АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТР ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМ КАЧЕСТВОМ СПЕКТРАЛЬНЫХ СРЕЗОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УВЕЛИЧЕННОЙ СВЕТОСИЛОЙ
ACOUSTO-OPTICAL SPECTRAL POLARIMETER OF IMAGES WITH HIGH QUALITY OF SPECTRAL SECTIONS OF IMAGES AND HIGH APERTURE RATIO

Изобретение относится к спектроскопии и прикладной оптике и может быть использовано для получения спектрально-поляризованных оптических изображений объектов в реальном масштабе времени.
Известно, что акустооптический (АО) спектральный анализ изображений объектов обладает рядом бесспорных преимуществ по сравнению с обычными оптическими методами, потому что вследствие физического принципа действия АО фильтры позволяют осуществлять спектрально-поляризационный анализ изображений (Wm. Hayden Smith and Κ.Μ. Smith "A polarimetric spectral imager using acousto-optic tunable filters". Experimental Astronomy, vol. 1, pp. 329-343, 1990). При этом анализируются два дополнительных параметра изображения: спектральное распределение яркости и распределение поляризации в спектральном срезе изображения; иными словами, выполняются функции принципиально недоступные традиционным оптическим инструментам. Эта особенность позволяет более эффективно выделять полезный оптический сигнал на фоне оптических помех.
В качестве АО кристалла в фильтрах видимого и ближнего ИК-диапазона обычно применяют монокристалл парателлурита - двулучепреломляющего одноосного кристалла. Совокупность оптических, акустических, фотоупругих и материальных констант делает данный материал перспективным для создания АО фильтров обработки изображений.
Известен АО фильтр на основе кристалла парателлурита с такой геометрией АО взаимодействия, когда ширина спектральной функции пропускания фильтра не зависит от сходимости падающего пучка света в угловой апертуре несколько градусов (I.-C. Chang. Noncollinear acousto-optic filter with large angular aperture. Applied Physics Letters, vol. 25, pp. 370-372, 1974).
При падении на AO фильтр излучения с широким спектром в рабочий дифрагированный луче (6) содержит только узкополосную спектральную составляющую падающего излучения, выделенную фильтром из общего светового потока, называемую спектральным срезом.
В АО фильтре на одной и той же частоте ультразвука может иметь место одновременно дифракция как излучения, поляризованного в главной плоскости кристалла (необыкновенной волны), так и излучения, поляризованного в ортогональной плоскости (обыкновенной волны).
Известен акустооптический спектрометр изображений на основе АО фильтра (US 5216484, H01J 31/50, 1993). Недостатком такого спектрометра является то, что изображение объекта получается только в одной из двух возможных ортогональных поляризаций.
Известен АО спектрометр изображений, свободный от этого недостатка и позволяющий наблюдать объект одновременно в двух ортогональных поляризациях с использованием в фильтре специфической геометрии взаимодействия (L.-J. Cheng, С.Mahoney, G. Reyes, С.La Baw and G.R Li. Polarimetric hypersperctral imaging systems and applications. ASARL Conference proceedings, p.2005-2014, 1999). Недостатком такого спектрометра является то, что для одновременного наблюдения двух ортогональных поляризаций изображения объекта требуется применение двух ПЗС-камер и системы электрической синхронизации камер, что значительно усложняет конструкцию прибора в целом.
Известен свободный от этого недостатка и являющийся прототипом изобретения АО спектрометр изображений с фильтром, позволяющий наблюдать одновременно две ортогональные поляризации изображения на одной ПЗС-камере (D.A. Glenar, J.J. Hillman, В. Saif, J. Bergstralh. Acousto-optic imaging spectropolarimetry for remote sensing. Appl. Opt. v. 33, No. 31, p.7412-7424, 1994).
В прототипе используется AO фильтр на основе монокристалла парателлурита. Данный материал является наиболее перспективным для создания оптических гиперспектральных систем. Известно, что парателлурит обладает аномально высокой анизотропией акустических свойств. Для медленной сдвиговой акустической волны отклонение потока акустической энергии в некоторых направлениях в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, примерно в 60 раз превышает отклонение фазовой скорости от оси [110] кристалла. Вследствие этого эффекта акустическое поле в кристалле в области АО взаимодействия в фильтре становится неоднородным. Это приводит к нарушению распределения интенсивности анализируемого оптического поля: различные фрагменты светового пучка имеют различную эффективность дифракции вследствие пространственного перераспределения акустической мощности в кристалле (Балакший В.И., Манцевич С.Н. Распространение акустических пучков в кристалле парателлурита. Акуст. журнал, №5, 2012). Таким образом, достоверность передачи оптического спектрального среза изображения анализируемого объекта при АО взаимодействии нарушается.
Однако прототип имеет следующие недостатки.
1. Фокальная плоскость изображений, сформированная зеркальной системой телескопа со сходимостью 1/12, совпадает с входной оптической гранью фильтра. При таком построении оптической схемы спектрометра изображений фильтр играет роль неоднородной амплитудной маски, порожденной АО взаимодействием в неоднородном акустическом поле и наложенной на изображение объекта в фокальной плоскости телескопа. В результате спектральное изображение объекта на ПЗС-матрице будет искажено.
2. при указанной оптической схеме спектрометра (ходе световых лучей) имеет место низкое пространственное разделение +1 (-1) и 0-порядков дифракции. Из-за рассеяния в кристалле фильтра это приводит к интегральной фоновой засветке отфильтрованного слабого полезного оптического сигнала на ПЗС-камере от мощного пучка 0-порядка, интенсивность которого в узкополосных АО фильтрах может почти на три порядка превышать полезный сигнал, т.е. узкополосное излучение, заключенного в выбранном спектральном срезе. Этот эффект резко уменьшает соотношение сигнал-шум.
3. Уменьшение светосилы системы относительно светосилы телескопа без спектрометра: линейный размер дифрагированного спектрального изображения объекта на ПЗС-матрице в два раза больше, чем спектральное изображение в фокальной плоскости телескопа, так как изображение сформировано в более длинном фокусе эллиптического зеркала. При наблюдении слабых астрономических объектов, когда время экспозиции составляет десятки минут, данная схема ограничивает возможность их наблюдения и требует применения дополнительного объектива перед ПЗС-матрицей, что усложняет оптическую схему спектрометра.
Задачей изобретения является создание акусто-оптического спектрополяриметра изображений, свободного от этих недостатков, т.е. обладающего повышенным качеством спектральных срезов изображений и увеличенной светосилой.
Технический результат - повышение качества спектрального среза изображения на ПЗС-матрице, улучшение пространственного разделения спектральных изображений +1, -1 и 0 (фонового) порядка дифракции и соответственно, более высокое соотношение сигнал-шум, увеличение светосилы оптической системы спектрополяриметра.
Указанный технический результат достигается за счет следующей совокупности существенных признаков - акустооптический спектрополяриметр изображений, содержащий установленный после оптической системы телескопа в сходящемся световом пучке со сходимостью 1/10-1/20 акустооптический фильтр на основе анизотропного кристалла парателлурита с геометрией акустооптического взаимодействия, при которой имеет место одновременная дифракция ортогонально поляризованных изображений наблюдаемого объекта, причем акустооптический фильтр расположен до фокальной плоскости телескопа на расстоянии 50-150 мм от нее; в фокальной плоскости телескопа расположено эллиптическое зеркало с центральным отверстием, при этом более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала, имеющего центральное отверстие, через которое проходят пучки +1, -1 и 0-порядков дифракции, совпадает с фокальной плоскостью телескопа; далее по ходу светового пучка установлены два плоских зеркала, после отражения от которых дифрагированные пучки +1 и -1 порядков дифракции отражаются от эллиптического зеркала, инвертируются, после чего в более коротком фокусе при вершине эллиптического зеркала на одной ПЗС-матрице формируются два ортогонально поляризованных спектральных изображения наблюдаемого объекта, смещенные друг относительно друга в плоскости дифракции; центральное отверстие эллиптического зеркала перекрыто диафрагмой дополнительного наклонного зеркала.
Частным существенным признаком является то, что 0-порядок дифракции отклоняется в сторону от оптической оси системы и используется для системы гидирования.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена оптическая схема заявляемого спектрополяриметра изображений объектов.
АО фильтр на основе монокристалла парателлурита (2) с пьезопреобразователем (3) располагается перед фокальной плоскостью (5) телескопа (1) со сходимостью 1/10 - 1/15 на расстоянии порядка 100 мм от фокальной плоскости. В фокальной плоскости (5) располагается эллиптическое зеркало (6) с отверстием в центральной зоне, в котором расположена диафрагма (4). Через отверстие в центральной зоне зеркала (6) проходят дифрагированные в АО фильтре спектральные пучки +1 и -1 порядков с ортогональными поляризациями (7) и (8); фоновый пучок 0-порядка (9) перекрывается диафрагмой (4).
АО фильтр располагается во внефокальной зоне, где имеет место значительная неравномерность амплитудно-фазового распределения светового поля от наблюдаемого объекта (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. Наука, М., 1970). Причем эта неравномерность превышает ранее упомянутую наведенную неравномерность дифрагированного светового поля из-за анизотропной акустической дифракции рабочей медленной сдвиговой моды в кристалле АО фильтра. Таким образом, уменьшается отрицательный эффект искажений спектральных срезов изображений на ПЗС-матрице, порожденных влиянием акустической анизотропии и неоднородностью акустического поля, излучаемого пьезопреобразователем фильтра, а качество изображений на ПЗС-матрице повышается. Тем самым устраняется первый недостаток прототипа.
Второй недостаток прототипа (малое пространственное разделение дифрагированных пучков и пучка 0-порядка) также устраняется в заявляемом изобретении вследствие того, что АО фильтр располагается перед фокальной плоскостью (5) телескопа, на некотором расстоянии от нее. При таком расположении фильтра дифрагированные пучки +1, -1 порядков дифракции приобретают дополнительное пространственное смещение по координате в плоскости дифракции относительно пучка 0-порядка. Характерное значение дополнительного смещения центров дифрагированных пучков по координате относительно центра пучка 0-порядка по сравнению с прототипом составляет порядка 10 мм при смещении АО фильтра на расстояние порядка 100 мм относительно фокальной плоскости.
Третий недостаток прототипа устраняется тем, что плоские зеркала (10) и (11) расположены таким образом по отношению к эллиптическому зеркалу (6), что более длинный фокус при вершине эллиптического зеркала (6) совмещается с фокальной плоскостью (5) телескопа (1). После последовательного отражения дифрагированных пучков +1 и -1 порядков дифракции вначале от зеркал (10) и (11), затем от эллиптического зеркала (6), дифрагированные пучки с ортогональными поляризациями фокусируются в плоскости (12), соответствующей более короткому фокусу при вершине эллиптического зеркала (6). При распространении пучки инвертируются и образуют на ПЗС-матрице (13) спектральные изображения с ортогональными поляризациями. Пучок 0-порядка (9) перекрывается диафрагмой (4). При таком конструктивном решении светосила заявляемой оптической системы спектрометра превосходит светосилу телескопа без спектрополяриметра, так как изображение формируется в более коротком фокусе эллиптического зеркала. Например, при соотношении фокальных отрезков эллиптического зеркала 0,63 светосила увеличивается в 1,6 раз относительно телескопа, без спектрополяриметра, и более чем в 3 раза по сравнению с прототипом. Тем самым устраняется третий недостаток прототипа.
При необходимости пучок 0-порядка (9) может быть использован для гидирования путем установки на диафрагме (4) дополнительного наклонного зеркала.
В качестве оптической системы (1), формирующей в спектрополяриметре изображение со сходимостью пучков 1/10-1/20 в вершине эллиптического зеркала (6), может выступать объектив, сфокусированный на конечную дистанцию.