RU2532133C1 - Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений - Google Patents
Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2532133C1 RU2532133C1 RU2013107939/28A RU2013107939A RU2532133C1 RU 2532133 C1 RU2532133 C1 RU 2532133C1 RU 2013107939/28 A RU2013107939/28 A RU 2013107939/28A RU 2013107939 A RU2013107939 A RU 2013107939A RU 2532133 C1 RU2532133 C1 RU 2532133C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acousto
- crystal
- cell
- angle
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
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.
Description
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 λ2>λ1.
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:
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (ru) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (ru) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013107939A RU2013107939A (ru) | 2014-09-10 |
RU2532133C1 true RU2532133C1 (ru) | 2014-10-27 |
Family
ID=51539583
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (ru) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2532133C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3944334A (en) * | 1973-08-30 | 1976-03-16 | Matsushita Electric Industrial Company, Ltd. | Acousto-optic filter |
US5264957A (en) * | 1992-07-02 | 1993-11-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Electrically controlled multiple dispersion (zoom) device |
-
2013
- 2013-02-25 RU RU2013107939/28A patent/RU2532133C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3944334A (en) * | 1973-08-30 | 1976-03-16 | Matsushita Electric Industrial Company, Ltd. | Acousto-optic filter |
US5264957A (en) * | 1992-07-02 | 1993-11-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Electrically controlled multiple dispersion (zoom) device |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
SUHRE D., THEODORE J. "White-light imaging by use of a multiple passband acousto-optic tunable filter", APPLIED OPTICS, Vol. 35, No 22, 1996, стр.4494-4501. ZHANG C., WANG H., QIU Y. "Study of the imaging performance for a noncollinear acousto-optic tunable filter", SYMPOSIUM ON PHOTONICS AND OPTOELECTRONIC, SOPO 2010 PROCEEDINGS, 2010, стр.5504363. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013107939A (ru) | 2014-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6214554B2 (ja) | 光変調素子 | |
US20170350575A1 (en) | System and Method for Spectral Tuning of Broadband Light Sources | |
US20180129018A1 (en) | Compact non-mechanical zoom lens | |
WO2008128024A1 (en) | Compact snapshot polarimetry camera | |
US20080117385A1 (en) | Liquid crystal device and projector having the same | |
US9507069B2 (en) | Polarization hyperspectral/multispectral imager and method | |
US11656484B2 (en) | Voltage-tunable polarizer | |
JP6869655B2 (ja) | 光学装置および撮像装置 | |
JP6679366B2 (ja) | 光学装置および撮像装置 | |
WO2009139133A1 (ja) | 光学歪み計測装置 | |
Xu et al. | Optical schemes of super-angular AOTF-based imagers and system response analysis | |
US20100039646A1 (en) | Polarimetric imaging system having a matrix of programmable waveplates based on a material with an isotropic electrooptic tensor | |
RU2640123C1 (ru) | Бесполяризаторный акустооптический монохроматор | |
RU2532133C1 (ru) | Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений | |
Anikin et al. | An acousto-optical imaging spectrometer for astrophysical measurements | |
Machikhin et al. | Minimizing aberrations of a near-infrared acousto-optic video spectrometer by optimizing the tunable filter parameters | |
US7817334B2 (en) | Wavelength conversion element, light source device, image display device, and monitor device | |
CN107144348A (zh) | 一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法 | |
Yukhnevich et al. | Influence of refractive indices dispersion on parameters of imaging AOTFs operating with non-polarized light | |
Anchutkin et al. | Acoustooptical method of spectral–polarization image analysis | |
US10823976B2 (en) | Optical structure | |
Batshev et al. | Polarizer-free AOTF-based spectral imaging system | |
RU2258206C1 (ru) | Акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений | |
RU2569907C1 (ru) | Акустооптический спектрополяриметр изображений с повышенным качеством спектральных срезов изображений и увеличенной светосилой | |
JP4269386B2 (ja) | 撮像光学系 |