Очень важно выбрать такой размер зеркала, при котором отсутствует виньетирование. Если подслеживающее зеркало не является апертурной диафрагмой, то величина входного зрачка системы изменяется в процессе сканирования, что приводит к необходимости заметно увеличивать габариты отдельных компонентов. Одним из путей решения возникающей проблемы является использованием конденсора (линзы Релея) для переноса положения апертурной диафрагмы на сканирующее зеркало. Однако, такая оптическая схема не является оптимальной, поскольку она достаточна сложна за счет применения конденсора с увеличением 1х для сопряжения приемного объектива с интерферометром или другим диспергирующим устройством, имеет повышенные габариты и массу, требует усложненной юстировки.
Более оптимальной является оптическая схема (рис.14), в которой используется приемный телескопический объектив 1 в сочетании с однотипным телескопическим объективом меньшего увеличения 3, используемым в качестве конденсора (линзы Релея), а апертурная диафрагма совмещается с оправой сканирующего зеркала 2. Хотя при этом размер зеркала может увеличиться в число раз, равное увеличению второго телескопического объектива, однако крутящий момент зеркала остается во вполне достижимых пределах.
4. Томографические видеоспектрометры
Обобщенная структурная оптическая схема компьютерного томографического видеоспектрометра соответствует приведеной на рис.10. Приемный объектив строит изображение просматриваемой сцены. После прохождения полевой диафрагмы излучение коллимируется и проходит на диспергирующую систему, которой помимо традиционных элементов и устройств (узкополосные фильтры, призмы, Фурье-спектрометры и др.) может быть компьютерная голографическая система. Затем разложенное в спектр (на отдельные спектральные составляющие) изображение переносится с помощью специального объектива на чувствительный слой матричного МПИ в виде совокупности дифракционных порядков, соответствующих отдельным спектральным составляющим первоначального изображения. Разным углам дифракции соответствуют различные составляющие (порядки дифракции). Реконструкция трехмерного изображения из последовательности двумерных проекций наблюдаемой сцены осуществляется с помощью достаточно мощного компьютера. Чем больше формат МПИ (число его пикселов), тем лучше пространственное и спектральное разрешение всей системы.
В [77] описывается компьютерный томографический видеоспектрометр (Computed Tomographic Imaging Spectrometer - CTIS), работающий в видимой области спектра. В качестве диспергирующей системы в нем используются фазовая дифракционная решетка, получаемая с помощью голографического травления, управляемого компьютером. В пластинке из полиметилакрилата электронным лучом вытравливаются ячейки разной глубины, т.е. для каждой ячейки фаза проходящего излучения различна. Каждая ячейка состоит из целого числа q квадратных пикселов («фазелов»). Фазовая задержка излучения с длиной волны л для толщины d диспергирующего элемента равна
где nл - показатель преломления материала решетки.
При изготовлении фазовой голографической решетки дифракционное изображение локализуется на матричном МПИ. Затем вычисляется обратное Фурье-преобразование и определяется глубина электронного травления, необходимая для реализации требуемых фазовых задержек.
Ограничения спектрального и пространственного разрешения таких томографических видеоспектрометров связаны с возможным наложением различных порядков дифракции друг на друга в плоскости чувствительного слоя МПИ. Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование разделения приходящего излучения с помощью призм или фильтров на различные МПИ, т.е. на приемники с различной спектральной чувствительностью в рабочих диапазонах системы. В [77] предлагается использование монолитного приемника с трехцветными пикселами, состоящими из элементов (субпикселов), чувствительных в различных областях видимого спектра.
Томографическая моногодиапазонная ОЭС (хромотомографическая ОЭС), описанная в [103], состоит из телескопической системы 1, диспергирующей призмы (призмы «прямого видения») 2, объектива 3, матричного МПИ 4 и электронного блока обработки информации 5, реализующего принятый в томографии алгоритм обработки сигналов (рис.15). Параметры призмы 2 подбираются таким образом, что в ее «нулевом» положении (главное сечение призмы совпадает с меридиональной плоскостью - плоскостью рисунка) излучение на какой-то одной (центральной) длине волны о проходит через призму без отклонения (не диспергируя), а излучение на других длинах волн (на рис.15 1 и 2) диспергирует, т.е. отклоняется. Иначе говоря, ахроматизация производится для одной длины волны 0. Спектры излучения наблюдаемых точечных источников, получаемые с помощью составной призмы прямого видения 2, объективом 3 проецируются в виде прямых линий на чувствительный слой МПИ 4.
Очевидно, что спектральное разрешение такой системы во многом определяется линейной дисперсией призмы 2 и размерами пикселов МПИ 4. Поскольку выборка отдельных спектральных составляющих осуществляется с помощью пикселов конечных размеров, при калибровке системы необходимо учитывать вид импульсных реакций наблюдаемых точечных излучателей и функцию, описывающую двумерное распределение чувствительности пиксела МПИ, или их пространственно-частотные спектры. При свертке этих функций, характеризующей сигналы на выходе пикселов МПИ, возможны искажения этих сигналов (наложение спектральных составляющих друг на друга) из-за превышения частоты Найквиста [11], т.е. нарушение строгого соответствия между спектром, полученным на выходе диспергирующего элемента, и сигналами на выходе МПИ.
Призма 2 вращается вокруг оптической оси системы, поэтому в течение одного кадра ось дисперсии и отдельные спектральные составляющие изображения совершают круговые движения, причем радиусы образующихся окружностей зависят от длин волн этих составляющих, т.е. от дисперсии призмы 2. С помощью алгоритмов, принятых в компьютерной томографии, можно реконструировать изображение наблюдаемой сцены, как во всем широком спектральном рабочем диапазоне системы, так и в отдельных узких спектральных диапазонах, т.е. получить спектральные «срезы» изображения.
Вместо призмы 2 могут использоваться и другие диспергирующие элементы, например, дифракционные решетки, обладающие свойством «прямого видения» монохроматического излучения с длиной волны 0.
Одной из важных проблем, возникающих при работе такой системы, является разделение спектров излучения, соответствующих разным источникам, например, точечному объекту и наблюдаемому одновременно неоднородному («пестрому») фону. Для решения этой проблемы в [105] предлагается вычитать из сигналов (кадра), образующихся при наличии в угловом поле системы объекта и фона, сигналы, соответствующие кадру, в котором содержится только фон.
Особенности калибровки и юстировки томографических видеоспектрометров рассматриваются в [105].
Примерами практического использования рассматриваемой системы являются спектральный анализ достаточно яркой вспышки точечного излучателя, а также определения пространственного положения и длины волны излучения монохроматического источника, например лазера [65,105].
В случае яркой вспышки, создаваемой точечным излучателем с координатами х и у, спектр излучателя представляется в виде двух прямых линий, образующихся при совпадении главного сечения призмы прямого видения с направлением осей x и y. Пересечение этих линий определяет положение излучателя, т.е. его пространственные координаты.
Спектр и положение монохроматического излучателя образуют совокупность точек, получаемых в отдельных кадрах, - окружность, центр которой определяет координаты источника, а радиус пропорционален длине волны излучения.
5. Спектрополяриметрические многодиапазонные оптико-электронные системы (видеоспектрополяриметры)
В последнее десятилетие появились сведения о разработке малогабаритных и быстродействующих спектрополяриметрических ОЭС, обеспечивающих хорошее спектральное разрешение в широком оптическом диапазоне - от УФ до длинноволнового ИК. Во многом интерес к таким системам вызван тем, что поляризационные характеристики объектов искусственного происхождения (военная техника, сооружения, дороги и т.д.) заметно отличаются от тех же характеристик естественных объектов (растительность, почва и т.д.) своей упорядоченностью, т.е. часто могут считаться детерминированными, а не случайными. Излучение, идущее от плоских участков поверхностей объектов искусственного происхождения, имеет гораздо более высокую степень линейной поляризации, нежели излучение участков естественного фона. Было найдено, что это явление более устойчиво наблюдается в длинноволновом ИК-диапазоне и слабее выражено в средневолновом ИК-диапазоне [20].
Комбинируя возможности обнаружения и распознавания объектов по их поляризационным и спектральным (излучательным и отражательным) характеристикам, удается достичь хороших результатов при селекции различного рода объектов искусственного происхождения на сложных естественных фонах. Несмотря на некоторое уменьшение величины сигнала из-за ввода в состав оптической схемы таких ОЭС поляризационных элементов отношение сигнал-фон в них увеличивается, по сравнению с ОЭС, выделяющими неполяризованные оптические сигналы.
Напомним, что в декартовой системе координат электрическая составляющая электромагнитного излучения с волновым фронтом, распространяющимся в направлении z, описывается двумя ортогональными составляющими Ex(z,t) и Ey(z,t) - функциями координаты z и времени t. Составляющая Ey(z,t) может иметь фазовую задержку е относительно Ex(z,t). При е=0 излучение линейно поляризовано. Состояние поляризации можно описать с помощью четырех параметров - составляющих вектора Стокса:
S0=I(0о,0о) + I(90о,0о),
S1=I(0о,0о) - I(90о,0о),
S2=I(45о,0о) - I(135о,0о),
S3=I(45о,90о) - I(135о,90о).
В этих выражениях I - мощность излучения для различных углов поляризации (первый аргумент в круглых скобках) и фазовых задержек е (второй аргумент). Значение е=90о в S3 соответствует вводу в ход лучей четвертьволновой фазовой пластинки.
Степень поляризации вычисляется как
D=(S12+S22+S32)1/2/S0
и азимутальный угол линейной поляризации равен
=(1/2)arctg(S2/S1)
Зная D и , можно осуществить селекцию тех или иных объектов.
В схему видеоспектрополяриметра, во многом аналогичную той, что приведена на рис.10, после коллиматора вводятся поляризационные устройства, выделяющие отдельные составляющие четырехэлементного вектора Стокса, описывающие его зависимость от длины волны или волнового числа, которые затем через поляризаторы попадают на диспергирующую систему. При этом излучение проходит сначала через две фазовых пластинки первого порядка и линейные анализаторы. После поляризаторов спектр прошедшего через них излучения записывается спектрометром. Основная ось первой фазовой пластинки совпадает с осью пропускания поляризатора, а у второй фазовой пластинки она составляет 450 с этой осью. Записанный спектр является суперпозицией компонентов спектров вектора Стокса входящего оптического сигнала, в которых коэффициенты являются синусоидальными составляющими, зависящими от фазовых сдвигов, создаваемых фазовыми пластинками. Этот процесс можно представить как модуляцию проходящего излучения спектральными составляющими компонентов вектора Стокса. При надлежащем выборе несущих частот, т.е. надлежащем выборе толщины и материала пластин, эти спектральные составляющие будут разделены в частотной области.
Описанный в [123] прибор CTICS (Computed Tomography Imaging Channeled Spectropolarimeter) позволяет получать с помощью голографической диспергирующей системы информацию о пространственной (двумерной) и спектральной структуре изображения, реконструируемой путем принятых в компьютерной томографии алгоритмов, а также о четырех составляющих вектора Стокса, определяющих состояние поляризации.
Среди приборов, предназначенных для определения поляризационных характеристик объектов в различных узкополосных спектральных диапазонах, можно отметить системы, основанные на использовании акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ) [37,45,76]. Такие системы имеют малые габариты, могут быстро настраиваться и перестраиваться (за десятки микросекунд), в них нет движущихся механических частей, они могут работать в полевых условиях без каких-либо сложных платформ или оснований. Они допускают гибкую компоновку конструкций: либо с использованием двух раздельных оптических каналов, в которых одновременно строятся раздельные ортогонально поляризованные изображения, либо с единой схемой построения изображения и последовательным изменением состояния его поляризации.
Физический механизм работы акустооптических ячеек (модуляторов) неоднократно описывался в литературе [4,14 и др.]. В АОПФ к двоякопреломляющему кристаллу приложено переменное напряжение с частотой радиодиапазона, которое создает в кристалле акустические волны, образующие в объеме кристалла движущуюся дифракционную решетку. Центральная длина дифрагированной волны л в полосе длин волн Дл (полосе пропускания АОПФ) такой ячейки и значение Дл могут быть рассчитаны по следующим формулам:
где - скорость распространения звука в двоякопреломляющем кристалле размера L, n - разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, f - длина акустического взаимодействия, i - угол падения пучка лучей относительно оптической оси кристалла.
В кристаллах с коллинеарной конфигурацией (кварц, ниобат лития и др.) падающее на кристалл и затем дифрагирующее излучение имеют то же направление, что и направление движения акустических волн. Векторы (состояния) поляризации падающего (входного) и дифрагирующего пучков лучей ортогональны, и пучки разделяются с помощью поляризаторов. В неколлинеарных схемах (с кристаллами TeO2, Hg2Cl2 и др.) падающий и дифрагирующий пучки распространяются под некоторым углом к направлению распространения акустических волн. После прохождения дифракционной решетки пучки, соответствующие разным порядкам дифракции (верхний и нижний дифрагирующий пучки), имеют ортогональные направления векторов поляризации и могут быть отделены друг от друга и от недифрагирующей составляющей излучения с помощью пространственно разнесенных диафрагм или заслонок.