научная статья по теме АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОПИЧЕСКИЙ ВИДЕОСПЕКТРОМЕТР Физика

Текст научной статьи на тему «АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОПИЧЕСКИЙ ВИДЕОСПЕКТРОМЕТР»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 4, с. 117-121

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, ^^^^^^^^ МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ

УДК 681.785.5

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОПИЧЕСКИЙ ВИДЕОСПЕКТРОМЕТР © 2013 г. А. С. Мачихин, В. Э. Пожар, В. И. Батшев*

Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН Россия, 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15 *Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5 Поступила в редакцию 27.07.2012 г.

Рассмотрена задача эндоскопической регистрации спектральных изображений труднодоступных объектов. Создан макет видеоспектрометра на основе специализированного акустооптического мо-нохроматора и жесткого эндоскопического зонда. В отличие от аналогов оптическая система данного прибора за счет двойной монохроматизации минимизирует пространственно-спектральные искажения, что позволяет использовать прибор для быстрого и неискаженного измерения спектров всех элементов изображения исследуемого объекта. Приведены и проанализированы примеры полученных с его помощью спектральных изображений.

БО1: 10.7868/80032816213030233

ВВЕДЕНИЕ

Видеоспектрометры на базе акустооптических (а.о.) фильтров находят широкое применение в различных областях науки и техники [1—3]. Высокие светосила, пространственное и спектральное разрешение, возможность модуляции передаточной функции выгодно отличают их от приборов, построенных на других физических принципах, а быстрая произвольная спектральная перестройка позволяет строить на их базе спектрально адаптивные системы [4]. В сравнении с другими оптическими фильтрами, позволяющими одновременно анализировать пространственные и спектральные свойства объекта, например жидкокристаллическими фильтрами, а.о.-фильтр обеспечивает перестройку в более широком спектральном диапазоне (например, 0.4—0.8 мкм) с весьма высоким для таких компактных устройств разрешением (до 0.1 нм) [5]. Несмотря на нелокальный характер дифракции, обусловленный тем, что дифракция происходит на объемной решетке, а.о.-филь-тры обеспечивают неплохое разрешение (до 1000 разрешимых положений по каждой из координат) [6, 7].

Одним из наиболее перспективных применений а.о.-видеоспектрометров являются спектральные исследования труднодоступных объектов: биомедицина, неразрушающий контроль промышленных изделий сложной формы и пр. Благодаря малой массе и малым габаритам, отсутствию подвижных элементов, исполнению в виде законченных компактных программно управляемых устройств а.о.-фильтры в наибольшей степени подходят для сопряжения с такими устройствами для наблюдения труднодоступных объектов, как

жесткие линзовые и гибкие оптоволоконные эндоскопы.

Имеющиеся зарубежные эндоскопические спектрометры на основе одиночных перестраиваемых а.о.-фильтров [8, 9], предназначенные для фотолюминесцентных исследований внутренних органов, дают возможность лишь качественно анализировать набор спектральных изображений, в то время как наибольший интерес представляет прецизионное измерение спектров в отдельных точках объекта. Этот недостаток объясняется, прежде всего, невозможностью достижения достаточно высокого качества передачи изображения.

Ранее было доказано [10], что двойные моно-хроматоры [11] обеспечивают компенсацию искажений одиночного а.о.-фильтра и позволяют получать изображения достаточно высокого качества.

Данная работа посвящена разработке эндоскопического видеоспектрометра на основе двойного а.о.-монохроматора для исследования труднодоступных объектов, обеспечивающего минимизацию аберраций и применимого для решения задач, требующих прецизионного сопоставления регистрируемых пространственно-спектральных данных.

ДВОЙНАЯ А.О.-ФИЛЬТРАЦИЯ

Основу предлагаемого подхода составляет использование особой схемы двойной последовательной а.о.-фильтрации. Как показано в [10, 11], при определенной ориентации двух а.о.-ячеек можно добиться практически полной компенсации пространственно-спектральных искажений

Рис. 1. Схема двойного перестраиваемого а.о.-фильтра: а — схема расположения элементов; б — векторные диаграммы дифракции в полярной плоскости.

изображения, вызванных брэгговской дифракцией в каждой из них. В такой системе двойного а.о.-монохроматора вторая а.о.-ячейка развернута на 180° вокруг первой относительно оси у (рис. 1), т.е. световой пучок идет в ней в плоскости хг в обратном направлении по сравнению с первой. В такой конфигурации происходит последовательная дифракция необыкновенно поляризованного и обыкновенно поляризованного пучков, переносящих изображения, в двух а.о.-ячей-ках идентичной конфигурации.

К настоящему времени разработанные и запатентованные [12] двойные а.о.-фильтры нашли применение в видеоспектрометрах для микроскопических исследований [13], аэросъемки [14] и решения других задач.

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Ключевым фактором, определяющим эффективность использования а.о.-фильтра, является согласование его светоэнергетических характеристик с характеристиками остальных оптических элементов системы. Особенностями а.о.-фильтров являются относительно малые световой диаметр Вг о < 6 мм и угловое поле 2<ао. « 2°. Первая характеристика ограничивается на уровне 1 см технологическими причинами, связанными с конечными размерами доступных кристаллов. Угловое поле ограничивается сравнительно небольшим углом отклонения дифрагированного светового пучка (7—15°), но определяется также и требованием значительного спектрального разрешения (102—103 положений) а.о.-фильтра. Стан-

дартные эндоскопические окуляры, за которыми предлагается устанавливать а.о.-монохроматор, имеют диаметр выходного зрачка В'о к = 1—6 мм и выходное угловое поле 2ю'ок « 20—80°. Поскольку произведение размеров зрачка и углового поля Са о. = «В (инвариант Гельмгольца для среды) а.о.-

фильтра меньше аналогичного произведения бо к для окуляра эндоскопа, очевидно, что установка а.о.-фильтра непосредственно после окуляра эндоскопа приведет к существенному уменьшению линейного поля. Решение этой проблемы возможно либо за счет применения дополнительной афокальной сопрягающей системы или замены стандартного окуляра эндоскопа на нестандартный с малым угловым полем, но большим размером выходного зрачка.

Так как 6а о. < бок, параметры юок и к можно оптимизировать. Для этого был разработан и изготовлен окуляр, имеющий угловое поле 2 ю ок = 2.5° и диаметр выходного зрачка Б'ок = 12 мм. Близость величин <ао., Вго и ю'ок, ^ок обеспечивает использование большей части углового поля и площади зрачка эндоскопа за исключением периферийных областей. Поскольку 6ао. < бок, световой поток даже без учета фильтрации ограничивается по интенсивности при прохождении а.о.-монохроматора, что должно быть компенсировано за счет увеличения яркости источника либо увеличения времени экспонирования приемника.

В общем виде функциональная схема разработанного спектрометра представлена на рис. 2. Излучение от исследуемого объекта 1 через жесткий линзовый зонд 2, содержащий оптическое волок-

Рис. 2. Схема эндоскопического а.о.-видеоспектрометра. 1 — объект; 2 — жесткий эндоскопический зонд; 3 — источник света; 4 — сопрягающий объектив эндоскопа; 5, 7, 9 — поляризаторы; 6, £ — а.о.-ячейки; 10 — входной объектив видеокамеры; 11 — п.з.с.-матрица; 12 — плата видеозахвата; 13 — блок обработки; 14 — контроллер а.о.-монохроматора; 15 — в.ч.-генератор; 16, 17 — в.ч.-усилители.

но для передачи света от внешнего широкополосного источника света 3, поступает через окуляр эндоскопа 4 на двойной а.о.-монохроматор, состоящий из двух развернутых на 180° идентичных неколлинеарных а.о.-ячеек 6 и 8, изготовленных из парателлурита (TeO2), и содержащий три поляризатора (5, 7 и 9). Оптическое излучение, длина волны которого соответствует точному выполнению условий синхронизма, дифрагирует на решетке, создаваемой акустической волной, в результате чего поляризация излучения меняет ориентацию. Излучение других длин волн проходит через а.о.-ячейку без изменений и отрезается поляризатором 7. Аналогично далее происходит повторная фильтрация с помощью а.о.-ячейки 8 и поляризатора 9, после чего выделенное монохро-матором излучение фокусируется объективом 10 на п.з.с.-матрице 11 видеокамеры. Изменяя частоту акустических волн, можно перестраивать период дифракционной решетки и получать изображение объекта на произвольно задаваемой длине волны.

Сигнал с п.з.с.-матрицы видеокамеры 11 через плату видеозахвата 12 поступает в компьютер, где обрабатывается с помощью специализированного программного обеспечения (13) и архивируется для использования другими приложениями. Компьютер осуществляет управление а.о.-моно-хроматором через контроллер 14, который программирует высокочастотный (в.ч.) генератор 15 и в.ч.-усилители 16 и 17, вырабатывающие сигналы, которые подаются на а.о.-ячейки 6 и 8.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Оптическая система эндоскопического видеоспектрометра реализована в виде экспериментального макета (рис. 3). В качестве широкопо-

лосного источника света 1 используется 100-ваттная галогенная лампа, излучение которой по оптоволоконному кабелю 2 направляется через жесткий эндоскопический зонд 4 на объект 3. Линзовая оптическая система зонда 4 и сопрягающего окуляра 5 формируют изображение объекта 3 на входе а.о.-монохроматора 6, где осуществляется выделение спектральной составляющей, заданной компьютером 9. Отфильтрованное изображение фокусируется входным объективом 7 с фокусным расстоянием 35 мм на матрицу видеокамеры 8 и в реальном времени отображается на мониторе компьютера 9. Чувствительным элементом используемой видеокамеры служит матрица п.з.с. Sony ICX274AL с диагональю 1/1.8" и разрешением 1600 х 1200 пикселов при частоте кадров 12 Гц.

Разработанное программное обеспечение предоставляет единый интерфейс управления а.о.-филь-тром и видеокамерой для наблюдения, регистрации, архивирования и обработки спектральных изображений.

Макет эндоскопического а.о.-видеоспектро-метра был апробирован на эталонных тест-объектах, в качестве которых использовались различные миры (рис. 4). При регистрации объектов с расстояния 25 мм обеспечивается разр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком