RU2730379C1

RU2730379C1 - Optical-digital system for calculating diffractive optical elements

Info

Publication number: RU2730379C1
Application number: RU2019145590A
Authority: RU
Inventors: Роман Васильевич Скиданов; Сергей Константинович Мисиевич
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-08-21

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: optical-digital system for calculating diffractive optical elements comprises a helium-neon laser, behind which there is a Fourier correlator, consisting of two lenses with a different focal distance, with possibility of expanding the light beam to a size capable of completely covering the working panel of the modulator, a diaphragm installed in front of the spatial modulator connected to a computer with the possibility of changing the beam illumination amplitude, a mirror fixed on the laser beam part path separated by the splitter, with possibility of this part of laser beam redirection through convex lens, which is fixed with possibility of distribution formation in focal plane, and the video camera is installed with the possibility of fixation of this distribution and is connected to the computer.EFFECT: faster operation and accuracy of calculations owing to realizations of complex calculations by an optical method.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам расчета фазовой функции дифракционных оптических элементов (ДОЭ).The invention relates to optics, namely to devices for calculating the phase function of diffractive optical elements (DOE).

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.In the problems of calculating diffractive optical elements (DOE), iterative (iterative) methods have been developed and widely used. Their main advantage is that iterative algorithms are more accurate in comparison with other algorithms for calculating the DOE phase.

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.The known Gershberg-Saxton method for calculating the phase function of diffractive optical elements (I.V. Ilyina, T.Yu. Cherezova, A.V. Kudryashov, Quantum Electronics, 2009, volume 39, number 6, 521-527), in which the phase function of the optical element is calculated from the transverse intensity distributions specified in certain planes of the system (input and output). According to the method, the complex amplitude in the output plane is calculated for the phase selected as the initial approximation and the field amplitude distribution given in the input plane. The propagation conditions of radiation from the input to the output plane are considered to be known. Then the modulus of the field amplitude calculated in the output plane is replaced by the root of the given intensity distribution, which is to be formed in this plane. The back propagation of the beam from the exit to the entrance plane is calculated. In the input plane, the calculated field amplitude is replaced by the root of the intensity distribution given in the input plane, and the calculated phase is chosen as the next approximation. Then the iterative procedure is repeated. As a parameter that characterizes the convergence of the algorithm, as a rule, the standard deviation of the intensity distribution calculated in the output plane from the given one is chosen. All calculations are performed using a computer.

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.The disadvantages of this method include the fact that the optical elements calculated using this method have an irregular microrelief, which increases the requirements for the production technology of the calculated elements. In addition, the calculation of DOE using iterative algorithms on a computer requires significant computational costs and time.

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.The closest to the technical solution in terms of a set of essential features is a device for optimizing vortex light beams using a light modulator High quality holographic generation of higher order Laguerre-Gauss (LG) beams is provided by a liquid crystal spatial light modulator (LCOS-SLM). The device contains a He-Ne - helium-neon solid-state laser, a spatial filter, a diaphragm, a collimator lens, a convex lens, a splitter, a spatial light modulator and an image sensor. A spatial filter is installed at the exit of the beam from the laser, behind it is a collimator lens and a diaphragm. After passing through the diaphragm, the laser beam hits the spatial light modulator, is optimized and returns back along the same path. Reaching the splitter, the beam is divided into two parts, one of which, passing through the convex lens, is fixed by a camera connected to the computer.

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.The disadvantage of the device is that the presented optical system based on a light modulator allows only to optimize the formation of vortex light beams using this particular light modulator, without performing any optical calculations. In this case, all calculations also occur on a computer.

Технический результат заключается в увеличении быстродействия и точности расчетов за счет реализаций сложных вычислений оптическим способом.The technical result consists in increasing the speed and accuracy of calculations due to the implementation of complex calculations in an optical way.

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.The technical result is achieved due to the fact that in an optical-digital system for calculating diffractive optical elements containing a helium-neon solid-state laser, light filters, a diaphragm, convex lenses, a splitter, a spatial light modulator and a video camera, a Fourier correlator is installed directly behind the laser. of two lenses with different focal lengths, with the possibility of expanding the light beam to a size capable of completely covering the working panel of the modulator, and the diaphragm is installed in front of the spatial modulator, and the spatial modulator itself is connected to the computer and installed with the ability to change the amplitude of the illuminating beam, while the system also contains a mirror fixed on the trajectory of a part of the laser beam, divided by a splitter, with the possibility of redirecting this part of the laser beam through a convex lens, which is fixed with the possibility of forming a distribution in the focal plane, and the camera is installed with the possibility of fixation given distribution and connected to the computer.

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.The use of an opto-digital system with a spatial light modulator in calculations can significantly increase the calculation speed, calculations on a computer are reduced only to recalculation of the phase function, and all complex calculations are implemented optically.

Техническое решение характеризуется чертежом, где изображена оптико-цифровая система для расчета дифракционных оптических элементов.The technical solution is characterized by a drawing, which shows an optical-digital system for calculating diffractive optical elements.

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).The device contains He-Ne - a helium-neon solid-state laser (1), light filters (2), convex lenses (3, 4, 5), a splitter (6), aperture (7), a grayscale spatial light modulator (8), a video camera ( 9), a rotating mirror (10) and a personal computer (11).

Работает устройство следующим образом.The device works as follows.

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).At the exit of the laser beam (1), a Fourier correlator is installed, consisting of two lenses (3, 4) with different focal lengths to expand the beam to a size capable of completely covering the working panel of the modulator (8). You can use, for example, the SLM PLUTO Phase Only grayscale light modulator. Immediately in front of the modulator (8), a diaphragm (7) is installed, which is necessary to change the diameter of the illuminating beam and illuminate a certain area of the modulator (8). The laser beam hitting the working panel of the modulator (8) connected to the computer changes its intensity and returns back along the same trajectory. Reaching the splitter (6), the beam is divided into two parts, one of which, reflected from the mirror (10) and passing through the convex lens (5), forms a certain distribution in the Fourier plane. The resulting distribution is recorded by a camera (9), which is connected to a computer (11), on the screen of which the formed diffraction pattern is displayed. Also, the optical scheme may contain various dimming filters (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.The use of this scheme in calculating the DOE phase function is that the phase function corrected at each iteration is output to the modulator, which plays the role of a real DOE, and then the camera records the obtained diffraction pattern in the focal plane of the lens. Further, the obtained distribution from the camera is processed by a computer. The error of the discrepancy between the obtained distribution and the reference distribution is considered, and the phase correction operation is performed. When calculating the DOE phase function, there is no need to take into account the laser intensity distribution, since it is taken into account at the hardware level and as a result of the algorithm operation, the phase function is corrected precisely for this distribution.

Claims

Optical-digital system for calculating diffractive optical elements, containing a helium-neon laser, light filters, aperture, convex lenses, a splitter, a spatial light modulator and a video camera, characterized in that a Fourier correlator is installed directly behind the laser, consisting of two lenses with different focal lengths. distance, with the possibility of expanding the light beam to a size capable of completely covering the working panel of the modulator, and the diaphragm is installed in front of the spatial modulator, and the spatial modulator itself is connected to the computer and installed with the ability to change the amplitude of the beam illuminating it, while the system also contains a mirror attached to the trajectory of a part of the laser beam, divided by a splitter, with the possibility of redirecting this part of the laser beam through a convex lens, which is fixed with the possibility of forming a distribution in the focal plane, and the camera is installed with the possibility of fixing this distribution and is connected to a computer m.