Диссертация (1105225), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Однако, данные устройства стремительно расширяют областисвоего применения на сферы, непосредственно определяющие уровеньповседневной жизни, такие, как экология, медицина, легкая и пищеваяпромышленность и т.д. Требования к параметрам акустооптическихфильтров постоянно растут, поэтому в настоящее время необходимопонимать не только общие принципы работы устройств, но характерныедетали, определяющие точность измерений, проводимых с помощьюакустооптических приборов.Устройства для спектрального анализа изображений, на основеперестраиваемых акустооптических фильтров, как правило, состоят изакустооптической ячейки и других оптических элементов (зеркал и линз),формирующих оптическое изображение.
Когда световой пучок проходитчерез такую оптическуюсистему, неизбежно появляются различныеискажения изображений, обусловленные как самой ячейкой, так и всемиоптическими элементами, входящими в систему фильтрации. Аберрации,возникающие в зеркалах и линзах, могут быть скомпенсированы за счетприменения зеркал особой формы (параболических или сферических) испециальных ахроматических объективов [76].
Однако, искажения, вносимыесамой акустооптической ячейкой, требуют детального рассмотрения, так как56могут быть скомпенсированы только путем добавления новых оптическихэлементов в систему.В акустооптических системах спектрального анализа изображенийсущественное искажение исследуемых объектов происходит за счетдисперсии показателя преломления акустооптического кристалла. Далеерассматриваетсяпростейшаясистемаакустооптическойспектральнойфильтрации, состоящая из ячейки и собирающей линзы. При этом сделанопредположение, что линза ахроматична, то есть не вносит никакихискажений в полученное изображение.
Дисперсия показателя преломлениякристалла, в свою очередь, влияет на изменение длины оптического путисветовых лучей в материале, что приводит к тому, что в данных системахвозникают продольные смешения изображений. Причем величина данногосмещения в такой системе в первую очередь зависит от толщины кристалла[4,76]. В результате этого плоскость наилучшей резкости перемещается вдольоптической оси системы на расстояние δb. Продольные смещения являютсяпричиной потери пространственного разрешения и, следовательно, потерикачества изображений.
На рисунке 3.1 показано, как изменяется резкостьизображения при перестройки длины волны фильтра [52, 77].Проблема продольных смещений изображений ярко проявляется всовременныхакустооптическихсистемахспектральнойобработкиизображений, работающих в широком диапазоне длин волн света.Существуют гиперспектральные устройства, в которых для расширенияполосы перестройки длин волн оптического излучения λ, применяются двапьезоэлектрических преобразователя различной толщины. Каждый изпреобразователей генерирует ультразвук в своей рабочей области, тем самымрасширяя диапазон длин волн падающего излучения [78].
Например, в работе[48] были созданы два широкоапертурных фильтра на основе кристаллаTeO2, перекрывающие видимый и средний инфракрасный диапазоныоптического излучения 430-2100 нм.57abcРис. 3.1. Снижение пространственного разрешения из-за продольногосмещения изображений. Исходное изображение на длине волны λ=700 нм(а), то же самое изображение при λ=800 нм без компенсации аберраций (b)и с компенсацией (c).Рис.3.2Зависимостьпоказателейпреломленияпарателлурита от длины волны оптического излучения.кристалла58Показатели преломления парателлурита в зависимости от длины волнысвета можно рассчитать по следующим формулам [49]:2.583 21.1566 2no 1 2 0.13422 2 0.26382ne 1 2.827521.15416 2 2 0.13422 2 0.26312.(3.1)График зависимости главных показателей преломления парателлуритаот длины волны представлен на рисунке 3.2.
Из рисунка видно, что наиболеесильно дисперсия проявляется в коротковолновой области прозрачностикристалла [4,13,76]. Поэтому особенно значимое влияние продольныесмещения изображений оказывают на системы фильтрации с использованиемкристалла TeO2 для ультрафиолетового диапазона длин волн [38,42,67].Оказалось, что дисперсия показателя преломления может сыгратьнегативнуюрольиприисследованииизображенийвестественнополяризованном свете.
В таких устройствах, как было описано в главе 1, привыполнении ряда условий интенсивность дифрагированного света в +1 и -1дифракционные порядки должна быть одинаковой. Однако, на практике приизменении длины волны падающего излучения интенсивность света в +1 и -1дифракционных порядках отличалась между собой. В работе [79] описаноустройство спектрально-поляризационного анализа, основным элементомкоторого является акустооптический фильтр. При перестройке длины волныоптического излучения интенсивность дифрагированного света в +1 и -1дифракционных порядках начинала различаться. Авторы статьи сделаливывод, что это происходит из-за плохой юстировки спектральной системы.Однако, проведенный в настоящей работе анализ показал, что главнойпричинойтакогоповедениясистемыявилась дисперсияпоказателяпреломления акустооптической ячейки.593.2Компенсация продольных смещений изображения с помощьюрассеивающей линзыИскажения изображения, возникающие при прохождении света черезакустооптический фильтр, можно разделить на продольные и поперечные[4,76].
Природа поперечных смещений хорошо изучена, и известен способих компенсации, который заключается в специальном подборе угла срезавыходной грани кристалла [56,80]. Продольные смещения также былиисследованы, а для их компенсации была предложена конфокальнаяоптическая схема [77, А1]. Общей особенностью методов компенсациипродольных смещений при акустооптическом взаимодействии являетсяиспользование оптических элементов с собственной дисперсией показателяпреломления материала, приводящих к продольным смещениям обратногознака.
В данной работе рассматривается еще один способ компенсациипродольных смещений, вызванных дисперсией показателя преломленияакустооптической ячейки. Эта компенсация осуществлялась при включении воптическую схему системы фильтрации дополнительной рассеивающейлинзы, обладающей собственной дисперсией.При анализе системы компенсации продольных смещений считалось,что данное смещение обусловлено только акустооптической ячейкой и независит от вспомогательных элементов системы фильтрации, входящих воптическую схему. В качестве линз, формирующих изображения, в схемеиспользовались ахроматические объективы, поэтому в расчетах собственныеаберрации оптики не учитывались.Изменение оптического пути вдоль оси системы, которая образуется изза наличия акустооптической ячейки, может быть приблизительно вычисленапо следующей формуле:l (no ( ) ni ( ) 1) L2(3.2)60где L – длина кристалла вдоль направления распространения света, no и niпоказатели преломления обыкновенной и необыкновенной световой волны.Вклад в смещение дают оба показателя преломления, так как в данном случаерассматривается анизотропная дифракция, которая проходит со сменойполяризации света.
Величина продольных аберраций также не зависит отфокусного расстояния объектива. Продольное смещение,обусловленноедисперсией показателя преломления ячейки, определяется выражением[77,А1]:bc ( ) no 1Lc 0 , no 2(3.3)где λ – длина волны светового изучения, на которой исследуется данныйобъект, и λ0 – начальная длина волны оптического излучения.Анализ показал, что величина продольного смещения может бытьзаметно снижена, если в оптическую схему добавить рассеивающую линзу,не имеющую компенсации собственной аберрации.
Рассмотрение такойсистемы показало, что рассеивающая линза с показателем преломления nl ( )и фокусным расстоянием Fl ( ) 0.5Rl nl ( ) 1 при одинаковых радиусахкривизны поверхностей линзыRl 0 ,вносит смещение изображенияобратного знака, и тем самым может компенсировать смещение вносимоеячейкой. Смещение изображения, вносимое линзой, зависит от расстояниямежду рассеивающей линзой и объектом a1>0, расстоянием между линзой иобъективом l1>0.
Это изменение задается формулой:2n ( ) n1 (0 ) a1 F0bl ( ) 1 F1 (0 ) .n1 (0 ) 1 a1 (l1 F0 ) (a1 l1 F0 ) F1 (0 ) (3.4)61Рис.3.3. Блок схема экспериментальной установки с компенсациейпродольного смещения изображения.Рис.3.4. Продольное смещение изображения.
Кривая 1- без компенсациисмещений, кривая 2- с использованием рассеивающей линзы.62Таким образом, выбор двух параметров a1 и l1 определяют величинусмещения изображения, вносимое линзой, при перестройке длины волнысвета, которое может скомпенсировать продольное смещение, обусловленноедисперсией кристалла. В свою очередь необходимо наложить ограничения навеличины a1 и l1, чтобы на выходе системы получить действительноеизображение:l1 a1 F1 F0 .a1 F1(3.5)Тогда полная величина смещения на выходе такой системы фильтрациибудет определяться следующим очевидным выражением:b bc bl .(3.6)Блок-схема установки, использовавшейся для проведения эксперимента,представлена на рисунке 3.3. Объект 1 освещался лампой накаливания сшироким спектром излучения.
Далее излучение попадало на рассеивающуюлинзу из кварца (2) с фокусным расстоянием F1=-35 cм. Для определенияпараметров системы был выбран ахроматический объектив (3) с фокуснымрасстоянием F0=8.5 см. Акустооптическая ячейка (5) помещалась междускрещенными поляризатором (4) и анализатором (6). Отфильтрованноеизображение (7) регистрировалось с помощью микроскопа. Экспериментпоказал, что для подобного выбора оптических элементов расстояние междулинзой и объективом должно было быть равным l1 = 18 см, а расстояниемежду объектом и линзой должно достигать величины a1= 17 см.Измерениекомпенсациипродольногосмещенияизображенияпроводились для фильтра на кристалле парателлурита с углом среза α = 100 идлиной кристалла L = 2.7 см. Данная акустооптическая ячейка представляласобой фильтр с приосевой геометрией взаимодействия.
Следует отметить,что для фильтра с геометрией взаимодействия вдали от оптической осикристалла все выводы о компенсации аберраций остаются верными.63Единственное отличие заключается в том, что задержка оптического путибудет больше, чем у устройства с приосевой геометрией, так как показательпреломления необыкновенной световой волны будет тем больше, чем большеугол падения света на ячейку.Измерения проводились в диапазоне длин волн от λ0=650 нм до λ1=450нм, совпадающим с диапазоном перестройки акустооптического фильтра. Нарисунке 3.4 представлены результаты проведенного эксперимента. Кривая 1соответствует смещению изображения без компенсации, а кривая 2 – припомещении в схему рассеивающей линзы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
