Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 12, стр. 1220-1226

ВВЕДЕНИЕ

Акустооптические (АО) перестраиваемые спектральные фильтры основаны на брэгговской дифракции электромагнитного излучения на объемной фазовой решетке, образованной акустической волной в среде за счет фотоупругого эффекта [1]. Они достаточно широко используются при решении различных научных, биомедицинских и промышленных задач. Компактность, отсутствие подвижных частей, произвольная спектральная адресация и другие достоинства таких фильтров позволяют создавать на их основе как классические спектрометры для анализа спектрального состава излучения [2, 3], так и видеоспектрометры – приборы для получения пространственно-спектральных данных для дистанционного зондирования [4], микроскопии [5, 6], эндоскопии [7, 8], интерферометрии [9] и других приложений.

Одним из основных недостатков АО-фильтров принято считать относительно небольшой спектральный диапазон перестройки. Он, как правило, не превышает одну октаву и ограничен диапазоном согласования пьезопреобразователя, используемого для возбуждения ультразвука, с управляющим генератором [10]. Для преодоления данного ограничения могут использоваться два АО-фильтра, согласованных на соседние спектральные диапазоны, но при этом увеличиваются габариты, масса, сложность управления и стоимость видеоспектрометра. Расширить спектральный диапазон АО-фильтра на основе одиночной АО-ячейки можно за счет увеличения размера кристалла и применения двух пьезопреобразователей, согласованных на различные поддиапазоны [11]. Несмотря на то, что принципиальная реализуемость такого подхода экспериментально продемонстрирована [12, 13], информации о серийно выпускаемых видеоспектрометрах на основе АО-фильтров с двумя пьезоапреобразователями нет.

В предыдущих работах авторов [14–16] представлена оптимальная с точки зрения пространственных искажений геометрия АО-фильтра для широкого спектрального диапазона и экспериментально исследованы два АО-фильтра, построенные по этой геометрии: первый согласован на видимый диапазон, второй – на ближний ИК-диапазон. Также в работах [15, 16] предложена оптическая система на основе АО-фильтра с этой геометрией. В данной работе впервые описан макет видеоспектрометра, работающего в спектральном диапазоне 450…1700 нм, в котором используется одиночная АО-ячейка из кристалла парателлурита (TeO₂) с двумя пьезопреобразователями, форма и геометрия АО-взаимодействия которой оптимизированы для обеспечения высокого качества изображения во всем диапазоне.

1. АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА

На рис. 1 представлены векторная диаграмма (а) и оптическая схема (б) изготовленной АО-ячейка с двумя пьезопреобразователями. Материалом ячейки является наиболее распространенный для устройств видимого и ИК-диапазонов анизотропный одноосный кристалл TeO₂ (парателлурит). Угол среза γ = 7°. Символами n_o и n_e обозначены показатели преломления материала для обыкновенно и необыкновенно поляризованных волн, k – волновое число. Излучение падает на входную грань по нормали. Угол между волновым вектором падающего излучения ${{\vec {k}}_{i}}~~$ c осью x составляет θ = 73.85°. При выбранных γ и θ обеспечивается используемый в изображающих АО-устройствах широкоугольный режим дифракции. Падающее необыкновенно поляризованное оптическое излучение в результате дифракции меняет состояние поляризации на обыкновенное, отклоняется на угол δ, распространяется внутри АОЯ вдоль вектора ${{\vec {k}}_{d}}$ и выходит из АОЯ вдоль направления, обозначенного цифрой 3. Падающее обыкновенно поляризованное излучение тоже дифрагирует, меняя состояние поляризации и отклоняясь в противоположную сторону. Оно выходит из АОЯ по направлению 5. Недифрагированное широкополосное излучение-распространяется вдоль вектора ${{\vec {k}}_{i}}~~$после двулучепреломления на выходной грани АО-ячейки выходит по двум близким направлениям, как показано штриховой линией 4. В разработанном видеоспектрометре используется только излучение, выходящее вдоль направления 3, остальные направления диафрагмируются.

Рис. 1.

Векторная диаграмма (а) и оптическая схема (б) АО-ячейки.

Пьезопреобразователи 1 и 2 для видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов находятся на нижней грани ячейки. Управление АО-фильтром выполняется с помощью высокочастотного (ВЧ)-ячейки генератора. Частота f управляющего сигнала определяет длину волны λ, на которой происходит дифракция, а также влияет на ширину Δλ спектральной линии пропускания АО-фильтра, а именно λ ~ 1/f и Δλ ~ 1/f  ² [17]. Пьезопреобразователь 2 работает на частотах f = 28…55 МГц, что соответствует спектральному диапазону λ = 900…1700 нм; преобразователь 1 работает на частотах f = = 55…120 МГц, что соответствует диапазону длин волн λ = 450…900 нм.

Длина каждого пьезопреобразователя 10 мм. Углы сноса акустических волн, сформированных в кристалле обоими пьезопреобразователями (угол между волновым вектором $\vec {q}~~$и вектором групповой скорости звука $\vec {v}~$), приблизительно равны 50°. Угол наклона выходной грани, при котором обеспечивается минимальный хроматический сдвиг изображения во всем рабочем спектральном диапазоне, составляет β = 2.3° [14, 15].

На рис. 2 представлены экспериментально полученные зависимости длины волны λ и ширины спектрального интервала Δλ от частоты звука f. Эти зависимости измерены с помощью спектрометра Avesta ASP-IR. Сплошной линией представлены теоретические зависимости.

Рис. 2.

Зависимость длины волны дифрагируемого света (а) и ширины спектральной линии (б) от частоты подаваемого ультразвука.

Одним из показателей эффективности работы АО-фильтра является коэффициент стоячей волны (КСВ), являющийся мерой согласования пьезопреобразователя с генератором управляющего напряжения. Для рассматриваемого типа устройств приемлемым обычно считается КСВ не более 3, при этом амплитуда прошедшего сигнала вдвое больше амплитуды отраженного. В изготовленном АО-фильтре это условие удовлетворено в обоих диапазонах звуковых частот, как показано на рис. 3.

Рис. 3.

Частотная зависимость КСВ АО-фильтра.

2. ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРА

Разработанный АО-фильтр предназначен для работы в изображающем спектрометре, оптическая схема которого предложена в [15, 16]. В данной работе макет этого прибора изготовлен и экспериментально исследован. Функциональная оптико-электронная схема и фотография макета показана на рис. 4.

Рис. 4.

Функциональная схема (а) и внешний вид (б) макета видеоспектрометра.

Объект 2 освещается с помощью источника излучения 1. Излучение от объекта коллимируется объективом 3 и направляется в спектрометр. Диафрагма 4 является входным элементом спектрометра. Через нее в спектрометр попадет излучение в виде пучков параллельных лучей, идущих от объекта наблюдения. Вошедшее излучение фокусируется объективом 5 внутри АО-фильтра 6, а затем вновь коллимируется объективом 7. Объективы 5 и 7 идентичны и расположены симметрично относительно АО-фильтра. Дихроичное зеркало 8 делит излучение по спектральному составу: ИК-излучение (0.9…2.7 мкм) отражается зеркалом 8, а видимое (0.45…0.9 мкм) – проходит сквозь него. Объективы 9 и 12 фокусируют излучение на матричных приемниках 11 и 14 через апертурные диафрагмы 10 и 13. Система диафрагм 4, 10 и 13 необходима для устранения излучения, идущего через АО-фильтр без дифракции [18].

Объективы 5 и 7 спроектированы для компенсации хроматизма положения, вносимого АО-фильтром [19] и изготовлены специально для макета спектрометра; в качестве объектива 12 использован объектив для ИК-диапазона с фокусным расстоянием 50 мм LM50HC-SW (Kowa), а в качестве объектива 9 стандартный объектив для задач машинного зрения с фокусным расстоянием 35 мм TBL35 (The Imaging Source). В качестве видеокамеры 14 ИК-диапазона использована охлаждаемая камера Goldeye G-032 (Allied Vision Technologies) с размером сенсора 15.9 × 12.7 мм²; в видимом диапазоне использована камера 11 на основе монохромной КМОП-матрицы размером 7.4 × 4.9 мм² DMK 37BUX178 (The Imaging Source).

АО-фильтр 3 управляется с помощью двухканального драйвера 15, содержащего ВЧ-генераторы 16 и 18, формирующие управляющий электрический сигнал в диапазонах 27…54 МГц (генератор 18) и 54…120 МГц (генератор 16), и усилители 17 и 19.

Видеокамеры 11 и 14 видимого и ИК-диапазонов, а также драйвер АО- фильтра 15 управляются персональным компьютером 20 через оригинальное специализированное программное обеспечение.

На рис. 5 показаны некоторые из зарегистрированных изображений тестового объекта, по которым вычислена разрешающая способность. Рисунок 5ж иллюстрирует увеличенный фрагмент рис. 5а; соответствующая область показана прямоугольником. Как видно из рис. 5ж, размытие горизонтальных линий меньше, чем вертикальных. Это объясняется тем, что АО-фильтр ориентирован так, что акустическая волна распространяется горизонтально и при АО-взаимодействии происходит небольшое снижение качества изображения, которое становится заметным в конфокальной схеме АО-фильтрации [20].

Рис. 5.

Спектральные изображения тестового объекта.

На рис. 6 представлены графики модуляционно-передаточной функции (МПФ), являющейся одним из показателей качества, по которым принято оценивать изображающие оптические системы. Сплошными линиями представлены результаты, полученные стандартным методом пограничной кривой [21, 22] по изображениям тестового объекта, представленным на рис. 5. Множество линий на каждом графике идентифицирует различные участки изображений. Штриховая линия является результатом расчета оптической системы в программе ZEMAX [19] и показывает усредненную по всему полю зрения МПФ. Для каждой длины волны приведены по два графика – полученные по обработке горизонтальных или вертикальных линий изображения. По указанным причинам величина размытия горизонтальных линий меньше, что проявляется в заметно больших значениях соответствующих МПФ. При моделировании не удается в полной мере учесть искажения при АО-взаимодействии, поэтому теоретические (штриховые) кривые для горизонтальных и вертикальных линий почти идентичны.

Рис. 6.

Расчетные (штриховая кривая) и экспериментально определенные (сплошные кривые) МПФ для горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) элементов изображения.

В ИК-области использован приемник излучения с размером пикселя 25 мкм. В данном случае его влияние на разрешающую способность оказывается больше, чем влияние аберраций оптической системы. Этим объясняется существенное различие теоретических и экспериментальных кривых рис. 6 на длинах волн 1000 и 1680 нм, так как дискретизация приемника не учитывается при моделировании оптической системы в ZEMAX.

Из графиков видно, что разрешающая способность (по уровню контраста 0.2) в коротковолновом диапазоне меняется в пределах от 25 до 50 линий на 1 мм, а в длинноволновом – от 3 до 10 линий на 1 мм. Таким образом, учитывая размеры изображений, сформированных на приемниках излучения, пространственное разрешение видеоспектрометра в коротковолновой (видимой) области составляет приблизительно 250 × 180 элементов, а в длинноволновой (ИК) – 120 × 100 элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Элементная база оптико-электронных приборов быстро развивается во всем мире, что позволяет создавать новые типы приборов и существенно расширять возможности существующих. В последнее время появились матричные приемники излучения на основе InGaAs структуры, работающие в широком спектральном диапазоне (400…1700 мкм) (например, https://www.photonics.com/Products/ Visible_SWIR_Camera/pr60732). Использование одного такого приемника излучения и одного АО-фильтра, подобного представленному в данной работе, позволяет создать компактный АО-видеоспектрометр, работающий в широком спектральном диапазоне, обычно покрываемом двумя различными АО-фильтрами и двумя приемниками излучения. Таким образом, в двухдиапазонном видеспектрометре вдвое расширен спектральный диапазон при неизменных массогабаритных характеристиках, что делает этот прибор перспективным для применения, например, в дистанционном зондировании с использованием беспилотных летательным аппаратов, где масса и габариты особо важны. Прибор может найти применение и в других отраслях – в микроскопии, биомедицине, в технической диагностике.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.