CC BY
91
УДК 681.785.57
ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЕ ВИДЕОАНАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ФАБРИ-ПЕРО
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, т. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Сергей Леонидович Шергин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Рассматриваются физико-технические принципы создания гиперспектральных видеоанализаторов на основе электрически управляемых интерферометров Фабри-Перо с нано-размерными зазорами и технологические ограничения при их изготовлении.
Ключевые слова: гиперспектральный видеоанализатор, электрически управляемый интерферометр Фабри-Перо, наноразмерный зазор.
THE HYPERSPECTRAL VIDEO ANALYZER ON BASE OF ELECTRIC DRIVEN FABRY-PEROT INTERFEROMETER
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Denis V. Kochkarev
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Sergey L. Shergin
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
The physicotechnical principles of creation hyperspectral video analyzers on base electric driven Fabry-Perot interferometer with nano-sized gaps and technological limits of its manufacturing observed.
Key words: hyperspectral video analyzer, electric driven Fabry-Perot interferometer, nano-sized gap.
Как известно, существует проблема распознавания объектов, отличающихся в некотором узком спектральном диапазоне спектральной яркостью от остальных объектов наблюдаемой сцены. При наблюдении таких объектов современными матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), интегрирующими излучения с разными длинами волн, спектральные яркости изображений объектов усредняются, объём получаемой информации уменьшается. Типичными задачами, при решении которых необходима спектральная избирательность приёма и динамическая перестройка положения максимума спектральной узкой полосы приёма является: - обнаружение наличия и визуализация картины распределения токсичных, взрывчатых и наркотических веществ в атмосфере по их индуцированному подсветкой излучению, в том числе, в местах скопления людей; - обнаружение замаскированных объектов по разнице спектральных характеристик отражения света маскировочными материалами и фоновыми объектами; - наблюдение объектов в солнечно-слепом варианте приёмника с подсветкой излучением с узкой полосой спектра; - обнаружение загрязнений окружающей среды и др. В основе таких спектрально-чувствительных оптико-электронных приборов (ОЭП) лежит использование электрически управляемых перестраиваемых оптических фильтров, устанавливаемых по ходу светового потока, идущего от объекта наблюдения, перед спектрально не избирательным фотоприёмником.
Исследования в области создания многодиапазонных ФПУ с перестройкой положения участка спектрального диапазона приёма проводятся. В работе [1] представлен проект мультиспектрального тепловизора на основе матричного приёмника теплового изображения и интерферометров, установленных под углом Брюстера к оптической оси устройства; тепловизор может быть применен для получения информации о пространственном и спектральном распределении
исследуемых объектов при быстропротекающих явлениях, например, при взрывах, в ИК-области спектра (3-14 мкм); расчётное значение полосы приёма при средней длине волны 10 мкм составляет 0,18 мкм. Для фильтрации светового потока используются интерферометры Фабри-Перо с расстояниями между отражающими поверхностями зеркал, сопоставимыми с длиной волны фильтруемого излучения.
Прибор ночного видения на основе ЭОП фирмы Tenebraex Corp. оснащен парой вращающихся фильтров, в каждом из которых три секции — по числу основных цветов. Тройной фильтр, стоящий перед ЭОП, разделяет цвета. Фильтр, стоящий после ЭОП и вращающийся синхронно с первым, восстанавливает цвета. Быстрое вращение фильтров в сочетании с инерционностью зрения и даёт человеку цветную картинку местности.
В работе [2] представлены результаты разработок гиперспектрального ФПУ, использующего электрически управляемые многолучевые интерференционные фильтры Фабри-Перо с перестройкой полосы пропускания. Общая спектральная область приема изображения лежит в диапазоне (500-900) нм, спектральное разрешение составляет (10-30) нм, угол поля зрения 10°*10°, количество раздельных спектральных полос приёма в спектральной области - более 20. За время одного кадра при стандартной для современных ФПУ частоте развертки фиксируется изображение в «цвете» одной узкой полосы спектра.
Наиболее универсальным подходом для организации многоспектрального приёма (в связи с возможностью компьютерного управления) представляется использование электрически управляемых интерференционных перестраиваемых фильтров. Разработки таких фильтров c большой оптической апертурой известны [2,3], также разрабатываются электрически управляемые дисперсионные фильтры [4], жидкокристаллические фильтры [5,6].
В настоящем сообщении обсуждаются оптические и технологические особенности специализированных МФПУ - видеоанализаторов с возможностью перестройки положения максимума узкой спектральной полосы приёма излучения, идущего от исследуемого объекта, на базе использования электрически управляемых многолучевых интерферометров.
Одним из условий получения узкой спектральной полосы пропускания интерферометра является высокая отражательная способность зеркал и высокая степень параллельности зеркал с сохранением параллельности в процессе управления величиной зазора между ними. Относительная ширина полосы пропускания определяется формулой [15]:
« «JL (1)
к 2 JV'
где Ыэф - эффективное число отражений между зеркалами интерферометра; R -коэффициент отражения зеркал; А,0 - длина волны излучения в вакууме. Для получения ширины пропускания 1 нм при средней длине волны 1 мкм в полосе
пропускания в четвёртом порядке интерференции ( = 2л0) требуется значение Я = 0,987, что достижимо только при использовании диэлектрических зеркал интерферометра, при этом свободный спектральный диапазон составляет Ал = 250 нм; при использовании двадцатого порядка интерференции (с/ = 1 Оа0) свободный спектральный диапазон равен АХ -50 нм, и требуется значение Я = 0,937.
Допустимое отклонение от плоско-параллельности зеркал двухзеркального многолучевого интерферометра определяется формулой:
^^ (2)
и составляет, в случае использования четвёртого порядка (допустимо минимальное значение Мэф =250), 5^/ <0,002?10, а в случае двадцатого порядка -
5й?<0,01Х0
Разность фаз в точек половинной интенсивности в области максимума интерференционной картины связана с эффективным числом отражений Ыэф
уравнением [16]:
2 1-Я 2я
8 =-1=— »-. (3)
При наличии расходимости в падающем на интерферометр световом потоке максимум «размывается», расширяется. Соответствующая ширине максимума допустимая расходимость падающего излучения равна:
1(1
то=7~> (4)
где т0 - порядок интерференции.
Результаты расчёта возможных геометрических и оптических параметров интерференционного многолучевого фильтра приведены в табл. 1. Принятые в таблице обозначения: d - расстояние между зеркалами интерферометра, / -диапазон изменения расстояния при регулировке, Лл0 - величина свободной спектральной области интерферометра, А'Х0 - спектральная ширина диапазона перестройки максимума полосы пропускания интерферометра при изменении положения зеркал, Ы - допустимые отклонения расстояния между зеркалами интерферометра, вызванные неровностями зеркальной поверхности, 8л0 -спектральная ширина полосы пропускания интерферометра.
Из данных табл. следует, что для получения ширины полосы пропускания интерферометра на уровне (1-2) нм и обеспечения высокого значения ширины свободной спектральной области требуется одновременное выполнение условий - коэффициент отражения зеркал Я должен быть не менее (0,937-0,987) при неровности поверхности зеркал порядка 0,002 Х0, при этом интерферометр должен работать в первом - втором порядках интерференции. Следует отметить, что в производственных условиях возможно изготовление оптических поверхностей с неровностями до 0,1 А,0.
Таблица 1
Расчётные параметры оптического интерференционного фильтра
, нм то а, мкм Л^о , нм А'Х0 при / = 500 нм Я ы К 5^о, нм е т мрад
500 20 5,0 25 50 0,9 31,4 0,016 0,80 56
2 0,5 250 500 0.85 20,9 0,024 12,00 220
1000 1 0,5 1000 1000 0,85 20,9 0,024 48,00 З09
2 1,0 500 500 0,85 20.9 0,024 24,00 220
1 0,5 1000 1000 0,9 31,4 0,016 31,80
1000 4 2,0 250 250 0,987 241,7 0,002 1,00 45
4 2,0 250 250 0,9 31,4 0,016 7,96
1000 20 10,0 50 50 0,937 50,0 0,01 1,00 45
20 10,0 50 50 0,9 31,4 0,016 1,60
20 10,0 50 50 0,85 20,9 0,024 2,40
Требования к качеству оптических поверхностей упрощаются при работе интерферометра при более высоких порядках интерференции, то есть, при больших значениях расстояния между зеркалами. При работе с порядком т0 = 20 и при сохранении узкой полосы пропускания допускаются неровности (0,01-0,02)^0. Если требуемое спектральное разрешение 5Х0 = (8... 12)нм, необходимо работать при небольших порядках интерференции, и требования к качеству поверхностей ещё ослабляются.
Авторами найдены технологические решения, позволяющие существенно улучшать качество оптических поверхностей изделий, полученных в производственных условиях [10]. Это позволило разработать базовые конструкции и лабораторные технологии изготовления электрически управляемых интерферометров с перестройкой полосы пропускания [8,11-14].
Схема конструкции такого интерферометра показана на рис. 1.
Интерферометр образован прозрачными пластинами 1 и 2 со слоями зеркальных покрытий 3 и 4 и воздушным зазором между зеркалами. Пластины скреплены между собой пьезокерамическим цилиндром 5 с электродами 6 и 7 с помощью слоя 8 клея.
Рис. 1. Конструкция перестраиваемого интерферометра
Важнейшей конструктивной особенностью устройства является использование между зеркалами 3 и 4 субмикронного эквидистантного воздушного зазора на всей площади оптической апертуры диаметром 10 мм, регулируемого в пределах 0,2...0,4 мкм. Управление величиной воздушного зазора осуществляется изменением управляющего напряжения, приложенного между обкладками 6 и 7 пьезокерамического цилиндра. Чувствительность к приложенному управляющему напряжению длины волны полосы пропускания интерферометра составляет 1,24 нм/В, что позволяет производить перестройку положения полосы пропускания интерферометра в пределах половины октавы; в соответствии с расчётами, возможна перестройка в пределах октавы при использовании первого порядка интерференции.
Проводятся исследования по разработке многолучевых интерферометров с электростатическим приводом перемещения зеркал.
Оптическая схема гиперспектрального видеоанализатора на основе электрически управляемого интерферометра с перестройкой линии максимума полосы пропускания показана на рис. 2.
Объект Промежуточное Интерференционные Матрица
наблюдения Объектив изоброжение зеркала фотоприемника
' 1 гх > к ль г- кг- — 4Л2 1
г — ...... > _
Рис. 2. Оптическая схема гиперспектрального видеоанализатора на основе электрически управляемого интерферометра с перестройкой линии максимума
полосы пропускания
Интерферометр установлен между двумя линзами Л1 и Л2 с одинаковыми фокусными расстояниями В передней фокальной плоскости линзы Л1 формируется объективом с фокусным расстоянием ^ промежуточное изображение объекта наблюдения, в задней фокальной плоскости линзы Л2 устанавливают фотоприемную матрицу; оптическое увеличение интерференционного блока системы с указанными линзами равно единице, высоты промежуточного изображения и крайнего элемента матрицы ^матр равны между собой.
Свет от осевых точек промежуточного изображения после линзы Л1 распространяется параллельно оптической оси; лучи от крайних точек после линзы Л2 наклонены к оси, что приводит к некоторой разнице в цветовой передаче средней и крайних частей изображения. Максимальное значение расходимости 9ннт излучения в пространстве интерферометра (после прохождения линзы) уменьшается с увеличением фокусного расстояния линз:
О инт т^ V /
2
В случае выполнения равенства 0ннт = 0т существует сдвиг спектра пропускания интерферометра от середины изображения к его краям на величину, равную ширине полосы пропускания, что диктует использование длиннофокусной оптики.
При величине эффективного диаметра Врр интерферометра относительное отверстие объектива гиперспектрального видеоанализатора равно:
^ _ ^ЛУ _ Ррр ^-ё^мнт
~ ^ ~ И '
2 матр
Размеры угла поля зрения интерференционного блока определяются из выражения [9]:
2о' = 2 .(7)
Угол поля зрения наблюдательного устройства определяется из выражения:
= (8)
где ^ и ^ - фокусные расстояния объектива наблюдательного устройства и линзы интерференционного блока, соответственно.
При размере матрицы приёмника 2Нм = 5 мм получим для значений
0га = 5О...2ОО мрад величину фокусного расстояния линз > (50... 12,5) мм
(см. таблицу). Учитывая ограниченное значение свободной спектральной области интерферометра Фабри-Перо, перед интерферометром необходимо уста-
новить полосовой пропускающий оптический фильтр с шириной полосы 500 нм при работе интерферометра во втором порядке интерференции и шириной полосы 250 нм при работе в четвёртом порядке (А,0 = 1000 нм).
При частоте кадровой развертки 25...50 Гц каждый кадр может быть сформирован на своей длине волны, последовательность кадров несёт информацию об спектральном составе излучения от объекта; спектральный состав отраженного от объекта света или света флуоресценции под действием ультрафиолетовой подсветки объекта подвергается компьютерной обработке для выявления спектральных особенностей в изображении.
Таким образом, рассмотрены физико-технические принципы и технологические ограничения создания специализированных ФПУ с возможностью перестройки линии максимума спектральной полосы приёма на базе электрически управляемых интерферометров Фабри-Перо. Показана возможность получения значений электрически перестраиваемой спектральной полосы приёма оптического изображения в видимом и ближнем ИК-диапазонах порядка 1.12 нм, при ширине диапазона перестройки от 50 нм до октавы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Свиридов А. Н. Мультиспектральный тепловизор // Прикладная физика. - 2007. -№5. - С. 107-114.
2. Saari, H.; Antila, J.; Holmlund, C.; Mannila, R.; Makynen, J.; Viherkanto, K. Fabry-Perot Interferometer Hyperspectral Imaging Technology Transfer to Space Applications. 8th ESA Round Table on Micro and Nano Technologies for Space Applications. Session 6: Optical Sensors & Actuators VTT Technical Research Centre of Finland - 10/22/2012.
3. K. Hsu, and R. Cormack, "Tunable optical filters for dynamic networks," Proceedings of53rd Electronic Component and Technology Conference, pp. 776 - 781, May 27-30, 2003.
4. Дик В.П., Лойко В.А. Электроуправляемые дисперсионные фильтры видимого и среднего инфракрасного диапазонов спектра / Оптический журнал. - 2012. - Т.79, вып.7. -С.29-34.
5. Hirabayashi K., Tsuda H., Kurokawa T. Tunable wavelength selective liquid crystal filters for 600 channel FDM systems // IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 4, no. 6, pp. 597-599, 1992.
6. S. Matsumoto, K. Hirabayashi, S. Sakata, T. Hayashi "Tunable wavelength filter using na-no-sized droplets of liquid crystal/ IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no.4, pp. 442-444, 1999.
7. US Patent 20090040616 A1 / Fabry-perot piezoelectric tunable filter / Pinyen Lin, Peter M. Gulvin, Yao Rong Wang, Lalit Keshav Mestha, aug. 7, 2007.
8. Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Никулин Д. М. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52. -№ 6. - С. 63-68.
9. Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1992. - 448 с.
10. Пат. 2485558 РФ, G02B 5/28. Способ получения равномерных нанозазоров между поверхностями тел / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин. - № 2012102627/28 ; за-явл. 25.01.2012 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
11. Пат. 2399935 РФ, МПК G 02 B 5/28, G 01 J 3/26. Интерференционный светофильтр с перестраиваемой полосой пропускания / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, А. Е. Чесноков. - № 2008112913/28 ; заявл. 03.04.2008 ; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26.
12. Пат. 2388025 РФ, МПК G 02 В 5/28. Способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри-Перо / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин,
A.Е. Чесноков. - № 2008130196/28; заяв. 21.07.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12.
13. Пат. 2485456 РФ, МПК ООН 3/26 О01Б 9/02. Интерференционный монохраматор /
B. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин. - № 2012102665/28 ; заявл. 25.01.2012 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.
14. Никулин Д. М. Разработка и исследование перестраиваемых микромеханических интерференционных оптоэлектронных приборов для спектрального анализа. Автореферат диссертации на соискание степени к.т.н. - Новосибирск: СГГА, 2012.
15. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. - М.: МГУ, 1998. - 656 с.
16. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970. - 855 с
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. В. Кочкарев, Д. М. Никулин, С. Л. Шергин, 2015
