Акустооптический спектрополяриметр изображений с повышенным качеством спектральных срезов изображений и увеличенной светосилой


 


Владельцы патента RU 2569907:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области спектроскопии и касается акустооптического спектрополяриметра. Спектрополяриметр содержит телескоп и установленный после телескопа акустооптический фильтр (АО) на основе кристалла парателлурита. АО расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее. В фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием. Более длинный фокус эллиптического зеркала совпадает с фокальной плоскостью телескопа. Далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются и формируют на ПЗС-матрице, расположенной в более коротком фокусе эллиптического зеркала, ортогонально поляризованные спектральные изображения, смещенные относительно друг друга в плоскости дифракции. В центральном отверстии эллиптического зеркала расположена диафрагма, которая перекрывает пучок 0 порядка дифракции. Технический результат заключается в повышении качества изображения и увеличении светосилы устройства. 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

 

Изобретение относится к спектроскопии и прикладной оптике и может быть использовано для получения спектрально-поляризованных оптических изображений объектов в реальном масштабе времени.

Известно, что акустооптический (АО) спектральный анализ изображений объектов обладает рядом бесспорных преимуществ по сравнению с обычными оптическими методами, потому что вследствие физического принципа действия АО фильтры позволяют осуществлять спектрально-поляризационный анализ изображений (Wm. Hayden Smith and Κ.Μ. Smith "A polarimetric spectral imager using acousto-optic tunable filters". Experimental Astronomy, vol. 1, pp. 329-343, 1990). При этом анализируются два дополнительных параметра изображения: спектральное распределение яркости и распределение поляризации в спектральном срезе изображения; иными словами, выполняются функции принципиально недоступные традиционным оптическим инструментам. Эта особенность позволяет более эффективно выделять полезный оптический сигнал на фоне оптических помех.

В качестве АО кристалла в фильтрах видимого и ближнего ИК-диапазона обычно применяют монокристалл парателлурита - двулучепреломляющего одноосного кристалла. Совокупность оптических, акустических, фотоупругих и материальных констант делает данный материал перспективным для создания АО фильтров обработки изображений.

Известен АО фильтр на основе кристалла парателлурита с такой геометрией АО взаимодействия, когда ширина спектральной функции пропускания фильтра не зависит от сходимости падающего пучка света в угловой апертуре несколько градусов (I.-C. Chang. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture. Applied Physics Letters, vol. 25, pp. 370-372, 1974).

При падении на AO фильтр излучения с широким спектром в рабочий дифрагированный луче (6) содержит только узкополосную спектральную составляющую падающего излучения, выделенную фильтром из общего светового потока, называемую спектральным срезом.

В АО фильтре на одной и той же частоте ультразвука может иметь место одновременно дифракция как излучения, поляризованного в главной плоскости кристалла (необыкновенной волны), так и излучения, поляризованного в ортогональной плоскости (обыкновенной волны).

Известен акустооптический спектрометр изображений на основе АО фильтра (US 5216484, H01J 31/50, 1993). Недостатком такого спектрометра является то, что изображение объекта получается только в одной из двух возможных ортогональных поляризаций.

Известен АО спектрометр изображений, свободный от этого недостатка и позволяющий наблюдать объект одновременно в двух ортогональных поляризациях с использованием в фильтре специфической геометрии взаимодействия (L.-J. Cheng, С.Mahoney, G. Reyes, С.La Baw and G.R Li. Polarimetric hypersperctral imaging systems and applications. ASARL Conference proceedings, p.2005-2014, 1999). Недостатком такого спектрометра является то, что для одновременного наблюдения двух ортогональных поляризаций изображения объекта требуется применение двух ПЗС-камер и системы электрической синхронизации камер, что значительно усложняет конструкцию прибора в целом.

Известен свободный от этого недостатка и являющийся прототипом изобретения АО спектрометр изображений с фильтром, позволяющий наблюдать одновременно две ортогональные поляризации изображения на одной ПЗС-камере (D.A. Glenar, J.J. Hillman, В. Saif, J. Bergstralh. Acousto-optic imaging spectropolarimetry for remote sensing. Appl. Opt. v. 33, No. 31, p.7412-7424, 1994).

В прототипе используется AO фильтр на основе монокристалла парателлурита. Данный материал является наиболее перспективным для создания оптических гиперспектральных систем. Известно, что парателлурит обладает аномально высокой анизотропией акустических свойств. Для медленной сдвиговой акустической волны отклонение потока акустической энергии в некоторых направлениях в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, примерно в 60 раз превышает отклонение фазовой скорости от оси [110] кристалла. Вследствие этого эффекта акустическое поле в кристалле в области АО взаимодействия в фильтре становится неоднородным. Это приводит к нарушению распределения интенсивности анализируемого оптического поля: различные фрагменты светового пучка имеют различную эффективность дифракции вследствие пространственного перераспределения акустической мощности в кристалле (Балакший В.И., Манцевич С.Н. Распространение акустических пучков в кристалле парателлурита. Акуст. журнал, №5, 2012). Таким образом, достоверность передачи оптического спектрального среза изображения анализируемого объекта при АО взаимодействии нарушается.

Однако прототип имеет следующие недостатки.

1. Фокальная плоскость изображений, сформированная зеркальной системой телескопа со сходимостью 1/12, совпадает с входной оптической гранью фильтра. При таком построении оптической схемы спектрометра изображений фильтр играет роль неоднородной амплитудной маски, порожденной АО взаимодействием в неоднородном акустическом поле и наложенной на изображение объекта в фокальной плоскости телескопа. В результате спектральное изображение объекта на ПЗС-матрице будет искажено.

2. при указанной оптической схеме спектрометра (ходе световых лучей) имеет место низкое пространственное разделение +1 (-1) и 0-порядков дифракции. Из-за рассеяния в кристалле фильтра это приводит к интегральной фоновой засветке отфильтрованного слабого полезного оптического сигнала на ПЗС-камере от мощного пучка 0-порядка, интенсивность которого в узкополосных АО фильтрах может почти на три порядка превышать полезный сигнал, т.е. узкополосное излучение, заключенного в выбранном спектральном срезе. Этот эффект резко уменьшает соотношение сигнал-шум.

3. Уменьшение светосилы системы относительно светосилы телескопа без спектрометра: линейный размер дифрагированного спектрального изображения объекта на ПЗС-матрице в два раза больше, чем спектральное изображение в фокальной плоскости телескопа, так как изображение сформировано в более длинном фокусе эллиптического зеркала. При наблюдении слабых астрономических объектов, когда время экспозиции составляет десятки минут, данная схема ограничивает возможность их наблюдения и требует применения дополнительного объектива перед ПЗС-матрицей, что усложняет оптическую схему спектрометра.

Задачей изобретения является создание акусто-оптического спектрополяриметра изображений, свободного от этих недостатков, т.е. обладающего повышенным качеством спектральных срезов изображений и увеличенной светосилой.

Технический результат - повышение качества спектрального среза изображения на ПЗС-матрице, улучшение пространственного разделения спектральных изображений +1, -1 и 0 (фонового) порядка дифракции и соответственно, более высокое соотношение сигнал-шум, увеличение светосилы оптической системы спектрополяриметра.

Указанный технический результат достигается за счет следующей совокупности существенных признаков - акустооптический спектрополяриметр изображений, содержащий установленный после оптической системы телескопа в сходящемся световом пучке со сходимостью 1/10-1/20 акустооптический фильтр на основе анизотропного кристалла парателлурита с геометрией акустооптического взаимодействия, при которой имеет место одновременная дифракция ортогонально поляризованных изображений наблюдаемого объекта, причем акустооптический фильтр расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее; в фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием, при этом более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала, имеющего центральное отверстие, через которое проходят пучки +1, -1 и 0-порядков дифракции, совпадает с фокальной плоскостью телескопа; далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков дифракции отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются, после чего в более коротком фокусе при вершине эллиптического зеркала на одной ПЗС-матрице формируются два ортогонально поляризованных спектральных изображения наблюдаемого объекта, смещенные друг относительно друга в плоскости дифракции; центральное отверстие эллиптического зеркала перекрыто диафрагмой дополнительного наклонного зеркала.

Частным существенным признаком является то, что 0-порядок дифракции отклоняется в сторону от оптической оси системы и используется для системы гидирования.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена оптическая схема заявляемого спектрополяриметра изображений объектов.

АО фильтр на основе монокристалла парателлурита (2) с пьезопреобразователем (3) располагается перед фокальной плоскостью (5) телескопа (1) со сходимостью 1/10 - 1/15 на расстоянии порядка 100 мм от фокальной плоскости. В фокальной плоскости (5) располагается эллиптическое зеркало (6) с отверстием в центральной зоне, в котором расположена диафрагма (4). Через отверстие в центральной зоне зеркала (6) проходят дифрагированные в АО фильтре спектральные пучки +1 и -1 порядков с ортогональными поляризациями (7) и (8); фоновый пучок 0-порядка (9) перекрывается диафрагмой (4).

АО фильтр располагается во внефокальной зоне, где имеет место значительная неравномерность амплитудно-фазового распределения светового поля от наблюдаемого объекта (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. Наука, М., 1970). Причем эта неравномерность превышает ранее упомянутую наведенную неравномерность дифрагированного светового поля из-за анизотропной акустической дифракции рабочей медленной сдвиговой моды в кристалле АО фильтра. Таким образом, уменьшается отрицательный эффект искажений спектральных срезов изображений на ПЗС-матрице, порожденных влиянием акустической анизотропии и неоднородностью акустического поля, излучаемого пьезопреобразователем фильтра, а качество изображений на ПЗС-матрице повышается. Тем самым устраняется первый недостаток прототипа.

Второй недостаток прототипа (малое пространственное разделение дифрагированных пучков и пучка 0-порядка) также устраняется в заявляемом изобретении вследствие того, что АО фильтр располагается перед фокальной плоскостью (5) телескопа, на некотором расстоянии от нее. При таком расположении фильтра дифрагированные пучки +1, -1 порядков дифракции приобретают дополнительное пространственное смещение по координате в плоскости дифракции относительно пучка 0-порядка. Характерное значение дополнительного смещения центров дифрагированных пучков по координате относительно центра пучка 0-порядка по сравнению с прототипом составляет порядка 10 мм при смещении АО фильтра на расстояние порядка 100 мм относительно фокальной плоскости.

Третий недостаток прототипа устраняется тем, что плоские зеркала (10) и (11) расположены таким образом по отношению к эллиптическому зеркалу (6), что более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала (6) совмещается с фокальной плоскостью (5) телескопа (1). После последовательного отражения дифрагированных пучков +1 и -1 порядков дифракции вначале от зеркал (10) и (11), затем от эллиптического зеркала (6), дифрагированные пучки с ортогональными поляризациями фокусируются в плоскости (12), соответствующей более короткому фокусу при вершине эллиптического зеркала (6). При распространении пучки инвертируются и образуют на ПЗС-матрице (13) спектральные изображения с ортогональными поляризациями. Пучок 0-порядка (9) перекрывается диафрагмой (4). При таком конструктивном решении светосила заявляемой оптической системы спектрометра превосходит светосилу телескопа без спектрополяриметра, так как изображение формируется в более коротком фокусе эллиптического зеркала. Например, при соотношении фокальных отрезков эллиптического зеркала 0,63 светосила увеличивается в 1,6 раз относительно телескопа, без спектрополяриметра, и более чем в 3 раза по сравнению с прототипом. Тем самым устраняется третий недостаток прототипа.

При необходимости пучок 0-порядка (9) может быть использован для гидирования путем установки на диафрагме (4) дополнительного наклонного зеркала.

В качестве оптической системы (1), формирующей в спектрополяриметре изображение со сходимостью пучков 1/10-1/20 в вершине эллиптического зеркала (6), может выступать объектив, сфокусированный на конечную дистанцию.

1. Акустооптический спектрополяриметр изображений, содержащий установленный после оптической системы телескопа в сходящемся световом пучке со сходимостью 1/10-1/20 акустооптический фильтр на основе анизотропного кристалла парателлурита с геометрией акустооптического взаимодействия, при которой имеет место одновременная дифракция ортогонально поляризованных изображений наблюдаемого объекта, причем акустооптический фильтр расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее; в фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием, при этом более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала, имеющего центральное отверстие, через которое проходят пучки +1 и -1 порядков дифракции, совпадает с фокальной плоскостью телескопа; далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков дифракции отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются, после чего в более коротком фокусе при вершине эллиптического зеркала на одной ПЗС-матрице формируются два ортогонально поляризованных спектральных изображения наблюдаемого объекта, смещенные относительно друг друга в плоскости дифракции; в центральном отверстии эллиптического зеркала расположена диафрагма, перекрывающая пучок 0 порядка дифракции.

2. Акустооптический спектрополяриметр по п. 1, отличающийся тем, что 0-порядок дифракции отклоняется от оптической оси системы и используется для системы гидирования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптических измерений. Измерение оптических характеристик заключается в том, что линейно поляризованный свет направляют на образец S через поляризатор.

Изобретение относится к области оптической локации объектов и касается измерений изменений параметров поляризации оптического излучения при прохождении оптически активного вещества.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения поляризации света. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения поляризационных характеристик лазерного излучения, в частности знака циркулярной поляризации лазерного излучения.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для определения систематических погрешностей измерений в поляриметрической и эллипсометрической аппаратуре.

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано в системах, измерения поляризационных параметров оптического излучения. .

Изобретение относится к области физической оптики и может быть использовано в качестве средства исследования взаимодействия электромагнитного поля оптического диапазона волн с веществом, в частности, для исследования возбуждения вторичных электромагнитных волн в оптически прозрачных диэлектрических средах в процессе их нестационарного взаимодействия с электромагнитными волнами.

Изобретение относится к лазерным измерениям и может быть использовано в системах измерения поляризационных параметров оптического излучения. .

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения азимута плоскости поляризации оптического излучения. .

Изобретение относится к медицине, в частности к медицинской диагностике, и может быть использовано для исследования покровных тканей, в том числе и для исследования слизистых и серозных оболочек внутренних органов.

Настоящее изобретение относится к способу термической стабилизации полимера, получаемого полимеризацией с раскрытием кольца, а также к способу получения полигидроксикислот, способу анализа остатков металла в полимере и к полилактиду.

Изобретение относится к области неразрушающих методов анализа и может быть использовано для определения содержания бета-излучающих радионуклидов в водных объектах.

Изобретение относится к области определения физико-химических свойств. .
Изобретение относится к способу получения количественных и качественных данных о материальных носителях культурных ценностей, музейных предметов, антиквариата, древностей, памятников истории и культуры, объектов средовой природы, предметов коллекционирования, нумизматических и фалеристических материалов и т.п.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании спектральных приборов. .

Изобретение относится к области диагностики йодидов из зон окисленных руд. .

Изобретение относится к средствам наблюдения за процессом нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано в приборостроении, электронной промышленности и машиностроении для контроля скорости осаждения и состава осажденных покрытий.

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к системе и способу для определения пригодности к применению смазочных материалов и времени, когда необходимо заменять смазочные материалы. Система на основе процессора для прогнозирования интервала между заменами смазочного материала в двигателе на основании множества значений аналитического параметра, измеряемых во множестве образцов использованного моторного смазочного материала, отобранного из двигателя в течение периода времени, содержит первый вход, который принимает множество значений аналитических параметров и множество статистических значений аналитических параметров для двигателя. Эти параметры указывают на одну или более характеристик использованного смазочного материала. Также через первый вход происходит сохранение значений аналитических параметров и статистических значений аналитических параметров в памяти процессора. Второй вход принимает пороговое значение аналитического параметра для использованного смазочного материала в конце интервала обслуживания и сохраняет пороговое значение аналитического параметра в памяти процессора. Модуль определения определяет будущее значение аналитического параметра для определения интервала между заменами смазочного материала путем выполнения моделирования на множестве значений аналитических параметров и множестве статистических значений аналитических параметров. Затем сравнивается будущее значение аналитического параметра с пороговым значением аналитического параметра для определения того, превышает ли будущее значение аналитического параметра пороговое значение аналитического параметра в конце интервала обслуживания, чтобы обеспечить выходной сигнал, указывающий на интервал между заменами смазочного материала в двигателе. Моделирование, выполняемое модулем определения, выбрано из модели регрессии частных наименьших квадратов и модели нейронной сети. Упомянутые значения аналитических и статистических параметров содержат три или более аналитических параметра использованного смазочного материала. Также раскрыт способ прогнозирования интервала между заменами смазочного материала в двигателе. Технический результат заключается в повышении надежности работы двигателя за счет прогнозирования, на основе анализа масла, необходимости замены. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 17 ил.
Наверх