EA024759B1 - Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов - Google Patents

Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов Download PDF

Info

Publication number
EA024759B1
EA024759B1 EA201301216A EA201301216A EA024759B1 EA 024759 B1 EA024759 B1 EA 024759B1 EA 201301216 A EA201301216 A EA 201301216A EA 201301216 A EA201301216 A EA 201301216A EA 024759 B1 EA024759 B1 EA 024759B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
diffraction grating
hyperspectrometer
groove height
height
wavelength
Prior art date
Application number
EA201301216A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201301216A1 (ru
Inventor
Роман Васильевич Скиданов
Николай Львович КАЗАНСКИЙ
Олег Юрьевич Моисеев
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Государственный Аэрокосмический Университет Имени Академика С.П. Королева (Национальный Исследовательский Университет) (Сгау)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Государственный Аэрокосмический Университет Имени Академика С.П. Королева (Национальный Исследовательский Университет) (Сгау) filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Государственный Аэрокосмический Университет Имени Академика С.П. Королева (Национальный Исследовательский Университет) (Сгау)
Priority to EA201301216A priority Critical patent/EA024759B1/ru
Priority to DE102014117023.7A priority patent/DE102014117023A1/de
Publication of EA201301216A1 publication Critical patent/EA201301216A1/ru
Publication of EA024759B1 publication Critical patent/EA024759B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G01J2003/2826—Multispectral imaging, e.g. filter imaging

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

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, при этом высота штрихов решетки меняется от значениядо значениягде h- высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки, h- высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки, λ- наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, λ- наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, n - показатель преломления материала решетки для текущей длины волны, а перед дифракционной решеткой установлен дополнительно второй объектив.

Description

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 КИ 2313070, МПК 00113/45, опубл. 10.07.2007 г., И8 6222627 В1, МПК 00113/28, опубл. 24.04.2001 г., И8 6930781 В2, МПК 001В09/02 опубл. 16.08.2005 г., И8 7224464 В2, МПК 00113/453, 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 КИ 2377510, МПК 00113/45, 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 КИ 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., 1и1р://\у\у\у.У1ткги/арр1р11у5/арр1-99/99-2/99-2-3г.1П1п). 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 2(и-1) до значения где Й! - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки, й2 - высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки, λ! - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, λ2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, η - 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
до значения
где ф - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки,
1ι2 -высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки, λ1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, λ2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, η - показатель преломления решетки для текущей длины волны.
Коэффициент пропускания такой решетки τ в направлении 0-го порядка (т.е. по оптической оси) будет зависеть от высоты штрихов и от длины волны по формуле:
где τ0 - коэффициент пропускания подложки, на которой изготовлена решетка.
При этом обычно τ0«1. 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 (τ1...τη), где η -количество столбцов ПЗС матрицы.
В этом случае сигнал снимаемый с |-го элемента ί-го столбца ПЗС матрицы, будет определяться соотношением х,
Л = ^,(λ)η(λ)5 (4) λ, где η (λ) - спектральная чувствительность ПЗС матрицы, δ1_ί(λ) - искомый спектр.
Считая, что количество столбцов и строк в ПЗС матрице достаточно велико, можно перейти к непрерывному способу описания λ2
Л(х,у) = |τ(λ,χ)π(λ)5(λ,Λ:,^)6λ, (5) λ, где х, у -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 δ(λ, х, у) для каждой точки изображения.
Устройство позволяет получать гиперспектральные изображения при решении задачи дистанционного зондирования Земли, как при авиационном, так и при орбитальном расположении.

Claims (1)

  1. 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 2(1-1-1) до значения 2(л-1) где ф - высота штрихов с левой стороны дифракционной решетки,
    1ι2 - высота штрихов с правой стороны дифракционной решетки, λ1 - наибольшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, λ2 - наименьшая длина волны рабочего диапазона гиперспектрометра, η - показатель преломления материала решетки для текущей длины волны, а перед дифракционной решеткой установлен дополнительно второй объектив.
EA201301216A 2013-11-29 2013-11-29 Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов EA024759B1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201301216A EA024759B1 (ru) 2013-11-29 2013-11-29 Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов
DE102014117023.7A DE102014117023A1 (de) 2013-11-29 2014-11-20 Abbildendes Hyperspektrometer auf Grundlage eines Difraktionsgitters mit variabler Furchenhöhe

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201301216A EA024759B1 (ru) 2013-11-29 2013-11-29 Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201301216A1 EA201301216A1 (ru) 2015-08-31
EA024759B1 true EA024759B1 (ru) 2016-10-31

Family

ID=53058607

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201301216A EA024759B1 (ru) 2013-11-29 2013-11-29 Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014117023A1 (ru)
EA (1) EA024759B1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060050391A1 (en) * 2004-08-10 2006-03-09 Johan Backlund Structured-groove diffraction granting and method for control and optimization of spectral efficiency
US20070165222A1 (en) * 2005-03-02 2007-07-19 Li-Cor, Inc. On-Chip Spectral Filtering Using CCD Array For Imaging and Spectroscopy
RU2332645C1 (ru) * 2006-11-10 2008-08-27 ФГУП "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" Минигабаритный гиперспектрометр на базе дифракционного полихроматора
US20100007878A1 (en) * 2006-10-06 2010-01-14 Ralf Wolleschensky Highly sensitive spectroscopic unit

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0939323A1 (en) 1998-02-28 1999-09-01 C.S.E.M. Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique Sa Wollaston prism and use of it in a fourier-transform spectrometer
US7224464B2 (en) 1998-11-04 2007-05-29 Manning Christopher J Fourier-transform spectrometers
AU2003290736A1 (en) 2002-11-26 2004-06-18 Cornell Research Foundation, Inc. Miniaturized holographic fourier transform spectrometer with digital aberration correction
RU2313070C2 (ru) 2005-12-26 2007-12-20 Георгий Михайлович Грязнов Интерференционный спектрометр
RU2377510C1 (ru) 2008-09-16 2009-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" Отображающий спектрометр

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060050391A1 (en) * 2004-08-10 2006-03-09 Johan Backlund Structured-groove diffraction granting and method for control and optimization of spectral efficiency
US20070165222A1 (en) * 2005-03-02 2007-07-19 Li-Cor, Inc. On-Chip Spectral Filtering Using CCD Array For Imaging and Spectroscopy
US20100007878A1 (en) * 2006-10-06 2010-01-14 Ralf Wolleschensky Highly sensitive spectroscopic unit
RU2332645C1 (ru) * 2006-11-10 2008-08-27 ФГУП "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" Минигабаритный гиперспектрометр на базе дифракционного полихроматора

Also Published As

Publication number Publication date
EA201301216A1 (ru) 2015-08-31
DE102014117023A1 (de) 2015-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102543392B1 (ko) 깊이 획득을 위한 명시야 이미지 처리 방법
DeWeert et al. Lensless coded-aperture imaging with separable Doubly-Toeplitz masks
US8149400B2 (en) Coded aperture snapshot spectral imager and method therefor
Brandt et al. Data reduction pipeline for the CHARIS integral-field spectrograph I: detector readout calibration and data cube extraction
EP3860107B1 (en) Optical sensor device
CN101526400B (zh) 阿达玛变换干涉光谱成像方法及设备
US9426383B1 (en) Digital camera for capturing spectral and spatial information
US20220086372A1 (en) Multi-Modal Computational Imaging via Metasurfaces
KR20210048951A (ko) 초분광 이미지 센서 및 이를 포함하는 초분광 촬상 장치
CN101782430B (zh) 一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法
US11346719B2 (en) Fourier-transform hyperspectral imaging system
Kim et al. Aperture-encoded snapshot hyperspectral imaging with a lensless camera
JP5942356B2 (ja) 分光情報取得装置、分光情報取得方法及び分光情報取得用プログラム
CN114659629A (zh) 光学设备
US11199448B2 (en) Spectroscopic measurement device and spectroscopic measurement method
CN108761605B (zh) 一种基于全局随机编码规则的混合衍射光栅
RU70575U1 (ru) Статический мультиплексный дисперсионный спектрометр
EA024759B1 (ru) Изображающий гиперспектрометр на основе дифракционной решетки с переменной высотой штрихов
DeWeert et al. Lensless coded aperture imaging with separable doubly Toeplitz masks
US20160018262A1 (en) Optical filter and optical measuring device employing the same
RU2313070C2 (ru) Интерференционный спектрометр
KR20230127277A (ko) 촬상 장치 및 광학소자
CN108761604B (zh) 基于全局随机编码规则的位相衍射光栅
RU2397457C1 (ru) Отображающий фокальный спектрометр (варианты)
JP4297830B2 (ja) 撮像装置およびその使用方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KG TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): BY KZ RU