RU2658585C1 - Device for visualizing acoustic fields of microobjects - Google Patents
Device for visualizing acoustic fields of microobjects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2658585C1 RU2658585C1 RU2017115460A RU2017115460A RU2658585C1 RU 2658585 C1 RU2658585 C1 RU 2658585C1 RU 2017115460 A RU2017115460 A RU 2017115460A RU 2017115460 A RU2017115460 A RU 2017115460A RU 2658585 C1 RU2658585 C1 RU 2658585C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acoustic
- sound
- radiation
- acousto
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/002—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means for representing acoustic field distribution
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для получения информации о структуре акустических полей при разработке акустоэлектронных приборов, для контроля интенсивности акустических полей при физических исследованиях волновых процессов в акустике, для визуализации структур объектов, непрозрачных для видимого света.The invention relates to instrumentation and can be used to obtain information about the structure of acoustic fields in the development of acoustoelectronic devices, to control the intensity of acoustic fields during physical studies of wave processes in acoustics, to visualize the structures of objects that are opaque to visible light.
Известно устройство для визуализации акустических полей, отраженных от исследуемого объекта (Патент США №3831135, G01S 9/66), содержащее акустооптическую ячейку Брэгга, в которой в качестве фотоупругой среды используется вода, источник когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему на основе сферических линз для формирования падающего на ячейку светового пучка, оптическую систему обработки дифрагированного в ячейке пучка света и устройство регистрации изображения объекта. В данном устройстве визуализации отраженные от исследуемого объекта акустические волны, распространяющиеся в разных направлениях, попадают в жидкую фотоупругую среду (воду), в которой происходит взаимодействие падающего пучка света с акустическими волнами, несущими информацию об объекте. В результате акустооптического взаимодействия информация об объекте преобразуется из акустической формы в оптическую. Необходимым условием визуализации исследуемого объекта с приемлемым разрешением является осуществление акустооптического взаимодействия с упругими волнами, распространяющимися в максимально большом телесном угле. Чтобы обеспечить выполнение условия Брэгга и получить дифракционную картину для акустических волн, распространяющихся в широком угловом спектре, в данном устройстве падающий световой пучок с помощью сферической линзы оптической системы формируется коническим.A device for visualizing acoustic fields reflected from an object under study (US Patent No. 3831135,
Недостаток устройства заключается в невысокой разрешающей способности и невозможности использования данного устройства для исследования акустических микрообъектов. Поскольку, как известно (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.), в воде и других жидких средах акустические волны высоких частот очень сильно затухают, то в данном устройстве используются акустические волны относительно низкой частоты (250 кГц) и соответственно большой длины, которые не могут обеспечить высокой разрешающей способности. Кроме того, в данном устройстве взаимодействуют расходящийся акустический и сходящийся световой пучки. И поэтому другим недостатком устройства является низкая светосила. Причина низкой светосилы в том, что интенсивность дифрагированного света пропорциональна интенсивности падающего света, а интенсивность света на участке сходящегося пучка, для которого выполняется условие Брэгга, гораздо меньше, чем у квазиплоской световой волны. Помимо этого интенсивность дифрагированного света также уменьшается при снижении интенсивности акустической волны и длины акустооптического взаимодействия. У той части расходящейся акустической волны, которая участвует в акустооптическом взаимодействии, интенсивность значительно меньше, чем у квазиплоской волны. Длина взаимодействия также много меньше, чем в случае квазиплоской акустической волны. Поэтому интенсивность дифрагированного светового пучка невысока.The disadvantage of this device is its low resolution and the inability to use this device for the study of acoustic microobjects. Since, as you know (Balakshy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Physical foundations of acousto-optics. - M .: Radio and communications, 1985. - 280 p.), There are acoustic waves in water and other liquid media. Since high frequencies attenuate very much, then this device uses acoustic waves of a relatively low frequency (250 kHz) and, accordingly, a large length that cannot provide high resolution. In addition, diverging acoustic and converging light beams interact in this device. And therefore, another disadvantage of the device is the low aperture. The reason for the low aperture is that the intensity of the diffracted light is proportional to the intensity of the incident light, and the light intensity in the section of the converging beam, for which the Bragg condition is fulfilled, is much lower than that of the quasiplane light wave. In addition, the intensity of diffracted light also decreases with a decrease in the intensity of the acoustic wave and the length of the acousto-optical interaction. The part of the diverging acoustic wave that is involved in the acousto-optic interaction has a much lower intensity than the quasiplane wave. The interaction length is also much shorter than in the case of a quasi-plane acoustic wave. Therefore, the intensity of the diffracted light beam is low.
Известно также устройство для визуализации акустических полей (Патент США №3794975, G06K 9/00), содержащее акустооптическую ячейку на основе жидкой фотоупругой среды (вода), источник когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему для формирования падающего на ячейку светового пучка, состоящую из двух сферических и цилиндрической линз, оптическую систему обработки дифрагированного пучка света и устройство регистрации изображения объекта. В жидкой фотоупругой среде ячейки находится сферическая акустическая линза, удаленная от расположенного на торце акустооптической ячейки пьезоэлектрического преобразователя на расстояние, равное фокусному расстоянию акустической линзы. С помощью этой линзы расходящаяся акустическая волна от каждой точки преобразователя трансформируется в квазиплоскую акустическую волну, с которой и взаимодействует падающий пучок света.A device for visualizing acoustic fields is also known (US Patent No. 3794975,
Недостатком устройства является невысокая разрешающая способность и невозможность его использования для исследования акустических микрообъектов из-за применения в устройстве акустооптической ячейки на основе жидкой фотоупругой среды, в которой могут распространяться без значительного затухания только акустические волны с длиной большей характерных размеров исследуемого акустического объекта. Кроме того, применение в устройстве оптической системы формирования падающего на акустооптическую ячейку пучка света не обеспечивающей, в том числе и из-за использования коллиматора на основе сферических линз, равномерной засветки всего окна акустооптической ячейки светом равной максимальной для данного оптического когерентного источника интенсивности, не позволяет получить яркую дифракционную картину с максимальной разрешающей способностью для заданной длины акустической волны.The disadvantage of this device is its low resolution and the impossibility of its use for studying acoustic microobjects due to the use of an acousto-optical cell based on a liquid photoelastic medium in which only acoustic waves with a length longer than the characteristic dimensions of the studied acoustic object can propagate without significant attenuation. In addition, the use of a light beam incident on an acousto-optic cell in a device of an optical system that does not provide, including due to the use of a collimator based on spherical lenses, to uniformly illuminate the entire window of an acousto-optic cell with light equal to the maximum intensity for a given optical coherent source, does not allow to get a bright diffraction pattern with maximum resolution for a given acoustic wavelength.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов (Патент РФ №2470268, G01H 9/00). Устройство содержит акустооптическую ячейку Брэгга, образованную двумя последовательно акустически соединенными посредством сопряженных торцевых поверхностей сферической формы одинакового радиуса кристаллическими звукопроводами с отличающимися значениями скорости распространения акустических волн. Устройство также содержит источник когерентного оптического излучения (лазер), предназначенную для формирования падающего на ячейку светового пучка оптическую систему, образованную либо цилиндрической линзой, ось которой перпендикулярна плоскости, образованной продольной осью звукопроводов и направлением излучения лазера, либо дефлектором, плоскость сканирования светового пучка которого совпадает с плоскостью, образованной продольной осью звукопроводов и направлением излучения лазера, оптическую систему обработки дифрагированного пучка света и устройство регистрации изображения объекта.Closest to the invention in technical essence is a device for visualizing spatially inhomogeneous acoustic fields from micro objects (RF Patent No. 2470268,
Несмотря на использование для акустооптического взаимодействия в данном устройстве кристаллической среды с низким коэффициентом затухания упругих волн, у которых длина много меньше характерных размеров исследуемого акустического микрообъекта, это устройство визуализации имеет невысокую разрешающую способность, что обусловлено конструкцией оптической системы формирования падающего на акустооптическую ячейку светового пучка. Кроме того, отсутствие полной засветки падающим оптическим пучком окна акустооптической ячейки в устройстве визуализации данной конструкции не позволяет получить максимальную яркость изображения исследуемого акустического объекта.Despite the use of a crystalline medium with a low attenuation coefficient of elastic waves for the acousto-optic interaction in this device, their length is much shorter than the characteristic dimensions of the studied acoustic micro-object, this imaging device has a low resolution, which is due to the design of the optical system for generating a light beam incident on the acousto-optic cell. In addition, the absence of full illumination by the incident optical beam of the window of the acousto-optic cell in the visualization device of this design does not allow to obtain the maximum brightness of the image of the studied acoustic object.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в необходимости получения яркого изображения высокого разрешения при визуализации акустических полей от микрообъектов.The technical problem of the claimed invention lies in the need to obtain a bright high-resolution image when visualizing acoustic fields from microobjects.
Поставленная проблема решается тем, что в устройстве для визуализации акустических полей от микрообъектов, содержащем акустооптическую ячейку Брэгга, образованную имеющими отличающиеся значения скорости распространения акустических волн двумя звукопроводами, акустически соединенными последовательно посредством сопряженных выпуклой и вогнутой торцевых сферических поверхностей одинакового радиуса, в которой акустический микрообъект находится на плоской торцевой поверхности одного звукопровода, а акустооптическое взаимодействие осуществляется в другом звукопроводе, источник когерентного оптического излучения, оптические системы для формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка и обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, а также устройство регистрации изображения объекта, оптическая система формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка содержит две цилиндрические линзы, оси которых перпендикулярны направлению излучения оптического когерентного источника и лежат в плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, причем фокусные расстояния линз и расстояние между ними выбраны так, что линзы формируют коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, пучок света шириной, равной размеру оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, а также содержит третью цилиндрическую линзу с осью, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, фокусное расстояние f которой составляет величинуThe posed problem is solved in that in a device for visualizing acoustic fields from microobjects containing an acousto-optical Bragg cell formed by different propagation velocity of acoustic waves by two sound ducts, acoustically connected in series by conjugate convex and concave spherical end surfaces of the same radius in which the acoustic microobject is on the flat end surface of one sound duct, and the acousto-optic interaction it is carried out in another sound duct, a source of coherent optical radiation, optical systems for generating an incident light beam on a Bragg cell and processing a light beam diffracted in a cell, and an object image recording device, an optical system for generating an incident light beam on a Bragg cell contains two cylindrical lenses, axes which are perpendicular to the radiation direction of the optical coherent source and lie in a plane formed by the radiation direction of the optical the coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, the focal lengths of the lenses and the distance between them being chosen so that the lenses collimate in a plane perpendicular to the plane formed by the direction of radiation of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, a light beam with a width equal to the size of the optical face of the sound duct, in which is acousto-optical interaction in the direction perpendicular to the plane formed by the direction of radiation of the optical coherently source and the longitudinal axis of the sound ducts, and also contains a third cylindrical lens with an axis perpendicular to the plane formed by the radiation direction of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, the focal length f of which is
где d - поперечный размер луча оптического когерентного источника, l - размер звукопровода, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический микрообъект, в направлении излучения оптического когерентного источника, R - радиус сферических сопряженных торцевых поверхностей звукопроводов, ν1 - скорость распространения акустической волны в звукопроводе, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический микрообъект, ν2 - скорость распространения акустической волны в звукопроводе, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, n - показатель преломления света в этом звукопроводе.where d is the transverse beam size of the optical coherent source, l is the size of the sound duct, on the flat end surface of which there is an acoustic micro-object, in the direction of radiation of the optical coherent source, R is the radius of the spherical conjugated end surfaces of the sound ducts, ν 1 is the propagation velocity of the acoustic wave in the sound duct, on the flat end surface of which the acoustic micro-object is located, ν 2 is the propagation velocity of the acoustic wave in the sound duct in which the acoustic optical interaction, n is the refractive index of light in this duct.
Третья цилиндрическая линза, ось которой перпендикулярна плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, расположена от передней оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, на расстоянии L, определяемом выражениемThe third cylindrical lens, whose axis is perpendicular to the plane formed by the radiation direction of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, is located from the front optical face of the sound duct in which the acousto-optic interaction takes place, at a distance L defined by the expression
L=f(s±d)/d-l,L = f (s ± d) / d-l,
где s - размер оптической грани звукопровода, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, вдоль продольной оси звукопроводов, а знаки «+» или «-» выбираются в случае использования собирающей или рассеивающей линзы соответственно.where s is the size of the optical face of the sound duct in which the acousto-optic interaction takes place along the longitudinal axis of the sound ducts, and the signs “+” or “-” are selected in the case of using a collecting or scattering lens, respectively.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - оптическая схема заявляемого устройства визуализации, фиг. 2 - фотография электродов пьезоэлектрического преобразователя, являющегося источником исследуемого акустического поля в примере практической реализации устройства, фиг. 3 - фотография изображения двух элементов преобразователя при оптической апертуре падающего пучка света 0,6 мм, фиг. 4 - фотография изображения двух элементов преобразователя при оптической апертуре падающего пучка света 6 мм.The invention is illustrated by drawings: FIG. 1 is an optical diagram of the inventive imaging device, FIG. 2 is a photograph of the electrodes of a piezoelectric transducer, which is the source of the studied acoustic field in an example of the practical implementation of the device, FIG. 3 is a photograph of an image of two converter elements at an optical aperture of an incident light beam of 0.6 mm; FIG. 4 is a photograph of an image of two converter elements at an optical aperture of an incident light beam of 6 mm.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - акустооптическая ячейка Брэгга, 2 - звукопровод, на плоской торцевой поверхности которого находится акустический объект, 3 - звукопровод, в котором осуществляется акустооптическое взаимодействие, 4 - акустический объект в виде девяти элементов, 5 - сопряженные сферические поверхности звукопроводов, 6 - акустическая поглощающая нагрузка, 7 - источник когерентного оптического излучения, 8, 9 - цилиндрические линзы коллиматора, формирующие ленточный оптический пучок шириной, равной размеру оптической грани звукопровода, в котором происходит акустооптическое взаимодействие в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, 10 - цилиндрическая линза с осью перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, 11 - оптическая система обработки дифрагированного в ячейке светового пучка, 12 - устройство регистрации изображения объекта, 13 - луч оптического когерентного источника, 14 - коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника и продольной осью звукопроводов, световой пучок, 15 - падающий на акустооптическую ячейку пучок света, 16 - пучок дифрагированного света, 17 - световой пучок, формирующий в устройстве регистрации изображение объекта.The positions in the drawings indicate: 1 - the Bragg acousto-optic cell, 2 - the sound duct, on the flat end surface of which there is an acoustic object, 3 - the sound duct in which the acousto-optic interaction takes place, 4 - the acoustic object in the form of nine elements, 5 - the conjugated spherical surfaces of the sound ducts, 6 - acoustic absorbing load; 7 - source of coherent optical radiation; 8, 9 - cylindrical collimator lenses forming a tape optical beam with a width equal to the size of the optical face a water line in which acousto-optic interaction occurs in a direction perpendicular to the plane formed by the radiation direction of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, 10 is a cylindrical lens with an axis perpendicular to the plane formed by the radiation direction of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, 11 is an optical system for processing diffracted in a cell of a light beam, 12 — device for recording an image of an object, 13 — beam of an optical coherent radiation Ochnika, 14 — collimated in a plane perpendicular to the plane formed by the radiation direction of the optical coherent source and the longitudinal axis of the sound ducts, a light beam, 15 — a beam of light incident on an acousto-optic cell, 16 — a beam of diffracted light, 17 — a light beam that forms an image in the recording device object.
Предлагаемое устройство для визуализации акустических полей от микрообъектов (фиг. 1) включает источник когерентного оптического излучения 7, оптическую систему формирования падающего на ячейку Брэгга светового пучка 15, состоящую из цилиндрических линз 8, 9 и 10, акустооптическую ячейку Брэгга 1, оптическую систему обработки 11 дифрагированного в ячейке светового пучка 16 и устройство регистрации изображения объекта 12. Акустооптическая ячейка Брэгга 1 образована последовательно акустически соединенными звукопроводами 2 и 3 с отличающимися значениями скорости распространения акустических волн в них. На торцевой поверхности звукопровода 3 расположена акустическая поглощающая нагрузка 6, предназначенная для предотвращения отражения акустических волн от торцевой грани звукопровода 3, дифракция света на которых вносит помехи в получаемое изображение акустического объекта 4. Торцевые сопряженные поверхности 5 звукопроводов 2 и 3 имеют сферическую форму одинакового радиуса R. При этом торцевая сферическая поверхность 5 звукопровода 2, на плоской противоположной торцевой поверхности которого расположен акустический объект 4, является вогнутой, а поверхность звукопровода 3, в котором происходит акустооптическое взаимодействие, выпуклой для случая, когда скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2 больше скорости распространения акустической волны в звукопроводе 3. Этот случай показан на фиг. 1. Случай, когда скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2 меньше скорости распространения акустической волны в звукопроводе 3 и торцевая сферическая поверхность 5 звукопровода 2 является выпуклой, а звукопровода 3 вогнутой, на фиг. 1 не показан. Расстояние от плоской торцевой поверхности звукопровода 2, на которой расположен акустический объект 4, до сферической поверхности 5 сопряжения звукопроводов 2 и 3 равно фокусному расстоянию акустической линзы, образованной сферической поверхностью 5 сопряжения звукопроводов 2 и 3 с отличающимися скоростями упругих волн. Оптическая система формирования падающего на акустооптическую ячейку Брэгга 1 светового пучка 15 включает цилиндрические линзы 8 и 9, расположенные так, что их оси лежат в плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3, а также цилиндрическую линзу 10 с осью, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3. Причем фокусные расстояния линз 8 и 9, а также расстояние между ними выбраны так, что эти линзы формируют коллимированный в плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной направлением излучения оптического когерентного источника 7 и продольной осью звукопроводов 2 и 3, пучок света 14 шириной, равной размеру оптической грани звукопровода 3, в направлении, перпендикулярном продольной оси звукопроводов 2 и 3. Фокусное расстояние цилиндрической линзы 10 с осью, перпендикулярной плоскости, образованной продольной осью звукопроводов 2 и 3 и направлением излучения оптического когерентного источника 7, составляет величинуThe proposed device for visualizing acoustic fields from microobjects (Fig. 1) includes a coherent
где d - поперечный размер луча 13 оптического когерентного источника 7, l - размер звукопровода 2 в направлении излучения оптического когерентного источника 7, R - радиус сферических сопряженных торцевых поверхностей 5 звукопроводов 2 и 3, ν1 - скорость распространения акустической волны в звукопроводе 2, ν2 - скорость распространения акустической волны в звукопроводе 3, n - показатель преломления света в звукопроводе 3. Цилиндрическая линза 10 расположена от передней оптической грани звукопровода 3, на которую падает пучок света 15, на расстоянии L:where d is the transverse dimension of the
L=f(s±d)/d-l,L = f (s ± d) / d-l,
где s - размер звукопровода 3 вдоль продольной оси звукопроводов 2 и 3. Знак «+» в этом выражении используется при подсчете расстояния L для собирающей цилиндрической линзы 10. Знак «-», если линза 10 - рассеивающая. Оптическая система обработки 11 дифрагированного пучка света 16 в простейшем случае состоит из одной сферической оптической линзы или более сложной системы в виде сферического объектива. Устройство регистрации изображения объекта 12 может быть выполнено в виде экрана или фотоприемника, в качестве которого, например, может быть использована плоская ПЗС матрица, присоединенная к компьютеру, на экране монитора которого можно наблюдать картину исследуемого акустического поля.where s is the size of the
Устройство работает следующим образом. Исследуемый акустический объект 4 располагают на плоской торцевой поверхности звукопровода 2. Каждая точка акустического объекта 4 создает в упругой среде звукопровода 2 расходящуюся сферическую акустическую волну, которая, пройдя сферическую границу раздела 5 звукопроводов 2 и 3, преобразуется в квазиплоскую акустическую волну в звукопроводе 3. При этом каждой точке акустического объекта 4 соответствует свое направление распространения квазиплоской акустической волны в обладающем фотоупругими свойствами звукопроводе 3. Узкий световой пучок круглого сечения 13 от оптического когерентного источника 7, пройдя систему двух цилиндрических линз 8 и 9, преобразуется в ленточный коллимированный пучок 14 шириной, равной размеру звукопровода 3, в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной продольной осью звукопроводов 2 и 3 и направлением излучения оптического когерентного источника 7. Затем ленточный пучок 14 попадает на цилиндрическую линзу 10, пройдя которую трансформируется в клиновидный пучок света 15. Установленное согласно формуле изобретения значение фокусного расстояния линзы 10 определяет минимальный угол расхождения лучей в клиновидном пучке 15, при котором обеспечивается выполнение условия Брэгга акустооптического взаимодействия с квазиплоскими акустическими волнами от любой точки акустического объекта 4, расположенного на плоской торцевой поверхности звукопровода 2. При этом яркость пучка дифрагированного света 16, несущего информацию об объекте 4, расположенном в любом месте плоской торцевой поверхности звукопровода 2, оказывается максимально возможной. Выбор оптимального, в соответствии с формулой изобретения, расстояния от линзы 10 до передней оптической грани звукопровода 3, на которую падает пучок света 15, позволяет полностью и в то же время без потерь энергии оптического излучения осветить оптическую апертуру звукопровода 3 и получить максимальную разрешающую способность устройства визуализации. Световой пучок 15, сформированный оптической системой формирования излучения оптического когерентного источника 7, падает на оптическую грань звукопровода 3, в котором происходит акустооптическое взаимодействие светового пучка 15 с квазиплоскими акустическими волнами от акустического объекта 4. В результате акустооптического взаимодействия образуется пучок дифрагированного света 16. Необходимость выполнения условия Брэгга, заключающегося в том, что для осуществления эффективного акустооптического взаимодействия свет должен падать на акустическую волну под определенным углом, зависящим от длины световой и акустической волн, приводит к тому, что каждой квазиплоской акустической волне данной частоты соответствует свой квазиплоский пучок дифрагированного света. Пучок дифрагированного света 16, несущий информацию о каждой точке акустического объекта 4, падает на оптическую систему обработки 11 дифрагированного светового пучка 16 и формирует изображение акустического объекта 4 в устройстве регистрации изображения 12, расположенном в фокальной плоскости сферической линзы системы 11. При этом каждой точке акустического объекта 4 соответствует своя точка изображения. Таким образом, формируется яркое стигматическое изображение объекта 4.The device operates as follows. The
Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого устройства визуализации акустических полей от микрообъектов был изготовлен макет такого прибора. Акустооптическая ячейка Брэгга образована двумя звукопроводами из сапфира (α-Al2O3) (звукопровод 2) и ниобата лития (LiNbO3) (звукопровод 3) с сопряженными сферическими торцевыми поверхностями, образующими акустическую линзу с фокусным расстоянием 14 мм. Соединение звукопроводов осуществлялось с использованием клея, вносящего малые акустические потери. Роль акустического объекта выполнял планарный пьзоэлектрический преобразователь на основе пьезоактивной пленки оксида цинка, фотография фрагмента которого показана на фиг. 2. Излучающие акустические волны элементы образованы областью перекрытия взаимно перпендикулярных электродов, разделенных пьезоэлектрическим слоем. Частота акустических волн составляла 1,1 ГГц. Излучатели квадратной формы со стороной 70 мкм расположены в два ряда с периодом следования 200 мкм. При подаче на пьезоэлектрический преобразователь электромагнитного СВЧ сигнала мощностью 1 Вт в сапфире возбуждалась продольная упругая волна, имеющая скорость ν1=11,3⋅103 м/с. Каждой точке акустического источника, расположенного в фокальной плоскости акустической линзы, в кристалле LiNbO3 Х-среза соответствовала квазиплоская продольная упругая волна, распространяющаяся со скоростью ν2=6,57⋅103 м/с преимущественно в направлении оси X. Направление распространения излучения He-Ne лазера (λ0=632,8 нм) составляло угол 36° с осью Y кристалла LiNbO3. Угловой спектр дифрагированного в кристалле LiNbO3 когерентного оптического излучения регистрировался в фокальной плоскости варифокального фурье-преобразующего объектива (тип NATONAL CCTV ZOOM LENS 12.5-75 mm) цифровой системы ввода изображения VS-CTT 075-2000. Полученное изображение фрагмента акустического объекта при оптической апертуре падающего пучка света 0,6 мм, характерной для устройства визуализации, взятого за прототип, показано на фиг. 3. Изображение фрагмента того же акустического объекта при оптической апертуре падающего пучка света 6,0 мм, формируемого в оптической системе заявляемого устройства визуализации, показано на фиг. 4. Сравнительный анализ полученных изображений излучателей показывает существенное повышение разрешающей способности устройства. При этом можно отметить, что на изображении акустических излучателей (фиг. 3 и фиг. 4) видно явное несовпадение размеров квадратного излучателя в продольном и поперечном направлениях. Это характерное свойство изменения пропорции продольных и поперечных размеров в изображении исследуемого объекта связано с геометрией процесса формирования изображения при визуализации акустических полей с помощью заявляемого устройства. Данный эффект рассмотрен в работе авторов заявки (Никишин Е.Л., Павлова М.В., Сучилин А.В. Теоретическая и экспериментальная оценка коэффициента анаморфирования в гибридном акустооптическом устройстве визуализации акустических полей // Актуальные проблемы электроники и приборостроения: Материалы междунар. науч.-тех. конф. Саратов, СГТУ, 2016. - Т.1 - с. 427-431).For experimental verification of the health of the proposed device for visualizing acoustic fields from microobjects, a mock-up of such a device was made. The Bragg acoustooptic cell is formed by two sound ducts of sapphire (α-Al 2 O 3 ) (sound duct 2) and lithium niobate (LiNbO 3 ) (sound duct 3) with conjugated spherical end surfaces that form an acoustic lens with a focal length of 14 mm. The sound ducts were connected using glue that introduced small acoustic losses. The acoustic object was played by a planar piezoelectric transducer based on a piezoelectric film of zinc oxide, a photograph of a fragment of which is shown in FIG. 2. Elements emitting acoustic waves are formed by the overlapping region of mutually perpendicular electrodes separated by a piezoelectric layer. The frequency of the acoustic waves was 1.1 GHz. Emitters square in shape with a side of 70 microns are arranged in two rows with a repetition period of 200 microns. When a 1 W electromagnetic signal was fed to a piezoelectric transducer, a longitudinal elastic wave was excited in sapphire, having a velocity ν 1 = 11.3 × 10 3 m / s. Each point of the acoustic source located in the focal plane of the acoustic lens in the LiNbO 3 X-section crystal corresponds to a quasiplane longitudinal elastic wave propagating with a velocity of ν 2 = 6.57⋅10 3 m / s mainly in the direction of the X axis. He propagation direction He The -Ne laser (λ 0 = 632.8 nm) made an angle of 36 ° with the Y axis of the LiNbO 3 crystal. The angular spectrum of coherent optical radiation diffracted in a LiNbO 3 crystal was recorded in the focal plane of a varifocal Fourier transform lens (type NATONAL CCTV ZOOM LENS 12.5-75 mm) of the digital image input system VS-CTT 075-2000. The resulting image of a fragment of an acoustic object with an optical aperture of an incident light beam of 0.6 mm, characteristic of a visualization device taken as a prototype, is shown in FIG. 3. An image of a fragment of the same acoustic object with an optical aperture of an incident 6.0 mm light beam formed in the optical system of the inventive imaging device is shown in FIG. 4. A comparative analysis of the obtained images of the emitters shows a significant increase in the resolution of the device. It can be noted that the image of acoustic emitters (Fig. 3 and Fig. 4) shows a clear mismatch in the dimensions of the square emitter in the longitudinal and transverse directions. This characteristic property of changing the proportion of longitudinal and transverse dimensions in the image of the studied object is associated with the geometry of the image formation process when visualizing acoustic fields using the inventive device. This effect is considered in the work of the authors of the application (Nikishin E.L., Pavlova M.V., Suchilin A.V. Theoretical and experimental estimation of the anamorphic coefficient in a hybrid acousto-optical device for visualizing acoustic fields // Actual problems of electronics and instrument engineering: Materials of the international scientific .-Tech. Conf. Saratov, SSTU, 2016 .-- T.1 - p. 427-431).
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115460A RU2658585C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Device for visualizing acoustic fields of microobjects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115460A RU2658585C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Device for visualizing acoustic fields of microobjects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2658585C1 true RU2658585C1 (en) | 2018-06-21 |
Family
ID=62713586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017115460A RU2658585C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Device for visualizing acoustic fields of microobjects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2658585C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109781241A (en) * | 2019-02-01 | 2019-05-21 | 华南师范大学 | A kind of device and method based on optoacoustic effect high-acruracy survey ultrasound field distribution |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1116380A1 (en) * | 1983-07-13 | 1984-09-30 | Научно-Исследовательский Институт Механики И Физики При Саратовском Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Университете Им.Н.Г.Чернышевского | Acoustic optical visualizer |
| EP0154701A1 (en) * | 1984-02-10 | 1985-09-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Bragg-cell spectral analyser |
| SU1734066A1 (en) * | 1989-03-30 | 1992-05-15 | Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко | Method of studying relief and phase objects in a laser scanning microscope and device thereof |
| RU2470268C1 (en) * | 2011-07-01 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Device to visualise spatially inhomogeneous acoustic fields from microobjects |
-
2017
- 2017-05-02 RU RU2017115460A patent/RU2658585C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1116380A1 (en) * | 1983-07-13 | 1984-09-30 | Научно-Исследовательский Институт Механики И Физики При Саратовском Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Университете Им.Н.Г.Чернышевского | Acoustic optical visualizer |
| EP0154701A1 (en) * | 1984-02-10 | 1985-09-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Bragg-cell spectral analyser |
| SU1734066A1 (en) * | 1989-03-30 | 1992-05-15 | Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко | Method of studying relief and phase objects in a laser scanning microscope and device thereof |
| RU2470268C1 (en) * | 2011-07-01 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Device to visualise spatially inhomogeneous acoustic fields from microobjects |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109781241A (en) * | 2019-02-01 | 2019-05-21 | 华南师范大学 | A kind of device and method based on optoacoustic effect high-acruracy survey ultrasound field distribution |
| CN109781241B (en) * | 2019-02-01 | 2020-11-03 | 华南师范大学 | Device and method for measuring ultrasonic field distribution based on photoacoustic effect |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA1101706A (en) | Acousto-optical imagery system based on coherent holographic detection in real time | |
| US8748806B2 (en) | Apparatus and method for reducing visibility of speckle in coherent light by homogenization of coherent illumination through a waveguide with a vibratable membrane mirror | |
| US20110001980A1 (en) | Optical phase processing in a scattering medium | |
| US20140007688A1 (en) | Acousto-optic imaging system, and acousto-optic imaging apparatus | |
| US9429516B2 (en) | Device for optical coherence tomography | |
| Page | Focusing of ultrasonic waves by negative refraction in phononic crystals | |
| Li et al. | Frequency–angular resolving LiDAR using chip-scale acousto-optic beam steering | |
| Picó et al. | Evidences of spatial (angular) filtering of sound beams by sonic crystals | |
| RU2658585C1 (en) | Device for visualizing acoustic fields of microobjects | |
| Duncan | Visualization of surface acoustic waves by means of synchronous amplitude-modulated illumination | |
| TW202001393A (en) | Compact alpha-BBO acousto-optic deflector with high resolving power for UV and visible radiation | |
| Korpel | Acoustic imaging and holography | |
| Jiang et al. | Quantitative measurement of acoustic pressure in the focal zone of acoustic lens-line focusing using the Schlieren method | |
| US20140121490A1 (en) | Acousto-optic imaging device | |
| Jiang et al. | Spatial information coding with artificially engineered structures for acoustic and elastic wave sensing | |
| Unverzagt et al. | A new method of spatial filtering for Schlieren visualization of ultrasound wave fields | |
| US3488438A (en) | Display system utilizing bragg diffraction | |
| Breazeale | From monochromatic light diffraction to colour schlieren photography | |
| Perkinson et al. | Surface-emitting electroholographic SAW modulator | |
| RU2470268C1 (en) | Device to visualise spatially inhomogeneous acoustic fields from microobjects | |
| CN103761962A (en) | One-wary negative refraction device based on acoustic superfluid prism | |
| Sapozhnikov et al. | Finding the dispersion relations for Lamb-type waves in a concave piezoelectric plate by optical visualization of the ultrasound field radiated into a fluid | |
| Gurbatov et al. | On diffraction of a sawtooth nonlinear wave by a narrow circular aperture in a screen | |
| WO2014196150A1 (en) | Acousto-optic image pickup device | |
| RU2425337C2 (en) | Method of recording optical wave front and system to this end |