Способ акустооптического сканирования объекта Советский патент 1985 года по МПК G02F1/33 

1 Изобретение относится к способу оптического сканирования объекта с использованием брэгговской дифрак ции света на акустических волнах и может быть использовано в системах оптической навигации, в системах об работки информации в видеокамерах и т.п. Известен способ акустооптическог сканирования объекта, заключаюпщйся в том, что оптическое излучение от объекта с помощью п - позиционного переключателя последовательно напра ляют на п идентичных, работающих синхронно с переключателем акустооптических дифлекторов, на каждый из которых подают частотно-модулированный по пилообразному закону сигнал, сдвинутый относительно соседнего дефлектора на 1/п-ю часть периода сканирования. . Этот способ обеспечивает достаточно большой угол сканирования,но для его осуществления, требуется сложное с большими габаритами уст-, ройство, содержащее п дефлекторов п - позиционный переключатель,устройство для синхронизации работы переключателя и дефлекторов, устрой ство для .сдвига фазы сигналов, подаваемых на дефлекторы. Наиболее близким по технической сущности является способ акустооптического ска нирования объекта, включающий направление плоскополяризованного излучения от сканируемого объекта на анизотропную акустооптическую ячейку, возбуждение в ячейке акустооптических волн на частоте, обеспечивающей дифракцию угловой части указанного излучения, расположенной под брегговским углом к направлению распространения акустических волн в ячейке, направление дифрагированного излучения на фотоприемник и изменение частоты акустических волн вблизи частоты, являющейся точкой перегиба на кривой зависимости угла дифракции от частоты для данной дли ны волны излучения, т.е. в области участка этой кривой, имеющего малую крутизну.Цель изобретения - разработка способа акустооптического сканиров ния объекта, обеспечивающего больший угол сканирования при низкой центральной частоте акустических 92 ВО.ИН, возбуждаемых в акустооитичес кой ячейке. Для достижения этой цели в способе акустооптического сканирования объекта, включающем направление плоскополяризованного излучения от сканируемого объекта на анизотропную акустооптическую дифракционную ячейку, возбуждение в последней акустических волн на частоте,обеспечивающей дифракцию угловой части указанного излучения, расположенной под брэгговским углом к направлению распространения акустических волн в ячейке, направление дифрагированного излучения на фотоприемник и изменение частоты акустических волн, возбуждаемых в ячейке,для сканирования различных точек объекта, поворачивают при дифракции плоскость дифрагированного излучения на 90° относительно плоскости поляризации излучения на входе ячейки и выделяют с помощью поляризованного анализатора дифрагированное излучение из общего потока излучения на выходе ячейки, при этом в процессе сканирования частоту акустических волн выбирают в пределах диапазона, для которого угловое направлений дифрагированного излучения существенно зависит от частоты, излучение из разных угловых направлений на выходе анализатора собирают на фотоприемник Йа чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит акустооптическую ячейку 1, соединенную с генератором 2 высокочастотных колебаний, поляризационньй анализатор 3, расположенный на выходе ячейки 1 и ориентированный на пропускание дифрагированного излучения, собирающую линзу 4 и фотоприемник 5, Акустооптическая ячейка 1 и фотоприемник 5 расположены в сопряженных точках линзы 4 на расстояний L от нее. Акустооптическая ячейка 1 выполнена из анизотропного акустического материала, например кристалла парателлурита, на котором расположен пьезопреобразователь так, чтобы возбуждаемые им акустические волйы распространялись в кристалле в направлении (110),- а вектор поляризации этих волн был направлен по

оси (110). При этом ячейка 1 ориентирована относительно угла сканирования cf, так, что его биссектриса составляет с осью (001) кристалла небольшой угол (/-15°) в плоскости дифракции.

Способ осуществляют следующим образом.

В акустооптической ячейке 1 с помощью генератора 2 возбуждают сдв говые акустические волны, распространяющиеся в направлении (110), вектор поляризации которых направлен по оси (110). Частоту акустических волн, возбуждаемых: в ячейке, выбирают в пределах низкочастотной области зависимости угла падения от частоты, оптимально в области, соответствующей максимальной крутизне этой зависимости (см.фиг.2). Плоскополяризованное излучение от сканируемого объекта с помощью оптическо системы формируют на входе ячейки в угол 0 , при этом каждая точка объекта соответствует угловой части излучения ( do,, и т.д.), направляемого на ячейку Дифракцир

на акустических волнах будет происходить только с той угловой частью doC излучения, для которой на частоте выполняется условие брэгговского синхронизма. Благодаря указанному вьше выбору типа и направления акустических волн, дифрагированная угловая часть излучения на выходе ячейки 1 имеет направление вектора поляризации, повернутое на 90° относительно направления поляризации излучения, поступающего на ячейку. В процессе дифракции угловая часть До( излучения отклоняется на угол дифракционного рассеяния относительно своего первоначального направления. Однако этот угол, вследствие указанного выбора частоты, много меньше угла сканирования ot, так что на выходе ячейки пространственного разделения дифрагированного и недифрагированного излучения м6жет не происходить (см.фиг.1). Дифрагированное излучение выделяют из общего потока излучения на выходе ячейки 1 с помощью поляризационного анализатора 3 и направляют с помощью линзы 4 на фотоприемник 5. Для приема излучения от другой точки объекта изменяют частоту акустических волн, возбуждаемых в ячейке.

845494

до значения 2 вблизи f (см. фиг.2). При этом брэгговскому синхронизму будет соответствовать другая угловая часть излучения от 5 сканируемого объекта . (см.фиг.1). Дифрагированное излучение угловой части аналогично описанному вьш1е процессу, вьщеляют из общего потока излучения на выходе ячейки

10 с помощью анализатора 3. Угловое

направление этой части излучения на выходе анали атора 3 не совпадает с угловым направлением дифрагированного излучения угловой части 4й,, f5 так как частоты и находятся в области частотных характеристик ячейки, где зависимости угла дифрак1ШИ от частоты бб(/ имеет высокую крутизну (см.фиг.2). Дифрагированное излучение угловой части &dLi направляют с помощью линзы 4 на фотоприемник. Аналогичным образом, изменяя частоту акустических волн в области, расположенной 25 вблизи частоты f, сканируют различные точки объекта.

Как видно из вьшеизложённого, в данном.способе пространственное разделение дифрагированного и неди3Q фрагированного излучений на выходе акустооптической ячейки не обязательно. Это дает возможность рабо. тать в области частот ниже частоты iT.e. в той области, где крутизна зависимостей 0д (fj и 6g ({) для анизотропной дифракции максимальна. На фиг.2 видно, что при работе в этой области незначительное изменение частоты акусти... ческих волн, возбуждаемых в ячейке 1У /

.t f ) приводит к большему изменению угла падения (9 ). Тем самым можно увеличить угол сканирования без повышения центральной рабочей частоты акустических волн, возбуждаемых в акустооптической ячейке. Практически угол сканирования ограничен акустической полосой частот пьезопреобразователя, в коQ торой происходит эффективная генерация акустических волн в ячейке.

Предложенный способ реализован с использованием акустооптической ячейки, выполненной из кристалла парателлурита.

Парателлурит, обладая уникально большимзначением акустооптического качества, является перспективным акустооптическим материалом. Однако в силу того, что затухание аку тических волн в нем становятся значительными на частотах 100 МГц, реализация способа сканирования с использованием ячейки из парателлурит в соответствии с прототипом позволяет получить максимальный абсолютный угол образца не более 3-.. , Описанный способ с использованием той же ячейки позволит получить абсолютный угол сканирования о 20 , мгновенный угол сканирования 4о 0,3 при центральной рабЪчей частоте акустических волн f 3, МГц, диапазоне перестройки 2. 25 МГц и длине волны оптического излучения. Л 0,63 мкм, Дополнительное отличие способа состоит в том, что апертура с возбуждаемых в ячейке волн в направлении, параллельном плоскости дифракции, определяется необходимым мгновенным углом сканирования /lo, а не условием обеспечения брэггрвского синхронизма во всем диапазоне сканирования. Поскольку йзлу-чение, падающее на ячейку, имеет большой угловой спектр, для всех угловых компонент акустической волны найдутся соответствующие угловые компоненты светового излучения, т.е. с некоторыми допущениями можно читать, что мгновенный угол скаирования ci равен расходимости кустической волны в ячейке. Слеовательно, для 4й можно записать «J где м - мгновенная частота акустических ВОЛН) и - скорость акустических волн в ячейке. Откуда получаем вьфажение Апертура of акустических волн определяется длиной пьезопреобразователя. Как видно, увеличение длины пьезопреобразователя уменьшает мгновенный угол сканирования, что является положительной характеристикой устройств сканирования и совершенно не влияет на значение максимального угла сканирования. Кроме того, увеличение длины пьезопреобразователей ведет к уменьшению плотности акустической мощности, снимает тепловые проблемь и исключает появление акустической нелинейности в устройстве.

1. СПОСОБ АКУСТООПТИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА, включающий направление плоскополяризованного излучения, отраженного или излученного объекта,на анизотропную акустооптическую дифракционную ячейку, возбуждение в последней акустической волны на частоте, обеспечивающей брэгговскую дифракцию части указанного излучения, направление дифрагированного излучения на фотоприемник и изменение частоты акустической волны для регистрации всего излучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения угла сканирования, поворачивают при дифракции плоскость поляризации дифрагированного излучения на 90, вьщеляют с помощью поляризационного анализатора дифрагированное излучение из общего потока излучения, частоту акустической волны выбирают в пределах диапазона, для которого угловое направление дифрагированного излучения S существенно зависит от частоты, а вьщеленное анализатором излучение из (Л равных угловых направлений собирают и направляют на фотоприемник. 2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что диапазон изменения частот акустической волны выби рают в области максимальной крутизны сх зависимости брэгговского угла от 4 СП частоты. 1 СО