АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ВИДЕОМОНОХРОМАТОР ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01J3/12 

Изобретение относится к прикладной оптике и может быть использовано для получения спектральных оптических изображений (spectral imaging).

Известны видеомонохроматоры, которые выделяют из светового луча, приходящего от объекта наблюдения, излучение в узком спектральном интервале (задаваемом произвольно). В тех случаях, когда спектральные характеристики объекта в этом спектральном интервале связаны с физико-химическими или другими свойствами объекта, регистрируемое пространственное распределение излучения, прошедшего через видеомонохроматор, позволяет судить о распределении упомянутых свойств объекта.

Такие видеомонохроматоры создаются как на основе набора интерференционных фильтров, так и на основе перестраиваемых фильтров, акустооптических и жидкокристаллических (H.R.Morris, C.C.Hoyt, P.J.Treado. Appl. spectroscopy, 1994, v.48, No.7, p.857-865. Imaging spectrometers for fluorescence and Raman microscopy: acousto-optic and liquid crystal tunable filters). При последовательной перестройке фильтров по длине волны можно регистрировать спектры всех точек объекта, что является целью видеоспектрометрии (imaging spectroscopy). Основные области применения акустооптических видеомонохроматоров - спектрометрия микрообъектов (P.J.Treado, I.W.Levin, E.N.Lewis. Appl. spectroscopy, 1992, v.46, No.3, p.553-558. Near-infrared acousto-optic spectroscopic microscopy: a solid state approach to chemical imaging) и удаленных объектов: планет (D.A.Glenar, J.J.Hillman, B.Saif, J.Bergstralh. Appl.Opt, 1994, v.33. No. 31, p.7412-24. Acousto-optic imaging spectropolarimetry for remote sensing), атмосферы Земли (D.F.Flanigan. Appl. Optics, 1997, v.36, No.27, p.7027-36. Hazardous cloud imaging: a new way of using passive infrared). При этом регистрируемое излучение может быть как собственным свечением объекта, так и формироваться путем отражения, пропускания, рассеяния света от внешнего (искусственного или природного) источника.

Известны различные конструкции акустооптических видеомонохроматоров для фильтрации оптических изображений, содержащие только один акустооптический фильтр (US №5377003, опубл. 1994 г.), (D.A.Glenar, J.J.Hillman, B.Saif, J.Bergstralh. Appl.Opt., 1994, v.33. No.31, p.7412-24. Acousto-optic imaging spectropolarimetry for remote sensing).

Акустооптический (АО) фильтр для фильтрации изображений содержит акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, т.е. поляризаторами, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, так что свет не проходит через систему.

АО ячейка представляет собой одноосный кристалл, к которому присоединен высокочастотный (ВЧ) излучатель звуковых волн, позволяющий возбуждать в кристалле звуковую волну регулируемой частоты. Одна из компонент светового пучка, падающего на кристалл, длина волны которой соответствует условию Брегга дифракции на звуковой волне, изменяет в результате дифракции направление своего распространения и свою поляризацию. Вследствие того, что направление поляризации дифрагированного светового пучка перпендикулярно направлению поляризации падающего светового пучка, только указанный дифрагированный световой пучок проходит через АО фильтр, чем и обеспечивается спектральная фильтрация света. Плоскость, задаваемая оптической осью кристалла и направлением распространения звуковой волны, является плоскостью дифракции, поскольку именно в этой плоскости лежат падающий и дифрагированный (отклоненный) световые лучи.

АО видеомонохроматоры характеризуются функцией пропускания Т(λ), которая определяет коэффициент пропускания света на любой длине волны λ. Одной из главных характеристик акустооптических видеомонохроматоров является спектральный контраст С, равный отношению коэффициента пропускания Т₀ основного максимума (полосы пропускания) к наибольшему из боковых максимумов Т_макс:

C=T₀/T_макс.

Для АО фильтра максимальным является ближайший, первый максимум (и симметричный «минус первый» максимум), т.е. Т_макс=T₁. Видеомонохроматор с более высоким спектральным контрастом обеспечивает более низкий уровень излучения, проходящего вне полосы пропускания, и соответственно лучшее качество фильтрации.

Следует отметить, что форма функции пропускания и величина боковых максимумов, а значит и спектральный контраст, зависят от мощности звука, возбуждаемого в АО фильтре: при малой мощности, когда максимальный коэффициент пропускания невысок Т₀<50% (режим низкой рабочей эффективности дифракции), контраст выше (С=21), чем при большой мощности (С=9), когда максимальный коэффициент пропускания достигает предела Т₀≈100% (режим высокой рабочей эффективности дифракции).

Ограничением АО видеомонохроматоров, содержащих один акустооптический фильтр (АОФ), является недостаточно высокий для некоторых задач спектральный контраст.

Кроме того, основным ограничением таких видеомонохроматоров является наличие дисперсионных искажений изображения, вызванных преломлением на выходной грани кристалла АО ячейки. Это приводит к смещению и изменению масштабов изображения на разных длинах волн. Смещение видеоизображения усложняет их последующую регистрацию фотоприемной матрицей (или другим регистрирующим оборудованием), поскольку требует применения дополнительной подстройки для совмещения регистрируемых кадров на разных длинах волн, а изменение масштабов требует последующей обработки изображения для воссоздания истинных пропорций объекта.

Спектральный контраст можно улучшить, используя двойной акустооптический монохроматор (ДАОМ), содержащий два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом второго акустооптического фильтра (Мазур М.М. и др. Оптика и спектроскопия, том 67, вып.3, 1989 г. Двойной акустооптический монохроматор на CaMoO₄), (Мазур М.М. и др. Оптика и спектроскопия, том 81, вып.3, 1996 г. Спектрометр с двойным акустооптическим монохроматором).

Двойная монохроматизация излучения, при которой излучение пропускают последовательно через пару АО фильтров позволяет повысить спектральный контраст. При этом функция пропускания T^пар(λ) пары АО фильтров определяется формулой:

T^пар(λ)=[T^од(λ)]²,

где T^од(λ) - функция пропускания одиночного фильтра.

Контраст возрастает С^пар=(С^од)²≫C^од, где индекс "од" относится к одиночному АО фильтру, а "пар" - к паре одинаковых АО фильтров.

Кроме того, такая двойная фильтрация позволяет уменьшить ширину основного максимума примерно на 30%. В результате у монохроматора, состоящего из пары одинаковых АО фильтров, контраст составляет С=74 при высокой рабочей эффективности монохроматора (Т₀≈100%) и С=450 - при низкой (Т₀<50%).

Однако ДАОМ ранее использовались только в акустооптических спектрометрах и газоанализаторах с высокой чувствительностью, в которых АО ячейки, например, выполнены на основе кристаллов молибдата кальция (CaMoO₄), и ДАОМ не применялись для фильтрации оптических изображений в видеоспектрометрии, например в спектрометрии микрообъектов и удаленных объектов. Свойства двойных акустооптических видеомонохроматоров (ДАОВМ) ранее не исследовались.

Наиболее близким техническим решением является акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений, содержащий первый акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным, и элемент для компенсации дисперсии, установленный по ходу светового луча за первым акустооптическим фильтром, причем выход акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом элемента для компенсации дисперсии (US №5796512, опубл. 1998 г.).

Спектральный контраст этого устройства, однако, не выше, чем у вышеописанных видеомонохроматоров с одним АОФ.

В качестве элемента для компенсации дисперсии в этом техническом решении использована дополнительная призма, располагающаяся после АО фильтра. Однако наличие призмы позволяет компенсировать дисперсионные искажения только в узком спектральном интервале, поскольку закон дисперсии для призмы и АОФ различен.

Решаемая настоящим изобретением задача - повышение качества (эффективности) фильтрации и, как следствие, повышение качества распознавания и идентификации видеообъектов и их структурных частей.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - увеличение спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений, а также увеличение спектрального контраста.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в акустооптическом видеомонохроматоре для фильтрации оптических изображений, содержащем первый акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным, и элемент для компенсации дисперсии, установленный по ходу светового луча за первым акустооптическим фильтром таким образом, что выход акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом элемента для компенсации дисперсии, согласно изобретению в качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным из такого же кристалла и с геометрической формой, идентичной упомянутому первому акустооптическому фильтру, причем второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции первого акустооптического фильтра.

Следует отметить, что АО фильтры могут быть выполнены также и по бесполяризаторной схеме - в этом случае отделение дифрагированного (отфильтровываемого) пучка от недифрагированного происходит благодаря отклонению первого пучка от направления распространения второго. При этом недифрагированный пучок может быть задержан диафрагмой.

Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы второй акустооптический фильтр был установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 180 градусов.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 схематично изображает заявленное устройство, где символами «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход АО фильтров;

Фиг.2 схематично изображает для сравнения одинарный АО видеомонохроматор, содержащий один АО фильтр для фильтрации изображений;

Фиг.3 изображает нормированную функцию пропускания (в логарифмическом масштабе) двойного и одинарного АО монохроматоров, содержащих одинаковые АО фильтры, при низкой рабочей эффективности дифракции;

Фиг.4 изображает нормированную функцию пропускания (в логарифмическом масштабе) двойного и одинарного АО монохроматоров, содержащих одинаковые АО фильтры, при высокой рабочей эффективности дифракции.

Акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений (фиг.1) содержит первый АОФ 1, выполненный неколлинеарным, и элемент 2 для компенсации дисперсии. Элемент 2 установлен по ходу светового луча за первым АОФ 1, а выход первого АОФ 1 оптически связан с оптическим входом элемента 2 для компенсации дисперсии. В качестве элемента 2 для компенсации дисперсии использован второй АОФ, выполненный неколлинеарным с геометрической формой, с размерами и с кристаллом, идентичными упомянутому первому АОФ 1. Второй АОФ установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого АОФ 1 на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого АОФ 1.

Для более точной передачи видеоизображения без изменения его масштабов и местоположения из-за дисперсии второй акустооптический фильтр может быть установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого АОФ 1 на 180 градусов.

Работает устройство (фиг.1) следующим образом.

ДАОВМ позволяет устранить дисперсионные искажения благодаря тому, что оптический путь, проходимый светом в кристалле второго АОФ для всех длин волн в широкой полосе частот эквивалентен пути, проходимому в кристалле первого АОФ 1. Это приводит к автоматической компенсации дисперсионных искажений. Как показали исследования, передача видеоизображения без видимого наблюдения изменения его местоположения и масштабов осуществляется при повороте второго АОФ относительно геометрической формы первого АОФ 1 на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого АОФ 1, т.е. в пределах ±3° относительно разворота в 180°. Чем точнее установлен второй АОФ относительно первого с поворотом его геометрической формы на 180° (так, чтобы продольные оси АО ячеек были параллельны), тем точнее передача видеоизображения без искажений.

Как показали эксперименты и испытания, эффект сохранения масштабов и формы видеоизображения наблюдается в диапазоне от углов разворота второго АО фильтра относительно АОФ 1 от 177 до 183 градусов. Первый и второй АОФ выполнены с одинаковой геометрической формой и размерами из кристаллов парателлурита (TeO₂).

Для сравнения на фиг.2 показан видеомонохроматор, содержащий один неколлинеарный АО выполненный из кристалла парателлурита (TeO₂) фильтр для фильтрации изображений. Обозначение элементов соответствует фиг.1. Сплошными стрелками и пунктирными обозначен ход лучей для разных длин волн света. После дифракции в АОФ 1 вследствие дисперсии направления распространения лучей расходятся и изображения на разных длинах волн фокусируется на фотоприемную матрицу в разных местах. В отличие от одинарного АО видеомонохроматора в двойном АО видеомонохроматоре (фиг.1) вследствие дифракции во втором АО фильтре направление распространения лучей для разных длин волн света на выходе из АО фильтра (элемента 2) становятся параллельными, а изображения фокусируются в одно и то же место фотоприемной матрицы.

На фиг.1 также показаны дополнительные элементы: входной поляризатор 3, промежуточный поляризатор 4 и выходной поляризатор 5, линза 6 и матрица 7 фотоприемников (или видеокамера), устанавливаемые в видеомонохроматоре по ходу лучей обычным образом. Промежуточный поляризатор 4 выполняет функцию выходного поляризатора для АОФ 1 и одновременно входного поляризатора для второго АОФ. Входной поляризатор 3 и выходной поляризатор 5 предназначены, как и в одиночном АО фильтре, для выделения дифрагированного светового излучения. Для этого их оси поляризации расположены ортогонально к оси поляризации промежуточного поляризатора 4. Для формирования и выделения светового потока могут быть использованы и другие элементы, а также, например, бесполяризационные схемы фильтрации.

Так как используемые АОФ идентичны, то, как показывают расчеты и эксперименты, боковые максимумы АО фильтров уменьшаются и, соответственно, увеличивается спектральный контраст пропускания видеомонохроматора. Устройство обеспечивает увеличение спектрального контраста в 2-4 раза по сравнению с видеомонохроматором, выполненным на одном АОФ 1. Это иллюстрируется графиками, приведенными на фиг.3 и 4.

На этой фигуре 3 приведены функции пропускания двух разных монохроматоров при низкой рабочей эффективности дифракции (Т₀=30%). Кривая 1 соответствует ДАОВМ, состоящему из пары одинаковых фильтров. Кривые приведены в логарифмическом масштабе и нормированы на максимальный коэффициент пропускания. По оси абсцисс отложена (в произвольных единицах) отстройка длины волны падающего излучения от длины волны, на которую настроен видеомонохроматор. Для сравнения приведена функция пропускания одинарного АО фильтра (кривая 2). Контраст ДАОВМ в этом случае составляет С=1750, что почти в 4 раза превышает контраст одинарного АОФ.

На фиг.4 приведены функции пропускания таких же монохроматоров при эффективности дифракции Т₀=100%. Кривая 1 соответствует ДОАВМ, состоящему из пары одинаковых фильтров. Для сравнения приведена функция пропускания одинарного АО фильтра (кривая 2). Контраст ДАОВМ в этом случае составляет С=300, что более чем в 4 раза превышает контраст одинарного АОФ.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение контраста в 2 и более раз по сравнению с видеомонохроматором, использующим один АО фильтр.

Кроме того, испытания показали, что величина первого бокового максимума при низкой эффективности дифракции, составлявшей 30%, равна приблизительно 0,1%, а при высокой, составлявшей 80%, - около 0,4%, что отвечает величине контраста С=1000 и С=250 соответственно.

Наиболее успешно заявленный двойной акустооптический видеомонохроматор (ДАОВМ) для фильтрации изображения промышленно применим в акустооптических видеоспектрометрах и устройствах спектрального отображения.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит первый акустооптический фильтр и элемент для компенсации дисперсии. В качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным с геометрической формой и с кристаллом идентичными упомянутому первому акустооптическому фильтру. Второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого акустооптического фильтра. Технический результат - увеличение спектрального контраста. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений, содержащий первый акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным, и элемент для компенсации дисперсии, установленный по ходу светового луча за первым акустооптическим фильтром, причем выход первого акустооптического фильтра оптически связан с оптическим входом элемента для компенсации дисперсии, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй акустооптический фильтр, выполненный неколлинеарным с геометрической формой и с кристаллом, идентичными упомянутому первому акустооптическому фильтру, причем второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 177-183 градуса вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого акустооптического фильтра.2. Акустооптический видеомонохроматор по п.1, отличающийся тем, что второй акустооптический фильтр установлен с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого акустооптического фильтра на 180 градусов.