СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ФРОНТА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF RECORDING OPTICAL WAVE FRONT AND SYSTEM TO THIS END

Область техники
Изобретение относится к области лазерной физики, адаптивной оптики и голографии, в частности к визуализации волнового фронта.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что световая волна, проходя через объект или отражаясь от него, испытывает в общем случае амплитудную и фазовую пространственную модуляцию. Однако глаз или любой другой фоточувствительный прибор регистрируют только распределение амплитуды (точнее интенсивности света). Таким образом, вся информация об объекте, содержащаяся в фазовой модуляции, полностью теряется, хотя эта информация может быть очень важной, а иногда (в случае так называемых фазовых объектов) и единственной информацией об объекте. К фазовым объектам относятся, в частности, оптические элементы (линзы, призмы, зеркала и др.), газовые, жидкие и кристаллические среды, искажающие оптический волновой фронт вследствие внутренней неоднородности, разнообразные биологические структуры, характеризующиеся очень малым коэффициентом поглощения света (клетки, бактерии) и т.д. Проблема визуализации фазовых объектов или, другими словами, визуализации оптического волнового фронта стала особенно актуальной после появления лазеров и в связи с их широким применением при неразрушающих измерениях не только в физике и технике, но также в химии, биологии, медицине и экологии. В более общей постановке эта проблема, формулируемая как регистрация оптического волнового фронта, является ключевой для систем адаптивной оптики.
В настоящее время известно несколько способов визуализации фазовых объектов (см., например, M.Born, E.Wolf, Principles of optics, - Pergamon Press, Oxford, 1964). В методе темного поля из пространственного спектра оптического сигнала удаляется центральная компонента. В результате этого фазовая модуляция светового поля  преобразуется в модуляцию интенсивности, пропорциональную квадрату фазы: . В методе фазового контраста центральная компонента сдвигается по фазе на , вследствие чего получается линейный закон преобразования фазы в интенсивность: . В интерференционном (голографическом) методе оптический волновой фронт регистрируется в виде интерференционной структуры, возникающей при пространственном совмещении на поверхности фоточувствительного материала сигнальной и опорной световых волн (J. Goodman, Introduction to Fourier optics, - McGraw-Hill Book Comp., N.Y., 1968).
Из уровня техники известен также акустооптический способ регистрации фазовой структуры светового поля, основанный на дифракции света на коротком акустическом импульсе, распространяющемся в прозрачной среде - акустооптической ячейке (V.I.Balakshy, Application of acousto-optic interaction for holographic conversion of light fields, Optics & Laser Techn., 1996, v.28, №2, p.109-117). Этот способ может рассматриваться как ближайший аналог предлагаемого изобретения. В данном способе фазовое изображение проецируется в плоскость ячейки. При распространении акустического импульса в ячейке на нем последовательно дифрагируют разные участки изображения. Продифрагировавшее излучение регистрируется фотоприемником. Фактически акустический импульс играет здесь роль движущегося окна, через которое последовательно просматривается фазовая структура светового поля. Выходной сигнал фотоприемника представляет собой сигнал развертки отдельной строки светового поля. Для регистрации двумерных изображений перед ячейкой располагается дефлектор, отклоняющий световой пучок с кадровой частотой в направлении, ортогональном распространению акустического импульса.
Главная трудность при реализации описанных способов визуализации оптического волнового фронта, известных из уровня техники, возникает вследствие того, что локальное значение фазы светового поля  преобразуется по тому или иному закону в интенсивность . Поэтому если исходное световое поле промодулировано не только по фазе, но также и по амплитуде (что имеет место в большинстве случаев), то в выходном сигнале амплитудная информация накладывается на фазовую. Разделение амплитудной и фазовой информации возможно лишь при одновременной регистрации в двух разных установках анализируемого оптического поля: суммарного распределения интенсивности фазочувствительным методом и распределения интенсивности нечувствительным к фазе методом с последующей компьютерной обработкой полученных электрических сигналов. Такой подход приводит к сложной оптической схеме системы регистрации, трудностям ее юстировки, значительным ошибкам и неоднозначной интерпретации получаемых результатов.
Особое место занимает голографический способ, в котором фазовая информация при записи голограммы преобразуется в амплитудную путем частотной модуляции пространственной несущей, тогда как амплитудная информация оказывается представленной в форме амплитудной модуляции этой несущей. Однако разделение амплитудной и фазовой информации в этом случае, хотя и возможное теоретически, в настоящее время проблематично из-за недостаточного разрешения передающих телевизионных камер.
Еще одним важным недостатком известных из уровня техники способов является однозначная определенность закона преобразования фазы в интенсивность и невозможность перенастройки системы к другому закону, более оптимальному в конкретной ситуации.
Главным недостатком акустооптического способа (V.I.Balakshy, Application of acousto-optic interaction for holographic conversion of light fields, Optics & Laser Techn., 1996, v.28, №2, p.109-117), выбранного в качестве ближайшего аналога, является низкая чувствительность фотоприемной системы. В этой системе используется одноэлементный фотоприемник, регистрирующий в каждый момент времени лишь -ю часть светового потока, где N - число элементов разложения изображения. В существующем телевизионном стандарте N=500000. Поэтому известный акустооптический метод пригоден для обработки только световых сигналов большой мощности.
Заявленный способ регистрации оптического волнового фронта и система его реализации устраняют недостатки известных из уровня техники способов и в отличие от вышеуказанных известных способов позволяют осуществлять одновременный анализ как амплитудной, так и фазовой структуры оптического поля. Система, реализующая этот способ, согласно изобретению, формирует на выходе два электрических сигнала телевизионного типа, которые могут быть использованы как для раздельной визуализации амплитудной и фазовой структуры изображений, так и для измерения локальных значений амплитуды и фазы светового поля. При этом в системе используется небольшой набор оптических элементов; оптическая схема устройства достаточно проста, что обеспечивает стабильную и надежную его работу, высокую точность измерений. Применение в системе матричных фотоприемников обеспечивает работу в режиме "накопления заряда" и повышение на несколько порядков чувствительности (по сравнению с прототипом). Путем электрического изменения параметров управляющего сигнала возможна быстрая (в реальном времени) перестройка системы, обеспечивающая переход от одного закона визуализации фазовой структуры к другому.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен способ регистрации оптического волнового фронта, заключающийся в:
а) возбуждении монохроматической акустической волны в акустооптической ячейке, изготовленной из оптически-анизотропного кристалла специального среза;
б) пропускании пространственно-модулированной когерентной световой волны, несущей анализируемое изображение, через акустооптическую ячейку;
в) обеспечении одновременного рассеяния световой волны в два брэгговских дифракционных максимума +1-го и -1-го порядков путем соответствующего выбора частоты акустической волны и геометрии акустооптического взаимодействия;
г) независимой регистрации изображений, сформированных в этих дифракционных максимумах, с помощью двух матричных фотоприемников, преобразующих оптические изображения в электрические сигналы телевизионного типа;
д) совместной обработке выходных сигналов фотоприемников в электронном блоке, в результате которой формируются два электрических сигнала, несущих раздельную информацию об амплитудной и фазовой структуре анализируемого изображения;
е) формировании из этих сигналов видимых изображений амплитудной и фазовой структуры на экране монитора.
Кроме того, в способе согласно первому аспекту изобретения обработка сигналов фотоприемников включает сложение и вычитание этих сигналов, а также деление разностного сигнала на суммарный.
Согласно второму аспекту изобретения предусмотрена система регистрации оптического волнового фронта, включающую в себя:
а) акустооптическую ячейку, изготовленную из оптически-анизотропного кристалла специального среза, обеспечивающего брэгговский режим акустооптической дифракции с рассеянием светового излучения одновременно в два дифракционных максимума +1-го и -1-го порядков;
б) ВЧ электрический генератор, служащий для возбуждения монохроматической акустической волны в акустооптической ячейке и допускающий перестройку амплитуды и частоты акустической волны;
в) источник когерентного оптического излучения для освещения исследуемого объекта;
г) объектив, формирующий амплитудно-фазовое изображение в центральной плоскости акустооптической ячейки;
д) оптический блок, состоящий из одной или нескольких линз, который переносит два изображения, сформированных в дифракционных максимумах +1-го и -1-го порядков, в плоскость фотодетектирования;
е) два матричных фотоприемника, одновременно регистрирующих два изображения в +1-м и -1-м дифракционных порядках и формирующих два электрических сигнала телевизионного типа;
ж) электронный блок обработки сигналов, обеспечивающий совместную обработку сигналов фотоприемников, в результате которой формируются два электрических сигнала, несущих раздельную информацию об амплитудной и фазовой структуре анализируемого светового поля;
з) видео-блок, электрически связанный с электронным блоком обработки сигналов, который формирует видимые изображения амплитудной и фазовой структуры исследуемого светового поля.
Кроме того, в системе регистрации оптического волнового фронта согласно второму аспекту изобретения электронный блок обработки сигналов включает в себя:
а) сумматор-вычитатель, преобразующий сигналы фотоприемников в разностный и суммарный сигналы;
б) делитель, электрически связанный с сумматором-вычитателем, который формирует, путем деления суммарного сигнала на разностный, сигнал, несущий информацию только о фазовой структуре исследуемого светового поля.
2
В заявленной системе регистрации оптического волнового фронта, оптически-анизотропный кристалл, используемый для изготовления акустооптической ячейки, является одноосным кристаллом, при этом одноосный кристалл акустооптической ячейки является кристаллом парателлурита (TeO).
Кроме того, парателлурит вырезан таким образом, что плоскость акустооптического взаимодействия совпадает с кристаллографической плоскостью ().
При этом в заявленной системе регистрации оптического волнового фронта оптический волновой фронт, возбуждаемый в акустооптической ячейке, является медленной сдвиговой акустической модой, поляризованной в направлении [] относительно кристаллографических осей кристалла парателлурита.
Кроме того, в указанной заявленной системе два матричных фотоприемника представляют собой телевизионные камеры или ПЗС-матрицы, а видеоблок включает в себя два монитора или один монитор, на котором независимо формируются два изображения, отражающие пространственное распределение амплитуды и фазы в анализируемом световом поле.
Сущность заявленного способа и функционирование предлагаемой системы регистрации оптического волнового фронта основаны на свойствах дифракции света на фазовой дифракционной решетке и на последующей обработке изображений, получаемых в двух дифрагированных пучках. Эффективная реализация способа оказывается возможной благодаря найденным специфическим свойствам дифракции оптического излучения на объемной фазовой дифракционной решетке, индуцированной в оптически анизотропной среде.
В качестве объемной фазовой решетки предлагается использовать акустооптическую решетку, наведенную с помощью акустической волны в двулучепреломляющем кристалле. Акустооптическое взаимодействие в такой акустооптической ячейке реализуется в виде дифракции Брэгга, что обеспечивается достаточно большой шириной акустического пучка и высокой частотой ультразвука. При этом предлагается использовать особую геометрию брэгговского взаимодействия света с ультразвуком в кристалле, позволяющую наблюдать два дифрагированных оптических пучка, несущих информацию об амплитуде и фазе исходного изображения. При последующей совместной обработке продетектированных оптических сигналов можно получить информацию об амплитуде и фазе исходного оптического изображения.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 - преобразование фазовой модуляции световой волны в модуляцию интенсивности при брэгговской дифракции света.
(а) - обычная геометрия брэгговского рассеяния света;
(b) - геометрия брэгговского рассеяния одновременно в два боковых максимума.
Фиг.2 - векторные диаграммы брэгговского акустооптического взаимодействия.
(а) - обычная геометрия брэгговского рассеяния света;
(b) - геометрия брэгговского рассеяния одновременно в два боковых максимума.
Фиг.3 - блок-схема системы регистрации оптического волнового фронта.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Предлагаемый способ регистрации оптического волнового фронта и система для его реализации позволяют одновременно регистрировать амплитудную и фазовую структуру пространственно когерентного оптического поля. Заявленный способ основан на угловой селективности брэгговского акустооптического взаимодействия, т.е. на зависимости эффективности акустооптической дифракции от угла падения светового пучка на ячейку (В.И.Балакший, В.Н.Парыгин, Л.Е.Чирков. "Физические основы акустооптики". М., Радио и связь, 1985).
В фазово-модулированной световой волне, которую можно записать в виде  (здесь для упрощения предлагается одномерный фазовый объект), направление волновой нормали меняется от точки к точке вдоль волнового фронта по закону , где  - длина волны света,  - фазовый градиент. При прохождении такой волны через акустооптическую ячейку разные участки волны, вследствие различия в углах падения , дифрагируют с разной эффективностью. В результате дифрагированная волна оказывается промодулированной по интенсивности пропорционально локальным значениям фазового градиента. Таким образом, можно сказать, что акустооптическая ячейка работает как фазовый дискриминатор, обеспечивающий преобразование фазово-модулированной световой волны в волну, промодулированную по интенсивности.
Фиг.1а иллюстрирует процесс визуализации оптического волнового фронта. Здесь кривой 1 изображена угловая характеристика брэгговской дифракции - зависимость интенсивности дифрагированного света  от угла падения . Эффективность дифракции достигает максимума при падении света под углом Брэгга . Кривой 2 показана форма градиента фазы  в падающей волне, а кривой 3 - распределение интенсивности света в дифрагированном пучке. Конкретный закон преобразования фазы в интенсивность зависит от выбора рабочей точки  на кривой 1. Из фиг.1а ясно, что максимальная чувствительность системы к фазовому градиенту достигается, когда рабочая точка выбирается на середине склона угловой характеристики. Переход с одного склона на другой приводит к инверсии контраста в визуализированном изображении. Меняя частоту и амплитуду акустической волны, можно оперативно и в широком диапазоне варьировать положение рабочей точки и форму угловой характеристики, обеспечивая тем самым адаптацию системы к конкретной решаемой задаче.
Однако если в анализируемой световой волне присутствует амплитудная модуляция , то эта модуляция также будет перенесена в дифрагированный пучок. Для разделения амплитудной и фазовой информации предлагается использовать особый вариант брэгговской дифракции, реализуемый только в оптически-анизотропной среде - в двулучепреломляющем кристалле. Соответствующим выбором среза кристалла, а также направления взаимодействующих световых и акустических волн и частоты ультразвука можно обеспечить брэгговский режим дифракции с рассеянием света одновременно в два дифракционных максимума +1-го и -1-го порядков. Диаграмма волновых векторов для такого варианта брэгговского взаимодействия показана на фиг.2b, а на фиг.2а для сравнения показан обычный вариант брэгговского взаимодействия. Здесь  и  - волновые векторы соответственно падающего и дифрагированного света, K - волновой вектор звука. Диаграмма фиг.2б построена для случая, когда плоскость взаимодействия перпендикулярна оптической оси одноосного кристалла. Свет падает перпендикулярно акустическому пучку и рассеивается в два симметрично расположенных дифракционных максимума +1-го и -1-го порядков. Частота ультразвука при этом определяется выражением , где V - скорость звука,  и  - показатели преломления для падающего и дифрагированного света. Угловые характеристики обоих дифракционных максимумов  и  в этом случае совпадают. При увеличении или уменьшении частоты ультразвука характеристики  и  смещаются друг относительно друга (фиг.1b). Если рабочую точку  выбрать так, как показано на фиг., то в обоих максимумах будет происходить визуализация оптического волнового фронта. Однако распределение интенсивности света в них будет иметь инверсный характер. Можно получить, что оптимальные акустические частоты определяются формулой , где l - ширина акустического пучка в плоскости акустооптического взаимодействия. Распределение интенсивности света в дифракционных порядках имеет вид:
0
где A - параметр Рамана-Ната, который пропорционален амплитуде акустической волны. Как видно из этого соотношения, амплитудная модуляция исходной световой волны u(x) переносится в оба дифракционных максимума одинаково, тогда как члены, определяемые фазовой модуляцией , имеют разные знаки в этих максимумах. Поэтому суммирование и вычитание сигналов матричных фотоприемников, регистрирующих изображения в +1-м и -1-м дифракционных порядках, позволяют получить два электрических сигнала, один из которых содержит информацию только о распределении амплитуды (), а другой - информацию о распределении амплитуды и фазы в анализируемом световом поле (). Поделив второй сигнал на первый, можно получить фазовую информацию в чистом виде.
Один из возможных вариантов реализации описанного способа регистрации оптического волнового фронта показан на фиг.3, на которой позицией 1 обозначен источник когерентного излучения (лазер); позицией 2 - исследуемый объект; позицией 3 - объектив; позицией 4 - акустооптическая ячейка; позицией 5 - генератор ВЧ гармонических колебаний; позицией 6 - оптический блок (линза или линзы); позицией 7 - плоскость регистрации оптических изображений; позицией 8, 9 - фотоприемные матрицы (ПЗС матрицы); позицией 10 - электронный блок обработки сигналов; позицией 11 - сумматор-вычитатель; позицией 12 - делитель; позицией 13, 14 - мониторы и позицией 15 - видеоблок.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
(-)
(+)
(+)
(-)
(+)
Источник когерентного излучения 1 освещает исследуемый объект 2. Оптическое излучение, сформированное исследуемым объектом, т.е. прошедшее сквозь объект или отраженное им, проходит далее через объектив 3, который создает изображение объекта в акустооптической ячейке 4. В ячейке происходит дифракция оптического излучения одновременно в +1-й и -1-й порядки дифракции. Управление ячейкой 4 осуществляется с помощью генератора 5 гармонического электрического сигнала. Изображения, сформированные в +1-м и -1-м порядках, переносятся оптическим блоком 6 в плоскость 7 регистрации оптических изображений. В этой плоскости расположены два матричных фотоприемника 8 и 9, преобразующие оптические изображения, соответствующие +1-му и -1-му порядкам дифракции, в электрические сигналы U и U. В качестве фотоприемников 8 и 9 могут быть использованы телевизионные камеры или ПЗС-матрицы. Электрические сигналы U и U поступают в электронный блок 10 обработки сигналов, который может представлять собой стандартный компьютер либо специализированное электронное устройство, состоящее из сумматора-вычитателя 11 и делителя 12. Блок 10 обработки сигналов осуществляет суммирование и вычитание электрических сигналов U и U, а также деление разностного сигнала U=U-U на суммарный сигнал U=U+U. Суммарный сигнал U поступает на монитор 13 и формирует изображение, соответствующее пространственному распределению амплитуды исследуемого оптического поля. В то же время сигнал U/U поступает на второй монитор 14 и формирует изображение, отвечающее пространственному распределению фазы исследуемого оптического поля. Два изображения, соответствующие распределению амплитудных и фазовых неоднородностей исследуемого объекта, могут также выводиться на одном мониторе.
Следует отметить, что пространственное распределение амплитуды в световой волне может быть легко зарегистрировано и измерено с помощью обычных ТВ-систем. Однако одновременная регистрация амплитудной и фазовой структуры светового поля дает много больше информации об исследуемом объекте.
2
i
i
3
В качестве источника излучения 1 (фиг.3) предпочтительно использовать лазер. Акустооптическая ячейка 4 должна быть изготовлена на основе двулучепреломляющего кристалла, в котором реализуется так называемая анизотропная дифракция света с поворотом плоскости поляризации. В настоящее время наиболее подходящим для этого материалом в видимом диапазоне света является одноосный монокристалл парателлурита (TeO), который обеспечивает высокую эффективность акустооптической дифракции при малой мощности ультразвука. Акустооптическую ячейку на кристалле парателлурита следует изготовить таким образом, чтобы волновой вектор k осевой компоненты оптического излучения, поступающего на вход акустооптической ячейки от исследуемого объекта, и волновой вектор акустической волны K лежали в кристаллографической плоскости парателлурита (). В данной плоскости акустооптического взаимодействия реализуется наибольшая эффективность дифракции при наименьшей мощности ультразвука. При этом в качестве волны ультразвука, индуцирующей в кристалле объемную фазовую решетку, следует использовать медленную сдвиговую акустическую моду. Необходимая геометрия акустооптического взаимодействия, обеспечивающая одновременное существование двух порядков брэгговской дифракции, предусматривает следующие направления для взаимодействующих пучков света и звука. Волновой вектор K акустической волны должен быть направлен под углом 86° к оптической оси кристалла парателлурита, а волновой вектор k падающей на кристалл световой волны должен быть направлен внутри кристалла под углом 4,55° к оптической оси кристалла (для света с длиной волны  мкм). Для возбуждения акустической волны предпочтительно использовать пъезоэлектрический преобразователь на основе пластины, вырезанной из монокристалла ниобата лития (LiNbO) перпендикулярно его кристаллографической оси X. Данный срез кристалла ниобата лития обеспечивает сдвиговые колебания пъезоэлектрической пластины, в результате чего в акустооптической ячейке возбуждается нужная акустическая мода. Для рассматриваемого варианта частота  равна 77,5 МГц, а рабочие частоты f составляют 76,6 МГц и 78,4 МГц при длине акустооптического взаимодействия l=1 см.
Следует подчеркнуть, что описанная система допускает не единственный вариант ее реализации; возможны различные изменения в конструкции, параметрах и деталях, которые не являются отклонением от сущности и объема данного изобретения, как это отражено в приложенной формуле изобретения.
Промышленная применимость
Предлагаемые способ и система амплитудной и фазовой структуры оптических изображений могут быть воспроизведены на основе элементов, освоенных и серийно выпускаемых промышленностью. В том числе, в качестве акустооптической ячейки могут быть использованы акустооптические дефлекторы или перестраиваемые акустооптические фильтры на базе парателлурита, освоенные промышленностью и показавшие высокую надежность, хорошие оптические характеристики, а также характеризующиеся малой потребляемой мощностью. В качестве видеоблока 10 (фиг.3) может быть использован стандартный персональный компьютер либо специально разработанное портативное электронное вычислительное устройство.