Оптоэлектронная камера

 

Использование: изобретение относится к устройствам типа спектрофотометра или устройствам воспроизведения спектрального изображения. Сущность изобретения: устройство содержит оптическую систему, совокупность светочувствительных элементов 3 типа CCD, располагаемую в фокусе упомянутой оптической системы, прозрачное защитное окно, изготовленное, например, из стекла и расположенное перед чувствительной поверхностью 4 совокупности светочувствительных элементов 3, и дисперигирующее устройство, обеспечивающее возможность выполнения спектрального анализа сцены, наблюдаемой данной оптоэлекторонной камерой. При этом чувствительная поверхность 4 совокупности светочувствительных элементов 3, обращенная в сторону упомянутого защитного окна, имеет однослойное или многослойное покрытие, выполненное из противоотражательного материала 9, толщина e которого изменяется непрерывно в функции длины волны света, принимаемого упомянутой чувствительной поверхностью, параллельно оси рассеивания упомянутого спектрального рассеивателя А. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение касается оптоэлектронной камеры типа спектрофотометра или устройства для воспроизведения спектрального изображения, позволяющего минимизировать фантомные или побочные изображения, а также системы светочувствительных элементов и защитного окна для такой оптоэлектронной камеры.

Изобретение касается также способа реализации указанной системы светочувствительных элементов и защитного окна.

Известны оптоэлектронные камеры, содержащие оптическую систему, совокупность светочувствительных элементов типа CCD, располагаемых в фокусе упомянутой оптической системы, и прозрачное защитное окно, расположенное перед упомянутой совокупностью светочувствительных элементов [1].

Оптоэлектронные камеры описанного выше типа находят все более широкое применение и обладают способностью представлять изображение в цифровой форме.

Вместе с тем, подобные оптоэлектронные камеры со светочувствительными элементами типа CCD, используемые в качестве спектрофотометров или устройств для воспроизведения спектрального изображения, позволяют обеспечить возможность спектрального анализа сканируемого данной камерой кадра. В этом случае камеры содержат рассеиватель (типа дифракционной решетки, призмы и т. п. ), устанавливаемый в упомянутой оптической системе. Таким образом, спектр изображаемого кадра оказывается сфокусированным на совокупности светочувствительных элементов, образующих, например, матрицу или планку.

Однако оптоэлектронные камеры описанного выше типа имеют существенный недостаток, который заключается в формировании так называемых фантомных или побочных изображений, которые накладываются на основное изображение данного кадра. Вследствие этого возникают существенные погрешности основного изображения, что мешает его полноценному использованию, особенно в случае наличия в данном кадре ярко светящихся объектов.

Указанные фантомные ли побочные изображения порождаются отражениями света, падающего на поверхность совокупности светочувствительных элементов типа CCD, от этой поверхности, от двух поверхностей упомянутого защитного окна и от последней задней поверхности оптической системы, ориентированной в направлении упомянутого защитного окна и в направлении упомянутой совокупности светочувствительных элементов.

Указанные фонтомные или побочные изображения определенным образом смещены в пространстве по отношению к основному наблюдаемому данной камерой изображению и центрированы в других точках упомянутой совокупности светочувствительных элементов.

С целью устранения вредных фантомных или побочных изображений уже предпринимались попытки нанесения специальных устраняющих отражение или противоотражательных покрытий на порождающие их поверхности, а именно на поверхность совокупности светочувствительных элементов, на обе поверхности защитного окна и на заднюю поверхность используемой в данном случае оптической системы, ориентированную в направлении упомянутого защитного окна и упомянутой совокупности светочувствительных элементов [2].

Такие противоотражательные покрытия образованы в соответствии с известными технологиями, например, материалами на основе окиси вольфрама или фтористого магния.

В том случае, когда данный спектр, анализируемый данной совокупностью светочувствительных элементов, является достаточно растянутым (простирается, например, от 400 до 1000 нм), реализация упомянутых противоотражательных покрытий с широкополосными характеристиками представляет собой достаточно сложную задачу. В то же время весьма сложно сформировать многослойные противоотражательные покрытия с удовлетворительными оптическими характеристиками на чувствительной поверхности упомянутой совокупности светочувствительных элементов, в частности, из-за того, что указанная чувствительная поверхность изготовлена из кремния.

В основу изобретения поставлена задача устранить отмеченные выше недостатки путем использования пространственного распределения или разложения спектра на уровне детектора.

Поставленная задача решается тем, что в оптоэлектронной камере, содержащей оптическую систему, некоторую совокупность светочувствительных элементов типа CCD, располагаемых в фокусе упомянутой оптической системы, прозрачное защитное окно, изготовленное, например, из стекла и располагаемое перед чувствительной поверхностью упомянутой совокупности светочувствительных элементов, и спектральный рассеиватель, выполненный с возможностью выполнения спектрального анализа того или иного кадра, наблюдаемого данной камерой, согласно изобретению упомянутая чувствительная поверхность совокупности светочувствительных элементов, обращенная в сторону защитного окна, имеет однослойное или многослойное покрытие из противоотражательного материала, причем толщина материала покрытия изменяется непрерывным образом в функции длины волны света, падающего на эту чувствительную поверхность, параллельно оси рассеивания упомянутого рассеивателя.

Изобретение является выгодным и полезным, постольку, поскольку упомянутое однослойное противоотражательное покрытие можно оптимизировать только для одной длины волны, и на других частотах, отличающихся от этой центральной частоты, можно достичь максимального показателя в 40% отражения. Кроме того, для многослойных покрытий невозможно обеспечить одновременно и малую величину коэффициента отражения и широкий спектральный диапазон, что в некоторой степени исправляется изобретением.

В соответствии с изобретением, поскольку толщина противоотражательного покрытия, нанесенного на чувствительную поверхность упомянутой совокупности светочувствительных элементов, непрерывно изменяется, для каждой точки чувствительной поверхности обеспечивается адаптация противоотражательного покрытия к длине волны света, поступающего в данную точку, причем указанная адаптация распространяется на всю чувствительную поверхность.

Таким образом, удается получить коэффициент отражения не более 1% в достаточно широком спектральном диапазоне, например в диапазоне 400 - 1050 нм при использовании однослойного или многослойного покрытия.

Согласно предпочтительному варианту выполнения для того, чтобы в еще большей степени ослабить фонтомные или побочные изображения, по меньшей мере одна из поверхностей, а предпочтительно обе поверхности упомянутого защитного окна также снабжаются однослойным или многослойным покрытием из противоотражательного материала, и толщина покрытия непрерывно изменяется в функции длины волны света, падающего на упомянутые поверхности, параллельно оси рассеивания упомянутого рассеивателя.

Согласно предпочтительному варианту выполнения толщина покрытия, нанесенного на чувствительную поверхность упомянутой совокупности светочувствительных элементов, а также толщина противоотражательного покрытия, нанесенного на поверхность защитного окна, таковы, что в каждой точке этого покрытия произведение упомянутой толщины на показатель преломления данного противоотражательного материала равно нечетному кратному четверти длины волны света, падающего в эту точку.

В то же время изобретение касается также совокупности светочувствительных элементов, позволяющей устранить фантомные или побочные изображения в оптоэлектронной камере типа спектрофотометра или устройства для воспроизведения спектрального изображения, содержащего оптическую систему, причем упомянутая совокупность светочувствительных элементов типа CCD располагается в фокусе этой системы, прозрачное защитное окно, расположенное перед упомянутой совокупностью светочувствительных элементов, и спектральный рассеиватель, обеспечивающий возможность выполнения спектрального анализа сцены, наблюдаемой данной оптоэлектронной камерой. Указанная совокупность светочувствительных элементов примечательна тем, что чувствительная поверхность, образованная совокупностью указанных элементов, которая должна быть ориентирована в направлении упомянутого защитного окна, имеет специальное однослойное или многослойное покрытие, выполненное из противоотражательного материала, толщина которого изменяется в функции длины волны света, принимаемого данной чувствительной поверхностью, параллельно оси рассеивания упомянутого рассетивателя.

Изобретение касается также прозрачного защитного окна, располагаемого перед упомянутой совокупностью светочувствительных элементов, одна из поверхностей которого, а в предпочтительном варианте выполнения - обе его поверхности, имеет аналогичное покрытие.

Таким образом, в любой точке упомянутой чувствительной поверхности толщина противоотражательного покрытия точно адаптирована к длине волны света, падающего именно на эту точку. То же относится к двум противоположным поверхностям данного защитного окна.

На фиг. 1 изображен вид, поясняющий процесс образования фатомных или побочных изображений в известной оптоэлектронной камере типа спектрофотометра или устройства формирования спектрального изображения; на фиг. 2 - процесс формирования основного изображения и нескольких фантомных или побочных изображений на светочувствительной поверхности оптоэлектронной камеры известной конструкции, показанной на фиг. 1; на фиг. 3 - светочувствительный элемент в соответствии с изобретением, снабженный на своей чувствительной поверхности соответствующим противоотражательным покрытием, вид сбоку; на фиг. 4 - схема процесса формирования противоотражательного покрытия на чувствительной поверхности, образованной совокупностью светочувствительных элементов в соответствии с изобретением в случае использования в этом процессе вращающейся маски; на фиг. 5 - детальное строение маски, применяемой в процессе нанесения противоотражательного покрытия, проиллюстрированном схематически на фиг. 4, а также относительное расположение указанной маски и чувствительной поверхности упомянутой совокупности светочувствительных элементов; на фиг. 6 - схема другого примера реализации маски для формирования противоотражательного покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг. 1 схематически и частично представлена оптоэлектронная камера известной конструкции типа спектрофотометра или устройства для воспроизведения спектрального изображения.

Указанная оптоэлектронная камера содержит оптическую систему 1, имеющую торцевую поверхность 2, а также матрицу светочувствительных элементов 3 типа CCD, имеющую чувствительную поверхность 4, обращенную в направлении упомянутой торцевой поверхности 2 оптической системы данной оптоэлектронной камеры.

Между оптической системой 1 данной оптоэлектронной камеры и матрицей 3 светочувствительных элементов типа CCD располагается защитное окно 5, образованное стеклянной пластиной с параллельными поверхностями 6 и 7.

В то же время в упомянутую оптическую систему 1 встроен спектральный рассеиватель, обозначенный на фиг. 1 только своей осью рассеивания А.

Таким образом, в том случае, когда падающий луч моноспектрального света 8, выходящий из оптической системы 1, достигает чувствительной поверхности 4, эта поверхность отражает некоторую часть упомянутого луча, и отраженный луч 8', в свою очередь, частично отражается в направлении чувствительной поверхности 4 от поверхности 2 оптической системы 1 и от поверхностей 6 и 7 защитного окна 5. Указанные отраженные лучи света обозначены соответственно позициями 8'', 8''' и 8''''.

Результатом указанных отражений является наличие на упомянутой чувствительной поверхности 4 совокупности светочувствительных элементов 3 типа CCD в дополнение к нормальному изображению 1 фантомных или побочных изображений 1'', 1''' и 1'''' (см. фиг. 2).

В соответствии с изобретением и как схематически показано на фиг. 3, для устранения фантомных или побочных изображений 1'', 1''' и 1'''' осуществляется нанесение на чувствительную поверхность 4 матрицы светочувствительных элементов 3 типа CCD однослойного или многослойного покрытия из противоотражательного материала 9, толщина e которого изменяется непрерывным образом в функции длины волны света, принимаемого упомянутой светочувствительной поверхностью 4, и в функции показателя преломления данного материала, параллельно оси рассеивания А упомянутого рассеивателя.

Как уже было сказано выше, если величина показателя преломления используемого в данном случае противоотражательного материала равна n в каждой точке покрытия 9, то толщина e этого покрытия в каждой точке светочувствительной поверхности такова, что произведение упомянутых выше параметров ne равно нечетному кратному четверти длины волны света, принимаемого данной точкой поверхности покрытия.

Для получения противоотражательного покрытия 9, схематически показанного на фиг. 3, можно использовать устройство, схематически показанное на фиг. 4 и 5.

На фиг. 4 представлена вакуумная камера 10, внутри которой располагается сосуд 11, содержащий подлежащий нанесению противоотражательный материал.

В верхней части вакуумной камеры 10 предусмотрен специальный кронштейн 12, на котором закрепляется матрица светочувствительных элементов типа CCD 3 таким образом, чтобы ее чувствительная поверхность была обращена в сторону упомянутого выше сосуда 11 с противоотражательным материалом.

Кроме того, между упомянутым сосудом 11 и матрицей светочувствительных элементов типа CCD располагается вращающийся диск 13, в котором выполнен вырез в форме сектора 14, и вал 15, выполненный с возможностью вращения при помощи средств, не представленных на фиг. 4.

Таким образом, когда сосуд 11 подвергается нагреванию, находящийся в нем противоотражательный материал испаряется и напыляется на чувствительную поверхность 4 матрицы светочувствительных элементов типа CCD 3.

Поскольку упомянутая матрица светочувствительных элементов 3 типа CCD располагается таким образом, чтобы она оставалась закрытой маской 13 на протяжении полного поворота последней вокруг своей оси, за исключением периода времени, когда маска располагается против упомянутого выреза 14, толщина данного противоотражательного материала, осаждаемого в некоторой точке чувствительной поверхности 4 (которая является функцией длительности экспозиции этой точки светочувствительной поверхности, задаваемой параметрами выреза 14), может иметь требуемую величину. При такой схеме нанесения покрытия его толщина постепенно возрастает в направлении от вала 15 к периферии 16 маски 13, как это схематически показано на фиг. 3.

На фиг. 6 схематически показан другой пример реализации маски 13', снабженной вырезом 14' в форме трапеции, выполненным в пластине 16'. Эта маска может приводиться в поступательное движение вдоль оси 15'.

Как уже было сказано выше, для более эффективного устранения фантомных или побочных изображений 1'', 1''' и 1'''' может оказаться полезным нанесение по меньшей мере на одну из поверхностей 6 и 7 защитного окна 5, а в предпочтительном варианте - на обе эти поверхности 6 и 7, однослойного или многослойного противоотражательного покрытия (не показано). Толщина такого противоотражательного покрытия также должна изменяться непрерывным образом в функции длины волны света, падающего на упомянутые поверхности, параллельно оси рассеивания А упомянутого спектрального рассеивателя. Такое покрытие может быть получено аналогично тому, как это было осуществлено в случае противоотражательного покрытия 9 чувствительной поверхности 3 совокупности светочувствительных элементов типа CCD.

Формула изобретения

1. Оптоэлектронная камера типа спектрофотометра или устройства воспроизведения спектрального изображения, содержащая оптическую систему, совокупность светочувствительных элементов типа CCD, располагаемых в фокусе упомянутой оптической системы, прозрачное защитное окно, располагаемое перед чувствительной поверхностью упомянутой совокупности светочувствительных элементов, и диспергирующий элемент, выполненный с возможностью выполнения спектрального анализа кадра, фиксируемого оптоэлектронной камерой, причем на чувствительную поверхность светочувствительных элементов нанесено противоотражательное покрытие с изменяющейся толщиной, отличающаяся тем, что противоотражательное упомянутое покрытие выполнено на чувствительной поверхности светочувствительных элементов, обращенной в сторону упомянутого прозрачного защитного окна, является однослойным или многослойным, причем толщина покрытия изменяется в функции длины волны света, принимаемого упомянутой чувствительной поверхностью, параллельно оси рассеивания упомянутого диспергирующего элемента (А), при условии, что величина показателя преломления указанного противоотражательного материала равна n в каждой точке покрытия 9, толщина е покрытия в каждой точке светочувствительной поверхности такова, что произведение упомянутых параметров n x e равно нечетному кратному четверти длины волны света, принимаемого данной точкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6