Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к радиофи зике, включая квантовую радиофизику, а именно,к волоконно-оптическим устройствам, предназначенным для получения изображений объекта,

Известна волоконно-оптическое устройство, позволяющее передать изображение объекта, в котором устранена мозаичная структура, обычно присущая волоконно-оптическим устройствам. Оно состоит из объектива, волоконно-оптического тракта, шумового фильтра и оптической системы. Шумовой фильтр вырезает из пространственного спектра изображения, передаваемого по тракту, частоты, соответствующие мозаичной структуре ги.

Недостатком этого устройства является неполное устранение мозаичной структуры изображения и уменьщение контраста на пространственных частотах, близких к устраняемым, что приводит к уменьшению поля зрения и глубины изображаемого пространства.

Известно также волоконно-оптическое устройство для наблюдения изображений объекта со спектральным устранением мозаичной структуры в изображении, состоящее из объектива, спект ральной призмы, п{ евращающей изображение каждой точки объекта в спектральную полоску, волоконно-оптического тракта, передающего изображение второй спектральной призмы на его выходе, .сворачивающей в точку линей ный спектр и восстанавливающей первоначальное изображение объекта L2J.

Недостатком данного устройства является неполное устранение мозаичной ст.руктуры, так как в изображении видны тонкие линии, соответствукицие прослойкам между волокнами. Кроме того, по краям поля зрения видна радужная кайма, уменьшающая поля зрения устройства.

Наиболее близким к изобрете1шю по своей технической сущности является волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта с голографической коррекцией волн, , позволяющее одновременно устранять мозаичную структуру изображения и обходиться без объектива -на входе волоконно-оптического тракта. Это устройство содержит волоконно-оптический тракт из многомодовых волокон когерентные между собой освещающий

и опорный источники, передающую оптическую систему, корректирующую голограмму З .

Недостатками этого устройства являются малое поле зрения {10-.15°) и глубина изображаемого пространства (15-20 мм), обусловленные тем, что при смещениях точки изображения от положения освещающего источника на стадии записи корректирующей голограммы на величину, большую указанных, существенно изменяется моовьй состав излучения волокон тракта, и корректирующая голограмма не формирует изображение объекта. Модоый состав излучения на выходе во-оконно-бптического тракта существенно зависит также Ьт изгибовволоконно-оптического тракта и других его неоднородностей, поэтому устройство применимо лишь для жестких или неподвижных трактов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, расщиренйе поля зрения и глубины изображаемого пространства при одновременном устранении мозаичной структуры изображения.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом устройстве для передачи изображения объекта, содержащем оптически связанные освещающий источник, волоконо-оптический тракт из многомодовых волокон, передающую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также опррньй источник, когерентный с освещающим источником и оптически связанный с корректирующей голограммой, на выходе волоконно-оптического тракта установлена планшайба из одномодовьпс волокон, причем, отношение радиуса сердцевины одномодово о волокна планшайбы к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины волокна волоконно-опти- ческого тракта к его числовой апертуре в 1-2,3 раза.

По второму варианту выходной конец волоконно-оптического тракта выполнен .3 виде плавного перехода от ногомодовых волокон к одномодовым, причем отношение радиуса сердцевины одномодового волокна к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины многомодового волокна на входе волоконно-оптического тракта к его числовой апертуре в 1-2,Зраза 31 Указанные границы изменения соотношений радиусов сердцевины волокон и их апертур обеспечивает наиболее выгодный энергетический режим работы устройства, т.е. наибольшую мощность на выходе планшайбы (плавного перехода) и наибольшую яркость изображения. Поскольку модовый состав излучения планшайбы не зависит от смещений предметной точки, таг: как планшайба состоит .из одномодоныхволокон то.поле зрения устройства расширяется, а глубина изображаемого объекта увеличивается. Так как модовый состав излучения на выходе планшайбы не зависит от характеристик волоконно-оптического тракта, его изгибов и неоднородностей, то предлагаемое устройство пригодно и для гибких волоконно-оптических трактов. Влияние плавного перехода на работу устройства аналогично влиянию планшайбы поскольку модовый состав излучения выходного торца тракта не зависит от смещений предметной точки, так как тракт на вьпсодном конце представляет собой жгут одномодовых волокон. При указанном отношении, равном 1 вклад в основную моду планшайбы (выходного конца плавного перехода ) вносится только основной модой тракта, увеличение мощности не происходит. При соотношении отношений радиу сов к числовой апертуре, равном 2,3., вклад основной тракта становится столь малым, что потеря мощности уже не компенсируется вкладом мод высших порядков тракта, поэтому увеличения мощности не происходит. Если указанное соотношение между. отношением радиуса сердцевины волокна к его числовой апертуре .локонно-оптического тракта и планшайбы (по 1-му варианту ) или плавного перехода (по 2-му варианту находится в переделах 1-2,3, то радиус пятна основной моды волокна планшайбы (по 1-му варианту ) или выходного конца плавного перехода (по 2-му . варианту) больше, радиуса пятна основной моды тракта, вклад в основную моду планшайбы (по 1 варианту ) или выходного конца плавного пере- хода (по 2 варианту) вносят основная мода тракта и моды вы&ших порядков. Это обеспечивает увеличение мощноети на выходе устройства. 7 Указанные числовые соотношения получены на основании выведенной формулы р Годн Р IP, 2(f+w (рЧ)(0)Нс(0) гДе РО;)« , - мощность осиоЦной моды в одномодовом волокне и волокне I тракта соответственноW - отношение радиусов основных МОД планшайбы (выходного конца плавного перехода) и тракта; V - частотный параметр волокна тракта; - полиномы Эрмита-Гаусса порядков р и , Справедливо также ,)/(ж) Г2 где «2, - радиусы сердцевины одномо«-Iдового волокна и волокна тракта (.вьпсодного и входного конца плавного перехода) соотве тствё нно, NA., - числовые апертуры соответствующих волокон (волокон на выходе и входе плавного перехода). На фиг,1 изображена оптическая схема волоконно-оптического устройства для получения изображения объекта, вьптолненного по варианту 1J на фиг.2 оптическая схема волоконно-оптического устройства для получения изображения Объекта, выполненного по варианту 2. , Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта, вьтолненное по варианту 1 (фиг.1), содержит оптически связанные освещающий источник 1, волоконнс оптический тракт 2 из многомодовых волокон, передающую оптическую систему 3 и корректирующую голограмму 4, а также опорный источник 5, когерентный с освещающим источником 1 и оп- тически связанный с корректирующей голограммой 4, и планшайбу 6, установленную на выходе волоконно-оптиеского тракта 2.

Волоконно-оптическое устройство выполненное по варианту 2 (фиг.2 аналогично устройству по варианту 1 , но отличается отсутствием планшайбы 5 и вьтолнением выходного конца волоконно-оптического тракта 2 в виде плавного перехода 7 от многомодовых волокон к одномодовым.

Устройство по варианту 1 работает следующим образом.

Предварительно осуществляется запись корректирующей голограммы 4. При этом освещаюгшй источник 1 размещается на.оси входного участка волоконно-оптического тракта 2 на расстоянии не менее 10-20 диаметров входного конца тракта, а на голограмму А направляется излучение опорного источника 5, которое, взаимодействуя с излучением, прошедшим волоконно-оптический тракт 2, планшай бу 6 и оптическую систему 3, формирует интерференционную картину, соответствующую корректирующей голограмме 4, После обработки корректирую- Яая голограмма 4 устанавливается в свое первоначальное положение, , опорный источник 5 выключается, а освещающий источник 1 направляется на объект. Далее предлагаемое уст- ройство работает на передачу изображения объекта. На .входной конец волоконно-оптического тракта 2 падает рассеянное объектом излучение освещающего источника 1 и передается на его выходной конец. Излучение волокна волоконно-оптического тракта 2 возбузкдает соответствующее волокно планшайбы 6 и преобразуется в однородное излучение его выходного конца, обусловленное единственной его направляемой модой. Это излучение направляется оптической системой 3 в плоскость корректирующей голограммы 4, дифрагируя на ней, формирует изображение объекта. Поскольку модовый состав излучения планшайбы 6 не зависит от смещений предметной точки в поперечном и продольном направлениях, то расширяется поле зрения и глубина изображаемого пространства.

Устройство по варианту 2 (фиг.2 ) работает аналогичным образом. Так как выходной конец волоконно-оптического тракта 2 выполнен в виде плавного перехода 7 от многомодовых волокон к одномодовым и при прохождении излучения через плавный переход происходит преобразование его в одномодовое, как в устройстве по варианту 1, модовый состав излучения выходного конца тракта не зависит от смещения предметной точки в поперечном и продольном направления и таким образом расширяется поле зрения и глубина изображаемого пространства.

Пример 1. Рассматривается работа устройства в случае, когда отношение радиуса сердцевины одномодового волокна к его числовой апертуре равно отношению радиуса сердцевины волокна тракта к его числовой апертуре. В этом случае величина ч. и отношение мощностей также равно 1. Мощность на выходе планшайбы равна сумме мощностей основных мод волокон тракта,

Пример 2, Рассматривается работа устройства в случае, когда указанное отношение равно 1,4, При этом согласно (1 ) мощность излучения на вьпсоде одномодового волокна (выходного участка плавного перехода ) превосходит мощность основной моды волокна тракта (входного участка плавного перехода в 2,6 раза, таким образом увеличивается мощность излучения на выходе планшайбы.

Пример 3. Рассматривается работа устройства в случае, когда указанное отношение равно 2,3. При этом согласно (.1) величина ч I, т.е. мощность на выходе планщайбы (плавного перехода) равна сумме мощностей основных волокон тракта, как и в примере 1.

Пример 4 Рассматривается работа устройства в случае, когда указанное отнощение равно 0,8. При этом согласно (t ) t| 0,6, вклад мод высших порядков мал и мощность на вьгходе планшайбы (плавного перехода) меньще суммы мощностей основных мод волокон тракта. Такой режим работы устройства энергетически невыгоден, так как приводит к потерям мощности.

Пример 5. Рас ематривается работа устройства в случае когда указанное соотношение равио 3. При этом вклад мод высших порядков уже не компенсирует уменьшения вклада основной моды. Мощность на выходе планшайбы меньше суммы мощносте основных мод волокон тракта. Такой

режим работы устройства энергетически невыгоден.

Изобретение позволяет за счет преобразования излучения многомодовых волокон тракта в излучении одномодовых волокон и устранения таким образом зависимости восстановления предметной волны.от смещения предметной точки от положения освещающего источника на стадии записи корректирующей голограммы расширить поле зрения в 2-2,5 раза и глубину изображаемого пространства в 3-5 раз.

1, Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта, содержащее оптически связанные освепанщий источник, волоконно-оптический тракт из многомодовых волокон, передающую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также источник, когерентный с освещаюн(Им источником и связанный: с корректируиияей голограммой, отличающееся тем, что, с целью расширения поля эрения и увеличения глубины изображаемого пространства при одновременном устранении мозаичной структуры изображения, на выходе волоконно-оптического тракта установлена плантайба из одномодовых волокон, причем отношение радиуса сердцевины одномодового волокна планшайбы к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины волокна волоконно-оптического тракта к его числовой апертуре в 12,3 раза. 2. Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта, содержащее оптически связанные освещающий источник, волоконно-оптический тракт из многомодовых волокон, передакядую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также опорш источник, когерентный с ос(Л источником tf оптически свяс: занный с корректирующей голограммой, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных : возможностей, расширения поля зрения и увеличения глубины изображаемого пространства при одновременном устраел нении мозаичной структуры изображе00 ния, выходной конец волоконно-оптисо . ческого тракта вьтолнен с плавньвч С5 переходом от многомодовых волокон к sj одиомодовым, причем отношение радиуса сердцевины одномодового волокна к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины многомрдового волокна на входе волоконнооптического тракта к его числовой апертуре в 1-2,3 раза.