RU184828U1

RU184828U1 - OPTICAL DIAGRAM OF A HOLOGRAPHIC SENSOR OF A WAVE FRONT WITH A CONTROLLED PHASE MODULATOR

Info

Publication number: RU184828U1
Application number: RU2018128041U
Authority: RU
Inventors: Евгений Юрьевич Злоказов; Михаил Сергеевич Ковалев; Георгий Константинович Красин; Сергей Борисович Одиноков
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2018-11-12

Abstract

Полезная модель относится к области оптической техники. Оптическая схема голографического датчика волнового фронта содержит модулятор заранее рассчитанных компьютерно-синтезированных голограмм (КСГ), «закодированных» аберрациями волнового фронта разных типов на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, с возможностью последующего выделения указанных аберраций, дифрагирующих ненулевыми порядками на КСГ волновых фронтов и регистрации этих аберраций в соответствующих ячейках матричного фотодетектора, соответствующих искажениям исследуемого аберрационного волнового фронта. Модулятор является пространственным модулятором отражения света фазового типа, управляемым компьютером с выводом на модулятор требуемых, заранее рассчитанных для разного типа аберраций КСГ, далее по ходу отраженных лучей модулированного излучения для детектирования аберраций установлен Фурье-объектив, после которого в задней фокальной плоскости помещен указанный матричный фотодетектор. Технический результат заключается в сочетании расширения функциональных возможностей анализатора волновых полей с произвольными аберрационными волновыми фронтами оптических излучений. 1 ил.The utility model relates to the field of optical technology. The optical scheme of the holographic wavefront sensor contains a modulator of pre-computed computer-synthesized holograms (CSG), “encoded” by different types of wavefront aberrations based on the Zernike orthogonal circular polynomial modes, with the possibility of subsequent extraction of the indicated aberrations diffracting by nonzero orders on the CSG of wave fronts and recording of these aberrations in the corresponding cells of the matrix photodetector corresponding to distortions of the investigated aberration wavefront. The modulator is a phase-type spatial light reflection modulator controlled by a computer and outputting to the modulator the required KSG aberrations, previously calculated for different types of aberrations, then a Fourier lens is installed along the reflected rays of the modulated radiation for detecting aberrations, after which the specified matrix photodetector is placed in the back focal plane . The technical result consists in combining the expansion of the functionality of a wave field analyzer with arbitrary aberration wave fronts of optical radiation. 1 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Предлагаемое устройство относится к оптической технике и может быть использовано для определения формы и фазовых искажений волновых полей с произвольными аберрационными волновыми фронтами принимаемого оптического излучения видимого диапазона, например, в устройствах контроля качества оптических систем.The proposed device relates to optical technology and can be used to determine the shape and phase distortion of wave fields with arbitrary aberration wave fronts of the received optical radiation in the visible range, for example, in quality control devices of optical systems.

Уровень техникиState of the art

Известна авторская оптическая схема анализатора волнового поля оптического излучения на основе световодной пластины с синтезированными голограммами (патент РФ RU178706, опубликовано: 17.04.2018 Бюл. №11). Эта схема для регистрации и анализа аберраций плоского волнового фронта видимого диапазона включает компьютерно-синтезированные голограммы (КСГ), «закодированные» аберрациями волнового фронта на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, последующее выделение указанных аберраций дифрагирующих +1 и -1 порядками на КСГ волновых фронтов и регистрацию аберраций в виде точек в соответствующих ячейках матричных фотодетекторов. Схема содержит световодную плоскопараллельную пластину и дифракционный оптический элемент, расположенный на ее поверхности для ввода анализируемого оптического излучения в пластину с условием его полного внутреннего отражения внутри пластины. Матричные фотодетекторы расположены снаружи пластины с плоскостями приема параллельно и напротив соответствующих КСГ, записанных на поверхности световодной пластины вдоль хода распространения оптического излучения внутри пластины. Световодная пластина нужна для исключения 0-го порядка дифракции для лучшего распознавания аберраций волнового фронта и снижения энергопотребления.Known author's optical scheme of the analyzer of the wave field of optical radiation based on a light guide plate with synthesized holograms (RF patent RU178706, published: 04.17.2018 Bull. No. 11). This scheme for recording and analyzing aberrations of the plane wavefront of the visible range includes computer-synthesized holograms (CSG) “encoded” by wavefront aberrations based on modes of Zernike orthogonal circular polynomials, subsequent extraction of the indicated aberrations of diffracting +1 and -1 orders of magnitude on the CSG of wave fronts and registering aberrations in the form of points in the corresponding cells of the matrix photodetectors. The scheme contains a fiber-optic plane-parallel plate and a diffractive optical element located on its surface for introducing the analyzed optical radiation into the plate with the condition of its total internal reflection inside the plate. Matrix photodetectors are located on the outside of the plate with receiving planes parallel and opposite to the corresponding CSG recorded on the surface of the light guide plate along the propagation path of the optical radiation inside the plate. A light guide plate is needed to eliminate the 0th order of diffraction for better recognition of wavefront aberrations and reduce energy consumption.

Ограничением данной оптической схемы является использование более сложной в обработке амплитудной, а не фазовой модуляции, необходимость световодной пластины и сложность использования (мультиплицирования) в устройстве требуемого множества КСГ, «закодированных» аберрациями волнового фронта на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике. Также есть эффект падения дифракционной эффективности из-за мультиплицирования КСГ в одном месте световодной пластины.A limitation of this optical scheme is the use of amplitude rather than phase modulation, which is more difficult to process, the need for a light guide plate and the complexity of using (multiplying) in the device the required set of GSGs “encoded” by wavefront aberrations based on modes of Zernike orthogonal circular polynomials. There is also the effect of a drop in diffraction efficiency due to the multiplication of CSG in one place on the light guide plate.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является сочетание расширения функциональных возможностей анализатора волновых полей с произвольными аберрационными волновыми фронтами оптических излучений, с использованием фазового отражающего (а не пропускающего, как в аналоге) модулятора с фазовыми КСГ, закодированными» аберрациями волнового фронта на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, с одновременным упрощением схемы за счет исключения световодной пластины и дифракционных оптических элементов (ДОЭ) из состава устройства. Анализируемое излучение сразу попадает на фазовый модулятор и далее после преобразования функциональным Фурье-объективом регистрируются аберрации (фазовые искажения) приемником.The technical result of the proposed utility model is a combination of expanding the functionality of a wave field analyzer with arbitrary aberration wave fronts of optical radiation, using a phase reflecting (rather than transmitting, as in the analogue) modulator with phase GSG encoded by wavefront aberrations based on orthogonal circular polynomial modes Zernike, while simplifying the scheme by eliminating the light guide plate and diffractive optical elements (DOE) from device stav. The analyzed radiation immediately hits the phase modulator and then after conversion by the functional Fourier lens, aberrations (phase distortions) are recorded by the receiver.

Для достижения технического результата предлагается оптическая схема топографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором, содержащая модулятор заранее рассчитанных компьютерно-синтезированных голограмм (КСГ), «закодированных» аберрациями волнового фронта разных типов на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, с возможностью последующего выделения указанных аберраций, дифрагирующих ненулевыми порядками на КСГ волновых фронтов и регистрации этих аберраций в соответствующих ячейках матричного фотодетектора, соответствующих искажениям исследуемого аберрационного волнового фронта. При этом модулятор является пространственным модулятором отражения света фазового типа, управляемым встроенным в схему или внешним компьютером с выводом на модулятор заранее рассчитанных необходимых КСГ. Далее по ходу отраженных лучей модулированного излучения для детектирования аберраций установлен функциональный фурье-объектив, после которого в задней фокальной плоскости Фурье-объектива помещен матричный фотодетектор (приемник излучения).To achieve a technical result, an optical scheme of a topographic wavefront sensor with a controllable phase modulator is proposed, containing a modulator of pre-computed computer-synthesized holograms (CSG) “encoded” by different types of wavefront aberrations based on modes of Zernike orthogonal circular polynomials, with the possibility of subsequent extraction of these aberrations of wave fronts diffracted by nonzero orders on the CSG and the registration of these aberrations in the corresponding cells of the matrix photodetectors corresponding to distortions of the investigated aberration wavefront. In this case, the modulator is a phase-type spatial light reflection modulator controlled by a built-in circuit or an external computer with output to the modulator of pre-calculated necessary CSGs. Next, along the reflected rays of modulated radiation for detecting aberrations, a functional Fourier lens is installed, after which a matrix photodetector (radiation detector) is placed in the rear focal plane of the Fourier lens.

Новизна предлагаемой полезной модели заключается в сочетании управляемого фазового (а не амплитудного) модулятора с фазовыми КСГ с Цернике. Под управлением понимается вывод определенного распределения (голограммы) на модулятор из памяти компьютера. При падении и отражении анализируемого излучения от фазового модулятора с КСГ происходит детектирование аберраций в функциональном Фурье-объективе, который установлен после модулятора на произвольном расстоянии и осуществляет Фурье-преобразование модулированного излучения, и далее в задней фокальной плоскости Фурье-объектива помещен матричный приемник для регистрации обнаруженных аберраций.The novelty of the proposed utility model lies in the combination of a controlled phase (rather than amplitude) modulator with phase CSG with Zernike. By control is meant the output of a certain distribution (hologram) to a modulator from the computer's memory. When the analyzed radiation is incident and reflected from a phase modulator with an LHG, aberrations are detected in the functional Fourier lens, which is installed after the modulator at an arbitrary distance and carries out the Fourier transform of the modulated radiation, and then a matrix receiver is placed in the rear focal plane of the Fourier lens to detect detected aberrations.

Компьютерный синтез голограмм основан на математическом представлении фундаментальных принципов оптической голографии. Синтез начал развиваться одновременно с вычислительной техникой и такими программными инструментами, как быстрое преобразование Фурье (БПФ). В настоящее время персональный компьютер и вычислительный инструмент, установленные на нем, позволяют вычислить КСГ для конкретной задачи. Широко распространено мнение, что преимущество метода компьютерного синтеза заключается в том, что он устраняет необходимость фотохимической записи голограмм. Кроме того, метод позволяет восстановить его численно в реальном времени; улучшить качество восстановленного изображения с помощью многих методов цифровой обработки изображений; и использовать эти динамически изменяющиеся КСГ в оптических датчиках и коррекционных системах оптических средств. Возможность использования функции распределения фаз, выражаемой полиномиальным представлением Цернике, как виртуальным объектом, позволяет определить интерференционное взаимодействие волновых фронтов аберрации и плоских волн любой сложности. При работе с КСГ, записанными на светочувствительном материале, некоторые ограничения появляются из-за небольшого динамического диапазона. Для увеличения диапазона различимых аберраций требуется введение такой динамически меняющейся прозрачности, например, как пространственного модулятора света на ЖК-дисплее.Computer synthesis of holograms is based on a mathematical representation of the fundamental principles of optical holography. Synthesis began to develop simultaneously with computer technology and software tools such as fast Fourier transform (FFT). Currently, a personal computer and a computing tool installed on it allow calculating the CSG for a specific task. It is widely believed that the advantage of computer synthesis is that it eliminates the need for photochemical recording of holograms. In addition, the method allows you to restore it numerically in real time; improve the quality of the reconstructed image using many methods of digital image processing; and use these dynamically changing CSG in optical sensors and correction systems of optical means. The possibility of using the phase distribution function, expressed by the polynomial representation of Zernike as a virtual object, makes it possible to determine the interference interaction of aberration wave fronts and plane waves of any complexity. When working with CSG recorded on a photosensitive material, some limitations appear due to the small dynamic range. To increase the range of distinguishable aberrations, it is necessary to introduce such a dynamically changing transparency, for example, as a spatial light modulator on an LCD display.

Предлагаемый вариант - это устройство, анализирующее с помощью фазовых КСГ лазерные пучки светового поля на основе его разложения по базису ортогональных круговых полиномов Цернике (Zernike) на основе управляемого фазового модулятора света с цифровым (компьютерным) управлением и Фурье-объектива.The proposed option is a device that analyzes laser beams of a light field using phase CSG based on its expansion in the basis of Zernike orthogonal circular polynomials based on a controlled phase modulator of light with digital (computer) control and a Fourier lens.

Одним из преимуществ предлагаемой схемы является ее простая реализация. Голограммы рассчитываются один раз для всего набора аберраций и хранятся в памяти персонального компьютера. В дальнейшем для вывода голограмм на пространственный модулятор света. Эти голограммы не надо записывать на фоточувствительный материал, поэтому процесс изготовления сильно упрощается. Также не надо бороться за увеличение дифракционной эффективности мультиплексированных голограмм, так как голограммы выводятся последовательно по одной голограмме в один момент времени с частотой 60 Гц. Еще одним преимуществом является то, что в отличие от аналога, где можно было только обнаружить наличие той или иной аберрации в анализируемом излучении, в данной реализации оптической схемы можно измерить значение каждой из аберраций, присутствующих в анализируемом излучении с заданной погрешностью. Для каждой из аберраций рассчитывается определенное количество КСГ, отличающихся друг от друга амплитудой заданной аберрации. Такое разбиение позволяет обеспечить необходимую погрешность определения аберраций в анализируемом излучении.One of the advantages of the proposed scheme is its simple implementation. Holograms are calculated once for the entire set of aberrations and are stored in the memory of a personal computer. In the future, to output holograms to a spatial light modulator. These holograms do not need to be recorded on photosensitive material, so the manufacturing process is greatly simplified. Also, one does not have to fight for an increase in the diffraction efficiency of multiplexed holograms, since holograms are output sequentially by one hologram at a time with a frequency of 60 Hz. Another advantage is that, in contrast to the analogue, where one could only detect the presence of one or another aberration in the analyzed radiation, in this implementation of the optical scheme, one can measure the value of each of the aberrations present in the analyzed radiation with a given error. For each of the aberrations, a certain number of CSGs are calculated that differ from each other in the amplitude of the given aberration. Such a partition allows us to provide the necessary error in determining the aberrations in the analyzed radiation.

На фиг. 1 представлена предлагаемая оптическая схема.In FIG. 1 shows the proposed optical design.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

На фиг. 1 номерами позиций обозначены следующие элементы: 1 - анализируемый волновой фронт, 2 - пространственный модулятор света фазового типа с фазовыми КСГ, закодированными» аберрациями волнового фронта на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, 3 - компьютер, управляющий пространственным модулятором света фазового типа и выходящий на него фазовые КСГ, 4 - функциональный Фурье-объектив, 5 - матричный фотоприемник, на котором формируются порядки дифракции (+1, -1, +2, -2 и т.д.), соответствующие аберрациям волнового фронта 1.In FIG. 1, the position numbers denote the following elements: 1 — the analyzed wavefront, 2 — the phase-type spatial light modulator with phase CSG encoded by “wavefront aberrations based on the Zernike orthogonal circular polynomial modes, 3 — the computer that controls the phase-type spatial light modulator and goes to phase CSGs, 4 — functional Fourier lens, 5 — matrix photodetector, on which diffraction orders (+1, -1, +2, -2, etc.) are formed, corresponding to wavefront aberrations 1.

Аберрационный волновой фронт попадает на пространственный модулятор света фазового типа 2, куда выводятся с встроенного в схему или внешнего компьютера 3 заранее рассчитанные КСГ Фурье, как результат интерференции предметной волны, которой является сходящаяся в точку сферическая волна, и опорной волны, которая представляет собой волну, содержащую в себе заданный полином Цернике. Далее модулированный волновой фронт отражается от модулятора 2 и попадает на функциональный объектив 4, который выполняет Фурье преобразование. На матричном фотоприемнике 5 можно увидеть дифракционную картину с разными порядками дифракции. Плоская волна без аберраций имеет узкую фокусирующую точку с поперечным сечением, обусловленную дифракцией на апертуре пространственного модулятора света. Дифракционные порядки, вызванные дифракцией на структуре модулятора, выходят за пределы поля изображения. Добавление аберрации приводит к размытию точки фокусировки и пересечения.The aberration wavefront hits a phase-type spatial light modulator 2, where the Fourier computed CSGs are preliminarily calculated from the built-in circuit or external computer 3 as a result of interference of the object wave, which is a spherical wave converging to a point, and the reference wave, which is a wave containing the given Zernike polynomial. Next, the modulated wavefront is reflected from the modulator 2 and falls on the functional lens 4, which performs the Fourier transform. On the matrix photodetector 5, one can see a diffraction pattern with different diffraction orders. A plane wave without aberrations has a narrow focusing point with a cross section due to diffraction at the aperture of the spatial light modulator. The diffraction orders caused by diffraction on the structure of the modulator go beyond the image field. Adding aberration blur the focus point and intersection.

В экспериментальной установке с опытным устройством полезной модели был использован He-Ne-лазер с длиной волны 633 нм в качестве источника оптического излучения. Телескопическая система состояла из объектива с микроскопом 20×масштабирования, просвета 20 мкм и объектива с фокусным расстоянием 250 мм. Фазовый модулятор PLUTO VIS (420-650 нм) использовался для отображения КСГ. Размер фазового модулятора был 15,36×8,64 мм. Объектив Фурье имел фокусное расстояние 1000 мм.In the experimental setup with the experimental device of the utility model, a He-Ne laser with a wavelength of 633 nm was used as a source of optical radiation. The telescopic system consisted of a lens with a 20 × zoom microscope, a lumen of 20 μm, and a lens with a focal length of 250 mm. The PLUTO VIS phase modulator (420-650 nm) was used to display the GSH. The size of the phase modulator was 15.36 × 8.64 mm. The Fourier lens had a focal length of 1000 mm.

Определение аберраций предназначено для выполнения в соответствии с широко известным принципом «грубо-точной» шкалы, в котором предварительный быстрый анализ определяет тип аберрации, а затем их размер анализируется с точным регулированием. В первую очередь было необходимо определить порядок аберрации, поэтому использовали КСГ с большим увеличением значения аберрации (большой погрешностью определения фазовых искажений, которая составляет 1λ), для этого использовались КСГ с низким разрешением 256×256. Их размер составлял 9.2 мм, при использовании модулятора (LC 2012, 36 мкм) и 2 мм при использовании модулятора (PLUTO-2, 8 мкм), диапазон измерения от 0 до 10 λ, а само измерение занимало 0,16 с. После предварительного определения данной аберрации в системе на модулятор из памяти персонального компьютера начинали поступать КСГ размером 512×512. Их размеры составляли 18.4 мм и 4 мм соответственно. Этот этап также занимал 0,16 с. Погрешность определения в данном случае составляла 0,1λ. Далее шло определение аберраций с необходимой погрешностью, для этого выводились КСГ 768×768, имевшие размеры 27,6 мм и 6,1 мм соответственно. Этот этап также занимал 0,16 с. Таким образом, сканирование анализируемого оптического излучения занимало максимум 0.48 с, но стоит отметить, что таким время будет только в том случае, если не удается зарегистрировать точку дифракционного качества на фотоприемнике (случай отсутствия именно этой аберрации в оптическом излучении). В случае детектирования точки дифракционного качества в начале или в середине любого из этапов можно автоматически переходить к следующему этапу, тем самым сокращая время общего измерения. Таким образом, теоретически максимальное время измерения одной из аберраций составляло 0.5 с, на практике же это время было меньше и составляло около 0.25 с. The determination of aberrations is intended to be carried out in accordance with the well-known principle of a “rough-accurate” scale, in which a preliminary quick analysis determines the type of aberration, and then their size is analyzed with precise regulation. First of all, it was necessary to determine the order of aberration, therefore, we used XG with a large increase in the aberration value (a large error in the determination of phase distortion, which is 1λ), for this we used XG with a low resolution of 256 × 256. Their size was 9.2 mm when using a modulator (LC 2012, 36 μm) and 2 mm when using a modulator (PLUTO-2, 8 μm), the measurement range was from 0 to 10 λ, and the measurement itself took 0.16 s. After a preliminary determination of this aberration in the system, a 512-512-bit CSG began to arrive at the modulator from the memory of a personal computer. Their sizes were 18.4 mm and 4 mm, respectively. This stage also took 0.16 s. The determination error in this case was 0.1λ. Then we went on to determine the aberrations with the necessary error; for this, a KSG of 768 × 768, measuring 27.6 mm and 6.1 mm, respectively, was derived. This stage also took 0.16 s. Thus, the scanning of the analyzed optical radiation took a maximum of 0.48 s, but it is worth noting that such a time will only be possible if the point of diffraction quality cannot be detected at the photodetector (the case of the absence of precisely this aberration in optical radiation). In the case of detecting a point of diffraction quality at the beginning or in the middle of any of the stages, you can automatically proceed to the next stage, thereby reducing the time of the overall measurement. Thus, theoretically, the maximum measurement time for one of the aberrations was 0.5 s, but in practice this time was shorter and amounted to about 0.25 s.

Все устройство схемы, как и в прототипе, было установлено в едином общем светозащищающем корпусе.The entire device circuitry, as in the prototype, was installed in a single common light-shielding housing.

Данная полезная модель разработана в рамках выполнения темы «Разработка технологии и создание топографического микродатчика волнового фронта с функцией коррекции фазовых искажений в системах фотоники» по соглашению №14.577.21.0258 между МГТУ им. Н.Э. Баумана и Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».This utility model was developed as part of the theme “Development of technology and the creation of a topographic wavefront microsensor with a function for correcting phase distortions in photonics systems” under agreement No. 14.577.21.0258 between MSTU named after N.E. Bauman and the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the federal target program "Research and Development in Priority Directions for the Development of the Scientific and Technological Complex of Russia for 2014-2020."

Claims

An optical scheme of a holographic wavefront sensor containing a modulator of pre-computed computer-synthesized holograms (CSGs) “encoded” by different types of wavefront aberrations based on modes of Zernike orthogonal circular polynomials, with the possibility of subsequent extraction of the indicated aberrations diffracting by nonzero orders on the CSG of wavefronts and registration of these aberrations in the corresponding cells of the matrix photodetector corresponding to distortions of the studied aberration wavefront a, characterized in that the modulator is a phase-type spatial light reflection modulator controlled by a computer with output to the required KSG aberrations, previously calculated for different types of aberrations, to the modulator, then a Fourier lens is installed along the reflected rays of the modulated radiation for detecting aberrations, after which a rear the focal plane placed the specified matrix photodetector.