Способ одновременной спектральной фильтрации пары световых пучков с перестройкой по спектру

Изобретение относится к области стереоскопии, а именно к способам получения и регистрации спектральных стереоизображений объектов. Техническим результатом изобретения является использование одного акустооптического (АО) кристалла малых массы и габаритов, исключение или упрощение формирующей оптической системы, решение проблемы взаимной синхронизации каналов. Сущность изобретения заключается в использовании способа одновременной спектральной фильтрации пары параллельно распространяющихся световых пучков с перестройкой по спектру, заключающийся в линейной поляризации этих пучков, пропускании их через АО кристалл, в котором возбуждена акустическая волна постоянной частоты, обеспечивающая эффективную брэгговскую дифракцию заданной спектральной компоненты, пропускании их через выходной поляризатор, скрещенный с входным, и параллельном распространении после фильтрации. При этом один из пучков до АО кристалла пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которых таковы, что этот пучок эффективно дифрагирует в АО кристалле, а после АО кристалла этот пучок пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которой таковы, что этот пучок после призмы распространяется параллельно со вторым пучком. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области стереоскопии, а именно к способам получения и регистрации спектральных стереоизображений объектов. Стереоскопия позволяет визуализировать и определять трехмерную форму предметов, их структуру, взаимное расположение отдельных элементов. Стереоизображения рассматриваются либо непосредственно глазами, либо с помощью специальных приспособлений.

Методы спектрально-контрастной визуализации позволяют решать множество задач, в частности, отображать распределение свойств наблюдаемого объекта, например, физико-химических. Для этого выделяют свет в полосе поглощения, излучения или флуоресценции визуализируемых веществ [Yoon S, Thai С. Stereo spectral imaging system for plant health characterization. // Proc. ASABE Annual Int. Meeting, 2009. №096583. P. 1-12]. Получение спектральных стереоизображений позволяет получать (отображать) объемное распределение таких веществ (свойств).

Для получения спектрального стереоизображения достаточно предварительно отфильтровать излучение с заданной длиной волны. Таким образом, самым общим решением задачи является установка перестраиваемого спектрального фильтра изображений на входе стереоскопической системы. При этом основными требованиями к фильтру являются сохранение достаточно качественного изображения при спектральной фильтрации и возможность перестройки по спектру. Для возможности корректного сопоставления спектральных стереоизображений на разных длинах волн необходимо, чтобы небольшие деформации изображения, которые неизбежно возникают при прохождении через оптический элемент (фильтр) были одинаковыми на всех длинах волн (или были устранены до требуемого уровня). Но прежде всего они должны быть достаточно близки в обоих каналах (пучках стереопары) - иначе искажения не позволят воссоздать стереоэффект.

Одним из способов реализации, обеспечивающих быструю электронную перестройку, является использование брэгговской дифракции на акустических волнах, когда дифракционная решетка создается в реальном времени бегущей акустической волной, а период этой волны определяет выделяемую длину волны света.

Таким образом, достижение искомого результата (получение спектральных стереоизображений на разных длинах волн) обеспечивает оптическая схема, содержащая по одному акустооптическому (АО) фильтру в каждом стереоскопическом канале [Мачихин А.С., Батшев В.И., Пожар В.Э., Мазур М.М. Акустооптический стереоскопический спектрометр полного поля для восстановления объемной структуры объектов в произвольных спектральных интервалах. // Компьютерная оптика, 2016. №6. С. 871-877]. Устройство формирует два спектральных пучка, имеющие ортогональные поляризации и переносящие изображения объекта под разными углами. Недостатком такого подхода является использование двух АО фильтров, что вызывает необходимость их совместной спектральной калибровки и использования электронных компонентов для их синхронизации.

Известен способ получения спектральных стереоизображений на основе применения одного «большого» АО кристалла, размеры которого допускают одновременное параллельное распространение двух световых пучков [A. Machikhin, V. Batshev, V. Pozhar, A. Naumov, A. Gorevoy. Acousto-optic tunable spectral filtration of stereoscopic images. // Optics Letters, 2018. V. 43(5). P. 1087-1090]. Эта схема выбрана в качестве прототипа. Она проявляет следующие недостатки. Во-первых, пучки проходят через разные области звукового поля, что создает неэквивалентность каналов. В частности, на расстоянии в несколько сантиметров, акустическая волна может заметно затухать и, как правило, уже заметны эффекты расходимости и переотражения акустической волны. Во-вторых, при типичном размере пучка - до 1 см (а в задачах спектральной фильтрации изображений размеры пучка используют максимальные), необходимые размеры ячейки могут достигать 4-5 см, что для кристалла TeO₂, являющегося наиболее эффективным для создания АО ячеек и устройств, близко к предельным размерам выращиваемых кристаллических заготовок. В-третьих, технологически сложно изготовить достаточно однородный АО кристалл сложной формы и значительных габаритов.

Известен способ получения спектральных стереоизображений на основе одного АО кристалла, в который ортогонально поляризованные стереоскопические световые пучки должны быть введены под определенными углами, а после фильтра они распространяются параллельно [патент RU 2578372 С2 от 27.03.2016]. Недостатком данного способа является наличие специфической формирующей системы и необходимость ее прецизионной ориентации относительно кристалла.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является использование одного АО кристалла малых массы и габаритов, исключение или упрощение формирующей оптической системы, решение проблемы взаимной синхронизации каналов.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ одновременной спектральной фильтрации пары параллельно распространяющихся световых пучков с перестройкой по спектру, заключающийся в линейной поляризации этих пучков, пропускании их через АО кристалл, в котором возбуждена акустическая волна постоянной частоты, обеспечивающая эффективную брэгговскую дифракцию заданной спектральной компоненты, пропускании их через выходной поляризатор, скрещенный с входным, и параллельном распространении после фильтрации. При этом один из пучков до АО кристалла пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которых таковы, что этот пучок эффективно дифрагирует в АО кристалле, а после АО кристалла этот пучок пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которой таковы, что этот пучок после призмы распространяется параллельно со вторым пучком. Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 и 5 - входной и выходной скрещенные поляризаторы, 2 и 4 - трехгранные призмы, 3 - АО кристалл. Показана предпочтительная ориентация кристаллографических осей АО кристалла и призм, изготовленных из кристалла ТеО₂. Направление распространения недифрагированного в АО кристалле излучение показано пунктиром.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: входного поляризатора 1, входной призмы 2, АО кристалла 3, выходной призмы 4 и выходного поляризатора 5, скрещенного с входным 1.

Отличием изобретения является то, что до АО кристалла один из световых пучков пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которой таковы, что этот пучок эффективно дифрагирует в акустооптическом кристалле, а после АО кристалла этот же световой пучок пропускают через трехгранную призму из материала АО кристалла, углы которой таковы, что этот пучок после призмы распространяется параллельно со вторым пучком. Таким образом, на вход устройства подаются два широкополосных параллельно распространяющихся стереоскопических пучка, а после устройства распространяются два отфильтрованных (спектральных) параллельно распространяющихся стереоскопических пучка, что обеспечивает простоту встраивания устройства в различные оптические схемы. Идентичность материала АО кристалла и призм, а также простота форм этих элементов обеспечивают простоту их изготовления.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, заключающийся в использовании в качестве АО кристалла 5 классической ячейки из TeO₂, входная грань которой имеет прямой угол при вершине, а дифракция происходит в плоскости XZ. Два световых пучка, переносящие стереоскопические изображения объекта, линейно поляризуются с помощью поляризатора 1 и распространяются перпендикулярно входной грани АО кристалла 3. При этом первый пучок I падает непосредственно на кристалл 3. Второй пучок II падает на входную прямоугольную призму 1. Угол α этой призмы определяют из условия, что падающие пучки параллельны друг другу: α=(θ₁-θ₂)/2, а пара углов θ₁, θ₂ однозначно определяется условием широкоапертурной геометрии дифракции для обоих пучков и значения этих углов определяются однозначно углом распространения звука γ. После эффективной дифракции обоих пучков в АО кристалле 3 пучок I выходит из кристалла, а пучок II попадает в призму 4. Угол выходной грани β₂ АО кристалла 3 устанавливают либо, исходя из требования минимизации аберраций, либо из условия, что выходящие пучки параллельны входящим. Угол β₁ между пучком II и выходной гранью призмы 4 рассчитывают, исходя из требования минимизации аберраций (А), а в варианте Б угол не детерминирован жестко и выбирается из удобства изготовления призмы (например, можно потребовать, чтобы выходная грань призмы совпадала с выходной гранью АО кристалла 5). Определенный таким образом угол β₁ и условие параллельности выходящих пучков определяют углы ϕ, υ выходной призмы 4. После АО кристалла 3 и выходной призмы 4 световые пучки I и II распространяются параллельно друг другу и для блокировки повторно поляризуются с помощью поляризатора 5, скрещенного с входным поляризатором 1.

В частном случае углы призм могут быть подобраны так, что световые пучки, подаваемые на входной поляризатор 1 и идущие после выходного поляризатора 5, распространяются параллельно друг другу.

В частном случае АО кристалл 3, входная 2 и выходная 4 призмы могут быть выполнены в виде единого цельного кристаллического компонента.

Способ реализуется следующим образом.

Формируют два параллельно распространяющихся широкополосных световых пучка, переносящих стереоскопические изображения исследуемого объекта. Далее эти пучки линейно поляризуют, пропускают через оптический компонент, состоящий из изготовленных из одного материала АО кристалла и установленных вплотную к нему входной и выходной призм, и повторно пропускают их через выходной поляризатор, скрещенный с входным. На АО кристалл поддается частота ультразвука, соответствующая требуемой длине волны света, и после выходного поляризатора появляются два отфильтрованных (спектральных) и одинаково поляризованных параллельных световых пучка, переносящих стереоизображения исследуемого объекта. Эти изображения могут наблюдаться визуально или регистрироваться какими-либо приемниками излучения и далее подвергаться цифровой обработке.

1. Способ одновременной спектральной фильтрации пары световых пучков с перестройкой по спектру, заключающийся в линейной поляризации пары пучков, пропускании их через акустооптический кристалл, в котором возбуждена акустическая волна постоянной частоты, обеспечивающая эффективную брэгговскую дифракцию заданной спектральной компоненты, пропускании их через выходной поляризатор, скрещенный с входным, отличающийся тем, что до прохождения акустооптического кристалла один из световых пучков пропускают через трехгранную призму из того же материала, углы которой таковы, что этот пучок эффективно дифрагирует в акустооптическом кристалле, после прохождения акустооптического кристалла этот же световой пучок пропускают через вторую трехгранную призму из того же материала, углы которой таковы, что этот пучок после призмы распространяется параллельно со вторым пучком.

2. Способ одновременной спектральной фильтрации пары световых пучков с перестройкой по спектру по п. 1, отличающийся тем, что все световые пучки, подаваемые на входной поляризатор и идущие после выходного поляризатора, распространяются параллельно друг другу.

3. Способ одновременной спектральной фильтрации пары световых пучков с перестройкой по спектру по п. 1 или 2, отличающийся тем, что акустооптический кристалл, входная и выходная призмы выполнены в виде единого цельного кристаллического элемента.