Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается гиперспектрометра с повышенной спектральной разрешающей способностью. Гиперспектрометр включает в себя изображающий объектив, многоканальный спектрометр и электронный блок обработки сигналов. В многоканальном спектрометре установлен матричный приемник с фильтрами Байера и включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания. Электронный блок производит определение спектральной яркости каждой точки объекта из решения системы уравнений. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области спектрофотометрии и оптического приборостроения. Изобретение может найти применение в качественном и количественном анализе спектрального состава электромагнитных излучений, нахождения спектральных характеристик твердых веществ, дистанционном зондировании поверхности Земли.

Уровень техники

Существующие гиперспектрометры можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых спектральный состав излучения определяется с помощью диспергирующей системы. Среди них можно отметить гиперспектральный 2d (изображающий) спектрофотометр рассеянных или вынужденных излучений в широком (определенном) спектральном диапазоне (Патент РФ №2635841, МПК G01J3/36, G02B27/10 опубл. 20.11.2017), широкополосный спектрозональный анализатор (Патент РФ 2068175, МПК G01J3/18, опубл. 20.10.1996) и сканирующий дифракционный полихроматор (Патент РФ 2589748, МПК G02B5/18, G01J3/18, опубл. 10.07.2016). Как правило эти гиперспектрометры обладают хорошим спектральным разрешением, но имеют сложные оптическую систему и алгоритм извлечения пространственной и спектральной информации. Главным же недостатком этих приборов следует считать то, что для получения параметров гиперкуба информации (2d – пространственной и 1d – спектральной) в них должна быть предусмотрена необходимость и, следовательно, механизм принудительного или естественного сканирования поверхности объекта дополнительно снижающий качественные и эксплуатационные характеристики прибора.

Ко второй группе следует отнести гиперспектрометры, построенные на основе использования мультиспектральных систем с разделением рабочего спектрального диапазона на ряд дискретных спектральных каналов. Среди них можно отметить фотоэлектрический анализатор спектра (Патент РФ 2092798, МПК G01J3/36, опубл. 10.10.1997), фотоэлектрический прибор для колориметрических измерений в нескольких спектральных зонах (Патент СССР 105982, МПК G01J3/51, опубл. 28.11.49). Приборы этой группы выгодно отличаются от приборов предыдущей группы по массе, габаритам, простоте исполнения и другим техническим и эксплуатационным характеристикам, однако значительно уступают им по спектральному разрешению.

На фиг. 1 представлены значения яркости объекта, определенные 8-канальным гиперспектрометром (в 8-ми точках) и спектральная плотность яркости, определенная с помощью сертифицированного устройства (кривая 1, фиг. 1). Проиллюстрировано, что даже по 8 точкам нельзя точно определить спектр яркости объекта (кривая 2 и 3, фиг.1).

Очевидно, что при увеличении числа спектральных каналов неизбежно возникает проблема их технической реализации и, кроме того, с необходимостью снижается пространственное разрешение. Например, в гиперспектрометрах с многоканальными приемниками излучения увеличение числа каналов достигается путем увеличения количества фильтров Байера, объединенных в один макропиксель, что приводит к снижению пространственного разрешения. С другой стороны, количество получаемых спектральных полос в таких камерах ограничивается количеством используемых в многоканальном матричном приемнике фильтров Байера. Таким образом, основными недостатками описанной группы приборов является резко ограниченное спектральное разрешение и низкое пространственное разрешение.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является гиперспектрометр на базе мультиспектрального приемника излучения (Multispectral Camera CMS-C от SILIOS Technologies [1]). Функциональная схема прототипа представлена на фиг. 2(а). Такая камера включает в себя входной объектив (1), многоканальный матричный приемник излучения с фильтрами Байера (2), и электронный блок обработки сигналов (3):

Камеры позволяет разделить спектр объекта на 8 спектральных полос и 1 черно-белый канал за счет 8-канального сенсора со спектральными чувствительностями, приведенными на фиг.2(б).

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание гиперспектрального прибора, осуществляющего регистрацию излучения по трем координатам с повышенным спектральным разрешением.

Сущность изобретения заключается в том, что в гиперспектрометре, содержащем изображающий объектив, многоканальный спектрометр и электронный блок обработки сигналов, с целью повышения спектральной разрешающей способности в многоканальном спектрометре, помимо матричного приемника с фильтрами Байера, установлены включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания , а электронный блок производит определение спектральной яркости объекта каждой точки на длине волны из решения системы уравнений

где – сигнал -го спектрального канала при установке в ход лучей -го фильтра,

– спектральная чувствительность -го спектрального канала,

– номер длины волны ,

– номер используемого оптического фильтра,

– номер спектрального канала сенсора,

– числа разбиений по длинам волн, количество оптических фильтров и количество спектральных каналов сенсора соответственно.

Решение указанной системы уравнений относительно представляет собой обратную задачу. В электронном блоке обработки сигналов производится решение обратной задачи с применением известных методов решения некорректных обратных задач, выбираемых под конкретную измерительную задачу, например, метод регуляризации Тихонова, метод Гревиля, метод вейвлет-преобразований.

Преимущества заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключаются в более высоком спектральном разрешении, поскольку дополнительные фильтры позволяют определить характер спектра излучения объекта в промежутках между спектральными каналами сенсора.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлены возможные результаты восстановления спектра яркости объекта по 8 точкам.

На фиг. 2 представлена функциональная схема прототипа и спектральные чувствительности 8-канального сенсора.

На фиг. 3 представлена функциональная схема изобретения.

На фиг. 4 представлены значения спектральной плотности яркости объекта, определенные 8-канальным гиперспектрометром (в 8-ми точках) и графики спектральной яркости объекта, измеренные эталонным спектрометром и прибором, являющимся предметом изобретения

Осуществление изобретения

В качестве примера конкретного выполнения на фиг. 3 представлена функциональная схема заявляемого изобретения.

Устройство работает следующим образом (фиг. 3). Изображающий объектив (1) формирует пучок излучения от объекта, который проходит через многоканальный спектрометр, где преобразуется в электрический сигнал, передающийся в электронный блок обработки (3). Принципиально важной особенностью заявляемого изобретения является то, что в многоканальном спектрометре помимо матричного приемника с фильтрами Байера (2), установлены включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания (2(а), 2(б)), а электронный блок производит определение спектральной яркости объекта каждой точки на длине волны из решения системы уравнений методами решений обратных задач.

В качестве примера может быть рассмотрено определение с помощью заявляемого изобретения спектральной плотности яркости трех образцов (А, Б, В) в спектральном диапазоне 400 - 650 нм. В табл. 1 представлены количество используемых в измерении спектральных каналов сенсора , количество используемых в измерении оптических фильтров , относительная погрешность спектральной плотности яркости образца, определенной прибором, являющимся предметом изобретения, относительно спектральной плотности яркости образца, измеренной с помощью сертифицированного устройства спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 950.

Таблица 1. Условия проведения и результаты экспериментальной проверки функционирования прибора, являющегося предметом изобретения

Обозначение образца Параметр
Относительная погрешность, %
А 8 2 0.22
Б 0.03
В 0.12
А 3 4 0.61
Б 0.13
В 1.34

На фиг. 4 представлен график определенных с помощью заявляемого изобретения (кривые А1, Б1, В1 и А2, Б2, В2, фиг. 4) и с помощью сертифицированного устройства спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 950 (кривые А3, Б3, В3 фиг. 4) спектральных плотностей яркости трех образцов (А, Б, В) в спектральном диапазоне 400-650 нм. При измерении в составе многоканального спектрометра использовался матричный приемник с 8-ю разными фильтрами Байера, в ход лучей поочередно включалось 2 оптических фильтра ЖЗС-18 и СС- 1 (кривые А1, Б1, В1), и матричный приемник с тремя разными фильтрами Байера, в ход лучей поочередно включалось 4 оптических фильтра ЖЗС-5, ЖЗС-18, СЗС-16 и СС-1 (кривая А2, Б2, В2). Усредненная по трем образцам относительная погрешность спектральной плотности яркости, определенной прибором, являющимся предметом изобретения, составляет 0.12% при k=8, n=2 и 0.7 % при k=3, n=4. Таким образом заявляемое изобретение позволяет получать гиперспектральные данные с повышенной спектральной разрешающей способностью при сохранении высокого пространственного разрешения.

Список литературы к заявке

Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью

1. Азимут Фотоникс. Гиперспектральные камеры. Портативные камеры. [Электронный ресурс]. URL: http://www.azimp.ru/catalogue/hyperspectral_cameras/41986/ (дата обращения: 05.04.2019).

Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью, содержащий изображающий объектив, многоканальный спектрометр и электронный блок обработки сигналов, отличающийся тем, что с целью повышения спектральной разрешающей способности в многоканальном спектрометре, помимо матричного приемника с фильтрами Байера, установлены включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания , а электронный блок производит определение спектральной яркости объекта каждой точки на длине волны из решения системы уравнений

где – сигнал -го спектрального канала при установке в ход лучей -го фильтра,

– спектральная чувствительность -го спектрального канала,

– номер длины волны ,

– номер используемого оптического фильтра,

– номер спектрального канала сенсора,

– числа разбиений по длинам волн, количество оптических фильтров и количество спектральных каналов сенсора соответственно.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения и касается способа формирования сигналов разноспектральных телевизионных изображений. Способ включает в себя регистрацию входного лучистого (светового) потока F(λ) отраженного или излученного от объектов наблюдаемого пространства и проекцию лучистого (светового) потока с использованием объектива на рабочую поверхность двух матричных фотоприемников.

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения и касается способа формирования сигналов разноспектральных телевизионных изображений. Способ включает в себя регистрацию входного лучистого (светового) потока F(λ) отраженного или излученного от объектов наблюдаемого пространства и проекцию лучистого (светового) потока с использованием объектива на рабочую поверхность двух матричных фотоприемников.

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения и касается способа регистрации и формирования сигналов разноспектральных изображений. Способ включает в себя регистрацию лучистого потока в широком спектральном участке от λ1 до λn, его расщепление на два идентичных потока и их пропускание через два широкополосных оптических фильтра OФ1 и ОФ2, спектральные характеристики которых охватывают спектральный участок от λ1 до λn и удовлетворяют определенным условиям.

Изобретение относится к способу оценки времени уборки урожая и системе обработки информации для его осуществления. Способ содержит этапы, на которых получают информацию изображения организма, содержащую набор оптических данных, вычисляют индекс роста на основании набора оптических данных и вычисляют ожидаемое время уборки урожая на основании индекса роста.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для цветовой классификации объекта или их поверхностей на основе анализа цветовых параметров объекта, и может быть использовано для решения различных прикладных задач, например для сортировки полезных ископаемых и их селекции, для сортировки промышленных или бытовых отходов, для контроля качества продуктов или промышленных изделий и т.д.

Изобретение относится к области колориметрии для измерения и количественного выражения качества цвета. .

Изобретение относится к нефтехимической промышленности, а именно к способу определения полимеризующей активности катализаторов, которые могут быть использованы для гидрирования непредельных углеводородов, содержащихся в составе жидких продуктов пиролиза.

Изобретение относится к устройствам микроэлектроники и предназначено для применения в качестве преобразователя свет-сигнал в одноматричных цветных видеотелекамерах и электронных фотоаппаратах.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения спектральных характеристик. Способ включает в себя два цикла, длина оптического пути которых одинакова.

Устройство измерения спектральной чувствительности радиометра большого диаметра включает источник монохроматических параллельных световых пучков большого диаметра, индикаторный прибор со сканированием пучка для измерения оптической мощности монохроматических параллельных пучков большого диаметра, эталонный радиометр большого диаметра, механизированный продольно перемещаемый стол и компьютер для обработки данных, используемый для вычисления спектральной чувствительности.

Данное изобретение относится к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, а именно к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной решеткой.
Изобретение относится к области приема и преобразования лазерного излучения и может быть использовано для регистрации лазерного излучения, воздействующего на космический аппарат.

Изобретение может быть использовано для установления подлинности или верификации взрывчатых веществ, ценных бумаг, дорогостоящего оборудования, ювелирных изделий.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа нейроподобного снижения размерности оптических спектров. Способ заключается в мультиплексировании компонент спектра на несколько каналов, число которых меньше числа всех компонент, фильтрации мультиплексированных компонент в каждом канале и пространственном накоплении во всех каналах отфильтрованных компонент для формирования редуцированных образов оптических спектров.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа оптимизации метрологии оптического излучения. Способ заключается в том, что выделяют часть энергии оптического излучения, которая потенциально пригодна в фотоэлектрическом, фотосинтезном, световом, эритемном и квантовом преобразованиях.

Изобретение относится к области медицины, а именно к исследованию физических и химических свойств биологических материалов, и может быть использовано в судебно-медицинской практике для посмертного определения инфаркта миокарда.

Голографический способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала включает в себя обеспечение фокусировки светового потока внутри электрооптического элемента.

Изобретение относится к области спектроскопического обнаружения веществ и касается система для отслеживания в транспортном средстве целевых веществ. Система содержит камеру для гиперспектральной съемки, получающую изображения внутреннего пространства транспортного средства, процессор, электрически соединенный с указанной камерой, и устройство хранения информации, электрически соединенное с процессором.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается спектрографа. Спектрограф включает в себя корпус, стенка которого имеет первое, второе и третье отверстия, расположенную в первом отверстии входную щель, расположенный во втором отверстии дисперсионный элемент и расположенный в третьем отверстии детектор.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается гиперспектрометра с повышенной спектральной разрешающей способностью. Гиперспектрометр включает в себя изображающий объектив, многоканальный спектрометр и электронный блок обработки сигналов. В многоканальном спектрометре установлен матричный приемник с фильтрами Байера и включаемые поочередно в ход лучей оптические фильтры с известными функциями пропускания. Электронный блок производит определение спектральной яркости каждой точки объекта из решения системы уравнений. Технический результат заключается в повышении спектрального разрешения. 4 ил., 1 табл.

Наверх