. Tsvetkov "Discrete scanning systems for digital optical processing and transfer of images by systolic methods", journal B.R.A.S PHYSICS, Vol. 59 No. 12 1995, pp 2097-2103 Allerton Press, Inc. / New York.
2. Мельников Г.С., Ларионов С.А., Михеев П.А., Цветков Е.А. "Способ создания временных задержек светового потока". Патент РФ N 2109257 G01J 9/00, G02 В 27/14 по Заявке N 95114222/25 от 07. 08. 1995. Официальный Бюллетень Российского Агентства по Патентам и Товарным Знакам "Изобретения" N 11 (II ч), 2108694-2109417, стр. 298-299, 20.04.1998 г.; Патент N 2109257 зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 20 апреля 1998 года.
3. М.А. Gan, S.A. Larionov, G.S. Melnikov. "Elements of fractal optics for synchrogenerators and digital illumination devices", in Photonic Quantum Computing, Steven P. Hotaling, Andrew R. Pirich, c, Proceedings of SPIE Vol. 3076, p. 207…219 (1997r.).
4. С. Мельников Фрактальное единство пространства и времени. Publisher: LAP LAMBERT Academic Publishing, ISBN: 978-3-659-59837-1, pp 281, 2014. (p 116… p 125).
5. A.H. Виноградов, В.В. Егоров, А.П. Калинин, А.И. Родионов, И.Д. Родионов. Бортовой гиперспектрометр видимого и ближнего ИК-диапазона с высоким пространственным разрешением. \\ Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2012. Т. 9. №3. С. 101-107.

Claims (4)

1. Бортовой широкодиапазонный спектрометр рассеянных или вынужденных излучений, содержащий входной объектив, щель, коллимирующий объектив, спектроделитель, проекционный объектив, фотоприемную матрицу, малогабаритный цифровой блок и цифровой видеомонитор, отличающийся тем, что с целью обеспечения одновременного структурирования широких и узких зон светового потока от любого источника спектроделитель выполнен в виде двухзеркального матричного анастигмата, построенного на двух ортогонально скрещенных четверть-цилиндрических отражателях, предназначенных для формирования матрицы изображений с дискретной панкратикой.
2. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в видимом и УФ-диапазонах спектра в качестве источника излучения используются излучатели с перестройкой длины волны видимого и УФ-излучения, а анализирующий матричный анастигмат выполнен в виде фрактально-матричных элементов из кварцевого стекла.
3. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в видимом и ИК-диапазонах спектра в качестве источника излучения используются излучатели с перестройкой длины волны видимого и ИК-излучения, а анализирующий матричный анастигмат выполнен в виде фрактально-матричных элементов из сегментов керамики ПО-4.
4. Бортовой спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что при работе в ИК-диапазоне спектра при использовании излучателей с перестройкой длины волны ИК-излучения анализирующий матричный анастигмат выполнен состоящим из сегментированных фрактальных элементов из германия.
RU2014150843A 2014-12-15 2014-12-15 Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне RU2635841C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150843A RU2635841C2 (ru) 2014-12-15 2014-12-15 Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014150843A RU2635841C2 (ru) 2014-12-15 2014-12-15 Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014150843A RU2014150843A (ru) 2016-07-10
RU2635841C2 true RU2635841C2 (ru) 2017-11-20

Family

ID=56372497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014150843A RU2635841C2 (ru) 2014-12-15 2014-12-15 Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2635841C2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787305C1 (ru) * 2021-12-17 2023-01-09 Алексей Сергеевич Шушлебин Лазерный спектрограф

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009045240A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Jingyun Zhang Compact spectrometer
US20100028659A1 (en) * 2006-10-02 2010-02-04 Okutama Kogyo Co. Ltd Method for producing paper coating solution and coated paper coated with the paper coating solution produced by the method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100028659A1 (en) * 2006-10-02 2010-02-04 Okutama Kogyo Co. Ltd Method for producing paper coating solution and coated paper coated with the paper coating solution produced by the method
WO2009045240A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-09 Jingyun Zhang Compact spectrometer

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.A. Gan, S.A. Larionov, G.S. Melnikov "Elements of fractal optics for synchrogenerators and digital illumination devices", PHOTONIC QUANTUM COMPUTING, PROCEEDINGS OF SPIE, т.3076, 1997 г., стр.207-219. *
А.Н. Виноградов и др. "Бортовой гиперспектрометр видимого и ближнего ИК диапазона с высоким пространственным разрешением", СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, т.9, No 3, 2012 г., стр.101-107. *
А.Н. Виноградов и др. "Бортовой гиперспектрометр видимого и ближнего ИК диапазона с высоким пространственным разрешением", СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, т.9, No 3, 2012 г., стр.101-107. M.A. Gan, S.A. Larionov, G.S. Melnikov "Elements of fractal optics for synchrogenerators and digital illumination devices", PHOTONIC QUANTUM COMPUTING, PROCEEDINGS OF SPIE, т.3076, 1997 г., стр.207-219. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787305C1 (ru) * 2021-12-17 2023-01-09 Алексей Сергеевич Шушлебин Лазерный спектрограф

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014150843A (ru) 2016-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liang Advances in multispectral and hyperspectral imaging for archaeology and art conservation
US8582089B2 (en) System and method for combined raman, SWIR and LIBS detection
US8687055B2 (en) Spectral imaging of moving objects with a stare down camera
Sierk et al. The Copernicus CO2M mission for monitoring anthropogenic carbon dioxide emissions from space
Amigo et al. Configuration of hyperspectral and multispectral imaging systems
Gornushkin et al. Laser-induced breakdown spectroscopy combined with spatial heterodyne spectroscopy
Lodhi et al. Hyperspectral imaging system: Development aspects and recent trends
US20130342683A1 (en) System and Method for Detecting Environmental Conditions Using Hyperspectral Imaging
US20120154792A1 (en) Portable system for detecting hazardous agents using SWIR and method for use thereof
US20120212737A1 (en) Optical homogenizing elements to reduce spectral noise in hyperspectral imaging system
US9232130B2 (en) Multispectral camera using zero-mode channel
US6490075B1 (en) Acousto-optic tunable filter hyperspectral imaging system
Waldron et al. A monolithic spatial heterodyne Raman spectrometer: initial tests
US20120145906A1 (en) Portable system for detecting explosives and a method of use thereof
Hagen et al. Real-time quantitative hydrocarbon gas imaging with the gas cloud imager (GCI)
Love et al. Full-frame programmable spectral filters based on micromirror arrays
CN103558160B (zh) 一种提高光谱成像空间分辨率的方法和系统
Nelson et al. Real-time short-wave infrared hyperspectral conformal imaging sensor for the detection of threat materials
RU2635841C2 (ru) Гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне
Coughlin et al. Testing of the LSST's photometric calibration strategy at the CTIO 0.9 meter telescope
Gibson et al. A multi-object spectral imaging instrument
Yang Broadband high-spectral-resolution ultraviolet-visible coherent-dispersion imaging spectrometer
Thornton et al. Multispectral short-range imaging through artificial fog
US8994934B1 (en) System and method for eye safe detection of unknown targets
US20220229213A1 (en) Diffraction element and imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171216