АКУСТООПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ACOUSTO-OPTICAL SYSTEM

Предлагаемое устройство относится к лазерной технике и может быть использовано при создании технологических лазерных установок гравировки, маркировки и раскройки материалов, а также проекционных систем для формирования видеоизображения повышенной четкости.
Известна акустооптическая сканирующая система [RU 2193793], используемая для обработки объекта лазерным когерентным излучением ультрафиолетового диапазона длин волн. Такая система содержит источник когерентного излучения (лазер), выходное излучение которого направляется на акустооптический дефлектор. Основу акустооптического дефлектора составляет светозвукопровод, в котором происходит дифракция оптического излучения на специально сформированной акустической (звуковой) волне. При этом, изменяя частоту звука, можно изменять угол отклонения дифрагированного излучения. Предложенная в [RU 2193793] система, благодаря использованию парателлурита в качестве материала светозвукопровода акустооптического дефлектора, а также ряда технических решений, имеет повышенный угол сканирования (2,6°) при пониженной мощности высокочастотного сигнала управления и выполнена в виде двухкоординатного акустооптического сканера. Однако данное устройство имеет низкую эффективность дифракции (60%). Под эффективностью дифракции акустооптического устройства подразумевается отношение интенсивности отклоненного света к общей интенсивности введенного в дефлектор излучения.
Известен акустооптический дефлектор [US 4889415], где для увеличения угла сканирования изготавливают дефлектор с определенными геометрическими и пространственными параметрами. А именно, грани дефлектора, на которые падает излучение, располагают перпендикулярно к оптическому лучу и перпендикулярно к плоскости, в которой расположен пьезопреобразователь, формирующий звуковую волну. При этом перед дефлектором и после дефлектора устанавливают оптические линзы, увеличивающие угол расхождения пучка. Недостатком подобного технического решения является то, что при увеличении диапазона углов сканирования сохраняется число разрешимых положений оптического луча. Вследствие этого уменьшается угловое и линейное (в плоскости изображения) разрешение акустооптического дефлектора.
Описано устройство [Высокоэффективная акустооптическая дифракция света на многочастотном звуке в геометрии неаксиального дефлектора / С.Н.Антонов, А.В.Вайнер, В.В.Проклов, Ю.Г.Резвов // ЖТФ. - 2008. - Т.78. Вып.6. - С.79-83], использующее высокоэффективную акустооптическую дифракцию в кристалле парателлурита оптического излучения видимого диапазона. Использование в данном устройстве дифракции на многочастотном звуковом поле позволило обеспечить формирование нескольких оптических лучей с высокой суммарной эффективностью дифракции. Это позволяет повысить быстродействие сканирующей системы в целом, так как без ухудшения разрешения одновременно формируется элемент изображения (фрагмент строки), состоящий из нескольких минимальных элементов (пикселей). В описанном устройстве использовался акустический сигнал в виде суммы эквидистантных по частоте монохроматических акустических волн с детерминированными амплитудами и фазами, что позволило создать пятилучевой расщепитель лазерного излучения. Однако описанное устройство имеет малый полный угловой диапазон сканирования - 2,8 градусов. Кроме того, авторами указывается, что расчет амплитуд и фаз, необходимых для формирования наперед заданного распределения интенсивности в дифракционной зоне, при числе лучей более 5 сопряжен со значительным временем компьютерных вычислений, что не позволяет использовать такое решение для систем сканирования, формирующих изображение на основе входного видеосигнала в реальном времени.
Известен электронный модуль, описанный в патентном документе [US 5255257], который позволяет использовать акустооптический дефлектор в режиме высокоэффективной многочастотной дифракции. Данная задача решается путем внесения относительного сдвига фаз между компонентами акустического сигнала, при этом используется фиксированный сдвиг фаз на 0 и 180 градусов. Конкретное значение сдвига фазы для каждой частотной компоненты выбирается на основании предварительного расчета для определенных комбинаций частот компонент, из которых состоит сложный акустический сигнал. Такое техническое решение не позволяет формировать высокоэффективное многолучевое поле в режиме реального времени.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению, взятым за прототип, является акустооптический сканер [US 4000493] и методика одновременного формирования нескольких дифракционных максимумов (нескольких дифрагировавших лучей) при дифракции света на многочастотной акустической волне, для чего на пьезопреобразователь, формирующий звуковую волну, подается сложный высокочастотный сигнал. Устройство-прототип обеспечивает формирование произвольно заданного пространственного распределения интенсивностей дифрагировавшего излучения. Однако использованный способ расчета формы сложного высокочастотного сигнала, необходимого для формирования заданного распределения интенсивностей, использует предположение линейности акустооптического взаимодействия, что справедливо лишь для низкой эффективности дифракции (менее 6%). Работа такого устройства в случае, если эффективность дифракции будет превышать данный уровень, невозможна в силу возникновения ряда искажений, в частности появление интермодуляционных паразитных дифракционных порядков, что будет приводить к значительному рассогласованию получаемого пространственного распределения интенсивности дифрагировавшего излучения по отношению к заданному распределению.
Задачей данного изобретения является расширение углового диапазона сканирования акустооптической системы при сохранении (или увеличении) разрешающей способности устройства и высокой дифракционной эффективности с возможностью формирования требуемого пространственного распределения интенсивности дифрагировавшего излучения на основании входного электрического видеосигнала в реальном времени.
Для решения поставленной задачи предлагается акустооптическая система, содержащая оптическую часть, состоящую из последовательно размещенных источника оптического когерентного излучения (1), неаксиального акустооптического дефлектора (2) со светозвукопроводом (3) из кристалла пьезоэлектрического материала в виде призмы, на котором закреплен звукоизлучающий пьезоэлемент (4), и оптической системы развертки (5), и электрическую часть, содержащую блоки питания и программно-аппаратный управляющий модуль (6), состоящий из блока управления (7) со счетно-решающим устройством (8), высокочастотного генератора сигналов (9), блоков сопряжения (10) и (11). Согласно изобретению светозвукопровод (3) выполнен таким образом, что размер его поперечного сечения D в направлении, перпендикулярном оси оптического излучения, равен
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mn>1,22</mn><mi>k</mi><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow></mfrac><mi>R</mi><mo>,</mo></mrow>
min
где λ - длина волны излучения лазера, R - требуемая разрешающая способность дефлектора, коэффициент k находится в диапазоне 1,08-1,12, а плоская грань выходной поверхности светозвукопровода (3) выполнена под углом ψ к оси оптического луча, причем ψ находится в диапазоне 40°-70°, на входе акустооптического дефлектора установлена первая оптическая система (12) для расширения увеличения диаметра пучка света, а на выходе системы развертки установлена вторая оптическая система (13) для расширения диапазона углов сканирования, при этом программно-аппаратный управляющий модуль (6) выполнен с возможностью генерации на основе входного видеосигнала в режиме реального времени высокочастотного сигнала, состоящего по меньшей мере из числа N компонент с детерминированными амплитудами, частотами и относительными фазами, равного соотношению
<mrow><mtext></mtext><msub><mi>N</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mrow><msub><mi>υ</mi><mi>s</mi></msub><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
s
где D - размер поперечного сечения светозвукопровода (3) в направлении, перпендикулярном оси распространения оптического луча, υ - скорость звука в светозвукопроводе (3), τ - требуемое время отображения единичного элемента изображения.
Оптическая система развертки (5) выполнена в виде дополнительного акустооптического дефлектора, либо в виде микромеханического дефлектора.
1
2
Достигаемый технический результат состоит в увеличении углового диапазона сканирования Δβ до 6° в каждом направлении, при суммарной эффективности дифракции не менее 90% и разрешении не менее 720 элементов в каждом направлении. Технический результат достигается путем работы акустооптического дефлектора в режиме «искаженной» геометрии, что расширяет диапазон рабочих частот (угол направления звуковой волны α выбирается таким образом, чтобы условие фазового синхронизма выполнялось при двух значениях частоты звуковой волны f и f); путем применения оптической системы, увеличивающей угловой диапазон сканирования; путем увеличения диаметра пучка излучения за счет увеличения размера светозвукопровода акустооптического дефлектора в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, что приводит к уменьшению дифракционной расходимости и, следовательно, увеличивает разрешающую способность дефлектора; путем использования многочастотной дифракции, что увеличивает быстродействие дефлектора (в частности, компенсирует снижение быстродействия, вызванное увеличением размера светозвукопровода) за счет одновременного формирования группы дифракционных пятен; путем использования счетно-решающего устройства, работающего на основе матричного алгоритма, допускающего аппаратное распараллеливание, для вычисления требуемого амплитудно-фазового спектра высокочастотного сигнала, что позволяет формировать многочастотный сигнал в режиме реального времени по результатам обработки входного видеосигнала.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схематическая блок-схема акустооптической проекционной системы; на фиг.2 изображена схема акустооптического дефлектора.
Устройство выполнено следующим образом: оптически соединенные между собой источник оптического когерентного излучения (1), неаксиальный акустооптический дефлектор (2) со светозвукопроводом (3), на котором закреплен звукоизлучающий пьезоэлемент (4) и оптическая система развертки (5); блоки питания, электрически соединенные с лазером и программно-аппаратным управляющим модулем (6), состоящим из электрически соединенных между собой блока управления (7), счетно-решающего устройства (8), высокочастотного генератора сигналов (9), блоков сопряжения (10) и (11), электрически соединенных с пьезоэлементом и системой развертки соответственно. На входе акустооптического дефлектора располагается первая оптическая система (12), на выходе системы развертки - вторая оптическая система (13).
Работает предлагаемая акустооптическая проекционная система следующим образом. Излучение лазера (1) направляется на первую оптическую систему (12), где происходит расширение диаметра оптического луча до размера
<mrow><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mi>k</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mrow><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
0
0
где n - показатель преломления материала светозвукопровода (3) для обыкновенной волны, γ - угол между плоской гранью входной поверхности дефлектора (2) и осью оптического луча, входящего в дефлектор, D - размер поперечного сечения светозвукопровода (3) в направлении, перпендикулярном оси распространения оптического луча, коэффициент k равен отношению размера поперечного сечения D светозвукопровода к диаметру d оптического луча внутри кристалла. Коэффициент k находится в диапазоне 1,08-1,12 и выбирается с учетом технологических допусков, обусловленных точностью изготовления светозвукопровода. Затем излучение заводится в акустооптический дефлектор (2), работающий в режиме многочастотной акустооптической дифракции. Входная поверхность акустооптического дефлектора (2) просветлена известным способом для излучения с длиной волны, равной длине волны излучения лазера (1), а также расположена под уголом Брюстера к оси оптического луча, входящего в дефлектор (2). На пьезопреобразователь (4) акустооптического дефлектора поступает сигнал, формируемый программно-аппаратным модулем в режиме реального времени, который состоит из определенного числа N компонент различных частот, с детерментированными амплитудами и фазами. Это приводит к формированию высокоэффективного многолучевого одномерного поля в дифракционном порядке. Недифрагировавшее излучение задерживается поглотителем, дифрагировавшее поступает на оптическую систему развертки (5), где происходит отклонение одномерной многолучевой дифракционной картины вдоль перпендикулярной ей оси на угол, соответствующий строке видеосигнала, фрагмент которой проецируется в данный момент. Каждый фрагмент строки проецируется в течение времени τ; после того как все фрагменты строки были засвечены, начинается проекция фрагмента следующей строки видеосигнала. С выхода оптической системы развертки (5) излучение поступает на вторую оптическую систему (13), где происходит расширение диапазона углов сканирования акустооптической системы.
Программно-аппаратный управляющий модуль (6) электрической части работает следующим образом. На вход блока управления (7) подается видеосигнал, который разбивается на строки. Каждая строка попадает в буфер, откуда по фрагментам передается в счетно-решающее устройство (8). В нем происходит численное решение обратной задачи многочастотной дифракции: находятся амплитуды, частоты и фазы акустических волн, акустооптическое взаимодействие оптического излучения с которыми даст в дифракционном поле картину интенсивности, соответствующую фрагменту строки видеоизображения. Решение задачи осуществляется путем решения линейной системы алгебраических уравнений, составленных на основе дифференциальных уравнений связанных волн, описывающих многочастотную дифракцию. Система уравнений связанных волн, описывающая многочастотное акустооптическое взаимодействие, согласно [Gazalet M.G., Kastelik J.C., Bruneel C., Bazzi C., Bridoux E. Acousto-optic multifrequency modulators: reduction of the phase-grating, intermodulation products // Appl. Opt. - 1993. - V.32. - P.2455-2460], представляет собой бесконечную систему связанных дифференциальных уравнений вида:
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mi>a</mi></msub><mo>≠</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>a</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>∀</mo><mi>a</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub><mo>↔</mo><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub><msub><mi>n</mi><mrow><mi>μ</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>n</mi><mn>3</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>n</mi><mi>μ</mi></msub><msub><mi>n</mi><mrow><mi>μ</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>с</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
1
2
µ
1
2
3
µ
m
m
0
где
- комплексная амплитуда вектора диэлектрического смещения D, относящаяся к лучу, последовательно дифрагировавшему на n-й, n-й, … n-й акустической волне (рис.1 для случая N=2), nnn…n∈[1, N],
;
- фазовая расстройка между лучом с амплитудой
в нулевом порядке и лучом
в брегговском порядке (дифрагировавшие лучи); x - нормированная координата вдоль оси распространения света в акустооптической ячейке х∈[0, 1]; c - величина, связанная с акустической мощностью P m-й компоненты акустического сигнала:
где P - акустическая мощность, при которой наблюдается 100% эффективность акустооптической дифракции в режиме Брегга.
Для решения такой системы дифференциальных уравнений рассматривается построенное на ее основе дерево, где каждому уравнению будет соответствовать свой конкретный узел. После чего производится обход дерева от конечных узлов до корня и составляется система линейных уравнений. Существующие алгоритмы решения систем линейных уравнений допускают проведение распараллеливания секций, на которые приходятся наибольшие затраты процессорного времени, что дает возможность работы в режиме реального времени с минимальной задержкой (от 100 мс) аппаратных решений.
Пример 1
Рассмотрим акустооптическую систему, предназначенную для отображения входного видеосигнала, представляющего собой сигнал телевидения: число точек на строку изображения - 720 точек, частота смены кадров - 25 кадров в секунду, число строк - 1280 строк. В этом случае время отображения одного кадра составляет 40 мс, а время, приходящееся на одну точку изображения при последовательном сканировании всех точек, - τ=43 нс.
2
s
Используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения λ=635 нм. Светозвукопровод акустооптического дефлектора выполнен из парателлурита (TeO), при этом направление распространения света совпадает с осью [001] кристалла, а направление распространения звука имеет малый угол (от 3 до 10 градусов) с осью [110], что соответствует «искаженной» геометрии акустооптического взаимодействия. Скорость звука в выбранном направлении составляет υ=617 м/с. Диапазон рабочих частот составляет 66 МГц…121 МГц, при эффективности дифракции более 90%. Этот диапазон частот соответствует диапазону углов сканирования, равному Δθ=2,4°. Выход сканируемого излучения из кристалла осуществляется под углом примерно 60°. Диапазон углов сканирования в такой акустооптической системе становится равным Δβ=6,1°. Разрешающая способность дефлектора равна
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mn>1,22</mn><mfrac><mi>λ</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
где
- угловая расходимость пучка света, имеющего диаметр d. Так как требуемое значение R составляет 720 разрешимых положений, то необходимый диаметр пучка
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1,22</mn><mi>λ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5,4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow>
Поперечный размер светозвукопровода акустооптического дефлектора выберем увеличенным на 10% по сравнению с величиной d с учетом технологических допусков, обусловленных точностью изготовления (D=6 мм). Быстродействие такого дефлектора равно
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><msub><mi>υ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>9,7</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow>
Минимально требуемое число компонент многочастотного сигнала равно
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>226.</mn></mrow>
Рекомендуемое значение числа компонент многочастотного сигнала составляет 240, что соответствует разбиению строки на три отдельно отображаемые части.
Пример 2
Рассмотрим акустооптическую систему, предназначенную для отображения входного видеосигнала, представляющего собой сигнал телевидения: число точек на строку изображения - 720 точек, частота смены кадров - 25 кадров в секунду, число строк - 1280 строк. В этом случае время отображения одного кадра составляет 40 мс, а время, приходящееся на одну точку изображения при последовательном сканировании всех точек, - τ=43 нс.
2
s
Пусть используется DPSS лазер с длиной волны излучения λ=514 нм. Светозвукопровод акустооптического дефлектора выполнен из парателлурита (TeO), при этом направление распространения света совпадает с осью [001] кристалла, а направление распространения звука имеет малый угол (от 3 до 10 градусов) с осью [110], что соответствует «искаженной» геометрии акустооптического взаимодействия. Скорость звука в выбранном направлении составляет υ=617 м/с. Диапазон рабочих частот составляет 71 МГц…166 МГц, при эффективности дифракции более 90%. Этот диапазон частот соответствует диапазону углов сканирования, равному Δθ=2,4°. Выход сканируемого излучения из кристалла осуществляется под углом примерно 67°. Диапазон углов сканирования в такой акустооптической системе становится равным Δβ=8°. Разрешающая способность дефлектора равна
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mn>1,22</mn><mfrac><mi>λ</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
где
- угловая расходимость пучка света, имеющего диаметр d. Так как требуемое значение R составляет 720 разрешимых положений, то необходимый диаметр пучка
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1.22</mn><mi>λ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5,6</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow>
Поперечный размер светозвукопровода акустооптического дефлектора выберем увеличенным на 10% по сравнению с величиной d с учетом технологических допусков, обусловленных точностью изготовления (D=6,2 мм). Быстродействие такого дефлектора равно
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><msub><mi>υ</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>10</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow>
Минимально требуемое число компонент многочастотного сигнала равно
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>233.</mn></mrow>
Рекомендуемое значение числа компонент многочастотного сигнала составляет 240, что соответствует разбиению строки на три отдельно отображаемые части.
Выводы
Таким образом, взаимосвязь известных признаков и новых, обозначенных в отличительной части, дает возможность получить неожиданный технический результат, а именно увеличение углового диапазона сканирования акустооптической системы до 6° в каждом направлении, при суммарной эффективности дифракции не менее 90% и разрешении не менее 720 элементов в каждом направлении.