Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта (его варианты)

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(с ) С 03 Н 1/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

f10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21} 3661856/24-25 (22) 16.11.83 (46) 30.05.85. Бюл. 0 20 (72} JI.А,Бондарев, В.Ф.Дубровин, Д.И,Иировицкий и А.Ф.Смык (71) Иосковский институт радиотехники, электроники и автоматики (53) 772.99 (088.8) (56) 1. Канани H. Волоконная оптика.

N., Иир, 1969ý с ° 124 °

2 ° Вейнберг В.Б, и др. Волоконные эндоскопы с бесструктурным изображением. "Иедицинская техника", 1979, Ф 5, с. 28.

3. Применение голографии в медицине и биологии. Л., "Наука", 1977, с. 12 (прототип). (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЬЕКТА (ЕГО ВАРИАНТЫ ). (57) 1 ° Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта, содержащее оптически связанные освещающий источник, волоконно оптический тракт из многомодовых волокон, передающую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также опор ный источник, когерентный с освещающим источником и оптически связанный с корректирующей голограммой, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения поли зрения и увеличения глубины изображаемого пространства при одновременном устранении мозаичной структуры изображения, на

ÄÄSUÄÄ 1158967 выходе волоконно-оптического тракта установлена планшайба иэ 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 иэ мнОГОмодОВых Волокон передающую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также опорный источник, когерентный с Освещающим источником н оптически связанный с корректирующей голограммой, 1 отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных: возможностей, расширения поля зрения. и увеличения глубины изображаемого пространства при одновременном устранении мозаичной структуры иэображения, выходной конец волоконно-оптического тракта выполнен с плавным переходом от многомодовых волокон к одномодовым, причем отношение радиуса сердцевины одномодового волокна к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины многомр дового волокна на входе волоконнооптического тракта к его числовой апертуре в 1-2,3 раза.

1158967

Изобретение относится к радиофизике, включая квантовую радиофизику, а именно.к волоконно-оптическим устройствам, предназначенным для получения изображений объекта. 5

Известна волоконно-оптическое устройство, позволяющее передать иэображение объекта, в котором устранена мозаичная структура, обычно присущая волоконно-оптическим уст- 1б ройствам. Оно состоит иэ объектива, волоконно-оптического тракта, шумового фильтра и оптической системы.

Шумовой фильтр "вырезает" из пространственного спектра иэображения, 15 передаваемого по тракту, частоты, соответствующие мозаичной структуре Г13.

Недостатком этого устройства является неполное устранение мозаичной 20 структуры изображения и уменьшение контраста на пространственных частотах, близких к устраняемым, что приводит к уменьшению поля зрения и глубины изображаемого пространства. 25

Известно также волоконно-оптическое устройство для наблюдения изображений объекта со спектральным устранением мозаичной структуры в иэображении, состоящее из объектива, спект. 5 ральной призмы, п1 еврашающей изображение каждой точки объекта в спект" ральную полоску, волоконно-оптического тракта, передающего изображение, второй спектральной призмы на его выходе,,сворачивающей в точку линейный спектр и восстанавливающей первоначальное изображение объекта 12).

Недостатком данного устройства является неполное устранение мозаичной структуры, так как в изображении видны тонкие линии, соответствующие прослойкам между волокнами.

Кроме того, по краям поля зрения аНрНа радужная каймами уменьшающая 45 поля зрения устройства.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности явля« ется. волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта с голографической коррекцией волн, позволяющее одновременно устранять мозаичную структуру изображения и обходиться беэ 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 (3 1.

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

Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей, расширение 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, волоконно-оптический тракт из многомодовых волокон, передающую оптическую систему и корректирующую голограмму, а также опорный источник, когерентный

„с освещающим источником и оптически связанный с корректирующей голограммой, на выходе волоконно-оптического тракта установлена планшайба иэ одномодовых волокон, причем.. отношение радиуса сердцевины одномодового волокна планшайбы к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины волокна волоконно-оптического тракта к его числовой апер» туре в 1-2,3 раза.

По второму варианту выходной ко- нец волоконно-оптического тракта выполнен в виде плавного перехода от многомодовых волокон к одномодовым, причем отношение радиуса сердцевины одномодового волокна к его числовой апертуре превосходит отношение радиуса сердцевины многомодового волокна на входе волоконно-оптического трак« та к его числовой апертуре в 1-2,3раэа з 115896

Указанные границы изменения соот» ношений радиусов сердцевины волокон и их апертур обеспечивает наиболее выгодный энергетический режим работы устройства, т.е. наибольшую мощность 5 на выходе планшайбы (плавного перехода) и наибольшую яркость изображения. Поскольку модовый состав излучения планшайбы не зависит от смещений предметной точки, та.: как план- 1О шайба состоит. из одномодовых волокон, то.поле зрения устройства расширяется, а глубина изображаемого объекта увеличивается. Так как модовый состав излучения на выходе планшайбы 15 не зависит от характеристик волоконно-оптического тракта, его изгибов и неоднородностей, то предлагаемое устройство пригодно и для гибких волоконно-оптических трактов. Влия- 20 ние плавного перехода на работу устройства аналогично влиянию планшайбы; поскольку модовый состав излучения выходного торца тракта не зависит от смещений предметной точки, так как 25 тракт на выходном конце представляет собой жгут одномодовых волокон.

При указанном отношении, равном I, 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, 1

f вклад основной моды тракта становит- ся столь малым, что потеря мощности уже не компенсируется вкладом мод высших порядков тракта, поэтому увеличения мощности не происходит. где г в радиусы сердцевины одномодового волокна и волокна

30 тракта 1выходного и входного конца плавного переходя) соответственно, ИА, MA„ - числовые апертуры соответi ствующих волокон (волокон

35 на выходе и входе плавного перехода).

На фиг.! изображена оптическая схема волоконно-оптического устройства для получения изображения объекта, 40 выполненного по варианту 1, - на фиг.2 ° оптическая схема волоконно-оптического устройства для получения изображения объекта, выполненного по ва-. рианту 2.

4S Волоконно-оптическое устройство для передачи изображения объекта, . выполненное по варианту (фиг.l), содержит оптически связанные освещающий источник 1, волоконно-опти

$0 ческий тракт 2 из многомодовых волокон, передающую оптическую систему 3 и корректирующую голограмму 4 ° а также опорный источник 5, когерентный с освещающим источником 1 и оп55 тически связанный с корректирующей голограммой 4, и планшайбу 6, установленную на выходе волоконно-оптического тракта 2.

Если указанное соотношение между отношением радиуса сердцевины волокна к его числовой апертуре волоконно-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.ос» новной моды тракта, вклад в основ- ную моду планшайбы (по 1 варианту ) или выходного конца плавного перехода (по 2 варианту) вносят основная мода тракта и моды высших порядков.

Это обеспечивает увеличение мощности на выходе устройства.

7 4

Указанные числовые соотношения получены на основании выведенной формулы

I P+ Q р,с =У одн ду ч(2

11 — »

Pm p о 1+1 2(1 уу2. )

"(P 1, ) Hp(0)Hq,(0} (1l Де Ро,1М ю

P - мощность осноВной моды в одномодовом волокне и ВО» локне,тракта соответственно4

В - отйошение радиусов основных мод планшайбы (выходного конца плавного перехода)

-и тракта;

Ч - частотный параметр волокна тракта»

Нр,Н - полиномы Эрмита-Гаусса порядков р и ч..

Справедливо также

1158967

Волоконно-.оптическое устройство, выполненное по варианту 2 (фиг.2 ) аналогично устройству по варианту 1, но отличается отсутствием планшайбы 5 и выполнением 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 освещающий источник 1 размещается на. оси входного участка волоконно-оптического тракта 2 на расстоянии не менее 10-20 диаметров входного конца тракта, а на голограмму 4 направляется излучение опорного источника 5, которое, взаимодействуя с излучением, прошедшим волоконно-оптический тракт 2, планшайбу 6 и оптическую систему 3, формирует интерференционную картину, соответствующую корректирующей голограмме 4. После обработки корректирующая голограмма 4 устанавливается в свое первоначальное положение,, опорный источник 5 выключается, а освещающий источник 1 направляется на объект. Далее предлагаемое устройство работает на передачу изобраФ жения объекта. На,входной конец волокойно-оптического тракта 2 падает рассеянное объектом излучение освещающего источника 1 и передается на его выходной конец. Излучение во« локна волоконно-оптического тракта 2 возбуждает соответствующее волокно планшайбы 6 и преобразуется в однородное излучение его выходного конца, обусловленное единственной его направляемой модой. Зто 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 направлениях 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

1 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 выходе одномодового волокна (выходного участка плавного перехоца )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 укаэанное отношение равно 2,3. При этом согласно (1) величина ) = I т.е. мощность на выходе планшайбы (плавного перехода) равна сумме мощностей основных волокон тракта, как и в примере I.

Пример 4 Рассматривается работа устройства в случае, когда указанное отношение равно 0,8. При этом согласно (1) = 0,6, вклад мод высших порядков мал и мощность на выходе планшайбы (плавного перехода) меньше суммы мощностей основных мод волокон тракта. Такой режим работы устройства энергетически невыгоден, так как приводит к потерям мощности.

Пример 5. Рассматривается работа устройства в случае, когда указанное соотношение равно 3. При этом (0 1 вклад мод высших порядков уже не компенсирует уменьшения вклада основной моды. Мощность на выходе планшайбы меньше суммы мощностей основных мод волокон тракта. Такой

Составитель Е.Артамонова

Техред N.Kóçüìà Корректор А.Обручар

Редактор А.Долинич

Заказ 3584/46 Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 .11 589 режим работы устройства энергетически невыгоден.

Изобретение позволяет за счет преобразования излучения многомодовых волокон тракта в излучении одномодовых волокон и устранения таким обра67 8 зом зависимости восстановления пред метной 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.