RU2859373C1 - Высокоскоростная гиперспектральная камера ближнего ИК-диапазона - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к области спектроскопии и касается гиперспектральной камеры. Гиперспектральная камера содержит щелевую диафрагму, коллимирующий объектив, дифракционную решетку, приемный объектив, матричный приемник и внешний объектив. Коллимирующий объектив и приемный объектив являются многолинзовыми. Линзы коллимирующего объектива и приемного объектива выполнены из кальция фтористого марки ФК-В и бесцветных оптических стекол. Внешний объектив является сменным, и гиперспектральная камера выполнена с возможностью смены внешнего объектива на основании характеристик внешнего объектива в зависимости от расстояния до области съемки и/или размера области съемки. Съемка осуществляется в диапазоне 900-1700 нм. Технический результат заключается в обеспечении высокого пространственного и спектрального разрешения камеры и расширении круга прикладных задач, для решения которых может использоваться камера. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области спектроскопии, а именно к гиперспектральной камере, позволяющей получать спектральные характеристики объектов в ближнем ИК-диапазоне (900-1700 нм). Настоящее изобретение может использоваться в различных отраслях для решения широкого круга прикладных задач, например, для контроля и/или сортировки материалов в добывающей и обрабатывающей промышленности, для сортировки отходов в мусороперерабатывающей промышленности, для мониторинга и анализа состояния посевов и растений в сельском хозяйстве, для разведки полезных ископаемых в геологии, для мониторинга экосистем и климатических изменений в экологии, для контроля качества и безопасности пищевых продуктов в пищевой промышленности, для контроля качества фармацевтической продукции в фармацевтике, для контроля состояния тканей и органов пациента при проведении хирургических вмешательств и т.д.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны гиперспектральные камеры различной архитектуры с разными типами дисперсионных систем. Наиболее распространены дисперсионные системы, где свет разделяется на спектральные компоненты с помощью дифракционных решеток. Дифракционные решетки часто используются в сочетании с линзовыми объективами, причем для покрытия ближнего ИК-диапазона используются объективы с использованием специальных оптических стекол и материалов, таких как фторид кальция (CaF₂).

Внешний объектив гиперспектральной камеры обеспечивает оптимальные условия для спектрального разложения излучения внутри камеры и качественное формирование спектрально-пространственного изображения, что важно для точности и достоверности гиперспектрального анализа. Из уровня техники известны гиперспектральные камеры, в которых внешний объектив является несменным. Например, гиперспектральная камера Specim FX17 производства компании Specim (Финляндия) имеет несменный внешний объектив, который крепится к корпусу камеры посредством специального крепления.

Гиперспектральная камера Specim FX17 предназначена для промышленного и лабораторного использования.

Ближайшим аналогом является компактный изображающий гиперспектрометр, раскрытый в [1]. В известном гиперспектрометре сформированное внешним объективом изображение объекта строится в фокальной плоскости, где согласно оптической схеме расположена щелевая диафрагма, вырезающая из полного изображения узкий участок. После коллимирующего объектива вырезанное изображение попадает на дифракционный оптический элемент, где происходит формирование спектральной картины, которая проецируется приемным объективом на фотоматрицу. Гиперспектрометр имеет несменный внешний объектив и предназначен для использования с малых летательных аппаратов.

Недостатком известных решений является ограниченная область применения устройств, которая ограничена характеристиками используемого внешнего объектива.

Технической проблемой является ограничение области применения гиперспектральных камер из-за использования несменного внешнего объектива, невозможность использования одной гиперспектральной камеры для решения широкого круга прикладных задач.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Решаемая настоящим изобретение техническая задача состоит в разработке гиперспектральной камеры ближнего ИК-диапазона (900-1700 нм), которая может использоваться как в промышленных и лабораторных условиях, так и на различных летательных аппаратах (например, БПЛА, космические спутники и т.д.) для решения широкого круга прикладных задач и обеспечивать высокое пространственное и спектральное разрешение.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в обеспечении высокого пространственного и спектрального разрешения камеры для съемки в диапазоне 900-1700 нм при ее использовании как в промышленных и лабораторных условиях, так и на различных летательных аппаратах (например, БПЛА, самолеты, космические спутники и т.д.) для решения широкого круга прикладных задач, тем самым обеспечивается гибкость и универсальность гиперспектральной камеры, расширяется круг прикладных задач, для решения которых может использоваться камера.

Вышеуказанный технический результат обеспечивается за счет гиперспектральной камеры, содержащей щелевую диафрагму (1), коллимирующий объектив (2), дифракционную решетку (3), приемный объектив (4), матричный приемник (5) и внешний объектив, причем коллимирующий объектив (2) и приемный объектив (4) являются многолинзовыми, при этом линзы коллимирующего объектива (2) и приемного объектива (4) каждого выполнены из кальция фтористого марки ФК-В и бесцветных оптических стекол, а внешний объектив является сменным, и гиперспектральная камера выполнена с возможностью смены внешнего объектива на основании характеристик внешнего объектива в зависимости от расстояния до области съемки и/или размера области съемки, при этом съемка осуществляется в диапазоне 900-1700 нм.

Обеспечение высокого пространственного и спектрального разрешения камеры при ее использовании как в промышленных и лабораторных условиях, так и на различных летательных аппаратах, гибкость и универсальность гиперспектральной камеры, расширение круга решаемых прикладных задач достигаются за счет использования в коллимирующем и приемном объективах линз, выполненных из кальция фтористого марки ФК-В и бесцветных оптических стекол, а также использования сменного внешнего объектива. Использование в оптической системе гиперспектральной камеры кальция фтористого марки ФК-В в сочетании с различными бесцветными оптическими стеклами позволяет использовать камеру с внешними объективами с различными характеристиками для съемки в диапазоне 900-1700 нм без потери качества. Кроме того, сочетание линз из бесцветных оптических стекол и кальция фтористого марки ФК-В обеспечивает ахроматизацию объективов в широком спектральном диапазоне, а применение фтористого кальция марки ФК-В обеспечивает качественную ахроматизацию объективов в спектральном диапазоне 900-1700 нм. За счет возможности подбора внешнего объектива на основании его характеристик в зависимости от расстояния до области съемки и/или размера области съемки достигается гибкость и универсальность, расширяется круг решаемых прикладных задач, а также обеспечивается высокое пространственное и спектральное разрешение камеры.

Характеристиками внешнего объектива могут быть, по меньшей мере, фокусное расстояние, диапазон фокусировки, угол обзора.

Матричный приемник (5) может быть матричным приемником коротковолнового ИК-диапазона и может иметь разрешение 320×256 или 640×512 пикселей.

Гиперспектральная камера может быть дополнительно выполнена с возможностью смены внешнего объектива в зависимости от разрешения матричного приемника.

В одном из вариантов щелевая диафрагма (1), коллимирующий объектив (2), дифракционная решетка (3), приемный объектив (4) и матричный приемник (5) расположены в корпусе (6) камеры, причем сменный внешний объектив является объективом типа C-mount, а в корпусе (6) выполнено резьбовое крепление (7) с возможностью крепления сменного внешнего объектива типа C-mount с внешней стороны камеры (6) со стороны щелевой диафрагмы (1).

В одном из вариантов угол падения и угол дифракции дифракционной решетки равны и каждый составляет 9 градусов, при этом щелевая диафрагма установлена в фокальную плоскость коллимирующего объектива, дифракционная решетка наклонена относительно оптической оси коллимирующего объектива на 9 градусов, приемный объектив наклонен относительно оптической оси коллимирующего объектива на 18 градусов.

В одном из вариантов оптические бесцветные стекла являются оптическими бесцветными стеклами, по меньшей мере, следующих типов: тяжелые флинты (ТФ), тяжелые кроны (ТК), особые флинты (ОФ).

В одном из вариантов коллимирующий объектив и приемный объектив каждый содержит семь линз.

В одном из вариантов в коллимирующем объективе первая линза выполнена из оптического стекла ТФ10, вторая и четвертая линзы выполнены из оптического стекла ТК21, третья линза выполнена из оптического стекла ТФ3, пятая линза выполнена из кальция фтористого ФК-В, шестая линза выполнена из оптического стекла ОФ1, седьмая линза выполнена из оптического стекла ТК8, а в приемном объективе первая линза выполнена из оптического стекла ТФ10, вторая и шестая линзы выполнены из оптического стекла ОФ1, третья, четвертая и пятая линзы выполнены из кальция фтористого ФК-В, шестая линза выполнена из оптического стекла ТФ5.

В одном из вариантов в коллимирующем объективе первая линза является выпукло-вогнутой, вторая линза является плоско-выпуклой, третья и шестая линзы являются двояковогнутыми, четвертая, пятая и седьмая линзы являются двояковыпуклыми, а в приемном объективе первая и седьмая линзы являются выпукло-вогнутыми, вторая и шестая линзы являются двояковогнутыми, третья, четвертая и пятая линзы являются двояковыпуклыми.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.

Прилагаемые чертежи представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают иные, частные воплощения его осуществления, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалиста в данной области техники.

Настоящее изобретение проиллюстрировано фигурами 1-3, на которых изображены:

Фиг. 1 иллюстрирует принципиальную схему построения гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 иллюстрирует сборочный чертеж гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 иллюстрирует схему установки линз гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению.

На фигурах чертежей обозначены: 1 - щелевая диафрагма; 2 - коллимирующий объектив; 3 - дифракционная решетка; 4 - приемный объектив; 5 - матричный приемник; 6 - корпус гиперспектральной камеры; 7 крепление сменного внешнего объектива; 8,9,10,11,12,13,14 - линзы коллимирующего объектива; 15,16,17,18,19,20,21 - линзы приемного объектива.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном подробном описании осуществления изобретения приведены многочисленные детали осуществления, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, специалисту в данной области техники, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями осуществления, так и без них. Кроме того, настоящее изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для специалиста в данной области техники.

На Фиг. 1 приведена принципиальная схема гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению. Оптическая система гииперспектральной камеры содержит щелевую диафрагму (1), коллимирующий объектив (2), дифракционную решетку (3), приемный объектив (4) и матричный приемник (5). Коллимирующий объектив (2) и приемный объектив (4) являются многолинзовыми (Фиг. 2). Линзы коллимирующего объектива (2) и приемного объектива (4) каждого выполнены из кальция фтористого марки ФК-В и бесцветных оптических стекол различных марок. Внешний объектив (не показан на чертежах) гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению является сменным. Гиперспектральная камера выполнена с возможностью смены внешнего объектива на основании характеристик внешнего объектива в зависимости от расстояния до области съемки и/или размера области съемки, а также от разрешения матричного приемника, при этом съемка осуществляется в ближнем ИК-диапазоне (900-1700 нм). Характеристиками внешнего объектива могут быть, по меньшей мере, фокусное расстояние, диапазон фокусировки, угол обзора.

В зависимости от прикладной задачи гиперспектральной съемки определяют расстояние до области съемки и/или размер области съемки и подбирают внешний объектив с соответствующими характеристиками (например, фокусным расстоянием, диапазоном фокусировки, углом обзора и т.д.). Например, угол обзора внешнего объектива рассчитывают на основании расстояния до области съемки и размера области съемки, и для съемки с БПЛА небольшой области используют узкоугольный объектив, а для съемки «от горизонта до горизонта» - широкоугольный объектив. Для съемки со спутника области шириной в несколько километров внешним объективом может быть телескоп с фокусным расстоянием примерно 3000 мм, для съемки с самолета той же полосы внешний объектив с фокусным расстоянием примерно 100 мм, а для съемки с БПЛА на высоте 200 м - внешний объектив с фокусным расстоянием примерно 2 мм.

Оптическая система гиперспектральной камеры совместима со всеми внешними объективами, оптимизированными для спектрального диапазона 900-1700 нм.

Матричный приемник (5) является матричным приемником коротковолнового ИК-диапазона.

В предпочтительном варианте щелевая диафрагма (1), коллимирующий объектив (2), дифракционная решетка (3), приемный объектив (4) и матричный приемник (5) расположены в корпусе (6) камеры (Фиг. 2). Корпус камеры разработан с учетом требований к защите от внешних воздействий и оснащен системой термостабилизации.

В предпочтительном варианте сменный внешний объектив является объективом типа C-mount, а в корпусе (6) выполнено универсальное резьбовое крепление (7) с возможностью крепления сменного внешнего объектива типа C-mount с внешней стороны камеры (6) со стороны щелевой диафрагмы (1).

Ниже представлен вариант осуществления гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению, который не должен использоваться как ограничивающий иные, частные воплощения осуществления настоящего изобретения, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалиста в данной области техники.

На Фиг. 2 и 3 приведен вариант гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению, в котором используется дифракционная решетка (3) с углом падения и углом дифракции 9 градусов (например, дифракционная решетка WP-250/1250-27), а коллимирующий (2) и приемный (4) объективы состоят из семи линз. Щелевая диафрагма (1) установлена в фокальную плоскость коллимирующего объектива (2). Дифракционная решетка (3) наклонена относительно оптической оси коллимирующего объектива (2) на 9 градусов. Приемный объектив (4) наклонен относительно оптической оси коллимирующего объектива (2) на 18 градусов. Матричный приемник (5) установлен в фокальную плоскость приемного объектива (4). Перед входным окном установлена бленда трубчатое приспособление для защиты от попадания постороннего света. Изображение объектов проецируется на плоскость фотоприемного устройства (ФПУ).

Коллимирующий объектив (2) состоит из семи линз: шесть линз (8, 9, 10, 11, 13, 14) выполнены из бесцветного оптического стекла разных марок, одна линза (12) выполнена из кальция фтористого марки ФК-В.

Приемный объектив (4) состоит из семи линз: четыре линзы (15, 16, 20, 21) выполнены из бесцветного оптического стекла разных марок, три линзы (17, 18, 19) выполнены из кальция фтористого марки ФК-В.

Для изготовления линз коллимирующего (2) и приемного (4) объективов используются бесцветные оптические стекла следующих типов: тяжелые флинты (ТФ), тяжелые кроны (ТК), особые флинты (ОФ).

В коллимирующем объективе (2) линза (8) выполнена из оптического стекла ТФ10, линзы (9, 11) выполнены из оптического стекла ТК21, линза (10) выполнена из оптического стекла ТФЗ, линза (12) выполнена из кальция фтористого ФК-В, линза (13) выполнена из оптического стекла ОФ1, линза (14) выполнена из оптического стекла ТК8, при этом линза (8) является выпукло-вогнутой, линза (9) является плоско-выпуклой, линзы (10, 13) являются двояковогнутыми, линзы (11, 12, 14) являются двояковыпуклыми.

В приемном объективе (4) линза (15) выполнена из оптического стекла ТФ10, линзы (16, 20) выполнены из оптического стекла ОФ1, линзы (17, 18, 19) выполнены из кальция фтористого ФК-В, линза (21) выполнена из оптического стекла ТФ5, при этом линзы (15, 21) являются выпукло-вогнутыми, линзы (16, 20) являются двояковогнутыми, линзы (17, 18, 19) являются двояковыпуклыми.

В качестве матричного приемника (5) используется высокоскоростная матрица коротковолнового ИК-диапазона с разрешением 320×256 пикселей при скорости съемки 240 кадров в секунду или с разрешением 640×512 пикселей при скорости съемки 200 кадров в секунду.

Гиперспектральная камера обеспечивает разложение линейной области изображения, формируемого внешним объективом и щелевой диафрагмой, на спектральные составляющие в диапазоне 900-1700 нм с высоким пространственным и спектральным разрешением, и пригодна для работы в реальном времени в составе мобильных и стационарных измерительных систем.

Гиперспектральная камера совместима со сменными внешними объективами с креплением типа «С-mount».

Энергопотребление камеры не превышает 5 Вт, а рабочий температурный диапазон составляет от +5 до +40°С без риска образования конденсата.

Настоящее изобретение благодаря своей универсальности может использоваться в различных отраслях для решения широкого круга прикладных задач, причем гиперспектральная камера согласно настоящему изобретению может устанавливаться на сборочной линии, конвейере, дроне, самолете, спутнике и т.д.

Ниже приведен пример использования гиперспектральной камеры согласно настоящему изобретению в промышленной системе сортировки при установке камеры на конвейере.

Традиционные методы сортировки отходов, основанные на визуальных признаках, не способны различать материалы по их химическому составу, что существенно ограничивает эффективность переработки. Современные требования к разделению отходов диктуют необходимость точной идентификации типов пластика, композитных материалов и других компонентов на молекулярном уровне. Данная задача может быть решена с помощью сепаратора, оснащенного гиперспектральной камерой согласно настоящему изобретению.

Гиперспектральная камера устанавливается над конвейерной лентой, транспортирующей различные объекты - пластиковые изделия, стеклянные фрагменты, металлические детали и т.д. При прохождении объекта под камерой происходит его сканирование в ближнем ИК-диапазоне. Гиперспектральная камера работает за счет одновременного захвата изображения в сотнях узких спектральных диапазонов, создавая для каждого пикселя изображения спектральную характеристику. Свет, попадающий в камеру, проходит через оптическую систему и разделяется на множество спектральных каналов с помощью диспергирующего элемента, представляющего собой дифракционную решетку. Затем матричный приемник фиксирует интенсивность света в каждом из этих каналов. В результате формируется трехмерный массив данных (двумерное изображение + спектральная ось), где каждый пиксель содержит информацию о спектре отражения объекта в данной точке. Это позволяет выявлять и фиксировать уникальные спектральные характеристики материалов. Далее алгоритм обработки анализирует полученные данные и идентифицирует тип материала с большой точностью. Например, система может различать визуально схожие виды пластика (ПЭТ и ПВХ) по их спектральным характеристикам в ближнем ИК-диапазоне. Полученные данные направляются в характеристику объекта, на основе которой формируется управляющий сигнал для исполнительных механизмов - пневматических сопел, механических толкателей или роботизированных манипуляторов для дальнейшей сортировки материалов.

В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления настоящего изобретения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалиста в данной области техники.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации раскрытого технического решения не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения и применения.

Источники

[1] Подлипнов В.В. Компактный изображающий гиперспектрометр / В.В. Подлипнов, Н.А. Ивлиев, Р.В. Скиданов // Сборник трудов ИТНТ-2019 [Текст]: V междунар. конф. и молодеж. шк. "Информ. технологии и нанотехнологии": 21-24 мая: в 4 т./Самар. нац. -исслед. ун-т им. С.П. Королева (Самар. ун-т), Ин-т систем, обраб. изобр. РАН-фил. ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН; [под ред. Р.В. Скиданова]. - Самара: Новая техника, 2019. - Т. 1: Компьютерная оптика и нанофотоника. - 2019. - С. 438-441.

Claims (10)

1. Гиперспектральная камера, содержащая щелевую диафрагму (1), коллимирующий объектив (2), дифракционную решетку (3), приемный объектив (4), матричный приемник (5) и внешний объектив, причем коллимирующий объектив (2) и приемный объектив (4) являются многолинзовыми, при этом линзы коллимирующего объектива (2) и приемного объектива (4) каждого выполнены из кальция фтористого марки ФК-В и бесцветных оптических стекол, а внешний объектив является сменным, и гиперспектральная камера выполнена с возможностью смены внешнего объектива на основании характеристик внешнего объектива в зависимости от расстояния до области съемки и/или размера области съемки, при этом съемка осуществляется в диапазоне 900-1700 нм.

2. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что характеристиками внешнего объектива являются, по меньшей мере, фокусное расстояние, диапазон фокусировки, угол обзора.

3. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что матричный приемник (5) является матричным приемником коротковолнового ИК-диапазона и имеет разрешение 320×256 или 640×512 пикселей.

4. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно выполнена с возможностью смены внешнего объектива в зависимости от разрешения матричного приемника.

5. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что щелевая диафрагма (1), коллимирующий объектив (2), дифракционная решетка (3), приемный объектив (4) и матричный приемник (5) расположены в корпусе (6) камеры, причем сменный внешний объектив является объективом типа C-mount, а в корпусе (6) выполнено резьбовое крепление (7) с возможностью крепления сменного внешнего объектива типа C-mount с внешней стороны камеры (6) со стороны щелевой диафрагмы (1).

6. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что угол падения и угол дифракции дифракционной решетки равны, и каждый составляет 9 градусов, при этом щелевая диафрагма (1) установлена в фокальную плоскость коллимирующего объектива (2), дифракционная решетка (3) наклонена относительно оптической оси коллимирующего объектива (2) на 9 градусов, приемный объектив (4) наклонен относительно оптической оси коллимирующего объектива (2) на 18 градусов.

7. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что оптические бесцветные стекла являются оптическими бесцветными стеклами, по меньшей мере, следующих типов: тяжелые флинты (ТФ), тяжелые кроны (ТК), особые флинты (ОФ).

8. Гиперспектральная камера по п. 1, отличающаяся тем, что коллимирующий объектив (2) содержит семь линз (8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) и приемный объектив (4) содержит семь линз (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21).

9. Гиперспектральная камера по п. 8, отличающаяся тем, что в коллимирующем объективе (2) линза (8) выполнена из оптического стекла ТФ10, линзы (9, 11) выполнены из оптического стекла ТК21, линза (10) выполнена из оптического стекла ТФ3, линза (12) выполнена из кальция фтористого ФК-В, линза (13) выполнена из оптического стекла ОФ1, линза (14) выполнена из оптического стекла ТК8, а в приемном объективе (4) линза (15) выполнена из оптического стекла ТФ10, линзы (16, 20) выполнены из оптического стекла ОФ1, линзы (17, 18, 19) выполнены из кальция фтористого ФК-В, линза (21) выполнена из оптического стекла ТФ5.

10. Гиперспектральная камера по п. 8, отличающаяся тем, что в коллимирующем объективе (2) линза (8) является выпукло-вогнутой, линза (9) является плоско-выпуклой, линзы (10, 13) являются двояковогнутыми, линзы (11, 12, 14) являются двояковыпуклыми, а в приемном объективе (4) линзы (15, 21) являются выпукло-вогнутыми, линзы (16, 20) являются двояковогнутыми, линзы (17, 18, 19) являются двояковыпуклыми.