Акустооптическое устройство для получения спектральных стереоизображений с перестройкой по спектру

Изобретение относится к области стереоскопии, в частности к получению и регистрации спектральных стереоизображений предметов, объектов. На входе устройства установлена двухапертурная диафрагма, формирующая два световых пучка, выходящих из объекта под разными углами. Входной объектив направляется на входные взаимно-ортогонально ориентированные поляризаторы, за которым установлена акустооптическая ячейка (АО). Благодаря выбору углов падения света на решетку и ориентации последней относительно осей кристалла АО ячейки селективно дифрагированные пучки распространяются параллельно, а недифрагированные пучки задерживаются выходной диафрагмой. Технический результат - обеспечение идентичности двух стереоскопических каналов, уменьшение количества акустооптических ячеек и поляризаторов, обеспечение взаимной синхронизации каналов, уменьшение массы и габаритов, снижение требований к элементам устройства и упрощение его изготовления и юстировки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области стереоскопии, в частности к получению и регистрации спектральных стереоизображений предметов, объектов. Стереоскопия позволяет визуализировать и определять трехмерную форму предметов, их структуру, взаимное расположение отдельных элементов. Стереоизображения рассматриваются глазами либо непосредственно (как, например, в стереомикроскопии), либо с помощью специальных приспособлений (как, например, стереоэкраны или стереопроекторы с очками).

Методы спектрально-контрастной визуализации (spectral imaging) позволяют решать множество задач, в частности отображать распределение свойств наблюдаемого объекта, например физико-химических. Для этого выделяют свет в полосе поглощения, излучения, флуоресценции визуализируемого вещества или элемента. Разные вещества визуализируются на разных длинах волн. Получение спектральных стереоизображений позволит получать (отображать) объемное распределение таких веществ (свойств) или трехмерной структуры.

Получение спектральных стереоизображений предполагает регистрацию объемных изображений в ограниченных спектральных интервалах. Известны способы регистрации стереоизображений, заключающиеся в том, что два световых пучка, образующих стереопару, поляризуются в вертикальном и горизонтальном направлении так, что при наблюдении через поляризационные очки каждый глаз видит один из двух пучков, выходящих под разными углами по отношению к рассматриваемому объекту, что и создает эффект стереовидения (объемности) [V.A. Ezhov, S.A. Studentsov. Volume (or stereoscopic) images on the screens of standard computer and television displays. // Proc. SPIE, 2005. V. 5821. P. 102]. Для получения спектрального изображения излучение необходимо дополнительно пропустить через соответствующий оптический фильтр. Для регистрации серии таких изображений необходимо использовать набор сменных светофильтров либо перестраиваемый оптический фильтр, например, акустооптический (АО) [В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.Е. Чирков. Физические основы акустооптики. // М., Радио и связь, 1985. 279 с.].

Таким образом, достижение искомого результата (получение спектральных стереоизображений на разных длинах волн) обеспечивает оптическая схема (фиг. 1a), содержащая по одному АО фильтру в каждом стереоскопическом канале. Схема дифракции в каждом АО фильтре показана на фиг. 1б. Устройство формирует два пучка, имеющих ортогональные поляризации и переносящих изображения объекта под разными углами. Наблюдение стереоэффекта возможно с использованием поляризационных очков, содержащих два скрещенных поляризатора, ориентированных по направлению поляризации выходящих пучков.

Эта схема имеет ряд недостатков, затрудняющих ее реализацию и использование. Прежде всего, это необходимость использования двух АО фильтров, каждый из которых является сложным активным устройством, необходимость в их абсолютной и взаимной геометрической и спектральной калибровке и взаимной синхронизации. Кроме того, на АО фильтры накладываются условия полной идентичности. Это необходимо, во-первых, чтобы аберрации изображения в обоих каналах были одинаковы - для сохранения стереоэффекта и высококачественного восстановления трехмерной структуры объекта. Во-вторых, взаимное смещение каналов по длине волны не позволяют получить одновременно контрастное изображение в двух каналах.

Решаемая изобретением техническая задача - получение спектральных стереоизображений путем формирования двух пучков, образующих стереопару, с взаимно-ортогональной поляризацией.

Технический результат, который может быть получен, состоит в обеспечении идентичности двух стереоскопических каналов, уменьшении количества акустооптических ячеек и поляризаторов, решении проблемы взаимной синхронизации каналов, меньших массе и габаритах, снижении требований к элементам устройства и упрощении его изготовления и юстировки. Этот результат достигается за счет дифракции двух световых пучков в одной акустооптической ячейке на одной и той же акустической волне.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата на входе устройства располагают двухапертурную диафрагму, формирующую два световых пучка, выходящих из объекта под разными углами, которые с помощью входного объектива направляются на входные взаимно-ортогонально ориентированные поляризаторы, после прохождения которых пучки попадают в АО ячейку (кристалл, в котором возбуждается бегущая ультразвуковая волна, период которой задается частотой ƒ, подаваемой на акустический излучатель высокочастотного электрического сигнала) под определенным углом схождения, где они дифрагируют с отклонением направления распространения и изменением направления линейной поляризации на ортогональную, причем благодаря выбору углов падения света на решетку и ориентации последней относительно осей кристалла АО ячейки селективно дифрагированные пучки, длина волны которых одинакова и определяется периодом ультразвуковой волны, распространяются параллельно, а недифрагированные пучки задерживаются выходной диафрагмой. Благодаря тому, что оба пучка дифрагируют в одном и том же месте, возможные искажения изображения из-за дифракции оказываются практически одинаковыми в обоих каналах и не нарушают стереоэффект. Использование одной АО ячейки вместо двух обеспечивает остальные составляющие технического результата.

Указанные углы α₁ и α₂ распространения падающих световых пучков в кристалле АО ячейки, обеспечивающие параллельное распространение дифрагированных пучков, связаны соотношением

где ξ=n_e/n_o, n_e и n_o - показатели преломления кристалла для необыкновенно («е») и обыкновенно («о») поляризованной световой волны. Углы отсчитываются от оптической оси Z одноосного кристалла и относятся к пучкам в кристалле (фиг. 2б). Соответствующие углы вне кристалла связаны с углами в кристалле формулами Френеля:

Угол распространения акустической волны α_s при этом составляет

Для любого угла распространения первого пучка α₁ однозначно определяется угол распространения второго пучка α₂. Из всех возможных пар углов α₁, α₂(α₁), определяемых формулой (1), наибольший угол Δα=α₂-α₁ между двумя падающими пучками (параллакс) достигается при выполнении условия

и составляет Δα=arctg(ξ²)-arcctg(ξ²). При этом же условии (3) максимальны углы Δα₁, Δα₂ отклонения пучков при дифракции в каждом канале

Таким образом, оптимальные углы распространения световых пучков и , соответствующие максимальному параллаксу Δα (и соответственно максимальному стереоэффекту) и максимальным углам разведения Δα₁, Δα₂ (и соответственно минимально возможному расстоянию до выходной диафрагмы и минимальной длине устройства), определяются формулой (3). Угол распространения акустической волны при этом составляет

Для кристалла TeO₂, являющегося основным для АО фильтров материалом, на длине волны λ=532 нм двулучепреломление составляет ξ=1,07 (n_e=2,46 и n_o=2,30), что соответствует углам =48,8°, =41,2°, =108,0° и параллаксу Δα=7,7°.

Условие (3) определяется величиной двулучепреломления кристалла ξ, которая зависит от длины волны света λ. Поэтому оптимальные углы также зависят от λ, однако вдали от края поглощения материала (380 нм для TeO₂) дисперсия мала, и спектральной зависимостью углов можно пренебречь. Например, для TeO₂ на длине волны λ=1060 нм углы имеют следующие значения =48,6°, =41,4°, =108,1°, что практически совпадает с приведенными ранее значениями этих углов для λ=532 нм.

Угол сведения световых стереопучков в кристалле Δα устанавливается в соответствии с требуемым параллаксом наблюдения и углом распространения ультразвука α_S. Углы разведения пучков Δα₁ и Δα₂ на выходе определяются расстоянием наблюдения и оптической системой, имеющей возможность юстировки.

Устройство работает следующим образом. Рассматриваемый объект помещается в переднюю фокальную плоскость устройства. Задается частота ультразвука, соответствующая требуемой длине волны света, и на выходе устройства появляются два параллельных совмещенных (частично или полностью) световых ортогонально поляризованных пучка, переносящие изображения, каждое из которых соответствует разному углу наблюдения. Эти изображения могут наблюдаться через поляризационные очки, так что каждое изображение воспринимается своим глазом, что и обеспечивает стереоэффект. Расстояние наблюдения произвольно, начиная с расстояния минимального зрения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная оптическая схема устройства, где введены следующие обозначения: 1 - исследуемый объект, 2 - входная диафрагма; 3 - входной объектив, 4 - входные поляризаторы, 5 - акустооптическая ячейка, 6 - выходная диафрагма.

На фиг. 2 изображены схема спектральной фильтрации и визуальной регистрации стереопары (а) и векторная диаграмма используемых АО ячеек (б), где введены следующие обозначения: 1 - исследуемый объект, 2 - входная диафрагма; 3 - входной объектив, 4 - входные поляризаторы, 5 - АО ячейки, 6 - выходные поляризаторы, 7 - выходная диафрагма, 8 - поляризационные очки, 9 - глаза наблюдателя, k₁, k₂ - волновые векторы падающих световых волн в АО ячейках 1-го и 2-го каналов; k′₁ k′₂ - волновые векторы дифрагированных световых волн; q₁, q₂ и ƒ₁, ƒ₂ - волновые векторы и частоты ультразвуковой волны.

На фиг. 3 изображена схема взаимодействия волн в акустооптической ячейке (а) и векторная диаграмма дифракции (б).

1. Акустооптическое (АО) устройство для получения спектральных стереоизображений с перестройкой по спектру,
состоящее из оптически связанных и расположенных последовательно
входной двухапертурной диафрагмы 2,
входного объектива 3, формирующих два идентичных коллимированных световых пучка, переносящих стереоскопические изображения объекта 1;
пары поляризаторов 4, оси которых скрещены, а сами поляризаторы расположены каждый в одном из двух световых пучков, сформированных двумя отверстиями входной диафрагмы, для выделения из этих пучков ортогональных линейно-поляризованных световых составляющих;
перестраиваемого АО фильтра 5 для выделения из пучков заданной спектральной компоненты и обеспечения параллельного распространения пучков с ортогональными поляризациями после фильтрации;
выходной диафрагмы 6 для отсечения недифрагированного излучения;
отличающееся тем, что
содержит одну АО ячейку, причем два пучка направляются на одну и ту же область АО ячейки под углами α₁ и α₂ к оптической оси АО кристалла, связанными соотношением

где ξ=n_e/n_o, n_e и n_o - показатели преломления кристалла для необыкновенно («е») и обыкновенно («о») поляризованной световой волны, а угол распространения звука αs по отношению к оптической оси кристалла дается формулой

2. Акустооптическое устройство для получения спектральных стереоизображений с перестройкой по спектру по п. 1,
отличающееся тем, что
углы распространения световых и звукового пучков даются формулами