Отображающий ИК- спектрометр

Свиридов А.Н. (root@orion.extech.ru), Филачев А.М., Сагинов Л.Д., Кононов А.С.

Федеральное государственное унитарное предприятие НПО ОРИОН , Москва,

Предложен отображающий спектрометр (мультиспектральный тепловизор) на основе матричного тепловизора и интерферометров, установленных под углом Брюстера к оптической оси устройства. Проведены расчеты параметров этого устройства. Ожидается, что подобные устройства могут быть пригодны для получения пространственной и спектральной информации о быстро протекающих явлениях, например, взрывах.

Keywords: imaging spectrometer, spectral imaging, multibeam interference.

Введение

В последние годы возрастает внимание к устройствам, обеспечивающим получение изображений объектов в заданных узких спектральных диапазонах- spectral imaging (SI). (SI-термин, обозначающий быстро развивающееся направление бесконтактного исследования объектов, использующее методы оптического спектрального анализа и распознавания образов). С помощью этих устройств удается наблюдать в изображениях различные фрагменты, отличающиеся (в выбранном узком спектральном диапазоне) различной спектральной яркостью, обусловленной различными коэффициентами отражения, поглощения или излучения. При наблюдении этих же объектов в широком спектральном диапазоне (например, с помощью обычного тепловизора) яркости фрагментов усредняются, и объем получаемой оптической информации значительно уменьшается. Для реализации SI могут использоваться как методы непосредственной оптической фильтрации принимаемого излучения с помощью перестраиваемых оптических фильтров различных видов (акустооптические, интерференционные, интерференционно-поляризационные и др.), так и методы выделения спектральных изображений, основанные на компьютерной обработке оптических полей, регистрируемых матричным приемником (например, сигналов после Фурье - интерферометра, голограмм и др.) [1- 41].

Устоявшегося названия, адекватно отображающего сущность этого направления, пока нет. Наиболее подходящими названиями можно считать такие как спектральная фильтрация изображений, спектральное изображение структуры объектов, спектральное видение, спектральное отображение [1]. Далее будем называть устройства, позволяющие получать изображения объектов в любых требуемых узких спектральных полосах, принадлежащих относительно широкому спектральному диапазону, отображающими спектрометрами - ОС. В случаях, если спектральный диапазон находится в границах 3...14 мкм и излучение регистрируется тепловизором, можно называть ОС мультиспектральным тепловизором (МТ)

В работе проведены расчеты параметров отображающго спектрометра (или МТ) на основе наклонных интерферометров -интерферометров, установленных под углом Брюстера к оптической оси системы.

Фильтрующее устройство и отображающий спектрометр на основе наклонных интерферометров

Интерферометры Фабри-Перо используются в ОС для фильтрации изображений в ИК области спектра [13]. Для фильтрации используют интерферометры c расстояниями между отражающими поверхностями зеркал порядка длины волны фильтруемого излучения. Если

оптическая толщина подобного интерферометра равна d, то он имеет V полос пропускания, максимумы которых (при нормальном падении фильтруемого излучения на зеркала интерферометра) равны: Амах1=2-<1/1, Амах2= 2- d/2, Амах3= 2- d/3, AмахV= 2- d/V. Фильтр, предназначенный для выделения первой (V= 1), наиболее длинноволновой полосы пропускания называется фильтром первого порядка. Соответственно, фильтром 2-го порядка называют фильтр с V=2, фильтром 3-го порядка - фильтр с V=3 и т.д. [8].

Число интерферометров, материал зеркал (пластин) интерферометров, наличие или отсутствие металлических или интерференционных отражающих покрытий на поверхностях пластин определяется требуемым спектральным разрешением R = А/ЪА (А- длина волны, ЪА-ширина фильтруемой полосы спектра) и относительной шириной А/ДА спектрального диапазона перестройки ОС (где: ДА=Ап-А1, An и А1 соответственно, длинноволновая и коротковолновая границы рабочего спектрального диапазона ОС).

Для ОС с узким спектральным диапазоном перестройки (А/ДА > 10) целесообразно использовать интерферометры с отражающими интерференционными покрытиями. В этом случае, благодаря высокому коэффициенту отражения зеркал, для получения требуемого разрешения, как правило, достаточно одного интерферометра.

Для ОС с широким диапазоном перестройки (например, А/ДА < 3) целесообразно (вследствие спектральной селективности интерференционных отражающих покрытий, недолговечности полупрозрачных металлических покрытий, которые требуют применения специальных покрытий для защиты от окисления и практически не применяются в ИК-области спектра) использовать интерферометры с зеркалами без всяких покрытий. Однако, подобные интерферометры имеют существенно меньшую добротность, поэтому для достижения требуемого разрешения необходимо применять мультиплекс- два или более интерферометров, расположенных последовательно по ходу фильтруемых лучей, толщины которых d1, d2,.. dn находятся в простых кратных отношениях. В этом случае максимальная длина волны пропускания мультиплекса определяется толщиной первого, интерферометра, который работает как фильтр первого порядка и имеет наименьшее расстояние между зеркалами.

Основная трудность при построении мультиплекса обусловлена необходимостью устранения или уменьшения влияния взаимной интерференции между эталонами. Другая трудность связана с тем, что при каждой настройке мультиплекса на фильтрацию заданной длины волны, необходимо добиваться кратного отношения оптических толщин всех интерферометров.

В предлагаемом ОС фильтрация осуществляется вследствие многолучевой интерференции лучей (поляризованных в плоскости перпендикулярной плоскости падения) в интерферометрах, установленных по отношению к оси оптической системы под углом Ф-Фврюстер ( где: фврюстер -угол Брюстера).

Интерферометры образованы плоскими оптически полированными пластинами из материала с высоким показателем преломления, прозрачного для фильтруемого излучения.

В результате наклона интерферометров к фильтруемому излучению:

-увеличивается коэффициент отражения лучей (поляризованных в плоскости перпендикулярной плоскости падения) от полированных граней пластин интерферометров (например, с 36% при ф=00 до 78% при ф=фБрюстер= 760 для пластин интерферометров, изготовленных из германия) и, следовательно, увеличивается добротность и спектральное разрешение интерферометров.

-происходит (в результате смещения полос пропускания в коротковолновую область спектра) увеличение спектрального интервала между соседними полосами пропускания интерферометров, и появляется возможность увеличения расстояния между зеркалами до d1= d2= d3= d4= К-Ат = 39мкм, что в свою очередь также приводит к увеличению добротности и разрешающей способности. (Где: Ат - длина волны лучей на выходе мультиплекса интерферометров, распространяющихся вдоль оптической оси ОС,

соответствующая середине рабочего спектрального диапазона ОС. К- коэффициент, зависящий от материала зеркал интерферометров и рабочего спектрального диапазона ОС. Am 9.44 мкм и К= 4.131)

- появляется принципиальная возможность устранить паразитную интерференцию между зеркалами соседних интерферометров путем установления L- расстояний между соседними интерферометрами в соответствии со следующим выражением:

L > j

N tan (ф) (1)

Где: j-длина пластины (зеркала ) интерферометра; N- допустимое число отражений луча от зеркал соседних интерферометров; ф- угол наклона зеркал интерферометров к оптической оси ОС.

Для обеспечения возможности работы ОС в других спектральных диапазонах, зеркала интерферометров не имеют отражающих покрытий. Благодаря этому возможно, заменяя охлаждаемый полосовой фильтр, установленный перед матричным приемником или, заменяя охлаждаемый фильтр вместе с матричным приемником, обеспечить работу ОС в других спектральных диапазонах (порядках интерференции).

Возможная оптическая схема ОС с интерферометрами, установленными под одинаковыми углами ф=фБрюстер к оптической оси ОС, приведена на рис. 1.

Рис.1 Оптическая схема ОС с использованием многолучевой интерференции в наклонных интерферометрах (Вариант 1)

1, 2, 3, 4- интерферометры; 5, 6 -линзы телескопа, согласующего сечение и угол расхождения фильтруемого потока излучения с входным отверстием и апертурным углом прибора, регистрирующего отфильтрованное излучение, например, тепловизора; 7-поляроид, пропускающий (в положении 1) излучение с поляризацией перпендикулярной плоскости падения фильтруемых лучей на пластины интерферометров; 8- объектив, 9-зеркало, обеспечивающее сканирование изображения по плоскости матрицы (в направлении перпендикулярном строкам) путем прецизионных поворотов вокруг оси, перпендикулярной

плоскости ZY; 10 -охлаждаемый полосовой фильтр, отрезающий излучение с длинами волн, находящимися за пределами рабочего спектрального диапазона фильтрующего устройства; 11- матричное приемное устройство; 12-монитор.

Все интерферометры изготовлены с возможностью прецизионного и контролируемого изменения расстояния между отражающими пластинами и с возможностью юстировки по углам путем прецизионных поворотов вокруг осей X и Z. Пластины интерферометров изготовлены из материалов, имеющих высокий показатель преломления и прозрачных для излучения в рабочем спектральном диапазоне.

В результате математического моделирования определены оптимальные параметры конструкции ОС.

Для рассматриваемого примера реализации фильтрующего устройства с рабочим спектральным диапазоном Атт= 8... Атах= 10.87 мкм., наиболее подходящими материалами для пластин являются германий или кремний. Будем считать, что пластины изготовлены из германия, имеющего показатель поглощения в рабочем спектральном диапазоне =0.025см-1. Толщина каждой пластины t = 0.5см. Пластины имеют следующий размеры длина j =212мм, ширина Ь=50мм. Все интерферометры установлены под углом ф = 76 к оптической оси ОС, соответствующим максимальному пропусканию интерферометров для излучения с длиной волны Ат = 9.44мкм, распространяющемуся по оси оптической системы (Отметим, что угол Брюстера для этой длины волны равен фБрюстер~ 76 ). Расстояния между отражающими гранями пластин интерферометров одинаковы и равны: d1= d2= d3 = d4= d= 39мм. Расстояния, между наружными поверхностями зеркал соседних интерферометров, рассчитанные по выражению (1) при N=2 равны Ь=26мм. (При этом паразитные интерферирующие лучи после двух отражений от зеркал соседних интерферометров выдут из оптической системы и не попадут на матричный приемник).

Наружные грани интерферометров имеют просветляющие покрытия, (соответствующие спектральному диапазону работы ОС 8.10.87 мкм и углам падения фильтруемого излучения), уменьшающее отражение от каждой грани до R=0.08. Пропускание каждой пластины т оценивается следующим образом:

т = e -1-(1 - R) (1)

Тогда, пропускание одной пластины т= 0.91, а пропускание 8-ми пластин т =0.46.

Линзы телескопа (5, 6) согласуют сечение и угол, в котором распространяется фильтруемый поток излучения с входным отверстием объектива и углом поля зрения тепловизора и выбираются вместе с объективом тепловизора таким образом, чтобы пучки фильтруемого излучения, распространяющиеся под углами В|=2.180 к оптической оси устройства, фокусировались на крайние строки матричного приемника тепловизора. Например, для этого достаточно телескопа с кратностью 1/2 и объектива с фокусным расстоянием F = 13.2см (при размере матрицы 2х2см). При этом диаметр сфокусированной моды (при А=10мкм) в плоскости матричного приемника равен Do = 28мкм.

Приведем основные соотношения, описывающие аппаратную функцию ОС. Можно показать, что п1(а^п,А) -пропускание подобного интерферометра для излучения с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения, зависит от угла падения а, расстояния между внутренними гранями dn и длины волны А следующим образом.

tn (a, dn ,А) = -

1 + 1 (n(А)2 - j 4

(1 + n(а) ) cos (а) - cos (а)

где: и(А)-зависимость коэффициента преломления германия от длины волны [42].

n (а) = 3.99931 + 0.391707

А2 - 0.028

+ 0.163492

-- + (-0.0000060) А2 + (-0.000000053) А4

А - 0.028)

Результирующее пропускание Zn(a,dn,A) четырех установленных друг за другом интерферометров с расстояниями между пластинами d1, d2, d3, d4 для излучения, падающего на каждый интерферометр под углом а, выражаются следующим произведением:

Zna(A) = tn1(a,d1,A) tn2(a,d2,A) tn (a,d3,A) tn4(a,d4,A). При d1= d2= d3=d4= d , Zna(A) = tn a(A)4

На рис. 2 a,b показаны зависимости длин волн полос пропускания рассматриваемого мультиплекса интерферометров от a -угла наклона интерферометров к падающему излучению. Каждая из зависимостей соответствует определенному порядку интерференции. Зависимость A4(a) соответствует первому порядку интерференции (V=1), зависимость А 1(a) соответствует второму порядку интерференции (V=2), зависимость 2(a) соответствует третьему порядку интерференции (V=3), зависимость 3(a) соответствует четвертому порядку интерференции (V=4). Заменяя интерференционный фильтр 10, можно изменять спектральный диапазон работы ОС, выбирая для работы желаемый порядок интерференции.

Например, зависимость 2(a), показывает возможность осуществления плавной фильтрации длин волн в интересующем нас диапазоне 8...10.87 мкм (соответствующий диапазон углов падения пучков фильтруемого излучения на интерферометры a мин < a < a мах , где: a мин = 73.820 , a мах = 78.180), при установке перед матричным приемником охлаждаемого интерференционного фильтра, пропускающего излучение в полосе 7.7.11.5 мкм. Как видно из рис. 2b (на котором показаны в увеличенном масштабе фрагменты зависимостей, приведенных выше на рис. 2a ), подобный интерференционный фильтр, в рассматриваемом диапазоне углов падения 73.820.. .78.18°, обеспечит попадание на матричный приемник излучений, соответствующих выбранному спектральному диапазону: 8.10.87 мкм..

Рис.2 (a, b) Зависимости А(а) - длин волн, соответствующих максимумам пропускания, мультиплекса от а- угла падения полихроматических пучков фильтруемого излучения на интерферометры. Зависимости рассчитаны при следующих значениях расстояний между отражающими пластинами интерферометров: d1= d2= d3= d4= d= 39мкм

На рис.3 показаны зависимости контуров пропускания от (аппаратной функции) рассматриваемого фильтрующего устройства, рассчитанные при следующих расстояниях между пластинами интерферометров: d1= d2= d3= d4= d= 39мкм для лучей, распространяющихся под различными углами в к оптической оси ОС:

0 - - - - ъ ~ - - - - - - - - - - ---- - -- - - - -~

7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5

Рис. 3. Зависимости контуров пропускания от для лучей, распространяющихся в плоскостях перпендикулярных плоскости ZY, расположенных под следующими углами в к оптической оси ОС: в= 2.180 (a= 73.820), t1a (А); в= 1.090 (a= 74.910), t2a (а); в= 00 (a=760), t3aA); в=-1 090 (a=77.090), t4a (А); в= -2.180 (a=78.180), t5a (А).

Видно, что по мере изменения угла в, под которым распространяются в плоскости ZY фильтруемые пучки, плавно изменяется длина фильтруемой волны от Амах =10.87 мкм (при в=2.180) до Амин =8мкм (при в= -2.180) и уменьшается полоса пропускания мультиплекса от 0.22 мкм до 0.12 мкм.

На рис. 4 показана зависимость ширины полосы (по полувысоте) пропускания мультиплекса от длины волны.

5А( А) 0.16

0.1 1-1

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11

а

Рис. 4 Зависимость ширины полосы (по полувысоте) пропускания мультиплекса от длины волны.

Матрица тепловизора установлена таким образом, чтобы ее строки были перпендикулярны плоскости ZY, ось объектива тепловизора совпадает с оптической осью системы, фокусное расстояние объектива выбрано таким образом, чтобы пучки, распространяющиеся под углом в=2.180 (а=73.820) фокусировались на правую строку матрицы, а пучки, распространяющиеся под углом в= -2.180 (а=78.180) фокусировались на левую строку матрицы.

В результате на правую строку матрицы будет поступать излучение c длиной волны Амах =10.87 мкм от пучков, распространяющихся в плоскости, перпендикулярной плоскости ZY, наклоненной к оси ОС на угол в=2.180 (а= 73.820), а на левую строку матрицы будет поступать излучение c длиной волны Амин=8 мкм от пучков, распространяющихся в плоскости, перпендикулярной плоскости ZY, наклоненной к оси ОС на угол в= -2.18 (а=78.180).

Из пучка, распространяющегося вдоль оптической оси системы (в =00, а=760), фильтруется излучение с длиной волны Ат= 9.44 мкм, которое фокусируется объективом на пиксел, расположенный в середине средней строки матричного приемника.

Таким образом, из полихроматического пучка, излучаемого участком сцены, оптически сопряженным с одним из пикселов матричного приемника, принадлежащем строке с номером n, будет выделено (отфильтровано) и сфокусировано на этот пиксел матрицы, излучение (поляризованное в плоскости перпендикулярной плоскости падения) с длиной волны Ап, соответствующей, угловой координате этой строки вп. (Где: -2.180 < вп < 2.180, вп - угол наклона плоскости, в которой распространяется пучок, к оптической оси ОС).

Очевидно, что в результате такой оптической фильтрации на матрице формируется разноцветное изображение наблюдаемого объекта, где на каждую строку поступает излучение от оптически сопряженных с ней точек объекта на длине волны, соответствующей порядковому номеру (угловой координате вп) этой строки.

Максимальное число мод [43] M с длиной волны Ап=10мкм (предельное число точек изображения на длине волны Ап), которое пропускает рассматриваемое фильтрующее устройство, рассчитанное по выражению (4) равно 340 х 340.

b Г

b - sui -

- (2-в):

А

Для реализации режима SI необходимо провести сканирование (с помощью прецизионного вращения зеркала 9 изображения объекта по матрице так, чтобы изображение объекта перемещалось в направлении перпендикулярном строкам матрицы. При этом из излучения, исходящего от каждого фрагмента наблюдаемого объекта, отфильтровывается излучение с длиной волны, соответствующей номеру той строки, на один из чувствительных элементов которой, в данный момент фокусируется это излучение. Сканирование можно производить дискретными шагами или непрерывно. При шаговом сканировании за каждый шаг изображение каждой точки объекта перемещается на соседнюю строку. За время между двумя последовательными шагами производится регистрация и запись в памяти компьютера сигналов от всех элементов матрицы - запись кадра. В случае непрерывного сканировании запись кадра проводится за время перемещения изображения каждой точки изображения на чувствительный элемент соседней строки.

Таким образом, для записи многоспектрального изображения объекта требуется записать число кадров равное удвоенному числу строк матрицы. Далее из полученного

трехмерного (две пространственные и спектральная координаты) массива информации, на монитор можно выводить моноспектральное изображение - изображение объекта в выбранном узком спектральном диапазоне.

На рис 5 приведены зависимости отношения сигнал / шум (СШ), рассматриваемого варианта ОС от температуры наблюдаемого объекта рассчитанные при следующих исходных данных.

Источник излучения (объект наблюдения) - нагретые тела со средней температурой Тср и средними коэффициентами излучения 0.9 или 0.2. Рабочий спектральный диапазон 8 - 10.7 мкм.

Приемник излучения- матричный КРТ приемник, охлаждаемый до 80К, с детектирующей способностью 4-10 см -Гц -Вт -, с размером пиксела 35х35 мкм.

Эффективное пропускание фильтрующего устройства в максимуме полосы

пропускания Тэфф ~Тинтер - Тполяр - То. ф. - Топт ~0.11.

где: тинтер - пропускание четырех интерферометров в максимуме полосы пропускания тинтер~ 0.46; тполяр- пропускание поляроида для неполяризованного излучения тполяр~ 0.5; тоф -пропускание полосового охлаждаемого фильтра тоф ~ 0.7; топт - пропускание остальной оптики (объектив, телескоп) топт~ 0.7.

Расчеты проводились для двух значений коэффициентов излучения наблюдаемого тела 0.9 (кривая СШ) и 0.2 (кривая СШ1) при эффективной полосе пропускания мультиплекса А8 ~ 0.15 мкм и А=9.5 мкм. (При расчетах предполагалось, что в конструкции устройства предусмотрен охлаждаемый экран, препятствующий паразитному попаданию фонового излучения на матричный приемник).

Рис.5 Зависимости отношения сигнал / шум, рассматриваемого варианта ОС от температуры наблюдаемого объекта.

Из приведенных зависимостей следует, что предлагаемый вариант мультиспектрального тепловизора (МТ) позволит получать мультиспектральные изображения объектов с коэффициентом излучения 0.9 при температурах объектов выше 250 К и объектов с коэффициентом излучения 0.2 при температурах выше 325К.

На рис. 6 показан второй возможный вариант отображающего спектрометра с наклонными интерферометрами.

Рис.6 Оптическая схема ОС с использованием многолучевой интерференции в наклонных интерферометрах (Вариант 2)

1, 2, 3 -стеклянные (кварцевые) зеркала с золотым отражающим покрытием; 4, 5- пластины интерферометра, изготовленные из германия (внешние поверхности которых имеют просветляющие покрытия, обеспечивающее максимальное пропускание для фильтруемого излучения); 6- поляроид, пропускающий излучение с поляризацией перпендикулярной плоскости падения фильтруемых лучей на пластины интерферометров; 7-объектив; 8-зеркало, обеспечивающее сканирование изображения по плоскости матрицы (в направлении перпендикулярном строкам) путем прецизионных поворотов вокруг оси, перпендикулярной плоскости ZY; 9 -охлаждаемый полосовой фильтр, отрезающий