Системы стереоскопической спектральной визуализации с одной акустооптической ячейкой

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Мачихин А. С. Системы стереоскопической спектральной визуализации с одной акустооптической ячейкой // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2016. – Т. 11. – С. 2826–2830. – URL: http://e-koncept.ru/2016/86596.htm.
Аннотация. Рассмотрена проблема визуализации трехмерной пространственной формы объектов в произвольных спектральных интервалах. Для этого предлагается использовать оптические схемы на основе акустооптических элементов, в которых реализуется одновременная фильтрация стереопары – двух пучков, переносящих изображения. Рассмотрены схемы с пространственным, угловым, временным и поляризационным разделением пучков. Показано, что устройства на этой основе можно изготовить в виде компактных программно управляемых модулей, и они могут найти эффективное применение в различных областях.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Мачихин Александр Сергеевич,кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник, Научнотехнологический центр уникального приборостроения РАН, г. Москваaalexanderr@mail.ru

Научный руководитель –Пожар Витольд Эдуардович,доктор физикоматематических наук, заведующий отделом, Научнотехнологический центр уникального приборостроения РАН, г. Москваvitold@ntcup.ru

Системы стереоскопической спектральной визуализации соднойакустооптическойячейкой

Аннотация.Рассмотрена проблема визуализации трехмернойпространственной формыобъектов в произвольных спектральных интервалах. Для этого предлагается использовать оптические схемына основе акустооптическихэлементов, в которыхреализуется одновременная фильтрация стереопары двух пучков, переносящих изображения. Рассмотрены схемыс пространственным, угловым, временным и поляризационным разделением пучков.Показано, что устройства на этой основе можноизготовитьв видекомпактных,программно управляемых модулейиони могут найти эффективное применение в различных областях.Ключевые слова: спектральная визуализация, акустооптическая фильтрация изображений, стереоскопия, восстановление трехмерной структуры

Видеоспектрометры приборы для визуализации и анализа двумерной спектральной структуры объектов в отдельных спектральных интервалах в настоящее время находят широкое применение в микроскопии, аэрофотосъемке, машинном зрении и других отраслях науки и промышленности [13].Спектральная фильтрация позволяет системе работать с изображениями именнов тех спектральных интервалах, где отсутствуют фоновые помехи и наиболее интенсивно проявляются физические, химические и другие свойства анализируемыхобъектов. При этом существует множество медицинских, биологических и других задач, в которых не достаточно знатьраспределение свойств по поверхности образца, анеобходимо знать их распределение по глубине.По сравнению с классическими системами спектральной визуализацииданные приборы обеспечивают более полную информацию о расположении и форме элементов исследуемого объекта.Подход к этой проблеме может быть проиллюстрирован диаграммой на рис.1. Добавление к классической «двумерной» системе регистрации изображенийI(x,y)одногодополнительного «измерения», пространственного (z)или спектрального (λ), дает качественно новое отображение объектов: стереовидение I(x,y,z) либоспектральную визуализациюI(x,y,λ). Несомненно, что добавление обеих координат позволит получить еще больший аналитический эффектI(x,y,z,λ). При этомдиаграммапоказывает существование двух способовпостроения систем трехмерной спектральной визуализации. В первом необходимо использованиедвух систем регистрации спектральных изображений, что может быть реализовано уже существующимисистемами, но требует их объединения. Второй подход, когда в стереоскопическую системудобавляется спектральный элемент(например, набор цветных светофильтров в стереомикроскоп),во многих отношенияхпроще, т.к требует добавления лишь одного элемента, а не дублирования всей системы. Однако добавление стеклянного фильтра с фиксированной кривой пропускания приводитк необходимости механической смены фильтра для анализа спектра объекта в достаточно широком диапазоне, для одновременного исследования нескольких объектов с существенно различными спектральными свойствами и для решения многих других важных задач. В полной мере подходят для реализациивторого подходаперестраиваемые акустооптические(АО)фильтры, не имеющие подвижных частей,допускающиебыструю произвольную спектральную адресацию и обеспечивающиедостаточно высокое пространственное (до 1000 разрешимых положений по каждой из координат) и спектральное (до 0,1 нм) разрешение, малое время переключения (менее 1 мс), большой коэффициент пропускания (до100%) [4]. Однако добавление не простогофильтра с фиксированной кривой пропускания, а сложного по структуреАОфильтра сопряжено с определенными трудностями.

Рис.1.Пути создания систем визуализации трехмерной спектральной структуры

Обычные АО фильтры не настолько велики, чтобы фильтровать свет одновременно в двух каналах существующих систем трехмерной визуализации, в частности, стереомикроскопов, но и не достаточно компактныдля установки отдельного АО фильтра вкаждыйканал. Таким образом, существует необходимость разработки специальных АО фильтров для решения подобных задач. Требования к такому АО фильтру зависят от выполняемых им функций. Поскольку во многих приложениях существует необходимость разделения стереоканалов, возникает идея возложить эту задачуна АО фильтр. В настоящей работе проведен анализ возможных вариантов таких АО фильтров для задач определения спектральнойтрехмерной структуры:как на основе цифровой обработки парыизображений, так и путем стереоскопической визуализацииобъекта с помощью специализированных экранов и очков.Характеристики дифракциисвета на звукезависят отнесколькихпараметровпадающего излучения: угловраспространениясветаθ1,θ2, длиныволны λ и типаполяризации ρ («о» или «е») [4].Кроме того, АО фильтр при последовательной регистрации сигналаIпозволяет также анализировать изменения его во времени I(t). Таким образом, в принципе АО элемент может являться инструментом анализа спектральных, поляризационных, пространственных и временных свойств объекта, а регистрируемый сигнал после прохождения через АО ячейку является функцией всех указанных параметров: I(x,y,ρ,λ,t). Разделение оптическогосигнала Iпо этим параметрам, основанное на других физических принципах, широкоиспользуется в стереотелевидении,трехмерной визуализации различных процессови других областях[5]. ПрименениеАО элементов для решения этихзадач позволило бы, в частности, упростить оптическую схему и расширить возможности и области применения приборов, используемых в настоящее время.Чувствительность АО дифракционного элементак направлению распространения θ1,θ2, длине волны λ и типу поляризации ρ падающей волны являетсяпредпосылкойдля изучениявозможности разделения сигнала Iс помощью АО ячейки покаждому из этих параметров. Такое разделениеранеев акустооптике использовалось при решениидругих задач: одновременной фильтрации двух поляризационных компонент[6], одновременной фильтрации нескольких пространственно разделенных или падающих под разными углами световых пучков [7], одновременной фильтрации и быстрой попеременной регистрации нескольких спектральных компонент.Возможность же примененияэтого подходадля задач трехмернойспектральной визуализации ранее не рассматривалась. Поэтому весьма перспективным представляется разработка способовиспользованияАО ячеекв стереоскопической спектрометрии в качестве элементов, осуществляющих, помимо спектральной фильтрации, также и разделение стереопары изображений.

Рис.2.Вариантыдифракции пары световых пучков в однойАО ячейке

Рассмотрим возможность реализации систем трехмерной спектральной визуализации, использующих всего один, носпециализированный АО элемент и осуществляющих разделение изображений стереопары по одной изхарактеристикпереносящего их излучения.Процессдифракциилокализован в области непосредственного взаимодействия акустической и световой волн, которая занимает далеко не весь кристалл. Это связано как с ограничением на величину апертуры светового пучка (как правило, не более 510мм), так и с физическими (снос акустической волны) и технологическими факторами. Технология выращивания и обработки кристаллов позволяет получить АО ячейки с размерами, существенно превышающими этот типичный размер области взаимодействия. Поэтому наиболее простым вариантом схемы стереоскопического 3Dспектрометра с использованием одной АО ячейки является использование АО фильтра с двумя входными окнами, допускающего одновременную дифракцию на одной звуковой волне qдвух световыхпучковk1и k2, переносящих изображения(рис.3). Фильтр состоит из АО ячейки4, осуществляющей спектральную фильтрацию излучения, и двух поляризаторов3 и 5, предназначенных для селекции необходимой поляризации.Благодаря одинаковой геометрии АО взаимодействия обоих световых пучковна выходе монохроматора они являются идентичными по направлению распространения и аберрационнойструктуре и имеют заданные длину волны и тип поляризации.

а) б)Рис.3.Система трехмерной спектральной визуализации с пространственным разделением стереоскопических пучков: а) схема компоновки, б) волновая диаграммаАО взаимодействия;1–объект, 2,6 –линзы, 3,5–поляризаторы, 4 –АО ячейка, 7 –сформированные спектральные изображения, образующие стереопару; no, ne–показатели преломления двух поляризаций света

Вторым вариантом пространственного разделения стереопучков в одиночной АО ячейке являетсяих направление под разными углами дляодновременнойдифракциина одной звуковой волне(рис.4). При этом для обоих пучков в заданном спектральном интервале должно выполнятьсяусловие идентичности выделяемойдлины волныв обоих пучках.

а) б)Рис.4.Система трехмерной спектральной визуализации с угловым разделением стереоскопических пучков: а) схема компоновки, б) волновая диаграмма АО взаимодействия

Разделение стереопары по времени используется в стереоскопических системах с одним приемником излучения при цифровой регистрации или в системах визуального анализа, где изображения стереопары поочередно подаются направый и левыйглаз оператора. Приэтом система осуществляетмеханическоепереключениеоптическихканалов,поочередно регистрируяизображениес каждого из каналов. На рис.5представлена наиболее простая схема реализации метода регистрации cвременным разделением стереопары. Схемасодержитобщуючасть(объективы2,6, поляризаторы 3,5, АО ячейку4) и двавходных канала 8, расположенных под углом друг к другу, переключение между которыми осуществляется поворотным зеркалом 9.Основное преимущество применения временногоспособаразделения стереопары заключается в том, чтобольшаячастьоптической схемыиспользуется для обоих каналов, что делаетеё конструкцию компактной и упрощает методыюстировки, алгоритмыуправления и обработки.

а) б)Рис.5.Система трехмерной спектральной визуализации с временным разделением стереоскопических пучков: а) схема компоновки, б) волновая диаграмма АО взаимодействия

Как правило, в АО фильтрах используютсяоптически анизотропные кристаллы, которые дают существенно более широкие возможности выбора геометрии дифракции за счет использования двух разных линейных поляризаций световых волн: обыкновенной («o») и необыкновенной («e»). При брэгговской дифракции света на ультразвуковой волнеиз кристалла выходятдва пучка: дифрагированный, длина волны которого удовлетворяет условиям синхронизма, и «недифрагированный», распространяющийся через АО ячейку, как через однородную среду. Необходимость использованияполяризаторов ведет к потере одной из поляризационных составляющих и,соответственно,к существенному снижению светового потока. Для устранения этого недостатка разработаны схемы эффективного использования обеих поляризаций, позволяющие фильтроватьпроизвольно поляризованныйсвет [6]. Подобныесхемы предполагают использование дополнительных элементов, в частности призм или зеркал, для предварительного разделения обыкновенно и необыкновенно поляризованныхпучков, которые затемнаправляются в одну АО ячейку под необходимыми для эффективной дифракции углами (углами Брэгга), а после дифракции объединяются в единый монохроматизированныйпучок.Поляризационная чувствительность характеристик АО взаимодействия дает возможность осуществить поляризационное разделение изображений 6 за счет использования двух выходных поляризаторов 4 и 7, выделяющих две разные компоненты поляризации(рис. 6). Далее эти изображения могут быть сведены на экран, где они могут рассматриватьсяс помощью поляризационных очков, каналы которых пропускают свет двух разныхполяризаций.

а) б)Рис.6.Система трехмерной спектральной визуализации с поляризационным разделением стереоскопических пучков: а) схема компоновки, б) волновая диаграмма АО взаимодействия

Проведенный анализ возможных схем построениястереоскопических систем трехмерной спектральной визуализациис использованием АО фильтрации, в которых единаяАО ячейка используетсяикак спектральныйэлемент, икакэлемент,разделяющий пару стереоизображений, показываетвозможность многообразной реализации подобных систем.Целесообразность применения одного из четырех возможных вариантов (с пространственным, угловым, временным илиполяризационнымразделением стереопары)определяется условиями решаемой задачи.Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 160801278.

Ссылки на источники 1.Glenar D.A., Hillman J.J., Bergstrakh J. Acoustooptic imaging spectropolarimetry for remote sensing. // Applied Optics, 1994. –V. 33(31). –P. 74127424.2.Pustovoit V.I., Pozhar V.E., Shorin V.N., Kutuza I.B., Perchik A.V., Mazur M.M. DoubleAOTF spectral imaging system. // Proc. SPIE, 2005. V.5953. P. 14.3.Dekemper E.,Loodts N.,Van Opstal B.,Maes J.,Vanhellemont F.,Mateshvili N.,Franssens G., PierouxD.,Bingen C.,Robert C.,De Vos L.,Aballea L.,Fussen D.Tunable acoustooptic spectral imager for atmospheric composition measurements in the visible spectral domain. //AppliedOptics, 2012. –V. 51(25).

P. 62596267.4.GoutzoulisA.P., Rape D.B. Design and fabrication of acoustooptic devices. // CRC Press, 1994. 520 p.5.EzhovV.A.,StudentsovS.A. Volume (or stereoscopic) images on the screens of standard computer and television displays. // Proc. SPIE, 2005. –V.5821. –P. 102116.6.Волошинов В.Б., Молчанов В.Я., Бабкина Т.М. Акустооптический фильтр неполяризованного электромагнитного излучения. //ЖТФ,2000. Т. 70. В. 9. С. 9398.7.Pozhar V.E.,Machihin A.S.AOTFbased 3D spectral imaging system. // AIPConf. Proc., 2012.–V.1433

P. 6567.