АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МОНОХРОМАТОР ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01J3/12 G02F1/33 

Изобретение относится к технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии).

Известны различные конструкции акустических видеомонохроматоров для фильтрации оптических изображений, содержащие акустооптический фильтр (US №5377003, опубл. 1994 г.; D.A. Glenar, J.J. Hillman, В. Safb, J. Bergstralh. Appl. Opt, 1994, V.33, №33, 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 в отсутствие управляющего высокочастотного ВЧ-сигнала не проходит через систему.

АО ячейка представляет собой одноосный кристалл, к которому присоединен высокочастотный (ВЧ) излучатель ультразвуковых волн, позволяющий возбуждать в кристалле ультразвуковую волну регулируемой частоты. Одна из компонент светового пучка, падающего на кристалл, длина волны которой соответствует условию дифракции Брэгга на звуковой волне, изменяет в результате дифракции направление своего распространения и свою поляризацию.

Вследствие того, что направления поляризации продифрагировавшего и падающего световых пучков взаимно ортогональны, только указанный продифрагировавший световой пучок проходит через АО фильтр при наличии управляющего ВЧ-сигнала, чем и обеспечивается спектральная фильтрация света, т.е. взаимнооднозначное соответствие между частотой управляющего ВЧ-сигнала и длиной волны продифрагировавшего светового пучка.

Плоскость, задаваемая оптической осью кристалла и направлением распространения волнового вектора ультразвуковой волны, является плоскостью дифракции, поскольку именно в этой плоскости лежат падающий и продифрагировавший световые лучи.

Основным недостатком указанного АО видеомонохроматора является наличие дисперсионных искажений изображения, вызванных преломлением продифрагировавшего светового пучка на выходной грани кристалла АО ячейки, что проявляется в зависимости пространственного положения продифрагировавшего пучка от длины волны излучения. Это приводит к смещению и изменению масштабов изображения на разных длинах волн. Смещение видеоизображения усложняет его последующую регистрацию и обработку 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.

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

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.

В другом близком техническом решении в качестве элемента для компенсации дисперсии использован второй АО фильтр, идентичный первому АО фильтру и установленный с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого АО фильтра на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого АО фильтра (RU 2258206, опубл. 10.08.2005).

Призма и второй АО фильтр являются дополнительными элементами, что приводит к увеличению стоимости всего устройства. Необходимость совмещения оптического выхода акустооптического фильтра с оптическим входом дисперсионной призмы или второго АО фильтра приводит к усложнению настройки устройства.

Решаемая настоящим изобретением задача - упрощение и удешевление конструкции видеомонохроматора. Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка акустооптического видеомонохроматора с возможностью увеличения спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в акустооптическом монохроматоре для фильтрации оптических изображений, содержащем неколлинеарный акустооптический фильтр, согласно изобретению в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки, повернутая в плоскости дифракции акустооптического фильтра на угол φ по отношению к входной грани кристалла акустооптической ячейки фильтра.

Величина угла φ зависит от спектрального диапазона акустооптического монохроматора, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле акустооптической ячейки, а также оптических свойств этого кристалла.

Угол φ имеет значение, при котором спектральный дрейф угла дифракции в АО ячейке максимально компенсируется спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани, так что спектральный угловой дрейф продифрагировавшего светового пучка не превышает его дифракционной расходимости, либо углового размера пикселя фотоматрицы.

Следует отметить, что АО фильтр может быть выполнен также и по бесполяризационной схеме - в этом случае осуществляется пространственное разделение продифрагировавшего (отфильтрованного) пучка от непродифрагировавшего благодаря отклонению направления распространения первого пучка от направления распространения второго.

С этой целью может быть использована диафрагма, пропускающая только продифрагировавший пучок и блокирующая непродифрагировавший.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются прилагаемыми фигурами.

Фиг.1 схематично изображает заявленное устройство, где символом «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход АО-фильтра.

Фиг.2 схематично изображает для сравнения АО видеомонохроматор, содержащий один АО фильтр для фильтрации изображения, где элемент для компенсации дисперсии отсутствует.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

На фигурах показаны элементы видеомонохроматора: 1 - акустооптическая ячейка, 2 - входной поляризатор, 3 - выходной поляризатор, 4 - линза и 5 - фотоприемная матрица видеокамеры, устанавливаемые в видеомонохроматоре по ходу лучей обычным образом. Сплошными стрелками обозначен ход лучей для длины волны λ₁, a пунктирными стрелками - для длины волны λ₂>λ₁.

Видеомонохроматор позволяет устранить дисперсионные искажения вследствии того, что угол между направлением продифрагировавшего луча в кристалле и нормалью к выходной грани увеличивается с ростом λ. Вместе с тем угол между направлением продифрагировавшего луча в воздухе и нормалью к выходной грани уменьшается с ростом λ согласно закону преломления Снеллиуса и дисперсионной зависимости n(λ) кристалла АОЯ. В результате, при выходе из кристалла в воздух продифрагировавшие пучки идут квазипараллельно и фокусируются в одном и том же месте на фотоматрице.

В устройстве, показанном на фиг.1, величина угла наклона выходной грани АО ячейки в плоскости дифракции φ имеет такое значение, при котором спектральный дрейф угла дифракции в АО ячейке максимально компенсируется спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани. В результате спектральный угловой дрейф продифрагировавшего светового пучка (т.е. максимальная величина изменения направления этого пучка во всем спектральном диапазоне) может быть уменьшен до минимально возможной величины, которая, как и угол φ, зависит от спектрального диапазона, ориентации направлений распространения звукового и светового пучка в кристалле и оптических свойств кристалла.

Критерий эффективности компенсации дисперсии в АО видеомонохроматоре может быть выражен в виде неравенства:

$$\Delta {\Theta }_{др}<Max\left\{\delta \varphi ,\Delta {\Theta }_{дф}\right\},\left(1\right)$$

где ΔΘ_др - спектральный угловой дрейф продифрагировавшего пучка, δφ=Δφ/N - угловой размер одного пикселя фотокамеры, равный отношению угловой апертуры АО видеомонохроматора Δφ к числу пикселей фотоматрицы в вертикальном направлении (вдоль направления смещения светового пучка при дрейфе) N, ΔΘ_дф - дифракционная расходимость первоначального коллимированного светового пучка на апертуре АО ячейки фильтра. Выполнение неравенства (1) означает, что величина смещения пятна на фотоматрице 5 (фиг.1) меньше размера пятна либо меньше одного пикселя. В любом из этих случаев дрейфом можно пренебречь.

С увеличением длины волны фильтрируемого излучения дисперсия кристаллов уменьшается (т.е. зависимость показателей преломления от длины волны становится слабее), а дифракционная расходимость увеличивается, поэтому эффективность рассмотренной компенсации также увеличивается. Исследования показали, что для большинства одноосных кристаллов такая компенсация в красной и инфракрасной областях спектра эффективна и практически осуществима.

Например, для акустооптического видеомонохроматора с АО ячейкой на парателлурите (ТеО₂) с рабочим спектральным диапазоном (0,7-1,1) мкм и параметрами: Θ=26,3° - угол между направлением распространения светового пучка и осью Z кристалла; γ=12,3° - угол между направлением распространения ультразвукового пучка и осью [110] кристалла; апертура АО ячейки - 12 мм, Δφ=5,2°; N=1390, получены следующие результаты:

ΔΘ_др=10^-3 град, ΔΘ_дф(0,7 мкм)=3,3·10^-3 град,

ΔΘ_дф(1,1 мкм)=4,6·10^-2 град, δφ=3,7·10^-3 град.

Таким образом, неравенство (1) выполняется с запасом и компенсация вполне эффективна.

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Угол наклона выходной грани кристалла по отношению ко входной грани выбирается таким образом, чтобы спектральный дрейф угла дифракции в ячейке максимально компенсировался спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани. Технический результат заключается в увеличении спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений. 2 ил.

Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений, содержащий неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра, имеющая угол наклона φ в плоскости дифракции акустооптической ячейки по отношению к входной грани кристалла акустооптической ячейки фильтра, зависящий от спектрального диапазона фильтра, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле акустооптической ячейки, а также оптических свойств этого кристалла, причем угол φ имеет значение, при котором спектральный дрейф угла дифракции в АО ячейке максимально компенсируется спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани, так что спектральный угловой дрейф продифрагировавшего светового пучка не превышает максимального из значений величин дифракционной расходимости светового пучка и углового размера одного пикселя фотоматрицы, причем в качестве акустооптической ячейки использована ячейка на парателлурите (ТеО₂) с рабочим спектральным диапазоном 0,7-1,1 мкм и параметрами: угол между направлением распространения светового пучка и осью Z кристалла - 26,3°; угол между направлением распространения ультразвукового пучка и осью [110] кристалла - 12,3°; апертура АО ячейки - 12 мм, угловая апертура устройства - 5,2°; число пикселей фотоматрицы -1390.