ОТОБРАЖАЮЩИЙ ФОКАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР (ВАРИАНТЫ)
DISPLAYING FOCAL SPECTROMETRE (VERSIONS)

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.
В видимой или инфракрасной (ИК) областях спектра изображения можно наблюдать, например, с помощью устройств, содержащих объектив, матричное фотоприемное устройство и монитор.
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.
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.).
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)].
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).
1
2
3
1
2
3
1
1
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 λ, λ, λ находятся на разных расстояниях L(λ), L(λ), L(λ) от поверхности линзы. Если поместить на расстоянии L(λ) 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 λ. 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.
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.
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].
1
1
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 λ присутствуют расфокусированные изображения, создаваемые излучениями с другими длинами волн, т.е. на монохроматическое изображение с длиной волны λ 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).
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.
i
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) этой строки.
Поставленная задача решается двумя вариантами отображающих фокальных спектрометров (далее спектрометров).
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:
где fл(λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi,
r1 и r2 - радиусы кривизны поверхностей линзы;
λk - коротковолновая граница спектрального диапазона спектрометра,
Δt - толщина линзы,
N - число рядов волокон волоконно-оптического преобразователя, равное числу строк матричного фотоприемного устройства,
n(λi) - показатель преломления материала линзы для i,
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:
где Θ - диаметр фокусирующей и диспергирующей линзы,
f(λk), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λk и 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:
где Δλ - заданная разрешающая способность спектрометра на длинноволновой границе спектрального диапазона,
f(λn+Δλ), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λn+Δλ и λn.
1
2
w
1
2
w
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: Δλ+Δλ+…+Δλ=λn-λk, где Δλ, Δλ, …, Δλ - ширины полос пропускания соответствующих фильтров.
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.
0
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 L 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:
где fл(λi) - фокусное расстояние линзы для излучения с длиной волны λi,
где r1 и r2 - радиусы кривизны поверхности линзы;
λk - коротковолновая граница спектрального диапазона спектрометра,
Δt - толщина линзы,
N - число рядов волокон волоконно-оптического преобразователя, равное числу строк матричного фотоприемного устройства,
n(λi) - показатель преломления материала линзы для i,
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:
где Θ - диаметр фокусирующей и диспергирующей линзы,
f(λk), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λk и λn.
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:
где Δλ - заданная разрешающая способность спектрометра на длинноволновой границе спектрального диапазона,
f(λn+Δλ), f(λn) - фокусные расстояния фокусирующей и диспергирующей линзы соответственно для излучений с длинами волн λn+Δλ и λn.
1
2
w
1
2
w
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: Δλ+Δλ+…+Δλ=λn-λk, где Δλ, Δλ, …, Δλ - ширины полос пропускания соответствующих фильтров.
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.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 - график зависимости двойного фокусного расстояния линзы от длины волны фокусируемого излучения.
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.
На фиг.3 - график зависимости длины волны, излучаемой из выходных торцов волокон i-го ряда второго преобразователя от номера ряда i.
На фиг.4 - график зависимости относительного спектрального разрешения от диаметра непрозрачного экрана для отображающего фокального спектрометра с одной фокусирующей и диспергирующей линзой.
На фиг.5 - график зависимости относительного спектрального разрешения от диаметра непрозрачного экрана для отображающего фокального спектрометра с двумя фокусирующими и диспергирующими линзами.
На фиг.6 - отображающий фокальный спектрометр по первому варианту изобретения.
На фиг.7 - отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения.
На фиг.8 - отображающий фокальный спектрометр со спектральными полосовыми фильтрами.
На фиг.9 - отображающий фокальный спектрометр со спектральными полосовыми фильтрами и плоскими зеркалами.
Отображающий фокальный спектрометр (далее спектрометр) по первому варианту изобретения содержит (фиг.6):
1 - входной объектив;
2 и 3 - соответственно меньший и больший торцы первого волоконно-оптического преобразователя (далее первого преобразователя);
4 - фокусирующая и диспергирующая линза;
5 - непрозрачный экран, примыкающий к фокусирующей и диспергирующей линзе;
6 и 7 - соответственно больший и меньший торцы второго волоконно-оптического преобразователя (далее второго преобразователя);
8 - объектив матричного приемного устройства;
9 - матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации;
10 - монитор, воспроизводящий изображения.
1
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-x.
Отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения содержит (фиг.7):
1 - входной объектив;
2 и 3 - соответственно меньший и больший торцы первого преобразователя;
4 - первая фокусирующая и диспергирующая линза;
5 - непрозрачный экран, примыкающий к первой линзе;
6 и 7 - соответственно больший и меньший торцы второго преобразователя;
8 - объектив матричного приемного устройства;
9 - матричное приемное устройство с электронным блоком обработки информации;
10 - монитор, воспроизводящий изображения;
11 - вторая фокусирующая и диспергирующая линза;
12 - непрозрачный экран, примыкающий ко второй фокусирующей и диспергирующей линзе.
1
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-x.
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.
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.
Отображающий фокальный спектрометр по первому и второму вариантам изобретения может содержать 13 - электромеханическое устройство, содержащее W спектральных полосовых фильтров (фиг.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).
Поясним сущность работы отображающего фокального спектрометра по первому варианту изобретения.
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.
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.
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.
1
2
3
n
1
1
2
3
n
1
1
Вследствие хроматической аберрации лучи с разными длинами волн λ, λ, λ, … λ, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться линзой на разных расстояниях L(λ) от главной плоскости линзы, соответственно равных L(λ), L(λ), L(λ), … L(λ). 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(λ)=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 А 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).
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.
Для более детального пояснения сущности изобретения приведем соотношения, с помощью которых определяются конструктивные размеры и оцениваются достижимые характеристики спектрометра.
Пусть требуется разработать спектрометр со следующими характеристиками:
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.
Пример реализации отображающего фокального спектрометра по первому варианту изобретения.
5
N - число волокон преобразователя выбирается, исходя из необходимого числа точек получаемого моноспектрального изображения, и характеризует достигаемое пространственное разрешение. Выберем N=1.6·10. 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.]:
Зависимость фокусного расстояния линзы от длины волны выражается следующим соотношением:
где
r1 и r2 - радиусы кривизны поверхностей линзы;
Δt - оптическая толщина линзы.
Выберем следующие размеры линзы:
r1=0.5 м, r2=0.15 м, Θ=0.1 м, Δt=0.03 м, где Θ - диаметр линзы.
В этом случае диаметры дифракционных пятен в фокальной плоскости линзы будут соответственно равны Θп(λk)≈25 мкм и Θп(λn)≈32 мкм.
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.
На фиг.1, фиг.2, фиг.3 представлены рассчитанные для этого случая зависимости 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.
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.
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.
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.
Спектрометр по первому варианту по принципу действия не отличается от спектрометра по второму варианту.
Приведем возможные параметры спектрометра по второму варианту изобретения.
Выберем следующие размеры линзы (так как первая и вторая линзы идентичны, расчет проводится для любой из них):
r1=0.5 м, r2=0.15 м, Θ=0.1 м, Δt=0.03 м, где Θ - диаметр линзы.
В этом случае диаметры дифракционных пятен в фокальной плоскости линз будут соответственно равны Θп(λk)≈12.75 мкм и Θп(λn)≈16 мкм.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
1
2
w
1
2
w
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: Δλ+Δλ+…+Δλ=λn-λk (где Δλ, Δλ, …, Δλ - 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.
1
2
3
4
5
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: Δλ=Δλ=Δλ=Δλ=Δλ=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.
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.
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.
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.
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.
Отображающий фокальный спектрометр по первому варианту изобретения (фиг.6) работает следующим образом.
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.
1
2
3
n
1
2
3
n
1
Вследствие хроматической аберрации лучи с разными длинами волн λ, λ, λ, …, λ, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться линзой 4 на разных расстояниях L(λi), соответственно равных L(λ), L(λ), L(λ), …L(λ) 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 А 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.
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.
Отображающий фокальный спектрометр по второму варианту изобретения (фиг.7) работает следующим образом.
0
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 L 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.
1
2
3
n
1
2
3
n
1
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 λ, λ, λ, … λ, выходящие из каждого волокна первого преобразователя, будут фокусироваться второй линзой 11 на разных расстояниях L(λi), соответственно равных L(λ), L(λ), L(λ), … L(λ) 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 A 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.
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.
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.
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.
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.