Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений



Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений
Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений

 


Владельцы патента RU 2532133:

Закрытое акционерное общество фирма "СИГМА-ОПТИК ЛТД" (RU)
Закрытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро "ЗЕНИТ" (RU)

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.

 

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 λ21.

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:

Δ Θ д р < M a x { δ ϕ , Δ Θ д ф } , ( 1 )

где ΔΘдр - 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, ΔΘдф - 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:

ΔΘдр=10-3 град, ΔΘдф(0,7 мкм)=3,3·10-3 град,

ΔΘдф(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.

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.



 

Похожие патенты:

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем. Устройство селекции сигналов содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, первый пространственный фильтр, последовательно соединенную вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света, оптически соединенный с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, второй пространственный фильтр и фотодетектор, выполненный в виде линейки фотодиодов.

Способ относится к области обработки сигналов и предназначен для использования во входных цепях радиоприемных систем. Способ селекции сигналов включает формирование пространственно-когерентного монохроматического светового потока, первую фазовую модуляцию этого потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу, пространственную фильтрацию светового потока, вторую фазовую модуляцию светового потока пространственно-временным акустическим сигналом, соответствующим входному электрическому сигналу и имеющим в два раза большую длину волны, чем при первой фазовой модуляции, интегрирование светового потока, вторичную пространственную фильтрацию и пространственно-дискретное детектирование.

Изобретение относится к оптике, к оптическим волноводным устройствам, в частности к микромеханическим оптическим коммутаторам оптических линий связи. Технический результат изобретения заключается в создании устройства матричного коммутатора оптических линий связи, имеющего размеры коммутационных ячеек много меньше, чем у электрооптических коммутаторов, что позволит создавать матричные коммутаторы большой сложности.

Изобретение относится к области изготовления жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов, которые могут быть широко использованы в различных информационных системах.

Изобретение относится к устройствам для модуляции и сканирования оптического излучения на основе дифракции Брэгга на акустических волнах. .

Изобретение относится к акустооптике и может быть использовано в приборах отклонения и модуляции лазерных пучков. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля температурных режимов прокатных станов, металлургических и энергетических установок.

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для передачи управляющих сигналов от вычислительного устройства к знакосинтезирующему устройству или матричному дисплею (плазменный, жидкокристаллический, активно-матричный, OLED, FED и т.п.).

Телескоп может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему.

Изобретение относится к области оптического приборостроения. .

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции. .

Изобретение относится к спектрофотометрии. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области спектроскопии. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптических приборах для селекции спектральных линий. .
Изобретение относится к области прикладной оптики и касается двойного акустооптического монохроматора на одном кристалле. Монохроматор содержит первый поляризатор, акустооптическую ячейку, второй поляризатор и поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча во второй поляризатор. Входной луч последовательно проходит через часть первого поляризатора, часть акустооптической ячейки и часть второго поляризатора. Поворотная призма обеспечивает возврат луча в монохроматор таким образом, чтобы луч последовательно проходил через соседнюю часть второго поляризатора, акустооптической ячейки и первого поляризатора. При этом первый поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора. Технический результат заключается в уменьшении энергопотребления, упрощении производства и наладки монохроматора.
Наверх