Интерференционный спектрометр

Изобретение относится к области технической физики, связанной с разработкой видеоспектральной аппаратуры, предназначенной в первую очередь для решения задач дистанционного зондирования Земли с подвижных платформ. Интерференционный спектрометр содержит расположенные по ходу луча входную диафрагму, коллимирующий объектив и светоделитель, выполненный из двух подобных призм, рабочие грани которых алюминированы, а угол между алюминированными и прозрачными гранями больше прямого. В заднем фокусе входного объектива находится щель, размещенная в плоскости входной грани блока призм, ширина щели равна ширине пикселов используемого матричного фотоприемника. Входная грань призменного светоделителя алюминирована, а между выходным объективом, имеющим входную щель в своем переднем фокусе, и матричным фотоприемником устанавливается цилиндрическая линза, причем матричный фотоприемник расположен в ее задней фокальной плоскости. Изобретение позволяет получить гиперспектральный куб данных, включающий кроме спектрального разрешения также и пространственное разрешение по двум координатам пространства предметов. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики, а именно к интерференционным спектральным приборам. Оно может быть использовано в качестве статического Фурье-спектрометра, предназначенного для исследования с борта подвижного носителя широкого класса спектров слабых источников в видимой и инфракрасной областях спектра, при этом оно является усовершенствованием известного устройства, описанного в авт. свид. №845548.

Известны интерференционные спектрометры, использующие в основе своей интерферометр Саньяка и входящие в состав статических Фурье-спектрометров, не содержащих подвижных частей. Можно указать, например, на патент № RU 2100786, кл. G01J 3/45, где предложен интерференционный спектрометр, содержащий источник излучения, два плоских зеркала, светоделитель и линейный фотоприемник и в который введены дополнительно внеосевые эллиптическое и параболическое зеркала. Устройство позволяет регистрировать спектры в широком интервале длин волн, но не обладает пространственным разрешением, оставаясь при этом сложным оптическим инструментом, весьма чувствительным к вибрациям и возможным разъюстировкам.

В наиболее близком к заявляемому изобретении, по авт. свид. №845548, кл. G01В 9/02, описан интерференционный спектрометр, используемый преимущественно с целью регистрации спектров излучения или поглощения протяженных слабосветящихся источников радиации в видимой и инфракрасной областях спектра. Это устройство содержит входную диафрагму, коллимирующий объектив, светоделительный элемент, выполненный из двух подобных призм, фокусирующий объектив и фотоприемник. При этом светоделитель, состоящий из двух призм, и фокусирующий объектив формируют в плоскости фотоприемника интерференционную картину, однозначным образом связанную со спектром исследуемого источника. Обратное преобразование Фурье зарегистрированного распределения восстанавливает искомый спектр. Основным преимуществом данного устройства является жесткость интерферометра, выполненного в виде склейки двух призм, его нерасстраиваемость в самых неблагоприятных условиях функционирования и предельно малые габариты и вес.

Однако существенный недостаток интерференционного спектрометра по авт. свид. №845548 состоит в том, что он не обеспечивает пространственного разрешения, что совершенно необходимо для современных спектрометрических устройств, в особенности используемых для дистанционного зондирования Земли с борта подвижного носителя.

Целью предлагаемого изобретения является получение гиперспектрального куба данных, включающего кроме спектрального разрешения также и пространственное разрешение по двум координатам пространства предметов.

Указанная цель достигается тем, что в интерференционном спектрометре, содержащем расположенные по ходу луча входную диафрагму, коллимирующий объектив, светоделитель, выполненный из двух подобных различных призм, рабочие грани которых алюминированы, а угол между алюминированными и прозрачными гранями больше прямого, входной объектив имеет в своем заднем фокусе щель, ширина которой равна ширине пикселов используемого матричного фотоприемника и которая помещена в плоскости входной грани блока призм, при этом указанная входная грань блока призм алюминирована, а между выходным объективом, имеющим входную щель в своем переднем фокусе, и матричным фотоприемником установлена цилиндрическая линза, причем матричный фотоприемник расположен в ее задней фокальной плоскости.

На чертеже изображена оптическая схема конкретного выполнения описываемого устройства.

Входной объектив 1 строит изображение бесконечно удаленного поля зрения в плоскости 2 входной грани блока призм 3. Плоскость 2 входной грани алюминирована за исключением узкой прямоугольной щелевидной зоны 4, которая фактически и выполняет функции входной щели интерференционного спектрометра. Ширина указанной входной щели равна ширине пикселов матричного фотоприемника 5 в меридиональном сечении. Длина входной щели определяется высотой столбцов матричного фотоприемника в сагиттальной плоскости. Размеры пикселов матрицы и фокусное расстояние входного объектива 1 определяют в угловой мере, пространственное разрешение интерференционного спектрометра - по двум координатам пространства.

В соответствии с авт. свид. №845548 склеенный блок призм 3 вносит поперечный сдвиг Т между когерентными лучами, прошедшими светоделительный слой 6 и отраженными от него так, что каждый падающий на блок призм 3 луч на выходе представлен парой параллельных лучей, которые интерферируют в задней фокальной плоскости выходного объектива 7. При этом передняя фокальная плоскость выходного объектива 7 совпадает с изображением в блоке призм 3 входной грани 2 и, следовательно, входной щели 4, поэтому после выходного объектива 7 пучки лучей следуют параллельно оптической оси. Чтобы построить изображение входной щели 4 в плоскости фотоприемной матрицы 5, между выходным объективом 7 и матрицей 5 помещена цилиндрическая линза 8, причем матрица 5 находится в ее задней фокальной плоскости.

Устройство работает следующим образом. По столбцам матрицы строится изображение щели 4 и, следовательно, узкой полоски исследуемой сцены, расположенной перпендикулярно направлению смещения носителя. Пространственное разрешение по этой координате определяется высотой пикселов в столбцах матрицы. Одновременно с этим по строкам матрицы регистрируется интерферограмма (функция автокорреляции) от каждого из регистрируемых пространственных пикселов. Последующее восстановление интерферограммы посредством преобразования Фурье дает спектральную информацию для каждого элемента пространства предметов, расположенного вдоль входной щели 4. Вторая пространственная координата регистрируется последовательно в результате смещения изображения сцены относительно входной щели при смещении носителя.

Заявляемые в данном предлагаемом изобретении изменения, вносимые в авт. свид. №845548, являются существенными, так как переводят интерференционный спектрометр в класс гиперспектральных видеоспектрометров или так называемых изображающих спектрометров, в которых для каждого пиксела изображения наблюдаемой сцены регистрируется непрерывный спектр с высоким разрешением и в широком спектральном диапазоне. Таким образом, к обычным двум пространственным координатам изображения объекта добавляется третья, спектральная координата, и выходной сигнал формируется в виде так называемого "куба данных". Такой видеоспектрометр позволит радикально увеличить информационные возможности просто интерференционного спектрометра и благодаря этому он может найти применение прежде всего в такой важной области, как дистанционное зондирование Земли. В настоящее время в большинстве гражданских (экологических, гидрометеорологических, картографических) и особенно военных программ всех высокоразвитых стран обязательно присутствуют разработки гиперспектральных видеоспектрометров дистанционного зондирования Земли для наземных, воздушных и космических носителей.

Литература

1. Князев Б.А., Любас Г.А., Бурмасов B.C., Бобылев В.Б., "Фурье-спектрометр", патент № RU 2100786, опубл. 1997.12.27.

2. Егорова Л.В. "Интерференционный спектрометр", авторское свидетельство №845548 от 6 марта 1981 г.

3. Егорова Л.В., Ермаков Д.С., Кувалкин Д.Г., Таганов O.K., "Фурье-спектрометры статического типа". "Оптический журнал", 1992, №5, стр.8.

Интерференционный спектрометр, содержащий расположенные по ходу луча входную диафрагму, коллимирующий объектив, светоделитель, выполненный из двух подобных призм, рабочие грани которых алюминированы, а угол между алюминированными и прозрачными гранями больше прямого, отличающийся тем, что, с целью получения гиперспектрального куба данных, включающего, кроме спектрального разрешения, также и пространственное разрешение по двум координатам пространства предметов, в заднем фокусе входного объектива находится щель, размещенная в плоскости входной грани блока призм, ширина щели равна ширине пикселей используемого матричного фотоприемника, входная грань призменного светоделителя алюминирована, а между выходным объективом, имеющим входную щель в своем переднем фокусе, и матричным фотоприемником установлена цилиндрическая линза, причем матричный фотоприемник расположен в ее задней фокальной плоскости.