RU2640123C1 - Бесполяризаторный акустооптический монохроматор - Google Patents
Бесполяризаторный акустооптический монохроматор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640123C1 RU2640123C1 RU2017109653A RU2017109653A RU2640123C1 RU 2640123 C1 RU2640123 C1 RU 2640123C1 RU 2017109653 A RU2017109653 A RU 2017109653A RU 2017109653 A RU2017109653 A RU 2017109653A RU 2640123 C1 RU2640123 C1 RU 2640123C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- filter
- crystal
- light beam
- angle
- acousto
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 38
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 abstract description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/1256—Generating the spectrum; Monochromators using acousto-optic tunable filter
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/33—Acousto-optical deflection devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии).
Известна конструкция неколлинеарного акустооптического фильтра (АОФ) для фильтрации оптических пучков (I.C. Chang. Appl. Phys. Lett., v. 25, №7, p. 370-372. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture).
Акустооптический (AO) фильтр для фильтрации оптических пучков содержит акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, т.е. поляризаторами, оптические оси которых взаимно перпендикулярны, так что свет, несущий спектральную информацию о наблюдаемом объекте, 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. Кристалл АО ячейки ориентирован таким образом, что его оптическая ось лежит в плоскости дифракции, задаваемой падающим и дифрагировавшим световыми лучами.
Одна из компонент светового пучка, падающего на кристалл, длина волны которой соответствует условию анизотропной дифракции Брэгга на звуковой волне, изменяет в результате дифракции направление своего распространения и состояние своей поляризации. Вследствие того, что направление поляризации дифрагировавшего и падающего световых пучков взаимно ортогональны, указанный дифрагировавший световой пучок проходит через АО фильтр только при наличии управляющего ВЧ-сигнала, чем и обеспечивается спектральная фильтрация света, т.е. взаимнооднозначное соответствие между частотой управляющего ВЧ-сигнала и длиной волны дифрагировавшего светового пучка. Максимальная угловая апертура такого монохроматора равна угловой апертуре используемых поляризаторов - угловому интервалу входного светового пучка, в котором одновременно выполняются два условия:
1) дифрагировавший пучок проходит через выходной поляризатор,
2) недифрагировавший световой пучок не проходит через выходной поляризатор.
При этом он либо блокируется внутри поляризатора, либо выводится за его пределы под углом к прошедшему пучку, много большим угловой апертуры поляризатора. В результате обеспечивается высокий контраст АО фильтра - отношение интенсивности полезного сигнала к интенсивности фона при отсутствии управляющего ВЧ-сигнала.
Недостатком указанного АОФ является наличие внешних поляризаторов, усложняющих и удорожающих устройство, а также уменьшающих коэффициент пропускания фильтра, так как часть светового пучка, проходя через поляризаторы, поглощается и рассеивается в веществе, из которого они изготовлены, а часть теряется при отражении от поверхностей элементов поляризаторов. В том случае, когда внешние поляризаторы отсутствуют и используется пространственное разделение световых пучков, контраст фильтра снижается вследствие малой величины угла разделения пучков (обычно не более 7°), что ведет к увеличению погрешности при измерении спектров.
Известны различные конструкции акустооптических монохроматоров для фильтрации оптических изображений, содержащие акустооптический фильтр с внешними поляризаторами и элемент для компенсации дисперсии кристалла АОФ с целью минимизации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка и смещения спектрального видеоизображения на светочувствительной поверхности фотоприемной матрицы. В качестве элемента для компенсации дисперсии в этих технических решениях использованы дополнительная призма, установленная по ходу светового пучка за АОФ (US №5796512, опубл. 1998 г.); второй АОФ, идентичный первому АОФ и установленный с поворотом его геометрической формы относительно геометрической формы первого АОФ на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости дифракции кристалла первого АОФ (RU 2258206, опубл. 10.08.2005), либо выходная грань кристалла АОФ, повернутая в плоскости дифракции на некоторый угол к входной грани кристалла АО ячейки фильтра (RU 2532133, опубл. 27.10.2013).
Общим недостатком указанных технических решений также является необходимость использования внешних поляризаторов, усложняющих и удорожающих устройство, а также уменьшающих коэффициент пропускания фильтра. При отсутствии внешних поляризаторов и использовании пространственного разделения световых пучков контраст фильтра снижается вследствие малости угла между пучками, что ведет к увеличению погрешности при измерении спектров.
Решаемой настоящим изобретением задачей является устранение указанных недостатков.
Достигаемым техническим результатом, при использовании заявленного устройства, является увеличение коэффициента пропускания вследствие отсутствия внешних поляризаторов; упрощение и удешевление конструкции АО фильтра.
Данный технический результат достигается за счет того, что в акустооптическом монохроматоре для фильтрации световых пучков согласно изобретению для выделения полезного дифрагировавшего пучка использована выходная грань кристалла АОФ, образующая угол ϕ с оптической осью кристалла. Угол ϕ зависит от спектрального диапазона АОФ, направлений распространения ультразвукового пучка и светового пучков в кристалле фильтра, а также оптических свойств этого кристалла (коэффициентов преломления для обыкновенного nо и необыкновенного nе лучей). Угол ϕ имеет такое значение, при котором полезный дифрагировавший пучок проходит через АОФ. При этом все остальные световые пучки (непродифрагировавшие пучки взаимно-ортогональных поляризаций, а также не являющийся полезным дифрагировавший пучок) испытывают эффект полного внутреннего отражения (ПВО) от выходной грани АОФ. Таким образом, они блокируются внутри кристалла АОФ и поглощаются в результате рассеяния на его шлифованных гранях.
Указанное условие выделения отфильтрованного (полезного дифрагировавшего) пучка из совокупности всех имеющихся пучков выполняется для интервала углов падения падающего светового пучка на входную грань АОФ Δα, образующего угловую апертуру АОФ. Вне угловой апертуры это условие нарушается: через АОФ проходят дополнительные пучки, либо не проходят никакие световые пучки вовсе. Следовательно, падающий световой пучок должен быть сформирован таким образом, чтобы его расходимость не превышала величины Δα.
При фильтрации оптических изображений для компенсации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка за выходной гранью кристалла АОФ по ходу светового пучка устанавливается корректирующая призма из кристалла АОФ с углом ψ между входной и выходной гранями, так что выходная грань фильтра и входная грань призмы параллельны. Для того, чтобы эффект ПВО на задней грани кристалла АОФ для всех световых пучков, кроме полезного, не нарушался, воздушный промежуток между кристаллом АОФ и призмой должен иметь толщину h>λ, где λ - максимальная величина длины волны фильтруемого излучения в воздухе.
Величина угла ψ зависит от направления распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АОФ, угла между оптическими осями кристалла АОФ и призмы, а также показателей преломления nо, nе этого кристалла. Исследования показали, что существует такое значение угла ψ, при котором спектральный дрейф выходного светового пучка за призмой является минимальным для заданного спектрального диапазона и заданной угловой апертуре АОФ.
Преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются прилагаемыми фигурами.
Фиг. 1 изображает диаграмму волновых векторов, иллюстрирующую дифракцию неполяризованного излучения в одноосном положительном (ne>nо) кристалле парателлурита (TeO2). Исходный неполяризованный световой пучок, попадая в двулучепреломляющий кристалл, разбивается на обыкновенный и необыкновенного лучи (волновые вектора о и е соответственно). Волновой вектор о имеет угол θо с осью Z. В результате дифракции на акустической волне с волновым вектором К , имеющим угол γ с осью [110], в кристалле распространяются недифрагировавшие пучки о и е , а также дифрагировавшие пучки е→о и о → е , причем из всех перечисленных пучков полезным является о → е , так как только для волновых векторов о и о → е выполняется условие большой угловой апертуры АО фильтра (I.C. Chang. Appl. Phys. Lett., v. 25, №7, p. 370-372. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture). Поэтому именно этот пучок о → е должен быть выделен из всех прочих и доставлен на фоточувствительную площадку видеокамеры.
Фиг. 2 схематично изображает заявленное устройство для падения светового пучка под углом α к нормали входной грани АОФ, где символом «ВЧ» обозначен управляющий высокочастотный вход. Здесь: 1 - падающий неполяризованный пучок, 2 - акустическая ячейка, 3 - корректирующая призма, 4 - дифрагировавший полезный пучок ( о → е ), 5 - недифрагировавший пучок ( о , е ), 6 - дифрагировавший пучок, не являющийся полезным ( е → о ). Толщина воздушного зазора между АОФ и призмой равна h>λ, где λ - максимальная длина волны фильтруемого излучения. Устройство блокирует световые пучки 5, 6 и пропускает полезный пучок 4, для которого спектральный дрейф изображения на фотоматрице минимален, что достигается выбором оптимального значения угла ψ корректирующей призмы.
В качестве примера в первой строке таблице 1 представлены результаты расчета углов наклона выходной грани фильтра ϕ и корректирующей призмы ψ для ортогонального падения пучка на входную грань и заданного спектрального диапазона (600-1100) нм. Оптические оси кристаллов АОФ и призмы полагались параллельными. Этот вариант АОФ имеет сравнительно небольшую угловую апертуру 3,6° (±1,8°) и очень малый спектральный угловой дрейф дифрагировавшего пучка 0,0025°.
Для увеличения угловой апертуры АОФ следует использовать наклонное падение светового пучка на входную грань. В качестве примера во второй строке таблицы 1 содержатся результаты расчетов для Δα=(45,8-53)°. В этом случае угловая апертура увеличивается вдвое до 7,2°. Вместе с тем спектральный угловой дрейф дифрагировавшего светового пучка в такой угловой апертуре возрастает на порядок и составляет 0,03°.
Claims (2)
1. Акустооптический (АО) монохроматор, содержащий неколлинеарный АО фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована выходная грань одноосного двулучепреломляющего кристалла АО фильтра, образующая в плоскости дифракции АО фильтра угол ϕ с оптической осью кристалла АО фильтра, зависящий от спектрального диапазона АО фильтра, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АО фильтра, а также оптических свойств этого кристалла, причем угол ϕ имеет значение, при котором полезный дифрагировавший световой пучок проходит через акустооптический фильтр, а недифрагировавший, равно как и дифрагировавший, но не являющийся полезным, световые пучки полностью отражаются от выходной грани и блокируются внутри кристалла АО фильтра для интервала углов падения фильтруемого светового пучка на входную грань АО фильтра, образующего угловую апертуру АО фильтра.
2. Акустооптический (АО) монохроматор по п. 1, отличающийся тем, что для компенсации спектрального дрейфа дифрагировавшего светового пучка при фильтрации оптических изображений за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу светового пучка установлена призма, выполненная из кристалла АО фильтра, с углом ψ между входной и выходной гранями, так что выходная грань АО фильтра и входная грань призмы параллельны, а воздушный промежуток между кристаллом АО фильтра и призмой имеет толщину больше максимальной длины волны фильтруемого излучения в воздухе, при этом угол ψ зависит от спектрального диапазона АО фильтра, направлений распространения ультразвукового и светового пучков в кристалле АО фильтра, угла между оптическими осями кристаллов АО фильтра и призмы, а также оптических свойств этого кристалла, причем угол ψ имеет значение, при котором спектральный дрейф выходного светового пучка за призмой является минимальным для заданного спектрального диапазона и заданной угловой апертуре АО фильтра.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109653A RU2640123C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Бесполяризаторный акустооптический монохроматор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017109653A RU2640123C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Бесполяризаторный акустооптический монохроматор |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2640123C1 true RU2640123C1 (ru) | 2017-12-26 |
Family
ID=63857317
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017109653A RU2640123C1 (ru) | 2017-03-23 | 2017-03-23 | Бесполяризаторный акустооптический монохроматор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640123C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU192668U1 (ru) * | 2019-02-08 | 2019-09-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Ячейка для обратной коллинеарной дифракции терагерцового излучения на ультразвуковой волне в жидкости |
CN114397255A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-04-26 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4720177A (en) * | 1984-09-28 | 1988-01-19 | Chang I Cheng | Tunable acousto-optic filter utilizing internal mode conversion |
US5828451A (en) * | 1997-09-30 | 1998-10-27 | Northrop Grumman Corporation | Spectral imaging system and method employing an acousto-optic tunable filter for wavelength selection with increased field of view brightness |
RU2258206C1 (ru) * | 2004-01-16 | 2005-08-10 | Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской Академии Наук | Акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений |
-
2017
- 2017-03-23 RU RU2017109653A patent/RU2640123C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4720177A (en) * | 1984-09-28 | 1988-01-19 | Chang I Cheng | Tunable acousto-optic filter utilizing internal mode conversion |
US5828451A (en) * | 1997-09-30 | 1998-10-27 | Northrop Grumman Corporation | Spectral imaging system and method employing an acousto-optic tunable filter for wavelength selection with increased field of view brightness |
RU2258206C1 (ru) * | 2004-01-16 | 2005-08-10 | Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской Академии Наук | Акустооптический видеомонохроматор для фильтрации оптических изображений |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU192668U1 (ru) * | 2019-02-08 | 2019-09-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Ячейка для обратной коллинеарной дифракции терагерцового излучения на ультразвуковой волне в жидкости |
CN114397255A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-04-26 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法 |
CN114397255B (zh) * | 2021-11-12 | 2023-09-01 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7714945B2 (en) | Optimally clocked trim retarders | |
JP4608459B2 (ja) | 傾斜cプレート・リターダおよびそれを組み込んだディスプレイ・システム | |
RU2507552C2 (ru) | Способ и устройство для автофокусировки с использованием адаптивной жидкокристаллической оптики | |
Gupta et al. | Tunable wide-angle acousto-optic filter in single-crystal tellurium | |
US4548479A (en) | Isophase birefringent filters | |
JP2007094399A5 (ru) | ||
JP5793038B2 (ja) | 投射型画像表示装置 | |
RU2640123C1 (ru) | Бесполяризаторный акустооптический монохроматор | |
JP2011033762A5 (ru) | ||
Mazur et al. | High-transmission two-crystal acousto-optic monochromator | |
US7400448B2 (en) | Birefringent spectral filter | |
JP4055465B2 (ja) | プロジェクタ | |
RU2613943C1 (ru) | Акустооптический преобразователь поляризации лазерного излучения (варианты) | |
Epikhin et al. | Polarizer-free acousto-optic monochromators | |
TW202244552A (zh) | 具有從投影儀到波導中的緊湊耦合的光學系統 | |
JP2006235312A (ja) | 反射型液晶表示装置 | |
RU2532133C1 (ru) | Акустооптический монохроматор для фильтрации оптических изображений | |
Yukhnevich et al. | Influence of refractive indices dispersion on parameters of imaging AOTFs operating with non-polarized light | |
RU2462739C1 (ru) | Акустооптический анизотропный дефлектор | |
US20220043287A1 (en) | Switchable Raman Nath Gratings | |
RU2366988C1 (ru) | Коллинеарный акустооптический фильтр | |
JP5606121B2 (ja) | 画像投射装置 | |
RU2644631C1 (ru) | Светосильный двухкристальный акустооптический монохроматор | |
RU2321031C1 (ru) | Отражательная призма для поворота плоскости поляризации | |
Alekseeva et al. | Four-ray splitting in optical crystals |