RU196631U1 - Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором - Google Patents
Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором Download PDFInfo
- Publication number
- RU196631U1 RU196631U1 RU2019141151U RU2019141151U RU196631U1 RU 196631 U1 RU196631 U1 RU 196631U1 RU 2019141151 U RU2019141151 U RU 2019141151U RU 2019141151 U RU2019141151 U RU 2019141151U RU 196631 U1 RU196631 U1 RU 196631U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aberrations
- csg
- wavefront
- optical
- modulator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/32—Holograms used as optical elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Предлагаемое устройство относится к оптической технике и может быть использовано для автоматического определения и измерения формы и искажений оптических полей с произвольными аберрационными волновыми фронтами принимаемого оптического излучения видимого диапазона, например, в устройствах контроля качества оптических систем. Оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором содержит пространственный модулятор света (ПМС) отражательного типа, управляемый компьютером с выводом на модулятор заранее рассчитанных необходимых 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. Далее по ходу отраженных лучей модулированного излучения для детектирования аберраций в фокальной плоскости цифровой линзы Френеля помещен матричный фотодетектор. При этом на ПМС дополнительно выведены мультиплексированные с КСГ цифровые линзы Френеля, выполняющие преобразование Фурье от падающего волнового фронта, и позволяющие заменить собой физический (реальный) ФО. Технический результат: повышение комплексной эффективности устройства голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором, а именно: повышение точности работы, удобства эксплуатации и упрощение конструкции устройства. 4 ил.
Description
Область техники.
Предлагаемое устройство относится к оптической технике и может быть использовано для автоматического определения и измерения формы и искажений оптических полей с произвольными аберрационными волновыми фронтами принимаемого оптического излучения видимого диапазона, например, в устройствах контроля качества оптических систем.
Уровень техники.
В качестве прототипа нового технического решения предлагается авторская полезная модель ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА (ДВФ) С УПРАВЛЯЕМЫМ ФАЗОВЫМ МОДУЛЯТОРОМ (патент RU 184828, Опубликовано: 12.11.2018 Бюл. №32), 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. 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 физический Фурье объектив (ФО), после которого в задней фокальной плоскости помещен указанный матричный фотодетектор.
Наличие физического ФО приводит к тому, что собственные аберрации реального (принципиально неидеально изготовленного) объектива складываются с измеряемыми аберрациями и в результате не всегда можно вычленить из этой суммы измеряемые аберрации. При наличии физического объектива также нужна дополнительная сборка-юстировка, и внешние вибрации в процессе эксплуатации устройства также через физический объектив влияют на результат измерения аберраций.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат полезной модели - повышение комплексной эффективности устройства голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором, а именно: повышение точности работы, удобства эксплуатации и упрощение конструкции устройства.
Для достижения технического результата разработана оптическая схема двухкомпонентного (две компоненты: пространственный модулятор света и приемник излучения, без третьей компоненты физического ФО, как это было в прототипе) датчика голографического волнового фронта на основе пространственного модулятора света для отображения сгенерированных компьютером голограмм в обратной связи с цифровой обработкой и оптимизацией. Вместо физического ФО предлагается выводить на пространственный модулятор света мультиплексированную с КСГ цифровую линзу Френеля. Такой подход позволяет избавиться от физического ФО. С цифровой линзой Френеля, выведенной на модулятор, не нужна дополнительная сборка-юстировка объектива в оптической схеме. Вибрации в процессе эксплуатации также меньше влияют на конечный результат измерения аберраций, так как отсутствует физический объектив.
Таким образом, оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором содержит пространственный модулятор света (ПМС) отражательного типа, управляемый компьютером с выводом на модулятор заранее рассчитанных необходимых 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. Далее по ходу отраженных лучей модулированного излучения для детектирования аберраций в фокальной плоскости цифровой линзы Френеля помещен матричный фотодетектор. При этом на ПМС дополнительно выведены мультиплексированные с КСГ цифровые линзы Френеля, выполняющие преобразование Фурье от падающего волнового фронта, и позволяющие заменить собой физический (реальный) ФО.
Все устройство оптической схемы преимущественно установлено в едином общем светозащищающем корпусе.
Перечень фигур:
На фиг. 1 представлена предлагаемая оптическая схема.
На фиг. 2 показан принцип работы схемы на основе КСГ с линзой Френеля.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены полученные в ходе имитационного компьютерного моделирования корреляционные пики при детектировании аберраций вертикального астигматизма и пары вертикального и наклонного астигматизмов, соответственно.
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 номерами позиций обозначены следующие элементы оптической схемы: 1 - анализируемый волновой фронт; 2 - ПМС фазового типа с фазовыми КСГ, «закодированными» аберрациями волнового фронта на основе мод ортогональных круговых полиномов Цернике, мультиплексированными с цифровыми линзами Френеля; 3 - матричный фото приемник, на котором регистрируются порядки дифракции (+1, -1, +2, -2 и т.д.), соответствующие аберрациям волнового фронта 1.
На фиг. 2 дополнительными номерами позиций обозначены: 4 - фазовая КСГ; 5 - цифровая линза Френеля.
На фиг. 3 дополнительными номерами позиций обозначены: 6 - кривая зависимости интенсивности корреляционного пика, по которому определяются аберрации в волновом фронте в зависимости от несовпадения значений аберраций, закодированных в КСГ и в падающем волновом фронте (прототип с ФО); 7 - кривая зависимости интенсивности корреляционного пика, по которому определяются аберрации в волновом фронте в зависимости от несовпадения значений аберраций, закодированных в КСГ и в падающем волновом фронте (предлагаемая схема с цифровой линзой Френеля). Позиции 8, 9, 10 обозначают графики зависимостей интенсивности порядка дифракции от различных фокусных расстояний линз Френеля и ФО, а именно 250 мм, 500 мм, 1000 мм соответственно.
На фиг. 4 дополнительными номерами позиций обозначены: 11, 12, 13 - двумерные изображения зависимости интенсивности корреляционного пика, по которому определяется пара аберраций в волновом фронте в зависимости от несовпадения значений аберраций, закодированных в КСГ и в падающем волновом фронте, для случаев фокусного расстояния 250, 500 и 1000 мм соответственно (прототип с ФО); 14, 15, 16 - двумерные изображения зависимости интенсивности корреляционного пика, по которому определяется пара аберраций в волновом фронте в зависимости от несовпадения значений аберраций, закодированных в КСГ и в падающем волновом фронте, для случаев фокусного расстояния 250, 500 и 1000 мм, соответственно (предлагаемая схема с цифровой линзой Френеля).
Аберрационный волновой фронт попадает на пространственный модулятор света (ПМС) фазового типа 2, куда выводятся с встроенного в схему или внешнего компьютера (на схеме не показан) мультиплексированные с цифровыми линзами Френеля заранее рассчитанные КСГ, 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. Цифровая линза Френеля выполняет преобразование Фурье. На матричном фотоприемнике 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.
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 (где λ - длина волны лазерного излучения), для этого использовались КСГ с низким разрешением 256×256. Их размер составлял 9.2 мм, при использовании ПМС (LC 2012, 36 мкм) и 2 мм при использовании ПМС (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 ПМС 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.
Далее приведено обоснование предлагаемого технического решения и экспериментальные примеры. Задача измерения кривизны волнового фронта оптических полей с высокой точностью сводится к нахождению максимума n-мерной корреляционной функции в зависимости от закодированного в КСГ значения амплитуды одной или нескольких волновых аберраций. Был проведен ряд экспериментов, экспериментально доказывающих работоспособность предлагаемого метода для получения корреляционных функций, используя цифровые линзы Френеля с разными фокусными расстояниями.
Рассмотрим процедуру задания цифровой линзы Френеля с фокусом f. Фазовая функция линзы записывается в виде где - волновое число. Чтобы получить цифровую линзу Френеля надо привести функцию к интервалу [0,2π], получим L=exp(jφN) где φN=rem(φπ,2π) - фазовая функция линзы, приведенная к интервалу [0,2π], Для получения голограммы с цифровой зонной пластинкой Френеля необходимо умножить комплексную функцию опорного пучка R на фазовую функцию линзы L: Rlens=R⋅L, где Rlens - результат мультиплексирования двух волн. Далее для получения КСГ с линзой Френеля CGHlens необходимо воспользоваться следующим соотношением: CGHlens=angle(O+Rlens) где angle - функция, выделяющая фазовый аргумент выражения, О - объектная волна.
На фиг. 2 показан принцип работы схемы на основе КСГ с линзой Френеля. Искаженный лазерный пучок падает на фазовый ПМС, куда выводятся КСГ с цифровыми линзами Френеля. В плоскости регистрации приемника излучения образуется корреляционный пик, размер и интенсивность которого зависит от наличия и величины аберраций в падающем на ПМС пучке. Корреляционный пик имеет минимальный размер, когда совпадают величины аберраций, закодированных в КСГ и в лазерном пучке, падающем на ПМС. На фиг. 2 также показано, что корреляционный пик будет образовываться в плоскости, которая определяется фокусным расстоянием цифровой линзы Френеля, с которой мультиплексируется КСГ. Также при увеличении фокусного расстояния цифровой линзы Френеля точка, в которой будет расположен корреляционный пик, будет отдаляться от оптической оси. Это связано с уменьшением оптической силы линзы.
Для облегчения сравнительного анализа работы предлагаемой оптической схемы с цифровой линзой Френеля и прототипа с ФО представлены изображения на фиг. 3, 4.
Сначала была продемонстрирована корреляционная функция аберрации вертикальный астигматизм с помощью классических ФО с фокусным расстоянием 250, 500 и 1000 мм (фиг. 3 кривые 6) Далее в тех же плоскостях регистрировалась уже корреляционная функция для двойной аберраций - пары вертикального и наклонного астигматизмов (фиг. 4 изображения 11, 12, 13).
Наконец, вторая группа экспериментов демонстрирует применимость предложенного мультиплексирования КСГ с цифровой линзой Френеля 5 для измерения кривизны волнового фронта. ФО был заменен на цифровые линзы Френеля 5 с идентичными фокусными расстояниями и были повторены эксперименты (фиг. 3 кривые 7, фиг. 4 изображения 14, 15, 16).
В результате проведения таких экспериментов можно сравнить качество получаемых корреляционных функций в обеих оптических схемах (предлагаемой схемы и прототипа). Полученные корреляционные пики при детектировании аберраций вертикального астигматизма и пары вертикального и наклонного астигматизмов представлены на фиг. 3 и фиг. 4 соответственно. Наглядно видно, что у предлагаемого варианта оптической схемы форма корреляционной функции, ее скорость роста и расположение ее максимума идентична корреляционной функции в прототипе с ФО (в абсолютном значении при наличии цифровой линзы Френеля и отсутствии в схеме ФО погрешность измерений составляет не более 0,05λ.). Только в плоскости фокусировки, расположенной на расстояние в 250 мм, можно увидеть отличие в скорости роста функций. Увеличение скорости возрастания функции положительно сказывается на точности детектирования волновой аберрации в силу упрощения нахождения точки перегиба функции.
Разработка полезной модели проводилась в рамках проектной части государственного задания для МГТУ им. Н.Э. Баумана от Министерства науки и высшего образования Российской Федерации №3.2236.2017.
Claims (1)
- Оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором, содержащая пространственный модулятор света (ПМС) отражательного типа, управляемый компьютером с выводом на модулятор заранее рассчитанных необходимых 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, далее по ходу отраженных лучей модулированного излучения для детектирования аберраций в фокальной плоскости помещен матричный фотодетектор, отличающаяся тем, что на ПМС дополнительно выведены мультиплексированные с КСГ цифровые линзы Френеля, выполняющие преобразование Фурье от падающего волнового фронта, и позволяющие заменить собой физический Фурье объектив.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141151U RU196631U1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019141151U RU196631U1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU196631U1 true RU196631U1 (ru) | 2020-03-11 |
Family
ID=69897787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019141151U RU196631U1 (ru) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU196631U1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2155982C2 (ru) * | 1998-07-02 | 2000-09-10 | Бондарев Леонид Алексеевич | Способ голографической записи информации и устройство для его осуществления |
JP2005250038A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Sony Corp | 記録媒体キュアー方法及びホログラム記録装置 |
US20110267663A1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-11-03 | Olympus Corporation | Holographic image projection method and holographic image projection system |
RU184828U1 (ru) * | 2018-07-31 | 2018-11-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором |
-
2019
- 2019-12-12 RU RU2019141151U patent/RU196631U1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2155982C2 (ru) * | 1998-07-02 | 2000-09-10 | Бондарев Леонид Алексеевич | Способ голографической записи информации и устройство для его осуществления |
JP2005250038A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Sony Corp | 記録媒体キュアー方法及びホログラム記録装置 |
US20110267663A1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-11-03 | Olympus Corporation | Holographic image projection method and holographic image projection system |
RU184828U1 (ru) * | 2018-07-31 | 2018-11-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10613478B2 (en) | Imaging method of structured illumination digital holography | |
US7268937B1 (en) | Holographic wavefront sensor | |
CN111551129B (zh) | 大口径平面镜的中、低阶面形检测装置、系统及存储介质 | |
KR20160147647A (ko) | 편파를 이용한 코히런트 경사도 감지 시스템 및 방법 | |
Kovalev et al. | Wave front sensor based on holographic optical elements | |
US20040246604A1 (en) | High resolution image formation from a multiple aperture imaging system | |
Bühl et al. | Digital synthesis of multiple off-axis holograms with overlapping Fourier spectra | |
Dubey et al. | COACH-based Shack–Hartmann wavefront sensor with an array of phase coded masks | |
Xu et al. | Enhanced multiple-plane phase retrieval using a transmission grating | |
US20220074793A1 (en) | Method for high-accuracy wavefront measurement base on grating shearing interferometry | |
RU196631U1 (ru) | Двухкомпонентный голографический датчик волнового фронта с управляемым фазовым модулятором | |
RU184830U1 (ru) | Оптическая схема измерителя фазовых искажений оптических волновых полей на основе световодной пластины и пространственного модулятора света | |
RU178706U1 (ru) | Оптическая схема анализатора волнового поля оптического излучения на основе световодной пластины с синтезированными голограммами | |
US20180024008A1 (en) | Optical system phase acquisition method and optical system evaluation method | |
Gavril'eva et al. | Approaches to cross-talk noise reduction in modal holographic wavefront sensors | |
RU184828U1 (ru) | Оптическая схема голографического датчика волнового фронта с управляемым фазовым модулятором | |
Zepp | Characterization of the holographic wavefront sensor for free-space optical communications | |
US20220365484A1 (en) | Complex diversity for accurate phase retrieval with single shot acquisition | |
Yang et al. | Derivation of ambiguity in wavefront aberration and quantitative analysis in ao system | |
Dong et al. | Hybrid curvature and modal wavefront sensor | |
US20230073901A1 (en) | Systems and methods for performing multiple-wavelength quantitative phase imaging (qpi) | |
US11365961B2 (en) | Polarization holographic microscope system and sample image acquisition method using the same | |
Doerband et al. | Characterizing lateral resolution of interferometers: the Height Transfer Function (HTF) | |
Wei et al. | Phase retrieval and coherent diffraction imaging by a linear scanning pinhole sampling array | |
Krasin et al. | Measurement of wavefront curvature using computer-generated Fourier holograms |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB9K | Licence granted or registered (utility model) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200908 Effective date: 20200908 |