Акустооптический метод спектрально-поляризационного анализа изображений
УДК 535.428
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД СПЕКТРАЛЬНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ
© 2009 г. В. С. Анчуткин*, канд. физ.-мат. наук; А. Б. Бельский*, канд. техн. наук; В. Б. Волошинов**, канд. физ.-мат. наук; К. Б. Юшков**
** ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская обл.
** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ** физический факультет, Москва
В работе рассмотрена система спектрального и поляризационного анализа изображений на основе перестраиваемого акустооптического фильтра. Использована особая геометрия дифракции Брэгга в парателлурите, при которой ортогонально поляризованные компоненты светового поля рассеиваются в противоположные дифракционные порядки. Для сравнения интенсивностей пучков с различной поляризацией применяется одновременная регистрация +1- и –1-го порядков дифракции.
Ключевые слова:
Коды OCIS: 110.4234, 230.1040, 230.5440
Поступила в редакцию 26.03.2009
1. Введение
Известно, что акустооптические (АО) методы обработки оптических сигналов находят применение в оптике и спектроскопии [1, 2]. В частности, перестраиваемые АО фильтры позволяют обеспечить спектральную и пространственную фильтрацию световых пучков. Управление параметрами проходящего через фильтр излучения обеспечивается в режиме реального времени путем изменения характеристик управляющего высокочастотного (ВЧ) сигнала. В основе работы таких устройств лежит явление дифракции света на фазовых решетках, индуцированных ультразвуком в кристаллах. Если на фильтр падает световой пучок с широким спектром длин волн света λ, то в первом брэгговском дифракционном порядке оказывается сосредоточено узкополосное излучение в диапазоне Δλ. Частота радиосигнала, подаваемого на АО ячейку, определяет цвет пропускаемого излучения, а амплитуда управляющего сигнала определяет интенсивность проходящего света. Для обеспечения возможности обработки неколлимированных световых пучков и оптических изображений используется особенная геометрия дифракции Брэгга в кристаллах, называемая тангенциальной. Такая геометрия взаимодействия является широкоапертурной, поскольку дифракция света
может наблюдаться с высокой эффективностью (более 50%) в диапазоне углов падения света, достигающем нескольких десятков градусов [3]. Таким образом, становится возможным обеспечить спектральную фильтрацию двумерных оптических изображений.
Важным свойством дифракции в оптически анизотропных средах является зависимость условий фазового синхронизма от поляризации падающего электромагнитного излучения [1, 2]. Это означает, что при заданной частоте ультразвука углы Брэгга для обыкновенно и необыкновенно поляризованных волн в общем случае отличаются. Для устранения этого недостатка был предложен ряд оптических схем [4–7]. С другой стороны, на основе этого явления может быть осуществлен поляризационный анализ изображений [8]. Было обнаружено, что исследование поляризации отраженного света наряду с его спектральным составом оказывается полезным в задачах определения искусственных объектов на естественном фоне [9]. В работе исследована спектральная АО система обработки изображений в реальном времени, способная также регистрировать поляризацию падающего излучения. В системе применен перестраиваемый АО фильтр и две ПЗС-камеры, позволяющие одновременно регистрировать ортогонально поляризованные пучки на выходе АО ячейки.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
29
2. Акустооптическая дифракция с пространственным разделением
различных поляризаций света
2.1. Поляризационно-независимая геометрия брэгговской дифракции
Известно, что АО взаимодействие может происходить с высокой эффективностью при выполнении брэгговского условия фазового синхронизма [1, 2]. Для монохроматического света это условие связывает между собой угол Брэгга θ, длину волны света λ и частоту ультразвука f и описывается уравнением, которое может быть получено с помощью векторных диаграмм взаимодействия, обуславливающих связь волновых векторов падающего и дифрагированного света (ki и kd) с волновым вектором ультразвука K:
ki ± K = kd.
(1)
Здесь и далее индекс “i” обозначает величины, относящиеся к световой падающей волне, а индекс “d” – к дифрагированной. Знак “+” соответствует +1-му порядку дифракции, в то время как знак “–” берется для рассеяния света в –1-й порядок. В литературе [10] было показано, что в особых случаях условие (1) может выполняться одновременно как для обыкновенно, так и для необыкновенно поляризованного излучения. Тогда справедливы и уравнения
kio – K = kde,
(2а)
kie + K = kdo,
(2б)
где нижние индексы “o” и “e” соответствуют обыкновенно и необыкновенно поляризованным волнам. На рис. 1 представлены соответствующие диаграммы для положительного одноосного кристалла. Основные показатели преломления обозначены как no и ne, а угол α представляет собой угол среза плоскости пьезопреобразователя АО ячейки. Известно, что в приближении малого двулучепреломления (Δn ≡ ne – no
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД СПЕКТРАЛЬНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ
© 2009 г. В. С. Анчуткин*, канд. физ.-мат. наук; А. Б. Бельский*, канд. техн. наук; В. Б. Волошинов**, канд. физ.-мат. наук; К. Б. Юшков**
** ОАО “Красногорский завод им. С.А. Зверева”, г. Красногорск, Московская обл.
** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ** физический факультет, Москва
В работе рассмотрена система спектрального и поляризационного анализа изображений на основе перестраиваемого акустооптического фильтра. Использована особая геометрия дифракции Брэгга в парателлурите, при которой ортогонально поляризованные компоненты светового поля рассеиваются в противоположные дифракционные порядки. Для сравнения интенсивностей пучков с различной поляризацией применяется одновременная регистрация +1- и –1-го порядков дифракции.
Ключевые слова:
Коды OCIS: 110.4234, 230.1040, 230.5440
Поступила в редакцию 26.03.2009
1. Введение
Известно, что акустооптические (АО) методы обработки оптических сигналов находят применение в оптике и спектроскопии [1, 2]. В частности, перестраиваемые АО фильтры позволяют обеспечить спектральную и пространственную фильтрацию световых пучков. Управление параметрами проходящего через фильтр излучения обеспечивается в режиме реального времени путем изменения характеристик управляющего высокочастотного (ВЧ) сигнала. В основе работы таких устройств лежит явление дифракции света на фазовых решетках, индуцированных ультразвуком в кристаллах. Если на фильтр падает световой пучок с широким спектром длин волн света λ, то в первом брэгговском дифракционном порядке оказывается сосредоточено узкополосное излучение в диапазоне Δλ. Частота радиосигнала, подаваемого на АО ячейку, определяет цвет пропускаемого излучения, а амплитуда управляющего сигнала определяет интенсивность проходящего света. Для обеспечения возможности обработки неколлимированных световых пучков и оптических изображений используется особенная геометрия дифракции Брэгга в кристаллах, называемая тангенциальной. Такая геометрия взаимодействия является широкоапертурной, поскольку дифракция света
может наблюдаться с высокой эффективностью (более 50%) в диапазоне углов падения света, достигающем нескольких десятков градусов [3]. Таким образом, становится возможным обеспечить спектральную фильтрацию двумерных оптических изображений.
Важным свойством дифракции в оптически анизотропных средах является зависимость условий фазового синхронизма от поляризации падающего электромагнитного излучения [1, 2]. Это означает, что при заданной частоте ультразвука углы Брэгга для обыкновенно и необыкновенно поляризованных волн в общем случае отличаются. Для устранения этого недостатка был предложен ряд оптических схем [4–7]. С другой стороны, на основе этого явления может быть осуществлен поляризационный анализ изображений [8]. Было обнаружено, что исследование поляризации отраженного света наряду с его спектральным составом оказывается полезным в задачах определения искусственных объектов на естественном фоне [9]. В работе исследована спектральная АО система обработки изображений в реальном времени, способная также регистрировать поляризацию падающего излучения. В системе применен перестраиваемый АО фильтр и две ПЗС-камеры, позволяющие одновременно регистрировать ортогонально поляризованные пучки на выходе АО ячейки.
“Оптический журнал”, 76, 8, 2009
29
2. Акустооптическая дифракция с пространственным разделением
различных поляризаций света
2.1. Поляризационно-независимая геометрия брэгговской дифракции
Известно, что АО взаимодействие может происходить с высокой эффективностью при выполнении брэгговского условия фазового синхронизма [1, 2]. Для монохроматического света это условие связывает между собой угол Брэгга θ, длину волны света λ и частоту ультразвука f и описывается уравнением, которое может быть получено с помощью векторных диаграмм взаимодействия, обуславливающих связь волновых векторов падающего и дифрагированного света (ki и kd) с волновым вектором ультразвука K:
ki ± K = kd.
(1)
Здесь и далее индекс “i” обозначает величины, относящиеся к световой падающей волне, а индекс “d” – к дифрагированной. Знак “+” соответствует +1-му порядку дифракции, в то время как знак “–” берется для рассеяния света в –1-й порядок. В литературе [10] было показано, что в особых случаях условие (1) может выполняться одновременно как для обыкновенно, так и для необыкновенно поляризованного излучения. Тогда справедливы и уравнения
kio – K = kde,
(2а)
kie + K = kdo,
(2б)
где нижние индексы “o” и “e” соответствуют обыкновенно и необыкновенно поляризованным волнам. На рис. 1 представлены соответствующие диаграммы для положительного одноосного кристалла. Основные показатели преломления обозначены как no и ne, а угол α представляет собой угол среза плоскости пьезопреобразователя АО ячейки. Известно, что в приближении малого двулучепреломления (Δn ≡ ne – no