RU2716454C1 - Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью - Google Patents
Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716454C1 RU2716454C1 RU2019110363A RU2019110363A RU2716454C1 RU 2716454 C1 RU2716454 C1 RU 2716454C1 RU 2019110363 A RU2019110363 A RU 2019110363A RU 2019110363 A RU2019110363 A RU 2019110363A RU 2716454 C1 RU2716454 C1 RU 2716454C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spectral
- channel
- hyperspectrometer
- filters
- spectral resolution
- Prior art date
Links
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
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
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0235—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using means for replacing an element by another, for replacing a filter or a 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
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
-
- 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
- G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
- G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
- G01J3/51—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors using colour filters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
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.
Description
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
– 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).
Claims (8)
- 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
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110363A RU2716454C1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110363A RU2716454C1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2716454C1 true RU2716454C1 (ru) | 2020-03-11 |
Family
ID=69898726
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019110363A RU2716454C1 (ru) | 2019-04-08 | 2019-04-08 | Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716454C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2801836C1 (ru) * | 2022-11-30 | 2023-08-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Быстродействующий гиперспектрометр с управляемым спектральным фильтром |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080123097A1 (en) * | 2004-10-25 | 2008-05-29 | Hamed Hamid Muhammed | System for Multi- and Hyperspectral Imaging |
US7433042B1 (en) * | 2003-12-05 | 2008-10-07 | Surface Optics Corporation | Spatially corrected full-cubed hyperspectral imager |
EP2284509B1 (en) * | 2005-11-04 | 2018-01-31 | George Themelis | System for multispectral imaging |
RU2674411C1 (ru) * | 2017-12-08 | 2018-12-07 | Закрытое акционерное общество "МНИТИ" (ЗАО "МНИТИ") | Способ регистрации и формирования сигналов разноспектральных изображений |
-
2019
- 2019-04-08 RU RU2019110363A patent/RU2716454C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7433042B1 (en) * | 2003-12-05 | 2008-10-07 | Surface Optics Corporation | Spatially corrected full-cubed hyperspectral imager |
US20080123097A1 (en) * | 2004-10-25 | 2008-05-29 | Hamed Hamid Muhammed | System for Multi- and Hyperspectral Imaging |
EP2284509B1 (en) * | 2005-11-04 | 2018-01-31 | George Themelis | System for multispectral imaging |
RU2674411C1 (ru) * | 2017-12-08 | 2018-12-07 | Закрытое акционерное общество "МНИТИ" (ЗАО "МНИТИ") | Способ регистрации и формирования сигналов разноспектральных изображений |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2801836C1 (ru) * | 2022-11-30 | 2023-08-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Быстродействующий гиперспектрометр с управляемым спектральным фильтром |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10066990B2 (en) | Spatially variable filter systems and methods | |
US5995645A (en) | Method of cancer cell detection | |
US9041932B2 (en) | Conformal filter and method for use thereof | |
US7414717B2 (en) | System and method for detection and identification of optical spectra | |
JP2009532708A (ja) | 分光法を実施する分光器と方法 | |
EP2951543A2 (en) | Systems and methods for calibrating, configuring and validating an imaging device or system for multiplex tissue assays | |
US10578487B2 (en) | Calibration for fabry perot spectral measurements | |
US10323985B2 (en) | Signal processing for tunable Fabry-Perot interferometer based hyperspectral imaging | |
US20180238735A1 (en) | Spatially variable light source and spatially variable detector systems and methods | |
US6801309B1 (en) | Detector array with scattered light correction | |
JP5985709B2 (ja) | 判別フィルタ設計方法、判別方法、判別フィルタセット、判別装置、および、プログラム | |
RU2716454C1 (ru) | Гиперспектрометр с повышенной спектральной разрешающей способностью | |
US20120105847A1 (en) | Spectrometric measurement system and method for compensating for veiling glare | |
Miller et al. | Signal-to-noise analysis of various imaging systems | |
US7277170B2 (en) | Device and method for spectroscopic measurement with an imaging device comprising a matrix of photodetectors | |
EP4330642B1 (en) | Electromagnetic radiation measurement device | |
US11867615B2 (en) | Field calibration for near real-time Fabry Perot spectral measurements | |
US11371932B2 (en) | Optical assembly for the hyperspectral illumination and evaluation of an object | |
US12025562B2 (en) | Method for optical monitoring and/or determination of properties of sample | |
Fonseca et al. | Linear models for SWIR surface spectra from the ECOSTRESS library | |
DE102011001695B4 (de) | Messvorrichtung und Verfahren zur Spektral auflösenden Messung elektromagnetischer Strahlung | |
RU2650363C1 (ru) | Анализатор состава природного газа | |
WO2023205900A1 (en) | Multi-slit configured hyperspectral imager | |
CN115615544A (zh) | 光谱测量装置及其测量方法 | |
CN117419806A (zh) | 一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210409 |