ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 93-99
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 681.785.5
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СОПРЯЖЕНИЯ ДВОЙНЫХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ МОНОХРОМАТОРОВ И ОКУЛЯРОВ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ © 2014 г. А. С. Мачихин, 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 E-mail: aoslab@ntcip.ru Поступила в редакцию 25.12.2013 г. После доработки 26.03.2014 г.
Рассмотрена задача расчета системы оптического сопряжения при проектировании видеоспектрометров на основе двойных акустооптических монохроматоров и оптических приборов для визуального наблюдения. Предложено устанавливать между монохроматором и окуляром трехкомпонент-ную афокальную оптическую систему. Показано, что такая компоновка позволяет увеличить поле зрения прибора и повысить освещенность внеосевых точек изображения. Рассчитанная сопрягающая оптическая система изготовлена в виде законченного оптико-механического модуля. Приведены результаты его экспериментальной апробации при работе с наблюдательными приборами различных типов.
DOI: 10.7868/S0032816214060093
ВВЕДЕНИЕ
Перестраиваемые акустооптические (а.о.) фильтры изображений являются одними из наиболее перспективных оптических спектральных элементов. Произвольная спектральная адресация в достаточно широком диапазоне (например, 400—800 нм), высокое пространственное (до 1000 разрешимых положений по обеим координатам) и спектральное (~1 нм) разрешение, отсутствие подвижных элементов, малое время перестройки (<1 мс) и другие достоинства [1] определяют достаточно широкое использование видеомонохроматоров на основе а.о.-фильтров при решении технических, медицинских и других задач [2—4].
Серийно изготавливаемые а.о.-фильтры в настоящее время являются законченными компактными программно-управляемыми устройствами, которые могут быть интегрированы в оптические схемы существующих приборов для придания им новых исследовательских функций. Так, например, широко распространенные приборы для визуального наблюдения объектов и цифровой регистрации их изображений (световые микроскопы, телескопы, эндоскопы и пр.) при дополнении таким спектральным модулем могут обеспечивать качественно более высокий уровень исследований, позволяя анализировать, помимо простран-
ственных свойств объектов, также их тонкую спектральную структуру.
Применение данного подхода существенно ограничивают пространственно-спектральные искажения изображений, вызываемые а.о.-взаи-модействием [5], и, как следствие, необходимость расчета оптических систем (о.с.) для сопряжения а.о.-фильтров и устройств, в которые эти фильтры нужно интегрировать. Несмотря на то что известны а.о.-видеоспектрометры, построенные на основе биологических микроскопов [6], астрономических телескопов [7] и медицинских эндоскопов [8], общий подход к разработке подобных приборов до сих пор не сформирован, а именно не предложено унифицированных методов расчета сопрягающих о.с. с учетом геометрии а.о.-вза-имодействия, свойств материала а.о.-ячейки и других факторов. Большинство известных работ лишь качественно демонстрируют принципиальную возможность такого сопряжения.
Одним из возможных решений данной задачи является использование монохроматоров на основе последовательной фильтрации излучения в двух идентичных, развернутых на 180° в полярной плоскости а.о.-ячеек. Ранее было показано, что в таких устройствах обеспечивается компенсация линейных и нелинейных искажений одиночного а.о.-фильтра и получение изображения достаточно высокого качества без хроматическо-
Монохроматор
Рис. 1. Совместное использование двойного а.о.-монохроматора и наблюдательного прибора без применения сопрягающей о.с. 1 — объект; 2 — наблюдательный прибор с окуляром; 3, 5, 7 — поляризаторы; 4, 6 — а.о.-ячейки; 8 — выходной объектив; 9 — спектральное изображение.
го сдвига [9, 10]. Это позволяет при расчете сопрягающих о.с. такой двойной а.о.-монохрома-тор заменить близким по аберрационным свойствам классическим оптическим элементом с известными конструктивными параметрами и аберрационными свойствами и применять классические методы синтеза о.с.
В настоящей работе на основе такого подхода впервые в достаточно общем виде с минимумом допущений рассмотрена задача расчета о.с. для светоэнергетического и аберрационного сопряжения двойных а.о.-монохроматоров и распространенных наблюдательных приборов.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Одним из ключевых факторов, определяющих "энергетическую" эффективность использования а.о.-фильтра, является оптимизация его све-тоэнергетического согласования с другими оптическими элементами схемы. Особенностями а.о.-монохроматоров являются относительно небольшие в сравнении с классическими оптическими устройствами световой диаметр, Бао < 10 мм, и угловое поле, 2юао ~ 2°.
Первый параметр ограничивается на уровне 10 мм технологическими причинами, связанными с конечными размерами кристаллов и поляризаторов. Угловое поле определяется спектральным разрешением а.о.-фильтра (к/Ак ~ 102—103), а также необходимостью выделения дифрагированного светового пучка, отклоняющегося относительно не дифрагированного на сравнительно небольшой угол (7°—15°).
Стандартные окуляры наблюдательных приборов имеют диаметр выходного зрачка Б'о к = 2— 6 мм и выходное угловое поле 2ю'ок ~ 20°—80° (©ок > юао)- Очевидно, что установка двойного
а.о.-монохроматора (рис. 1), состоящего из поляризаторов 3, 5, 7и а.о.-ячеек 4, 6, непосредственно после окуляра 2 приводит к существенному уменьшению линейного поля и, в целом, к неэффективному использованию о.с. наблюдательного прибора. Применение же нестандартного окуляра с малым угловым полем 2©ок неприемлемо, так как противоречит изначально выбранной концепции использования уже имеющейся наблюдательной техники. Поэтому решение данной задачи возможно лишь за счет применения дополнительной сопрягающей о.с. Так как до сих пор не разработан систематический подход к расчету подобных о.с., то ниже этот вопрос рассмотрен подробнее.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПОДХОД
Окуляр 2 создает на выходе коллимированные пучки лучей и формирует изображение наблюдаемого объекта в бесконечности (рис. 1). Для обеспечения минимума пространственно-спектральных искажений а.о.-фильтр 3 должен быть установлен также в коллимированных пучках, поэтому его можно разместить непосредственно за окуляром. В этом случае схема о.с. выглядит так, как показано на рис. 2а. Однако из-за несовпадения угловых полей и световых диаметров окуляра 1 (©ок и Б'о к) и а.о.-фильтра 5 (юао и Бао) освещенность изображения существенно снизится и уменьшится поле зрения, как было сказано выше.
Полностью устранить указанные недостатки практически невозможно, но их существенное уменьшение достигается введением между окуляром 1 и а.о.-фильтром 3 сопрягающей о.с. 2, обеспечивающей согласование их габаритных, свето-энергетических и аберрационных характеристик (рис. 2б). Сопрягающая о.с. 2 представляет собой афокальную систему, имеющую угловое увеличе-
Рис. 2. Оптическая система а.о.-видеоспектрометра на основе наблюдательного прибора без сопрягающей системы (а) и с сопрягающей системой (б). 1 — окуляр наблюдательного прибора; 2 — сопрягающая а.с.; 3 — а.о.-фильтр; 4 — объектив видеокамеры; 5 — приемник излучения.
ние Г, которая сохраняет коллимированность световых пучков, преобразуя их угловые поля и световые диаметры.
Применение сопрягающей о.с. позволяет увеличить световой диаметр пучка до величины Б'0 к/Г и уменьшить угловое поле до П:§ю'ок (Г < 1). Для количественной оценки светоэнергетиче-ских характеристик о.с. удобно использовать такое понятие, как "геометрический фактор" — О =
= Б ю . На практике, как правило, Оао < Оок. Введенная сопрягающая о.с. не изменяет геометрический фактор окуляра Оок, а значит, светоэнерге-тические и полевые потери неизбежны, но правильный расчет увеличения Г позволяет свести их к минимуму.
При величине Г, близкой к 1, и выполнении условия Г > Б'ок/Бао не полностью заполняется световой диаметр а.о.-монохроматора, а при Г < < юаоД§ю'ок не полностью используется угловое поле а.о. монохроматора. И то и другое приводит к уменьшению геометрического фактора системы в целом. Поэтому значение Г следует выбирать из
диапазона юаоЛ§юок < Г < Б'ок/Бао. В этом случае геометрический фактор прибора в целом равен геометрическому фактору а.о.-монохромато-
ра 3. При значении Г, близком к отношению юаоД§юок, преобладают энергетические потери, а при близком к Л'о к/Бао — полевые, т.е. уменьшение поля зрения. Энергетические потери, в отличие от полевых, могут быть компенсированы за счет увеличения мощности источника (в случае наличия подсветки), использования более чувствительного приемника 5 и других приемов. Поэтому значение Г выбиралось близким к
^Юао ЛБЮок.
Введение сопрягающей о.с. накладывает дополнительные ограничения на объектив 4 и приемник излучения 5. Для обеспечения необходимого размера и максимизации разрешения изображения должны выполняться определенные условия. Размер приемника должен быть не менее размера изображения, формируемого объективом 4 с фокусным расстоянием /4', т.е. >/4' юао, а размер пикселя не должен превышать линейный предел разрешения изображения 8' без учета искажений, вносимых объективом 4, т.е. < /4' уао (¥ао - угловой предел разрешения а.о.-фильтра). При правильном выборе приемника излучения 4 и объектива 5 и высокой степени коррекции аберраций разрешающая способность о.с. прибора в
Рис. 3. Использованная при аберрационном расчете оптическая система видеоспектрометра на основе наблюдательного прибора и двойного а.о.-монохроматора. 1 — окуляр наблюдательного прибора; 2 — сопрягающая о.с.; 3 — плоскопараллельная пластина; 4 — объектив видеокамеры; 5 —матричный приемник излучения.
целом определяется угловым пределом разрешения уа0 двойного а.о.-монохроматора, которое может достигать 1000 положений в пределах своего углового поля 2юао.
Несмотря на то что спектральная полоса пропускания а.о.-монохр
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.