Оптико-цифровая система для расчета дифракционных оптических элементов
OPTICAL-DIGITAL SYSTEM FOR CALCULATING DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS

Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам расчета фазовой функции дифракционных оптических элементов (ДОЭ).
В задачах расчета дифракционных оптических элементов (ДОЭ) разработаны и широко применяются итерационные (итеративные) методы. Главное их преимущество - то, что итерационные алгоритмы являются более точными по сравнению с другими алгоритмами расчета фазы ДОЭ.
Известен метод Гершберга-Сакстона расчета фазовой функции дифракционных оптических элементов (И.В. Ильина, Т.Ю. Черезова, А.В. Кудряшов, Квантовая электроника, 2009, том 39, номер 6, 521-527), в котором фазовая функция оптического элемента вычисляется по поперечным распределениям интенсивности, заданным в определенных плоскостях системы (входной и выходной). Согласно методу для выбранной в качестве начального приближения фазы и заданного во входной плоскости распределения модуля амплитуды поля вычисляется комплексная амплитуда в выходной плоскости. Условия распространения излучения от входной до выходной плоскости считаются известными. Затем модуль, рассчитанной в выходной плоскости амплитуды поля, заменяется корнем из заданного распределения интенсивности, которое требуется сформировать в данной плоскости. Вычисляется обратное распространение пучка от выходной до входной плоскости. Во входной плоскости рассчитанная амплитуда поля заменяется корнем из заданного во входной плоскости распределения интенсивности, а вычисленная фаза выбирается в качестве следующего приближения. Затем итерационная процедура повторяется. В качестве параметра, характеризующего сходимость алгоритма, как правило, выбирается среднеквадратичное отклонение рассчитанного в выходной плоскости распределения интенсивности от заданного. Все расчеты выполняются с помощью компьютера.
К недостаткам данного способа можно отнести тот факт, что оптические элементы, рассчитанные при помощи данного способа, имеют нерегулярный микрорельеф, что повышает требования к технологии производства рассчитанных элементов. Кроме того расчет ДОЭ с помощью итеративных алгоритмов на компьютере требует значительных вычислительных затрат и времени.
Наиболее близкими к техническому решению по совокупности существенных признаков является устройство оптимизации вихревых световых пучков с помощью модулятора света (https./www.researchgate.net/publication/5258000_Generation_of_high-quality_higher-order_Laguerre_Gaussian_beams_using_liquid-crystal-on-silicon_spatial_light_modulators). Высококачественная голографическая генерация пучков Лагерра-Гаусса (LG) высшего порядка обеспечивается пространственным модулятором света на жидких кристаллах (LCOS-SLM). Устройство содержит He-Ne - гелий-неоновый твердотельный лазер, пространственный фильтр, диафрагму, коллиматорную линзу, выпуклую линзу, сплиттер, пространственный модулятор света и датчик изображений. На выходе луча из лазера устанавливается пространственный фильтр, за ним установлена коллиматорная линза и диафрагма. После прохода диафрагмы луч лазера попадает на пространственный модулятор света, подвергается оптимизации и возвращается назад по той же траектории. Доходя до сплиттера, луч делится на две части, одна из которых, проходя через выпуклую линзу, фиксируется камерой, которая подключена к компьютеру.
Недостатком устройства является то, что представленная оптическая система на основе модулятора света позволяет только оптимизировать формирование вихревых световых пучков с использованием именно этого модулятора света, не производя никаких вычислений оптическим способом. При этом все вычисления происходят также на компьютере.
Технический результат заключается в увеличении быстродействия и точности расчетов за счет реализаций сложных вычислений оптическим способом.
Технический результат достигается за счет того, что в оптико-цифровой системе для расчета дифракционных оптических элементов, содержащей гелий-неоновый твердотельный лазер, светофильтры, диафрагму, выпуклые линзы, сплиттер, пространственный модулятор света и видеокамеру, непосредственно за лазером установлен Фурье-коррелятор, состоящий из двух линз с разным фокусным расстоянием, с возможностью расширения пучка света до размера, способного полностью покрыть рабочую панель модулятора, а диафрагма установлена перед пространственным модулятором, причем сам пространственный модулятор подключен к компьютеру и установлен с возможностью изменения амплитуды освещающего его пучка, при этом система также содержит зеркало, закрепленное на траектории части луча лазера, разделенного сплиттером, с возможностью перенаправления этой части луча лазера через выпуклую линзу, которая зафиксирована с возможностью формирования распределения в фокальной плоскости, а камера установлена с возможностью фиксации данного распределения и соединена с компьютером.
Применение при вычислениях оптико-цифровой системы с пространственным модулятором света позволяет существенно увеличить быстродействие расчета, вычисления на компьютере сводятся только к пересчету фазовой функции, а все сложные вычисления реализованы оптическим способом.
Техническое решение характеризуется чертежом, где изображена оптико-цифровая система для расчета дифракционных оптических элементов.
Устройство содержит He-Ne - гелий-неоновый твердотельный лазер (1), светофильтры (2), выпуклые линзы (3, 4, 5), сплиттер (6), диафрагму (7), полутоновой пространственный модулятор света (8), видеокамеру (9), поворотное зеркало (10) и персональный компьютер (11).
Работает устройство следующим образом.
На выходе луча из лазера (1) устанавливается Фурье-коррелятор, состоящий из двух линз (3, 4) с разным фокусным расстоянием для расширения пучка до размера, способного полностью покрыть рабочую панель модулятора (8). Можно использовать, например, полутоновый модулятор света модели SLM PLUTO Phase Only. Непосредственно перед модулятором (8) устанавливается диафрагма (7), необходимая для изменения диаметра освещающего пучка и освещения определенной области модулятора (8). Луч лазера, попадающий на рабочую панель модулятора (8), подключенного к компьютеру, меняет свою интенсивность и возвращается назад по той же траектории. Доходя до сплиттера (6), луч делится на две части, одна из которых, отражаясь от зеркала (10) и проходя через выпуклую линзу (5), формирует в Фурье-плоскости некоторое распределение. Полученное распределение фиксируется камерой (9), которая подключена к компьютеру (11), на экран которого выводится сформированная дифракционная картина. Также в оптической схеме могут присутствовать различные затемняющие светофильтры (2).
Применение данной схемы в расчете фазовой функции ДОЭ заключается в том, что корректируемая на каждой итерации фазовая функция выводится на модулятор, который выполняет роль действительного ДОЭ и затем камерой фиксируется полученная дифракционная картина в фокальной плоскости линзы. Далее полученное распределение с камеры обрабатывается компьютером. Считается ошибка расхождения между полученным распределением и эталонным, и происходит операция корректирования фазы. При расчете фазовой функции ДОЭ нет необходимости учитывать распределение интенсивности лазера, так как оно учитывается на аппаратном уровне и в результате работы алгоритма фазовая функция корректируется именно под данное распределение.