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 PDFInfo
- 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
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 12
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000238708 Astigmata Species 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer 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
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
- G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/1006—Beam 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.
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)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2787305C1 (ru) * | 2021-12-17 | 2023-01-09 | Алексей Сергеевич Шушлебин | Лазерный спектрограф |
Citations (2)
| 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 |
-
2014
- 2014-12-15 RU RU2014150843A patent/RU2635841C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| 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)
| 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)
| 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 |