1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Радиотехника и электроника
  4. T. 65, № 7, 2020

Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 7, стр. 667-673

Перестраиваемый акустооптический фильтр для спектральных диапазонов 450…900 нм и 900…1700 нм

В. И. Батшев a, b, *, А. С. Мачихин a, А. Б. Козлов a, c, С. В. Боритко a, d, М. О. Шарикова a, b, А. В. Карандин a, В. Э. Пожар a, b, В. А. Ломонов e

a Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН
117342 Москва, ул. Бутлерова, 15, Российская Федерация

b МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1, Российская Федерация

c НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха”
117342 Москва, ул. Введенского, 3, корп. 1, Российская Федерация

d Московский физико-технический институт
141701 Долгопрудный, Московской обл., Институтский пер., 9, Российская Федерация

e ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
119333 Москва, Ленинский просп., 59, Российская Федерация

* E-mail: batshev@bmstu.ru

Поступила в редакцию 17.12.2019
После доработки 10.02.2020
Принята к публикации 12.02.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучена проблема создания акустооптического перестраиваемого фильтра, позволяющего получать спектральные изображения высокого качества как в видимом, так и ближнем инфракрасном диапазонах. На основе анализа широкоапертурной неколлинеарной геометрии акустооптической дифракции в парателлурите определена конфигурация акустооптической ячейки, оптимальная с точки зрения минимизации хроматического сдвига, подходящая для обоих диапазонов. Изготовлены две идентичные ячейки, согласованные на диапазоны 450…900 и 900…1700 нм. Экспериментальная проверка результатов оптического моделирования показала, что в пределах всего диапазона 450…1700 нм рассчитанная схема акустооптических фильтров обеспечивает получение спектральных изображений высокого качества.

ВВЕДЕНИЕ

Приборы для качественного и количественного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого объектом, позволяют судить о его свойствах, химическом составе и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом объекта. Тенденцией современной спектрометрии является создание гипер- и видеоспектрометров – оптико-электронных приборов, предназначенных для регистрации и анализа одновременно пространственных и спектральных характеристик объекта. Данные приборы эффективно используются, например, для визуализации биологических тканей и структуры биообъектов различными методами, для дистанционного зондирования, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, а также для решения многих других задач [1–3]. Для получения таких изображений могут использоваться разные подходы и аппаратура, обладающие своими особенностями и преимуществами, но наиболее универсальным является метод, основанный на использовании перестраиваемых оптических фильтров. При этом спектрометр последовательно настраивается на те интервалы спектра излучения, где наиболее интенсивно проявляются физические, химические и другие свойства исследуемого объекта и отсутствуют фоновые помехи, что позволяет получить изображение, контрастно отображающее именно эти свойства. Такой подход (spectral imaging) позволяет увеличить скорость сбора пространственно-спектральных данных, оптимизировать процедуры их анализа и создать принципиально новые адаптивные методы визуализации объектов. Среди электронно-перестраиваемых оптических фильтров наибольшее распространение получили акустооптические (АО) монохроматоры, обеспечивающие во многих случаях оптимальное по сравнению с другими фильтрами (жидкокристаллическими, Фабри-Перо и др.) сочетание пространственного и спектрального разрешения, светосилы, диапазона и скорости перестройки [4, 5]. Поэтому они используются для решения различных задач современной спектрометрии с пространственным разрешением: дистанционного зондирования и спектрозональной съемки, астрофизических исследований, биомедицины [6–8].

Одним из факторов, ограничивающих область применения АО-видеоспектрометров, является спектральный диапазон перестройки, ограниченный в силу технологических факторов, как правило, одной октавой, например, 450…900, 900…1800 нм и пр. Кроме того, наличие хроматического сдвига изображения, вызванного АО-взаимодействием, приводит к необходимости применения различных технических методов для минимизации сдвига за счет подбора оптимальной геометрии АО-взаимодействия, изменения формы кристалла, использования дополнительных компонентов-корректоров [9, 10]. По этим и иным причинам АО-фильтры изображений различных диапазонов имеют различные характеристики.

В данной работе описана геометрия и конфигурация акустооптического перестраиваемого фильтра, позволяющего получать спектральные изображения высокого качества как в видимом 450…900 нм, так и ближнем ИК-диапазоне 900…1700 нм, которые соответствуют диапазонам чувствительности двух наиболее распространенных матричных приемников излучения – на технологии КМОП и на структурах InGaAs.

1. РАСЧЕТ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ

Принцип действия перестраиваемого АО-фильтра основан на создании в среде динамической объемной дифракционной решетки с помощью ультразвука, селективная брэгговская дифракция на которой используется для выделения из светового пучка с широким спектром составляющей с заданной длиной волны λ. Анизотропная дифракция светового пучка на фазовой дифракционной решетке, образованной в кристалле распространяющейся в АО-ячейке акустической волной, имеет две особенности, которые используются для селекции излучения. Первая – “резонансный” характер спектральной зависимости, при котором длина волны излучения λ, попадающего в резонанс (синхронизм), определяется периодом решетки, а значит, частотой звука f. Вторая – изменение направления поляризации и направления распространения дифрагированной световой волны, что позволяет выделять ее поляризаторами. На рис. 1 представлена схема и волновая диаграмма классического неколлинеарного АО-фильтра. Выделенная входным поляризатором поляризационная спектральная компонента света $\overrightarrow {{{k}_{i}}} ,$ удовлетворяющая условию Брэгга для волновых векторов $\overrightarrow {{{k}_{i}}} + \vec {q} = \overrightarrow {{{k}_{d}}} ,$ дифрагирует на акустической волне $\vec {q}$ в АО-ячейке, что определяет связь f и λ

$\begin{gathered} f\left( {\lambda } \right) = \frac{V}{{\lambda }}{{n}_{o}}\left( {\lambda } \right) \times \\ \times \,\,\left( {{\xi }\left( {{\theta },{\lambda }} \right){\text{cos}}\left( {{\theta } - {\gamma }} \right) - \sqrt {1 - {{{\xi }}^{2}}\left( {\lambda } \right){\text{sin}}\left( {{\theta } - {\gamma }} \right)} } \right), \\ \end{gathered} $
где
$\begin{gathered} {\xi }\left( {\theta } \right) = {{{{n}_{e}}\left( {\theta } \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{n}_{e}}\left( {\theta } \right)} {{{n}_{o}}}}} \right. \kern-0em} {{{n}_{o}}}} = {{{{n}_{e}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{n}_{e}}} {\sqrt {n_{o}^{2}{\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}{\theta } + n_{e}^{2}{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{\theta }} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {n_{o}^{2}{\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}{\theta } + n_{e}^{2}{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{\theta }} }} \approx \\ \approx 1 + \left( {{{\Delta n} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta n} {{{n}_{e}}}}} \right. \kern-0em} {{{n}_{e}}}}} \right){\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}{\theta }, \\ \end{gathered} $
no и ne – показатели преломления материала кристалла для необыкновенно и обыкновенно поляризованных волн, Δn = ne – no; γ и θ – углы распространения звука и падающего света в плоскости дифракции (XZ),
$V~ = \sqrt {V_{Z}^{2}{\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}{\gamma } + V_{X}^{2}{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{\gamma }} ,$
VZ и VX – скорости распространения звука в направлении γ и вдоль осей Z и X.

Рис. 1.

Волновая диаграмма (а) и схема (б) широкоапертурного АО-фильтра: 1, 2 – входной и выходной скрещенные поляризаторы; 3 – АО-ячейка; 4 – пьезопреобразователь; 5 – акустический пучок; 6, 7 и 8 – световые пучки, падающий, недифрагированный и прошедший соответственно.

Анизотропная дифракция сопровождается изменением ориентации линейной поляризации излучения на ортогональную и отклонением направления его распространения на угол ψ–θ. В случае широкоапертурного АО-взаимодействия е → о направление распространения дифрагированного излучения определяется величиной двулучепреломления ξ0 = ne/no кристалла. Недифрагированное излучение задерживается выходным поляризатором. Входную грань АО-ячейки ориентируют перпендикулярно падающему световому пучку $\overrightarrow {{{k}_{d}}} $, а выходную так, чтобы частично скомпенсировать спектральный дрейф изображения [9].

Основными видами аберраций, вызываемых АО-фильтром, являются дисторсия, хроматизм продольного положения и поперечный хроматический сдвиг изображения [9–11]. В конфокальной схеме АО-фильтрации (рис. 2а) дисторсия отсутствует [11, 12]. Хроматизм положения, проявляющийся в виде дефокусировки изображений, построенных на разных длинах волн, зависит лишь от длины кристалла и может быть скомпенсирован другими оптическими элементами. Хроматический поперечный сдвиг изображения невозможно скомпенсировать осесимметричными элементами, поэтому его следует минимизировать на этапе расчета параметров АО-фильтра за счет правильного выбора угла наклона выходной грани АО-кристалла β [9, 11].

Рис. 2.

К расчету угла наклона β выходной грани АО-ячейки: а) схема хода лучей; б) зависимость поперечного хроматического сдвига δ(β), 1 – падающее излучение; 2, 3 и 4 – излучение, дифрагировавшее на длинах волн λ1, λ2 и λ3 соответственно; 5 – продолжения преломленных лучей; 6 и 7 – графики, построенные для диапазонов 0.45…0.9 мкм и 0.9…1.7 мкм соответственно.

На рис. 2а проиллюстрирована причина возникновения хроматического сдвига. Показан ход широкого пучка лучей с длиной волны λ2 через нижнюю часть АО-кристалла; эти лучи фокусируются в плоскости изображения на расстоянии s от объектива, который представлен в виде идеальной тонкой линзы. В верхней части кристалла для разных длин волн показан ход лишь главного луча. В зависимости от параметров подаваемого ультразвука он может дифрагировать на одной из длин волн в пределах рабочего диапазона АО-фильтра. Вследствие дисперсии материала АО-кристалла два дифрагированных луча на длинах волн λ1 и λ3 (λ1 < λ2 < λ3) после преломления на его выходной грани пересекаются не в плоскости изображения, что и вызывает хроматический сдвиг изображения величиной δ.

На рис. 2б представлены графики зависимости хроматического сдвига δ от угла наклона выходной грани β, полученные в результате моделирования АО-фильтра в программе Zemax [11]. Графики получены для выбранных параметров АО-ячейки (материал TeO2, γ = 7°, режим дифракции е → о, длина кристалла 25 мм, световая апертура 10 × 8 мм2) и при фокусном расстоянии выходного объектива 35 мм. Два графика соответствуют двум спектральным диапазонам: видимому 450…900 нм и ближнему ИК 900…1700 нм. Из графиков видно, что в ИК-диапазоне хроматический сдвиг существенно ниже, что объясняется меньшей дисперсией материала в этой области. Кроме того, минимальное значение хроматического сдвига δmin в обоих диапазонах наблюдается при примерно равных значениях угла β ≈ 2°. В видимом диапазоне δmin ≈ 4 мкм, а в ИК – δmin ≈ 1.5 мкм.

Важным техническим вопросом является устранение световых потерь, обусловленных отражением излучения от рабочих оптических поверхностей. Этот вопрос решается за счет нанесения на эти поверхности просветляющих покрытий. Однако для АО-ячейки, работающей в столь широком спектральном диапазоне, изготовление таких покрытий является сложной технологической задачей. Альтернативным подходом является, например, нанесение разных покрытий на поверхности АО-ячейки: на входную грань наносится покрытие, просветляющее в видимом диапазоне, на выходную – в ближнем ИК. По расчетам суммарные потери на отражение от обеих граней АО-ячейки в этом случае не превзойдут 10% в пределах диапазона 0.45…1.7 мкм.

2. РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Для проверки результатов расчета и моделирования были изготовлены две идентичные АО-ячейки из TeO2, реализующие широкоапертурное АО-взаимодействие, c углом среза γ = 7°. Для обеспечения перестраиваемой фильтрации в диапазонах длин волн 450…900 нм и 900…1700 нм данные ячейки были согласованы в диапазонах частот ультразвука 65…10 и 30…60 МГц соответственно. Перестроечные кривые f(λ) ≈ V∆n/λ показаны на рис. 3. Длина пьезопреобразователя в обоих случаях составляла 12 мм, диаметр входного зрачка – 9 мм, угловое поле – 3° × 3°.

Рис. 3.

Перестроечная кривая f(λ) АО-фильтра видимого (1) и ближнего ИК- (2) диапазонов.

Для иллюстрации спектрального разрешения изготовленных фильтров на рис. 4 приведены функции пропускания T(λ), измеренные с помощью дифракционного спектрометра высокого разрешения на различных длинах волн λ. Видно, что вид функций пропускания совпадает с теоретическим видом, описываемым функцией

${\text{sin}}{{{\text{c}}}^{2}}\left[ {{{\left( {\nu - {{\nu }_{f}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {\nu - {{\nu }_{f}}} \right)} {\Delta \nu }}} \right. \kern-0em} {\Delta \nu }}} \right],$
где νf ∼ f, Δν ≈ 1/Lвз, Lвз – длина взаимодействия света со звуковым пучком [13]. Полоса пропускания составила Δν ≈ 70 см–1 в видимом диапазоне и Δν ≈ 150 см–1 в ИК-области. В единицах длин волн полоса пропускания АО-фильтра изменяется квадратично Δλ ∼ λ2 [14].

Рис. 4.

Функция пропускания T(λ) АО-фильтра в видимом и ближнем ИК-диапазонах.

Конфокальная схема [12] АО-видеоспектрометра, содержащего рассчитанный АО-фильтр, представлена на рис. 5. На вход системы поступают параллельные пучки лучей от объекта. Объектив 2 строит изображение внутри АО-кристалла. В передней фокальной плоскости объектива 2 расположена диафрагма 1, что обеспечивает телецентрический ход лучей через АО-фильтр и, как следствие, постоянный по полю зрения коэффициент пропускания. Скрещенные поляризаторы 3 и 5 не позволяют пройти через АО-фильтр неотфильтрованному излучению. Объектив 6 формирует из расходящегося пучка лучей параллельный пучок, который далее спектральным светоделительным кубиком 7 делится на два канала: видимый и ИК. В видимом канале объектив 10 строит изображение на КМОП-приемнике излучения 11, а в ИК объектив 8 – на InGaAs-приемнике 9. Схема предназначена для АО-фильтра, в котором сформированы два спектральных канала. Для одноканального АО-фильтра делитель 7 не нужен.

Рис. 5.

Схема двухдиапазонного АО-видеоспектрометра.

Рис. 6.

Зависимость рабочего отрезка s от длины волны.

В качестве приемника излучения в видимом диапазоне была использована КМОП-матрица Sony IMX273LLR с разрешением 1440 × 1080 пикселей размерами 5.0 × 3.8 мм2. Учитывая световой размер АО-кристалла 10 × 8 мм2, фокусные расстояния объективов 6 и 10 были выбраны равными 35 и 50 мм соответственно. В этом случае размер промежуточного изображения, образованного внутри АО-фильтра, равен 5.4 × 7.1 мм2, что позволяет избежать виньетирования крайних пучков лучей.

Для удобства входной объектив 2 был эквивалентен объективу 6, что обеспечило и небольшие габариты системы. Поле зрения в пространстве предметов этой системы составило 9° × 12°. Диаметр входной диафрагмы 1 равен 3 мм, что определяется апертурой АО-фильтра, которая составляла 4°. Диаметры входных зрачков объективов 8 и 10 составили 3 мм.

В ИК-диапазоне был использован InGaAs-сенсор 7.68 × 9.6 мм2 с разрешением 320 × 256 пикселей и размером пиксела 30 × 30 мкм2. Для обеспечения одинаковых полей зрения в видимом и ИК-каналах целесообразно использовать объектив с фокусным расстоянием 25 мм. Рисунок 6 иллюстрирует вносимый АО-фильтром хроматизм положения, т.е. зависимость рабочего отрезка s (см. рис. 2а) от длины волны для видимого и ИК-диапазонов.

Расчет показал, что в диапазоне 450…900 нм хроматический сдвиг положения составляет 740 мкм, а в диапазоне 900…1700 нм–200 мкм. В связи с этим для упрощения оптической схемы в качестве объективов 2 и 6 были использованы двухлинзовые склеенные объективы, исправляющие хроматизм положения в видимом диапазоне, а в качестве объектива 10 – стандартный объектив для видимого диапазона с фиксированным фокусным расстоянием 50 мм и относительным отверстием 1 : 12, что является простым и эффективным решением. В диапазоне 900…1700 нм остаточный хроматизм положения был исправлен за счет использования специального объектива 8 с фокусным расстоянием 25 мм и относительным отверстием 1 : 8.

3. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Для экспериментального исследования принципиально достижимого качества изображений, формируемых разработанным видеоспектрометром, были созданы два макета: на видимый и ИК-диапазоны. На данной стадии работы проведение исследований сразу на двухканальном фильтре нецелесообразно, так как сложности, связанные с возбуждением двух пучков, могли бы негативно повлиять на результат. В макетах использованы стандартные объективы с фокусными расстояниями, представленными в разд. 2, что позволило обеспечить одинаковые поля зрения в обоих макетах. Входной объектив фокусировался таким образом, чтобы получить резкое изображение объекта, расположенного на конечном расстоянии от макета.

На рис. 7 представлены фрагменты зарегистрированных изображений цветного объекта (верхний ряд) и стандартной штриховой миры № 5 (нижний ряд). Анализ результатов показал высокое пространственное разрешение изображений во всем спектральном диапазоне. Измеренная пространственная разрешающая способность на длине волны 650 нм составила около 40 мм–1, а на длине волны 1250 нм – около 15 мм–1, притом что расчетные значения составляют 65 и 20 мм–1. Отличия экспериментальных данных от расчетных обусловлены в первую очередь тем, что при макетировании использованы стандартные объективы, не рассчитанные для компенсации искажений АО-фильтра. Однако даже при этом удалось получить высокое разрешение изображения.

Рис. 7.

Примеры зарегистрированных спектральных изображений: первая строчка надписи (верхний ряд) выполнена карандашом, а нижняя – маркером.

Кроме того, наблюдается полное отсутствие искажений пропорций объекта (дисторсии), что обусловлено применением конфокальной схемой АО-фильтрации. Незначительный поперечный сдвиг изображения δ при перестройке по длине волны составляет около 20 мкм в диапазоне 450…900 нм и не более 1 пикселя (δ ≤ 30 мкм) в диапазоне 900…1700 нм. Следует отметить, что эти значения заметно уступают расчетным, представленным в разд. 2, что вызвано, вероятно, погрешностями изготовления кристаллических АО-ячеек и погрешностями юстировки макетов. Но столь небольшие смещения не существенны и могут быть легко устранены за счет пространственной калибровки видеоспектрометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной целью настоящей работы являлось создание АО-фильтра, обеспечивающего высокое качество изображений для работы с матричными приемниками видимого и ближнего ИК-диапазона. Показано, что на оба диапазона такой АО-фильтр можно создать по одной схеме, с одинаковой формой АО-ячейки, используя одинаковую геометрию дифракции. Это, в частности, дает возможность создавать двухдиапазонные АО-фильтры, обеспечивающие высокое качество изображения и высокую эффективность АО-дифракции в обоих спектральных диапазонах.

Корректный выбор геометрии АО-взаимодействия и угла среза грани кристалла обеспечивает компенсацию хроматического сдвига изображения и исключает необходимость перефокусировки при перестройке по спектру. Следует отметить, что величина найденного угла скоса выходной грани, обеспечивающего высокое качество изображения, отличается от величин, которые были использованы другими авторами [9, 15]. При этом эта величина может быть оптимизирована с использованием рассчитанных кривых, характеризующих величину основных аберраций.

Полученные результаты дают возможность унифицировать конструкцию и схему АО-фильтров для наиболее востребованных диапазонов: видимого (450…900 нм) и ближнего ИК (900…1700 нм), что важно для оптимизации процесса создания акустооптических гипер- и видеоспектрометров.

Список литературы

  1. Shaw G.A., Burke H.K. // Lincoln Laboratory J. 2003. V. 14. № 1. P. 3.

  2. Chang C. Hyperspectral imaging: Techniques for spectral detection and classification. N.Y.: Springer Science & Business Media, 2003.

  3. Sun D.-W. Hyperspectral Imaging for Food Quality Analysis and Control. San Diego: Acad. Press/Elsevier, 2010.

  4. Hagen N., Kudenov M.W. // Opt. Eng. 2013. V. 52. № 9. P. 090901.

  5. Li Q., He X., Wang Y., Liu H., Xu D., Guo F. // J. Biomed. Opt. 2013. V. 18. № 10. P. 100901.

  6. Glenar D.A., Hillman J.J., Saif B., Bergstrakh J. // Appl. Opt. 1994. V. 33. № 31. P. 7412.

  7. Korablev O.I., Belyaev D.A., Dobrolenskiy Yu.S. et al. // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 10. P. C103.

  8. Lu G., Fei B. // J. Biomed. Opt. 2014. V. 19. № 1. P. 010901.

  9. Епихин В.М., Калинников Ю.К. // ЖТФ. 1989. Т. 59. № 2. С. 160.

  10. Ryu S.Y., You J.-W., Kwak Y., Kim S. // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 17138.

  11. Machikhin A., Batshev V., Pozhar V. // J. Opt. Soc. Amer. A. 2017. V. 34. № 7. P. 1109.

  12. Suhre D.R., Denes L.J., Gupta N. // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 1255.

  13. Пожар В.Э., Пустовойт В.И. // Изв. РАН. Cер. физ. 2015. Т. 79. № 10. С. 1375.

  14. Goutzulis A., Rape D. Design and fabrication of acousto-optic devices. N.Y.: Dekker, 1994.

  15. Gupta N., Voloshinov V. // Appl. Opt. 2007. V. 46. № 7. P. 1081.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Радиотехника и электроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал