RU2532133C1 - Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images - Google Patents
Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images 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
Description
Изобретение относится к технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии).The invention relates to techniques for obtaining spectral images (video spectrometry).
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).There are various designs of acoustic video monochromators for filtering optical images containing an acousto-optical filter (US No. 5377003, publ. 1994; DA Glenar, JJ Hillman, B. Safb, J. Bergstralh. Appl. Opt, 1994, V.33, No. 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.The acousto-optic (AO) filter for filtering images contains an acousto-optic cell enclosed between two crossed polarizers, i.e. polarizers, the optical axes of which are mutually perpendicular, so that light in the absence of a controlling high-frequency RF signal does not pass through the system.
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.AO cell is a uniaxial crystal, to which a high-frequency (HF) emitter of ultrasonic waves is attached, which makes it possible to excite an ultrasonic wave of controlled frequency in the crystal. One of the components of a light beam incident on a crystal whose wavelength corresponds to the Bragg diffraction condition on a sound wave changes the direction of its propagation and its polarization as a result of diffraction.
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.Due to the fact that the polarization directions of the diffracted and incident light beams are mutually orthogonal, only the indicated diffracted light beam passes through the AO filter in the presence of an RF control signal, which ensures spectral filtering of light, i.e. a one-to-one correspondence between the frequency of the control RF signal and the wavelength of the diffracted light beam.
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.The plane defined by the optical axis of the crystal and the direction of propagation of the wave vector of the ultrasonic wave is the diffraction plane, since it is in this plane that the incident and diffracted light rays lie.
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.The main disadvantage of this AO video monochromator is the presence of dispersive image distortions caused by the refraction of the diffracted light beam at the exit face of the AO cell crystal, which is manifested as a function of the spatial position of the diffracted beam on the radiation wavelength. This leads to shifting and zooming at different wavelengths. The shift of the video image complicates its subsequent registration and processing with a photodetector (or other recording equipment), since it requires the use of additional adjustment to combine the recorded frames at different wavelengths, and zooming requires subsequent processing of the image to recreate the true proportions of the object.
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.).The closest technical solution is an acousto-optic video monochromator for filtering optical images, comprising a non-collinear acousto-optic filter and a dispersion compensation element installed along the light beam behind the acousto-optical filter, the output of the acousto-optical filter being optically coupled to the optical input of the dispersion compensation element (US No. 5796512, publ. . 1998).
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.In this technical solution, an additional prism located after the AO filter is used as an element for compensating dispersion. However, the presence of a prism allows one to compensate for dispersion distortions only in a narrow spectral range, since the dispersion law for a prism and AOF is different.
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).In another close technical solution, a second AO filter identical to the first AO filter and installed with rotation of its geometric shape relative to the geometric shape of the first AO filter 180 ° around an axis perpendicular to the crystal diffraction plane of the first AO filter (RU 2258206, publ. 08/10/2005).
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.Prism and the second AO filter are additional elements, which leads to an increase in the cost of the entire device. The need to combine the optical output of an acousto-optical filter with the optical input of a dispersion prism or a second AO filter leads to a complication of the device setup.
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.The problem solved by the present invention is the simplification and cheapening of the design of a video monochromator. The technical result of the invention is the development of an acousto-optical video monochromator with the possibility of increasing the spectral interval of compensation for dispersion distortion.
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.To solve the problem with achieving the specified technical result in an acousto-optic monochromator for filtering optical images containing a non-collinear acousto-optic filter, according to the invention, the output face of the acousto-optic cell crystal, rotated in the diffraction plane of the acousto-optic filter by an angle φ with respect to the input crystal face of an acousto-optic filter cell.
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.The angle φ depends on the spectral range of the acousto-optic monochromator, the directions of propagation of ultrasonic and light beams in the crystal of the acousto-optical cell, as well as the optical properties of this crystal.
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.The angle φ matters at which the spectral drift of the diffraction angle in the AO cell is maximally compensated by the spectral drift of the refractive angle of the diffracted beam on the inclined output face, so that the spectral angular drift of the diffracted light beam does not exceed its diffraction divergence, or the angular size of the pixel matrix.
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.It should be noted that the AO filter can also be performed according to a non-polarization scheme - in this case, the diffracted (filtered) beam is spatially separated from the non-diffracted one due to the deviation of the propagation direction of the first beam from the propagation direction of the second.
С этой целью может быть использована диафрагма, пропускающая только продифрагировавший пучок и блокирующая непродифрагировавший.For this purpose, a diaphragm can be used that transmits only the diffracted beam and blocks the non-diffracted beam.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются прилагаемыми фигурами.These advantages, as well as features of the present invention are illustrated by the accompanying figures.
Фиг.1 схематично изображает заявленное устройство, где символом «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход АО-фильтра.Figure 1 schematically depicts the claimed device, where the symbol "HF" indicates the control high-frequency input of the AO filter.
Фиг.2 схематично изображает для сравнения АО видеомонохроматор, содержащий один АО фильтр для фильтрации изображения, где элемент для компенсации дисперсии отсутствует.Figure 2 schematically depicts for comparison an AO video monochromator containing one AO filter for filtering an image, where there is no element for dispersion compensation.
Устройство (фиг.1) работает следующим образом.The device (figure 1) works as follows.
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.The figures show the elements of a video monochromator: 1 — an acousto-optic cell, 2 — an input polarizer, 3 — an output polarizer, 4 — a lens, and 5 — a photodetector matrix of a video camera installed in the video monochromator along the rays in the usual way. Solid arrows indicate the ray path for wavelength λ 1 , and dashed arrows indicate wavelength λ 2 > λ 1 .
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.A video monochromator eliminates dispersion distortion due to the fact that the angle between the direction of the diffracted beam in the crystal and the normal to the output face increases with increasing λ. At the same time, the angle between the direction of the diffracted beam in air and the normal to the exit face decreases with increasing λ according to the Snellius law of refraction and the dispersion dependence n (λ) of the AOI crystal. As a result, when exiting the crystal into the air, the diffracted beams are quasi-parallel and focus in the same place on the photomatrix.
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.In the device shown in Fig. 1, the value of the slope of the output face of the AO cell in the diffraction plane φ is such that the spectral drift of the angle of diffraction in the AO cell is maximally compensated by the spectral drift of the refractive angle of the diffracted beam on the inclined output face. As a result, the spectral angular drift of the diffracted light beam (i.e., the maximum change in the direction of this beam in the entire spectral range) can be reduced to the minimum possible value, which, like the angle φ, depends on the spectral range, the orientation of the directions of propagation of sound and light beam in the crystal and the optical properties of the crystal.
Критерий эффективности компенсации дисперсии в АО видеомонохроматоре может быть выражен в виде неравенства:The criterion of the dispersion compensation efficiency in an AO video monochromator can be expressed as inequality:
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.where ΔΘ etc. - spectral angular drift of the diffracted beam, δφ = Δφ / N - angular resolution of one pixel of the camera, which is the ratio of the angular aperture AO videomonohromatora Δφ to the number of pixels photomatrixes in the vertical direction (along the direction of displacement of the light beam when drift) N, ΔΘ dtp - diffraction divergence of the initial collimated light beam at the aperture of the AO filter cell. The fulfillment of inequality (1) means that the amount of displacement of the spot on the photomatrix 5 (Fig. 1) is less than the size of the spot or less than one pixel. In any of these cases, drift can be neglected.
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.With an increase in the wavelength of the filtered radiation, the crystal dispersion decreases (i.e., the dependence of the refractive indices on the wavelength becomes weaker), and the diffraction divergence increases, therefore, the efficiency of the compensation considered also increases. Studies have shown that for most uniaxial crystals, such compensation in the red and infrared spectral regions is effective and practically feasible.
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:For example, for an acousto-optic video monochromator with an AO cell on paratellurite (TeO 2 ) with a working spectral range (0.7-1.1) microns and parameters: Θ = 26.3 ° - the angle between the direction of propagation of the light beam and the Z axis of the crystal; γ = 12.3 ° - the angle between the direction of propagation of the ultrasonic beam and the axis [110] of the crystal; AO cell aperture - 12 mm, Δφ = 5.2 °; N = 1390, the following results were obtained:
ΔΘдр=10-3 град, ΔΘдф(0,7 мкм)=3,3·10-3 град, Al ΔΘ = 10 -3 deg ΔΘ DF (0.7 m) = 3.3 × 10 -3 deg.
ΔΘдф(1,1 мкм)=4,6·10-2 град, δφ=3,7·10-3 град.ΔΘ DF (1.1 microns) = 4.6 × 10 -2 degrees, δφ = 3,7 · 10 -3 deg.
Таким образом, неравенство (1) выполняется с запасом и компенсация вполне эффективна.Thus, inequality (1) is fulfilled with a margin and compensation is quite effective.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013107939A RU2013107939A (en) | 2014-09-10 |
RU2532133C1 true RU2532133C1 (en) | 2014-10-27 |
Family
ID=51539583
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013107939/28A RU2532133C1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2532133C1 (en) |
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/en 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 (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6214554B2 (en) | Light modulation element | |
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 | |
CN109782496B (en) | Electrically tunable polarization independent liquid crystal microlens array | |
US20080117385A1 (en) | Liquid crystal device and projector having the same | |
US9507069B2 (en) | Polarization hyperspectral/multispectral imager and method | |
US11656484B2 (en) | Voltage-tunable polarizer | |
JP6869655B2 (en) | Optical equipment and imaging equipment | |
JP6679366B2 (en) | Optical device and imaging device | |
WO2009139133A1 (en) | Optical distortion measurement apparatus | |
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 (en) | Non-polarized acousto-optical monochromator | |
RU2532133C1 (en) | Optical-acoustic monochromator for filtration of optical images | |
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 (en) | A kind of polarization differential multispectral imaging device and method for real-time detection | |
Yukhnevich et al. | Influence of refractive indices dispersion on parameters of imaging AOTFs operating with non-polarized light | |
JP6704766B2 (en) | Optical device and imaging device | |
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 (en) | Acoustic-optical videomonochromator for filtering optical images |