Устройство для формирования гильберт-образа пучка излучения

 

Изобретение относится к оптике и может использоваться для выполнения преобразования Гильберта волнового пучка в зоне дифракции Френеля при проведении диагностики фазовых объектов, классификации образов. Целью изобретения является сокращение габаритов путем получения Гильберт-образа в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра дифракционной структуры относительно оси пучка. Устройство содержит фазовую дифракционную структуру 1 с прямоугольным профилем штрихов-канавок 2 и блок регистрации дифракционных изображений с приемниками 4 излучения. При этом канавки 2 выполнены одинаковыми по ширине и глубине и расположены с одинаковым периодом Т на всей поверхности структуры 1, а округленное до ближайшего целого отношение T/D связано с другими параметрами устройства соотношением T/D = 1/M{P<SP POS="POST">.</SP>X<SB POS="POST">PM</SB>/T - 0,25[1 - (-1)<SP POS="POST">PM</SP>]}, где M = 1, 2, 3,..≤N/4

N - число канавок 2

P = 1, 2, 3,....*98MT/λN

λ - длина волны излучения

X<SB POS="POST">PM</SB> - координаты расположения приемников 4 излучения, выбранные за пределами линейной апертуры структуры и отсчитываемые в противоположные стороны относительно проекции центра структуры 1 на плоскость блока 3 регистрации, расположенную на расстоянии Z<SB POS="POST">PM</SB> от структуры 1, определяемом согласно выражению Z<SB POS="POST">PM</SB> = MT<SP POS="POST">2</SP>/Pλ, а глубина канавок 2 удовлетворяет соотношению 0,05λ≤H≤0,45λ. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з (3 02 В 27/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4749055/10 (22) 16.10.89 (46) 30.08.91, Бюл. М 32

{72) Э,Н. Балашова, Я,К. Лукашевич, M.В. Неофитный, В.А.Свич и Д,И.Сафиуллин (53) 535.853.31 (088.8) (56) Сороко Л.M. Гильберт-оптика. — М.: Наука, 1981, с. 58.

Авторское свидетельство СССР% 1601600, кл. G 02 В 27/42, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ

ГИЛЬБЕРТ-ОБРАЗА ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптике и может использоваться для выполнения преобразования Гильберта волнового пучка в зоне дифракции Френеля при проведении диагностики фазовых объектов, классификации образов. Целью изобретения является сокращение габаритов путем получения Гильберт-образа в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра дифракционной структуры относительно оси пучка. Устройство содержит фазовую дифракциИзобретение относится к оптике и может использоваться для выполнения преобразования Гильберт-образа волнового пучка в зоне Френеля при проведении диагностики фазовых объектов, классификации образов.

Целью изобретения является сокращение габаритов путем получения Гильбертобраза в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра дифракционной структуры относительна аси пучка.

„., 5U„„1674049 А1 оннуюструктуру 1 с прямоугольным профилем штрихов-канавок 2,и блок регистрации дифракционных изображений с приемниками 4 излучения. При этом канавки 2 выполнены одинаковыми по ширине и глубине и расположены с одинаковым периодом Т на.всей поверхности структуры

1, а округленное до ближайшего целого отношение Т/d связано с другими параметрами устройства соотношением

T/d = 1/m (р xpm/Т вЂ” 0,25 (1 — (— 1)Р ) ), где m = 1, 2, 3„.. N/4; N — число канавок

2; р = 1, 2, 3,... < mT/il N; Л вЂ” длина волны излучения; xpm — координаты расположения приемников 4 излучения, выбранные за пределами линейной апертуры структуры и отсчитываемые в противоположные стороны относительно проекции центра структуры 1 на плоскость блока 3 регистрации, расположенную на расстоянии

zpm от структуры 1, определяемом согласно выражению zpm = mT /рА, а глубина канавок 2 удовлетворяет соотношению

0,05 Л h 0,45 Л. 4 ил.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 и 3 приведены численные результаты, позволяющие провести сравнение относительных распределений интенсивности излучения в 20-й дифракционной полосе, образующейся в зоне дифракции Френеля на расстоянии z>> от структуры, с Гильберт-образом, полученным в дальней зоне; на фиг. 4 — иллюстрация поведения Гильберт-образа при смещении центра дифракционнай структуры относительно оси пучка.

Устройство содержит фаэовую дифракцианную структуру 1 прямоугольным профилем штрихов-канавок 2 и блок 3

1674049 регистрации дифракционных изображений с приемниками 4 излучения. При этом канавки 2 выполнены одинаковыми по ширине d и глубине h и расположены с одинаковым периодом Т на всей поверхности структуры 1, э округленное до ближайшего целого отношение Т/d связано с другими параметрами устройства соотношением — Š— — 0,25 (1 — (- 1)Р )

d m Т где m = 1, 2, ...„ N/4; N — число канавок 2; р = 1, 2, 3.... < — Л вЂ” длина волны излучеmT

ЛЙ ния; x» — координаты расположения приемников 4 излучения блока 3 регистрации, выбранные за пределами линейной апертуры структуры 1 и отсчитываемые в противоположные стороны относительно проекции центра дифракционной структуры 1 на плоскость блока 3 регистрации, РаСПОЛОжЕННУЮ На РаССтОЯНИИ Zpm От СТРУКтуры 1, определяемом согласно выражению пч Т2

Zpm р а глубина h канавок 2 удовлетворяет соотношению

0,05 h 0,45 iL.

Работа устройства основана на эффекте формирования Гильберт-образа пучка излучения в изображениях Френеля дифракционной структуры с указанной геометрией.

Дифрагированное на структуре 1 поле можно представить в виде суперпозиции полей,, рассеянных прямоугольными канавками 2, Диапазон изменения отношения периода Т расположения канавок к их ширине

d выбран из условия получения вблизи ко ординат xpm сдвига фаз полей, рассеянных симмметрично расположенными относительно центра дифракционной структуры 1 канавками 2 наil /2.

По отношению к дифракционной полосе, номер которой задается округленным до

mT ближайшего целого числом, поля, рассеянные симметричными канавками 2, сдвинуты по фазе на Л /2. Указанный факт позволяет выделить в выражении для комплексной амплитуды дифрагированного поля произведение функции амплитудно-фазового распределения U(x,) падающего пучка

5 и знаковой функции sgn(x ), где n — номер канавки, отсчитываемый относительно центра дифракционной структуры 1, и тем самым выполнить необходимые условия для осуществления преобразования Гильберта. При этом вблизи координат наблюдения хрт выражение для комплексной амплитуды дифрагированного поля преобразуется с

55 точностью до постоянного комплексного множителя в свертку Фурье-образов падающего пучка и знаковой функции. Данная свертка и представляет собой преобразование

Гильберта от 0(аф где знак уголок над функцией обозначает преобразование Фурье этой функции по частоте в = . Необ2лх

Z ходимое условие формирования ГильбертобРаээ не выполнЯетсЯ пРи энэчениЯх zpm

xpm, отличных от указанных дискретных множеств значений. Так, например, вблизи плоскостей наблюдения гр дифрэкционное изображение является слабоконтрастным и не отображает Гильберт-образа. За пределами координат хрп поля, рассеянные канавками 2 структуры 1, имеют разность хода, отличную от Л/2, что приводит к искажению картины формируемого изображения. При этом в плоскостях наблюДениЯ zpm возможна РеэлизаЦиЯ ДРУгих интегральных преобразований, например, при синфазном сложении рассеянных полей формируется Фурье-образ падающего пучка.

Графики на фиг. 2 получены при падении пучка 5 с функцией амплитудного распределения вида U(x) = гест —, где 2а— х а характерный размер пучка, причем а = NT/2, N = 20, Относительные распределения интенсивности на фиг. 3 получены при паделх нии пучка U(x) = sin — - . Отношение периода Т расположения канавок 2 к их ширине d выбрано равным 20. Точки на фиг, 2 и 3 соответствуют второму дифракционному порядку решетки в виде двух разнородных участков, выполняющей в дальней зоне при — = 0,75, — = 0,25 преобразоd1 02 вание Гильберта. Расчеты выполнены с использованием дифракционного интеграла Фурье-оптики, Отношение глубины канавки h штриха к длине волны излучения

Л выбрано равным 0,25, Для сравнения с соответствующим распределением дальней зоны при дифракционной полосе Френеля приведена угловая координата О/С4, где

Q = Л/2а, 0= х/zp>. Видно, что относительные угловые распределения интенсивности в полосе Френеля и s изображении Гильберта, полученные в дальней зоне, достаточно хорошо совпадают;

Устройство позволяет сформировать

Гильберт-образ пучка в Френелевской зоне и одновременно устранить зависимость формируемого распределения интенсивности от смещения центра дифракционной

1674049 структуры относительно оси пучка. Последний факт дает возможность упростить схемы теневых приборов для диагностики фазовых объектов, совместив в одном дифракционном элементе функции фильтра

Гильберта и фокусирующего устройства, Исключение из данных схем фокусирующего устройства расширяет диапазон их применения в сторону больших размеров фазовых объектов и плотностей мощности зондирующих пучков излучения. Вчастности,,устройство может использоваться для формирования

Гильберт-образа пучка большой интенсивности в ИК-диапазоне. Децентровка дифракционной структуры в рассматриваемом случае не приводит к заметному изменению картины распределения интенсивности

Гильберт-образа, Это подтверждается графиками на фиг.4, полученными при падении пучка с равномерным распределением интенсивности на дифракционную структуру, состоящую из 20 канавок. Результаты полТ учены в плоскости z> при —, равном 20. Иэ

d приведенных графиков следует, что смещение Л х центра дифракционной структуры 1 относительно оси пучка 5 не приводит к появлению сильного фона в изображении

Гильберта, Пример. При формировании Гильберт-образа пучка диаметром 20 мм на длине волны Л = 10,6 мкм в плоскости zii дифракционную структуру необходимо выполнять с шагом Т = 1 мм и шириной прямоугольных канавок hравной 50 мкм,,При этом

Гильберт-образ, пучка формируется в 10-й полосе изображения .Френеля. Дифракционная структура для формирования Гильберт-образа пучка диаметром 40 мм в 50-ой полосе изображения Френеля изготовлена путем нарезки штрихов на делительной машине. Ширина и период расположения штрихов выбраны равными соответственно

20 мкм и 1 мм. В качестве подложки использовались медное зеркало, поверхность которого обработана алмазным точением, и сплав АМЦ. Размер заштрихованной поверхности составлял 100х100 мм.

Формула изобретения устройство для формирования Гиль5 берт-образа пучка излучения, содержащее фазовую дифракционную структуру с прямоугольным профилем штрихов-канавок и блок регистрации дифракционных изображений с приемниками излучения, о т л и ч а10 ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения габаритов путем получения Гильберт-образа в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра диф15 ракционной структуры относительно оси пучка, прямоугольные канавки дифракционной структуры выполнены одинаковыми по ширине и глубине и расположены с одинаковым периодом на всей поверхности

20 дифракционной структуры, а округленное до ближайшего целого отношение периода

Т расположения прямоугольных канавок к их ширине d связано с другими параметрами устройства соотношением

25 — — 0,25 (1 — (— I )Pm )

d п (Т где m = 1, 2, 3... «N/4; N — число канавок; р

mТ

30 " Л ц

= 1, 2, 3„, < —; Л вЂ” длина волны излучения; хрm — координаты расположения приемников излучения блока регистрации, выбранные за пределами линейной апертуры дифракционной структуры и отсчитыва35 емые в противоположные стороны относительно проекции центра дифракционной структуры на плоскость блока регистрации, расположенную на расстоянии zpm от структуры, определяемом согласно выраже40 нию

mT

zpm — у-, р а глубина канавок h удовлетворяет соотношению

0,05Л h 0,45Л

1674049

1614049

3,0 -2,0 -g

-3 -2

Фиг. f

Составитель В. Кравченко

Редактор С. Никитина Техред ММоргентал Корректор М. Максимишинец

Заказ 2919 Тираж 329 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

lUl2 д гя м 8/у,