RU2525713C2 - Device for spectral selection of optical radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making and a device for spectral selection of optical radiation. The device consists of an input optical system and a Fabry-Perot interferometer lying along an optical axis. The input optical system enables to form a parallel beam path and the Fabry-Perot interferometer is configured to deviate the normal of the interferometer mirrors relative to the optical axis of the system. The deviation of the normal of the mirrors of the Fabry-Perot interferometer is provided by adapters or connecting elements which prevent external optical radiation from falling into the optical path.

EFFECT: high signal-to-background ratio when detecting weak radiation in considerable background noise conditions.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к оптическим интерференционным системам, предназначенным для селекции полезного светового излучения, и может быть использовано в системах регистрации оптического (в частности, лазерного) излучения в качестве селектирующего устройства, например, в лидарах, дальномерах, в устройствах лазерной локации.The invention relates to the field of optical instrumentation, in particular to optical interference systems designed for the selection of useful light radiation, and can be used in registration systems for optical (in particular, laser) radiation as a selection device, for example, in lidars, rangefinders, in devices laser location.

Известна оптическая схема спектральной селекции оптического (в частности, лазерного) излучения на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо (ИФП) (патент РФ №02091732, опубл. 27.09.1997), содержащего клиновидные зеркальные пластины, связанные с системой приводов, задающих пластинам определенное относительно корпуса движение. Интерферометр обеспечивает возможность селекции продольных мод излучения лазеров.A known optical scheme of spectral selection of optical (in particular, laser) radiation based on a tunable Fabry-Perot interferometer (IFP) (RF patent No. 02091732, publ. 09/27/1997) containing wedge-shaped mirror plates associated with a drive system that sets the plates defined relative to body movement. The interferometer provides the ability to select longitudinal modes of laser radiation.

При вхождении оптического излучения в интерферометр Фабри-Перо под углом возможно значительное ослабление полезного сигнала.When optical radiation enters the Fabry-Perot interferometer at an angle, a significant attenuation of the useful signal is possible.

Второй недостаток состоит в том, что при использовании интерферометра Фабри-Перо в качестве средства спектральной селекции излучения в условиях фоновой засветки для достижения приемлемого соотношения сигнал/фон необходимо использовать специально изготовленные зеркала. Такие зеркала имеют необходимый коэффициент отражения в селектируемом диапазоне длин волн, для существенной доли фонового излучения, выходящей за пределы этой спектральной области, необходимо применение дополнительного средства спектральной селекции, например интерференционного фильтра.The second drawback is that when using a Fabry-Perot interferometer as a means of spectral selection of radiation under background illumination, in order to achieve an acceptable signal / background ratio, it is necessary to use specially made mirrors. Such mirrors have the necessary reflection coefficient in the selectable wavelength range, for a significant fraction of the background radiation that goes beyond this spectral region, it is necessary to use an additional means of spectral selection, for example, an interference filter.

Известен также дисперсионный лазерный дальномер, в котором оптическое устройство спектральной селекции лазерного излучения, подобное вышеназванному (патент РФ на изобретение №2353901, опубл. 27.04.2009) (прототип), содержит расположенные вдоль оптической оси входную оптическую систему (образована входным объективом) и согласованное с ней в общем оптическом тракте средство спектральной селекции. Средством селекции служит также интерференционный фильтр. Оптическая селективная система обеспечивает возможность регистрации с удовлетворительным качеством слабого лазерного излучения в условиях невысокого уровня фоновой засветки. Однако при решении задач, связанных с регистрацией слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки, недостаток системы состоит в неудовлетворительном подавлении фонового сигнала по причине того, что интерференционный фильтр в недостаточной степени ослабляет фоновую засветку, что делает неприемлемым использование системы из-за низкого соотношения сигнал/фон в этих условиях.Also known is a dispersive laser range finder, in which an optical device for spectral selection of laser radiation similar to the above (RF patent for invention No. 2353901, publ. 04/27/2009) (prototype), contains an input optical system located along the optical axis (formed by an input lens) and matched with it in the common optical path means of spectral selection. The selection filter is also an interference filter. Optical selective system provides the ability to register with a satisfactory quality of weak laser radiation in conditions of a low level of background illumination. However, when solving problems associated with recording weak radiation under conditions of significant background illumination, the drawback of the system is unsatisfactory suppression of the background signal due to the fact that the interference filter does not sufficiently reduce background illumination, which makes the use of the system unacceptable due to the low signal / background in these conditions.

Заявляемая система будет способствовать решению ряда задач, связанных с необходимостью регистрации оптического излучения в условиях высокой фоновой засветки, например, регистрация отраженного лазерного сигнала на фоне рассеянного в атмосфере солнечного излучения.The inventive system will contribute to solving a number of problems associated with the need to register optical radiation under conditions of high background illumination, for example, recording a reflected laser signal against the background of solar radiation scattered in the atmosphere.

Технический результат состоит в повышении соотношения сигнал/фон при регистрации слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки.The technical result consists in increasing the signal / background ratio when registering weak radiation in conditions of significant background illumination.

Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного оптического устройства спектральной селекции оптического излучения, содержащего расположенные вдоль оптической оси входную оптическую систему и согласованное с ней в общем оптическом тракте средство спектральной селекции, в предложенном устройстве использовано средство спектральной селекции на основе интерферометра Фабри-Перо, причем оптическая система, расположенная перед интерферометром Фабри-Перо, обеспечивает формирование параллельного хода лучей на входе в интерферометр.This technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the known optical device for spectral selection of optical radiation, containing the input optical system located along the optical axis and matched with it in the common optical path spectral selection means, the proposed device uses spectral selection means based on an interferometer Fabry-Perot, and the optical system located in front of the Fabry-Perot interferometer provides the formation of a parallel path l someone entering the interferometer.

Оптическое устройство может отличаться тем, что между входным объективом и интерферометром Фабри-Перо расположен интерференционный фильтр.An optical device may differ in that an interference filter is located between the input lens and the Fabry-Perot interferometer.

Оптическое устройство может отличаться тем, что за интерферометром размещен вспомогательный объектив, формирующий ход лучей на выходе из интерферометра.An optical device may differ in that an auxiliary lens is placed behind the interferometer, which forms the path of the rays at the exit of the interferometer.

В оптическом устройстве интерферометр Фабри-Перо может быть установлен с возможностью отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы. При этом отклонение интерферометра может быть обеспечено посредством переходников или соединительных элементов, исключающих попадание оптического излучения в оптический тракт.In an optical device, a Fabry-Perot interferometer can be installed with the ability to deflect the normal of the mirrors of the interferometer with respect to the optical axis of the system. In this case, the deflection of the interferometer can be ensured by means of adapters or connecting elements, eliminating the ingress of optical radiation into the optical path.

Физическая основа заявляемой системы такова.The physical basis of the claimed system is as follows.

Интерферометр Фабри-Перо - спектральный прибор, представляющий собой две пластины с плоской зеркальной поверхностью с коэффициентом отражения r, расположенные параллельно. Интерферометр можно рассматривать как светофильтр, выделяющий только ту часть оптического излучения, которая удовлетворяет условию целочисленности m, количества длин волн, укладывающихся на расстоянии между зеркалами, определяемом согласно формуле:The Fabry-Perot interferometer is a spectral device that consists of two plates with a flat mirror surface with a reflection coefficient r, located in parallel. An interferometer can be considered as a light filter emitting only that part of the optical radiation that satisfies the condition of integer m, the number of wavelengths that fit within the distance between the mirrors, determined according to the formula:

$$2d\cos \varphi =m\lambda ,(1)$$

$$2d\cos \varphi =m\lambda ,(\mathrm{one})$$

где d - расстояние между зеркалами, φ - угол падения излучения на зеркала интерферометра, λ - длина волны излучения.where d is the distance between the mirrors, φ is the angle of incidence of radiation on the mirrors of the interferometer, λ is the radiation wavelength.

Таким образом, интерферометр пропускает только оптическое излучение определенных длин волн. На выходе интерферометра имеем излучение, спектральное распределение которого представляет собой набор узких линий пропускания, отстоящих друг от друга по спектру на определенный интервал длин волн. Чтобы выделить одну линию, в систему добавляют блокирующий фильтр с узкой полосой пропускания, отсекающий соседние спектральные «пики».Thus, the interferometer transmits only optical radiation of certain wavelengths. At the output of the interferometer we have radiation, the spectral distribution of which is a set of narrow transmission lines spaced from each other in the spectrum for a certain wavelength interval. To isolate one line, a blocking filter with a narrow passband is added to the system, cutting off adjacent spectral “peaks”.

Регулируя расстояние между зеркалами d или угол падения излучения φ, можно настроить интерферометр так, чтобы пик пропускания интерферометра соответствовал оптическому излучению, в частности лазера, а остальное излучение отражалось. На этом и основан предлагаемый метод выделения слабого рабочего сигнала и ослабления фоновой засветки.By adjusting the distance between the mirrors d or the angle of incidence of radiation φ, it is possible to adjust the interferometer so that the transmission peak of the interferometer corresponds to optical radiation, in particular a laser, and the rest of the radiation is reflected. This is the basis of the proposed method for isolating a weak working signal and attenuating background illumination.

Поскольку регистрируемое излучение в рамках поставленной задачи будет иметь очень низкую интенсивность, необходимо направить как можно больше квантов в фотоприемное устройство (фоторегистратор), то есть "захватывать" кванты с как можно большей апертуры при помощи входного объектива. На выходе объектива будет сходящийся пучок, что не является проблемой при использовании интерференционного фильтра. Но его замена на интерферометр Фабри-Перо для сходящегося пучка приводит к появлению потерь излучения. Они обусловлены тем, что для значительной части лучей, падающих на интерферометр, условие максимума (1) не выполняется, и эти лучи отражаются. Предложенная система позволяет преодолеть обозначенные проблемы, так как, согласно заявляемому техническому решению, входная оптическая система, расположенная перед интерферометром, включая входной объектив, а также возможные оптические элементы, входящие в состав средства спектральной селекции, формирует параллельный ход лучей на входе в интерферометр.Since the registered radiation in the framework of the task will have a very low intensity, it is necessary to send as many quanta as possible to the photodetector (photorecorder), that is, to "capture" quanta from the largest possible aperture using the input lens. The output of the lens will be a converging beam, which is not a problem when using an interference filter. But its replacement with a Fabry-Perot interferometer for a converging beam leads to the appearance of radiation losses. They are due to the fact that for a significant part of the rays incident on the interferometer, the maximum condition (1) is not satisfied, and these rays are reflected. The proposed system allows to overcome the identified problems, since, according to the claimed technical solution, the input optical system located in front of the interferometer, including the input lens, as well as possible optical elements that are part of the spectral selection means, forms a parallel path of rays at the entrance to the interferometer.

Таким образом, заявляемое оптическое устройство спектральной селекции оптического излучения содержит совокупность элементов, а именно: входную оптическую систему и средство селекции на основе интерферометра Фабри-Перо. Отличительная особенность устройства состоит в следующем.Thus, the claimed optical device for spectral selection of optical radiation contains a combination of elements, namely: an input optical system and a selection tool based on a Fabry-Perot interferometer. A distinctive feature of the device is as follows.

Выбор в качестве основного элемента средства селекции лазерного излучения интерферометра Фабри-Перо обусловлен в соответствии с вышеприведенным обоснованием его работы способностью интерферометра данного типа обеспечивать селекцию оптического излучения очень узкого спектрального диапазона.The choice of the Fabry-Perot interferometer as the main element of the laser radiation selection means is determined by the ability of this type of interferometer to select optical radiation of a very narrow spectral range in accordance with the justification for its operation.

В этом случае при выборе состава элементов входной оптической системы принципиальным является требование обеспечения формирования системой параллельного пучка света на входе в интерферометр. Это приведет к повышению соотношения сигнал/фон, в частности, при регистрации слабого излучения в условиях значительной фоновой засветки.In this case, when choosing the composition of the elements of the input optical system, the fundamental requirement is to ensure that the system forms a parallel light beam at the entrance to the interferometer. This will lead to an increase in the signal / background ratio, in particular, when detecting weak radiation under conditions of significant background illumination.

Введение за интерферометром в состав устройства селекции оптического излучения вспомогательного объектива, формирующего ход лучей на выходе из интерферометра, может быть полезно с точки зрения формирования безабберационного изображения на фоторегистраторе. Так как выходная оптическая система концентрирует полезное излучение в фокусе, она позволяет повысить интенсивность полезного сигнала и в некоторых случаях повысить соотношение сигнал/фон.The introduction of an auxiliary lens behind the interferometer into the optical radiation selection device, which forms the beam path at the output of the interferometer, can be useful from the point of view of forming an aberrationless image on the photorecorder. Since the output optical system concentrates the useful radiation in focus, it can increase the intensity of the useful signal and, in some cases, increase the signal / background ratio.

Спектральное пропускание интерферометра, кроме основного максимума, имеет также несколько боковых. Поэтому интерферометр в ряде случаев используется в паре с интерференционным фильтром, который позволяет подавить излучение нежелательных длин волн (боковых максимумов пропускания).The spectral transmission of the interferometer, in addition to the main maximum, also has several lateral ones. Therefore, the interferometer in some cases is used in conjunction with an interference filter, which allows you to suppress the emission of unwanted wavelengths (lateral transmission maximums).

Размещение в одном из вариантов реализации перед интерферометром Фабри-Перо интерференционного фильтра приводит к следующему. Поскольку интерферометр Фабри-Перо осуществляет необходимую спектральную селекцию только в небольшом спектральном диапазоне, используемый интерференционный фильтр подавляет фоновое излучение, выходящее за пределы спектральной области селекции интерферометра. Это приводит к улучшению соотношения сигнал/фон в широком спектральном диапазоне.Placing an interference filter in front of a Fabry-Perot interferometer in one embodiment leads to the following. Since the Fabry-Perot interferometer performs the necessary spectral selection only in a small spectral range, the interference filter used suppresses background radiation that goes beyond the spectral range of the interferometer selection. This leads to an improvement in the signal-to-background ratio in a wide spectral range.

Если интерферометр Фабри-Перо установлен в оптической системе с возможностью отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы, то посредством поворота, обеспечивающего осуществление юстировки, производится подстройка интерферометра на пропускание необходимой длины волны излучения. При этом возможность отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы может быть обеспечена посредством переходников или соединительных элементов (исключающих попадание света), что облегчает юстировку элементов системы.If the Fabry-Perot interferometer is installed in the optical system with the possibility of deflecting the normal of the interferometer mirrors with respect to the optical axis of the system, then through the rotation, which ensures adjustment, the interferometer is tuned to transmit the required radiation wavelength. In this case, the possibility of deviating the normal of the interferometer mirrors with respect to the optical axis of the system can be provided by means of adapters or connecting elements (excluding light), which facilitates the alignment of system elements.

На фиг.1 схематично изображено реализованное устройство спектральной селекции оптического излучения, где 1 - входная оптическая система; 2 - интерференционный фильтр; 3 - интерферометр Фабри-Перо; 4 - вспомогательный объектив; интерферометр встроен в оптический тракт посредством переходников 5 с резиновыми прокладками; стрелка показывает направление к фоторегистратору; в состав входной оптической системы входит телескоп (входной объектив) 6 и мениск 7.Figure 1 schematically shows an implemented device for spectral selection of optical radiation, where 1 is the input optical system; 2 - interference filter; 3 - Fabry-Perot interferometer; 4 - auxiliary lens; an interferometer is integrated into the optical path by means of adapters 5 with rubber gaskets; the arrow shows the direction to the photorecorder; The input optical system includes a telescope (input lens) 6 and a meniscus 7.

На фиг.2 представлено изображение и график рабочего сигнала с ослабленным фоновым излучением.Figure 2 presents the image and graph of the working signal with attenuated background radiation.

Осуществлено экспериментальное подтверждение возможности регистрации лазерного излучения в условиях значительной фоновой (дневной) засветки.Experimental confirmation of the possibility of detecting laser radiation under conditions of a significant background (day) illumination was carried out.

Для обеспечения условия параллельности хода лучей на входе в интерферометр Фабри-Перо в реализованном устройстве спектральной селекции оптическая система, предшествующая интерферометру, включала в себя телескоп 6; а также мениск 7. Используемый в паре с интерференционным фильтром 2 основной элемент средства спектральной селекции - интерферометр Фабри-Перо 3 представлял собой две стеклянные плоскопараллельные пластины с коэффициентом отражения R и расстоянием ними d. От величин R и d зависит степень ослабления фонового излучения.To ensure the parallelism of the rays at the entrance to the Fabry-Perot interferometer in the implemented spectral selection device, the optical system preceding the interferometer included a telescope 6; and meniscus 7. The main element of the spectral selection means, the Fabry-Perot 3 interferometer, used in conjunction with interference filter 2, was two glass plane-parallel plates with a reflection coefficient R and a distance d of them. The degree of attenuation of background radiation depends on the values of R and d.

Были применены специально изготовленные зеркала с коэффициентом отражения R=90% и шероховатостью поверхности, не превышающей 3 нм. Это привело к достаточно большому значению коэффициента пропускания рабочего излучения данного интерферометра Фабри-Перо (приблизительно 90%) на длине волны 1315 нм. Расстояние между пластинами d=0,3 мм обеспечивалось при помощи инварового кольца. Интерферометр был встроен в оптический тракт с помощью переходника 4 с резиновой прокладкой, обеспечивающего возможность отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы для настройки системы регистрации в целом.Specially made mirrors were used with a reflection coefficient of R = 90% and a surface roughness not exceeding 3 nm. This led to a sufficiently large value of the transmittance of the working radiation of this Fabry-Perot interferometer (approximately 90%) at a wavelength of 1315 nm. The distance between the plates d = 0.3 mm was provided using an invar ring. The interferometer was integrated into the optical path using an adapter 4 with a rubber gasket, which made it possible to deflect the normal of the interferometer mirrors with respect to the optical axis of the system to configure the registration system as a whole.

При регистрации лазерного излучения в условиях засветки входная оптическая система 1, расположенная перед интерференционным фильтром 2, формирует параллельный ход лучей. Далее лазерное излучение, пройдя интерференционный фильтр 2, частично отфильтровывается от фона. Пройдя интерферометр 3, оставшееся излучение претерпевает дополнительную селекцию, обеспечивая повышение соотношения сигнал/фон. Затем вспомогательный объектив 4 формирует ход лучей, необходимый для последующей фоторегистрации. Спектральная ширина пропускания реализованной системы составляла 0,03 нм. По сравнению с прототипом соотношение сигнал/фон выросло приблизительно в 20 раз.When registering laser radiation under exposure conditions, the input optical system 1, located in front of the interference filter 2, forms a parallel beam path. Then the laser radiation, having passed the interference filter 2, is partially filtered from the background. Passing the interferometer 3, the remaining radiation undergoes additional selection, providing an increase in the signal / background ratio. Then, the auxiliary lens 4 forms the beam path necessary for subsequent photographic recording. The spectral bandwidth of the implemented system was 0.03 nm. Compared with the prototype, the signal-to-background ratio increased approximately 20 times.

Таким образом, заявленная совокупность признаков, касающаяся выбора средства спектральной селекции на основе интерферометра Фабри-Перо, а также требования, предъявляемые к входной оптической системе, предшествующей интерферометру, касающиеся обязательности формирования параллельного хода лучей на входе в интерферометр, и ряд конкретных усовершенствований устройства, приводит к повышению соотношения сигнал/фон при регистрации слабого излучения в условиях значительной засветки, а также обеспечивает удобство настройки системы регистрации в целом.Thus, the claimed combination of features regarding the choice of spectral selection based on the Fabry-Perot interferometer, as well as the requirements for the input optical system preceding the interferometer regarding the mandatory formation of a parallel path of rays at the entrance to the interferometer, and a number of specific improvements to the device, leads to increase the signal-to-background ratio when registering weak radiation under conditions of significant exposure, and also provides the convenience of adjusting the registration system radio as a whole.

Claims (1)

Устройство спектральной селекции оптического излучения, содержащее расположенные вдоль оптической оси входную оптическую систему и согласованное с ней в общем оптическом тракте средство спектральной селекции на основе интерферометра Фабри-Перо, причем входная оптическая система, расположенная перед интерферометром Фабри-Перо, обеспечивает формирование параллельного хода лучей на его входе, отличающееся тем, что интерферометр Фабри-Перо установлен с возможностью отклонения нормали зеркал интерферометра по отношению к оптической оси системы, при этом возможность отклонения нормали зеркал интерферометра Фабри-Перо обеспечена посредством переходников или соединительных элементов, исключающих попадание постороннего оптического излучения в оптический тракт. A device for spectral selection of optical radiation, comprising an input optical system located along the optical axis and coordinated with it in the common optical path by means of spectral selection based on a Fabry-Perot interferometer, and the input optical system located in front of the Fabry-Perot interferometer ensures the formation of a parallel path of rays on its input, characterized in that the Fabry-Perot interferometer is installed with the ability to deflect the normal of the mirrors of the interferometer with respect to the optical and systems, while allowing normal deviations of mirrors of the Fabry-Perot interferometer is provided by means of connecting elements or adapters excluding stray optical radiation into the optical path.

Images