Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов

ИЗОБРАЖАЮЩИЙ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ С ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТОЙ ШТРИХОВ Изобретение относится к области оптической спектроскопии. Сущность изобретения: устройство состоит из оптического элемента, объектива, ПЗС матрицы, цифрового обрабатывающего блока. Оптический элемент выполнен в виде дифракционной решетки с переменной высотой штрихов, Скиданов Роман Васильевич,Казанский Николай Львович,Моисеев Олег Юрьевич (RU) при этом высота штрихов решетки меняется от значения до значения где h1- высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки, h2 - высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки, 1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, 2- наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, n - показатель преломления материала решетки для текущей длины волны, а перед дифракционной решеткой установлен дополнительно второй объектив.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА Изобретение относится к области оптической спектроскопии. В настоящее время одним из важных и приоритетных направлений развития средств и методов дистанционного зондирования земной поверхности является разработка и применение изображающих спектрометров (патенты RU 2313070, МПК G01J3/45, опубл. 10.07.2007 г., US 6222627 В 1, МПК G01J3/28,опубл. 24.04.2001 г., US 6930781 В 2, МПК G01B09/02 опубл. 16.08.2005 г., US 7224464 В 2, МПКG01J3/453, опубл. 29.05.2007 г.). В изображающих спектрометрах реализуются принципы новой научной дисциплины - изображающей спектроскопии, в которой помимо геометрических используются спектральные характеристики объектов. В состав видеоспектрометров входят две системы. Во-первых, оптическая система, которая делит регистрируемую область пространства на набор смежных точек, и, вовторых, изображающий спектрометр, который разлагает состав принятого электромагнитного излучения на набор ограниченных спектральных полос. Особенно удобны для решения задач изображающей спектроскопии, так называемые, фильтровые спектрометры (патент RU 2377510, МПК G01J3/45, опубл. 27.12.2009 г.). Перечисленные выше устройства обладают рядом трудно устранимых недостатков: дополнительные аберрации в системе, связанные с наличием дисперсионного элемента, работа с изображением в узкой щели, динамическое исполнение. У фильтрового спектрометра (патент RU 2377510 опубл. 27.12.2009 г.) главные недостатки - слишком узкий рабочий диапазон, или необходимость динамического исполнения этого прибора (указанная в патенте конфигурация может работать как в статическом, так и в динамическом режиме). Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство,основанное на поглощении анализируемого светового поля специальным фильтром, состоящим из двух перемещающихся оптических клиньев (Бакуменко В.Л., Свиридов А.Н. Новые схемы спектрометров / Прикладная физика 2, 1999 г., http://www.vimi.ru/applphys/appl-99/99-2/99-2-3r.htm). Устройство состоит из оптического элемента в виде пары оптических клиньев, изготовленных из материала, спектральная характеристика коэффициента поглощения которого определяет рабочую спектральную область прибора. Перемещение клиньев одного относительно другого позволяет плавно изменять оптический путь пучка света в поглощающей среде, ПЗС матрица регистрирует прошедший через клинья свет, и его сигнал поступает в блок регистрации и обработки, который выполняет вычислительные операции, необходимые для восстановления спектрального состава анализируемого излучения. Главным недостатком этой конструкции является сложность конструкции из-за необходимости перемещения оптических клиньев, т.е. динамическое исполнение прибора, что снижает его точность. В основу изобретения поставлена задача - упростить конструкцию прибора и повысить его точность, за счет того, что входящее излучение анализируется при разных коэффициентах поглощения, которые функционально зависят от длины волны. Указанная задача достигается за счет того, что изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов, состоящий из оптического элемента, объектива,ПЗС матрицы, цифрового обрабатывающего блока, согласно изобретению, оптический элемент выполнен в виде дифракционной решетки с переменной высотой штрихов, при этом высота штрихов решетки меняется от значения до значения где h1 - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки,h2 - высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки,1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,n - показатель преломления материала решетки для данной длины волны, а перед дифракционной решеткой установлен дополнительный объектив. Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что вместо двух оптических клиньев устанавливается дифракционный оптический фильтр с функцией пропускания, которая плавно меняется от одного края фильтра к другому. Таким образом, убирается основной недостаток прототипа - необходимость динамического исполнения прибора, а также еще один недостаток прототипа, связанный с трудностью подбора материала, который давал бы примерно одинаковое спектральное разрешение в разных спектральных диапазонах. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию"новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию "существенные отличия". На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства. На фиг. 2 - схематическое изображение дифракционной решетки. Устройство состоит из объектива 1, оптического элемента 2, выполненного в виде дифракционной решетки с переменной высотой штрихов, второго объектива 3, ПЗС матрицы 4, цифрового обрабаты-1 024759 вающего блока 5. Объектив 1 формирует изображение на поверхности дифракционного фильтра с предлагаемой здесь функцией пропускания 2. Затем объектив 3 формирует изображение предмета, умноженное на функцию пропускания фильтра 2, на светочувствительной ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрице 4. Изображение передается на цифровой блок обработки 5. Дифракционный оптический фильтр представляет собой дифракционную решетку с разной высотой штрихов. Схематическое изображение такой дифракционной решетки представлено на фиг. 2. Ширина области со штрихами одной высоты соответствует ширине столбца ПЗС матрицы. Высота штрихов меняется от значения где h1 - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки,h2 -высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки,1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,n - показатель преломления решетки для текущей длины волны. Коэффициент пропускания такой решеткив направлении 0-го порядка (т.е. по оптической оси) будет зависеть от высоты штрихов и от длины волны по формуле: где 0 - коэффициент пропускания подложки, на которой изготовлена решетка. При этом обычно 01. Таким образом для каждого столбца в ПЗС матрице будет свой коэффициент пропускания у фильтра 2. При смещении всей конструкции в направлении, перпендикулярном столбцам ПЗС матрицы, как это происходит в задачах дистанционного зондирования Земли, каждая точка изображения последовательно будет проходить через участки дифракционного фильтра с разной функцией пропускания (1n), где n -количество столбцов ПЗС матрицы. В этом случае сигнал Aij снимаемый с j-ro элемента i-ro столбца ПЗС матрицы, будет определяться соотношением где- спектральная чувствительность ПЗС матрицы,Sij - искомый спектр. Считая, что количество столбцов и строк в ПЗС матрице достаточно велико, можно перейти к непрерывному способу описания где x, y -декартовы координаты в плоскости ПЗС матрицы. Уравнение (5) - это интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода, решив которое в блоке 5 можно получить информацию о спектре s(, x, y) для каждой точки изображения. Устройство позволяет получать гиперспектральные изображения при решении задачи дистанционного зондирования Земли, как при авиационном, так и при орбитальном расположении. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки, состоящий из оптического элемента, объектива, ПЗС матрицы, цифрового вычислительного блока, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде дифракционной решетки с изменяющейся высотой штрихов, при этом высота штрихов решетки изменяется от значения до значения где h1 - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки,h2 - высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки,1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра,n - показатель преломления материала решетки для текущей длины волны,а перед дифракционной решеткой установлен дополнительно второй объектив.