Способ анализа волновых фронтов светового поля

 

Изобретение относится к оптической обработке информации, адаптивной оптике и может быть использовано в адаптивных измерительных приборах. Сущность изобретения: осуществляется введением операций расщепления исходного светового поля на два световых пучка с последующим осуществлением светорассеивания одного из них и новой совокупности операций: раздельного Фурье - преобразования по обоим пучкам, линейного амплитудно-фазового преобразования спектрального распределения поля по соответствующим координатным направлениям, обратного Фурье-преобразования поля по двум пучкам, регистрации интенсивности преобразованного светового поля по этим же координатным направлениям и вычислении с помощью вычислительного устройства наклонов волнового фронта с целью определения фазового распределения светового поля. Производятся операции дифференцирования светового поля по координатным направлениям оптическим путем, что существенно сокращает число последовательных вычислительных операций в ЭВМ, что позволяет повысить быстродействие способа. 3 ил.

Изобретение относится к оптической обработке информации, адаптивной оптике и может быть использовано в адаптивных измерительных оптических системах.

Известен способ определения волнового фронта светового поля с помощью датчиков гартмановского типа.

Недостатком данного способа является низкое быстродействие, связанное с тем, что восстановление общего профиля волнового фронта требует быстродействующую ЭВМ.

Известен интерференционный способ анализа волновых фронтов светового поля, позволяющий с помощью анализа расположения светлых и темных полос, которые образуются при сложении лучей соответственно в фазе и противофазе, определить фазовое распределение в пучке.

Недостатком данного способа является низкое быстродействие.

Кроме того, так как специфика адаптивной оптики требует, чтобы детектирование и обработка результатов были проведены в реальном масштабе времени, то интерферометры в адаптивной оптике не применяются.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать способ анализа волновых фронтов светового поля, заключающийся в том, что производят регистрацию интенсивности исходного светового поля, осуществляют Фурье-преобразование исходного светового поля, после которого производят линейное амплитудно-фазовое преобразование спектрального распределения поля по координатным направлениям, а затем осуществляют обратное Фурье-преобразование полученного спектрального распределения поля, причем регистрацию интенсивностей преобразованного светового поля осуществляют по этим же координатным направлениям, после чего наклоны волнового фронта светового поля по координатным направлениям определяют по формулам = ; ₌ , где I₁(х₁, y₁) - интенсивность исходного светового поля; I₂(x₁, y₂) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций с линейным амплитудным и фазовым преобразованиями по одному координатному направлению; I₃(x₃, y₃) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций с линейным амплитудным и фазовым преобразованиями по другому координатному направлению; С - постоянный множитель, учитывающий амплитудный коэффициент передачи оптической системы, а по наклонам определяют фазовое распределение светового поля.

Недостатком прототипа является низкое быстродействие, связанное с тем, что при вычислении наклонов волнового фронта операции невозможно распараллелить, кроме того, операция дифференцирования производится в блоке электронной обработки, что требует более высоких затрат машинного времени, чем если бы дифференцирование производилось оптическим путем.

Целью изобретения является повышение быстродействия способа.

Цель достигается тем, что по способу анализа волновых фронтов светового поля, включающему регистрацию интенсивности исходного светового поля, Фурье-преобразование, после которого осуществляют линейное амплитудно-фазовое преобразование спектрального распределения поля по координатным направлениям, а затем обратное Фурье-преобразование полученного спектрального распределения поля, причем регистрацию интенсивностей преобразованного светового поля осуществляют по тем же координатным направлениям, дополнительно после регистрации интенсивности исходного светового поля вводят операцию расщепления исходного светового поля на два световых пучка, после чего по одному пучку осуществляют операцию светорассеяния, а затем раздельно по обоим пучкам производят Фурье-преобразование, после которого осуществляют линейное амплитудно-фазовое преобразование спектрального распределения поля по соответствующим координатным направлениям, а затем производят обратное Фурье-преобразование полученного спектрального распределения поля по двум пучкам, причем регистрацию интенсивности преобразованного светового поля осуществляют по этим же координатным направлениям, после чего наклоны волнового фронта светового поля определяют по формулам ₌ ; (1) ₌ , (2)
где I₁(x₁, y₁) - интенсивность исходного светового поля;
I₂(x₂, y₂) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате преобразования светового потока, не испытавшего светорассеяния по одному координатному направлению;
I₃(x₃, y₃) - интенсивность результирующего светового поля полученного в результате преобразования светового потока, не испытавшего светорассеяния по другому координатному направлению;
I₄(x₄, y₄) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций по одному координатному направлению;
I₅(x₅, y₅) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций по другому координатному направлению;
с, В - постоянные множители, учитывающие амплитудный коэффициент передачи оптической системы,
а по наклонам определяют фазовое распределение светового поля.

Наличие введенных операций: расщепления светового потока на два пучка, светорассеяния и новой совокупности операций позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна".

Не найдено аналогов, в которых операции расщепления и светорассеяния светового потока применялись бы для повышения быстродействия, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Существенные отличия".

Способ осуществляется следующим образом.

Регистрируется интенсивность исходного светового поля
I₁(x₁y₁)=A₁(x₁, y₁)e=A²₁(x₁,y₁). (3)
Световой поток расщепляется на два световых пучка. По одному пучку производится регистрация интенсивностей световых потоков, полученных путем дифференцирования оптического поля по соответствующим координатным направлениям. Это обеспечивается последовательным выполнением операций Фурье-преобразования линейным амплитудно-фазовым преобразованием спектрального распределения поля по соответствующему координатному направлению. Тогда
I₂(x₂, y₂) = e + A₂(x₂,y₂)e(-j)× × = + A²₂(x₂,y₂); (4)
I₃(x₃,y₃) = e + A₃(x₃,y₃)e(-j)×
× = + A²₃(x₃,y₃), (5)
где A₂(x₂, y₂)=CA₁(x₁, y₁);
A₃(x₃, y₃)=CA₁(x₁, y₁).

Из выражений (4) и (5) имеют
= ; (6)
= . (7)
Фазовый фронт второго светового пучка в результате светорассеяния полностью разрушается, т.е. можно
e^-jϕ = 1; = 0; = 0. (8)
После этого производится операция дифференцирования оптического поля по соответствующим координатным направлениям.

Тогда
I₄(x₄,y₄) = e^-jϕ + A₄(x₄,y₄)e^-jϕ (-j) ; (9)
I₅(x₅,y₅) = e^-jϕ + A₅(x₅,y₅)e^-jϕ (-j) . (10)
Используя выражение (8), получают
I₄(x₄,y₄) = ; (11)
I₅(x₅,y₅) = , (12)
где A₄(x₄, y₄)=BA₁(x₁, y₁);
A₅(x₅, y₅)=BA₁(x₁, y₁).

Подставляют выражения (11) и (12) в выражения (6) и (7). Тогда с учетом амплитудных коэффициентов передачи оптической системы С и В выражения (6) и (7) примут вид (1) и (2). По формулам (1) и (2) определяют наклоны волнового фронта, по которым определяют фазовое распределение светового поля.

На фиг.1 представлено схематично устройство, реализующее способ анализа волновых фронтов светового поля; на фиг.2 представлен алгоритм вычислений в блоке электронной обработки прототипа; на фиг.3 - алгоритм вычислений по формулам (1) и (2) в блоке электронной обработки устройства, реализующего способ анализа волновых фронтов светового поля.

Устройство на фиг.1 содержит последовательно расположенные, оптически связанные полупрозрачные зеркала (ППЗ) 1-4, светорассеивающий транспарант 5, линзы 6, 7 прямого преобразования Фурье, амплитудно-фазовые транспаранты 8-11, линзы 12-15 обратного преобразования Фурье, устройства 16-20 регистрации интенсивности, блок 21 электронной обработки (БЭО). Оптическим входом устройства является оптический вход ППЗ 1, первый оптический выход ППЗ 1 связан с оптическим входом ПП3 2, второй оптический выход ППЗ1 связан с оптическим входом устройства 20, электрический выход которого связан с первым входом БЭО 21. Первый оптический выход ППЗ 2 связан с оптическим входом линзы 6 прямого преобразования Фурье, а второй оптический выход ППЗ 2 связан с оптическим входом транспаранта 5. Оптический выход линзы 6 прямого преобразования Фурье связан с оптическим входом ППЗ 3, первый оптический выход которого связан с оптическим входом амплитудно-фазового транспоранта 8, а второй оптический выход - с оптическим входом амплитудно-фазового транспаранта 9. Оптический выход амплитудно-фазового транспоранта 8 связан с оптическим входом линзы 12 обратного преобразования Фурье, оптический выход которой связан с оптическим входом устройства 16, электрический выход последнего связан с вторым входом БЭО 21. Оптический выход амплитудно-фазового транспоранта 9 связан с оптическим входом линзы 13 обратного преобразования Фурье, оптический выход которой связан с оптическим входом устройства 17, электрический выход последнего связан с третьим входом БЭО 21. Оптический выход транспаранта 5 связан с оптическим входом линзы 7 прямого преобразования Фурье, оптический выход которой связан с оптическим входом ППЗ 4. Первый оптический выход ППЗ 4 связан с оптическим входом амплитудно-фазового транспаранта 10, а второй оптический выход ППЗ 4 связан с оптическим входом амплитудно-фазового транспаранта 11. Оптический выход амплитудно-фазового транспаранта 10 связан с оптическим входом линзы 14 обратного преобразователя Фурье 14, оптический выход которой связан с оптическим входом устройства 18, электрический выход которого связан с четвертым входом БЭО 21. Оптический выход амплитудно-фазового транспаранта 11 связан с оптическим входом линзы 15 обратного преобразования Фурье, оптический выход которой связан с оптическим входом устройства 19, электрический выход последнего связан с пятым входом БЭО 21.

Устройство по фиг.1 работает следующим образом.

На оптический вход устройства - ППЗ 1 поступает исходный световой поток с произвольным амплитудным распределением. ППЗ 1 и 2 отводят дополнительный световой пучок. Устройство 20 регистрирует интенсивность первого светового пучка. По второму пучку производится регистрация интенсивности (устройствами 16 и 17) световых потоков, полученных путем дифференцирования оптического поля по соответствующим координатным направлениям. Это обеспечивается совокупностью элементов: линзой 6 прямого преобразования Фурье, амплитудно-фазовыми транспарантами 8 (по одному координатному направлению) и 9 (по другому), линзами 12 и 13 обратного преобразования Фурье. Фазовый фронт дополнительного светового пучка в результате светорассеяния полностью разрушается, что осуществляется с помощью светорассеивающего транспоранта 5, т.е. можно полагать, что после прохождения светорассеивающего транспаранта 5 выполняются соотношения (8). Затем осуществляется регистрация интенсивностей световых потоков с помощью устройств 18 и 19, полученных путем дифференцирования оптического поля по соответствующим координатным направлениям. Это обеспечивается совокупностью элементов: линзой 7 прямого преобразования Фурье, амплитудно-фазовыми транспарантами 10 (по одному координатному направлению) и 11 (по другому), линзами 14 и 15 обратного преобразования Фурье. Полученная информация обрабатывается в БЭО 21 по формулам (1) и (2).

ППЗ 1-4 предназначены для разделения светового потока на два ортогональных пучка. Линзы 6, 7, 12-15 предназначены для осуществления преобразования Фурье и представляют собой положительные линзы. Амплитудно-фазовые транспаранты 8-11 предназначены для осуществления в совокупности с двумя линзами в схеме Катрона операции дифференцирования оптического поля по одному из координатных направлений и могут представлять собой транспарант "фазовый нож". Устройства 16-20 предназначены для регистрации интенсивности и представляют собой фотодиодную матрицу. БЭО 21 предназначен для обработки информации по формулам (1) и (2) и представляет собой пять АЦП, подключенных к быстродействующей ЭВМ.

Оценим технико-экономическую эффективность изобретения. Покажем, что использование расчетных соотношений (1) и (2) позволяет повысить скорость вычислений в БЭО 21 по сравнению с прототипом. На фиг.2 изображена схема процесса вычисления по способу-прототипу при условии распараллеливания операций. Полное время, необходимое на обработку одного измерения в соответствии со схемой на фиг.2, равно
Т_пр=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅+t₆,
где t₁ - время на преобразование аналог-код;
t₂ - время на вычисление производной
или , вычисление произведения I₁(x₁, y₁)I₂(x₂, y₂) или I₁(x₁, y₁)I₃(x₃, y₃);
t₃ - время вычисления квадратов;
t₄ - время вычисления разности в числителе расчетного соотношения под знаком корня;
t₅ - время извлечения корня;
t₆ - время вычисления дроби.

На фиг.3 изображена схема процесса вычисления по предлагаемому способу. С учетом обозначений на время вычисления каждой операции полное время, необходимое на обработку одного измерения, составляет
Т=t₁+t₄+t₅+t₆.

Таким образом, обработка информации по предложенному способу совершается быстрее на время, равное
ΔТ=t₂+t₃.

Введем условную единицу времени τ на выполнение одной математической операции.

Исходя из определения производной
= ,
считает, что операция дифференцирования производится за две условные единицы времени. Тогда в соответствии с введенными обозначениями
Т_пр=7;
Т=4;
откуда быстродействие по предложенному способу выше в N раз;
N = = = 1,75
Итак, за счет введения новых операций: разделения светового потока и светорассеяния и изменения их совокупности удалось повысить быстродействие анализа волновых фронтов светового поля на время, равное
ΔT=t₂+t₃,
причем быстродействие предложенного способа выше в 1,75 раз.

Формула изобретения

СПОСОБ АНАЛИЗА ВОЛНОВЫХ ФРОНТОВ СВЕТОВОГО ПОЛЯ, заключающийся в том, что производят регистрацию интенсивности исходного светового поля, осуществляют Фурье-преобразование светового поля, после которого осуществляют линейное амплитудно-фазовое преобразование спектрального распределения поля по координатам направлениям, а затем обратное Фурье-преобразование полученного спектрального распределения поля, причем регистрацию интенсивностей преобразованного светового поля осуществляют по этим же координатным направлениям, после чего рассчитывают наклоны волнового фронта светового поля и по наклонам определяют фазовое распределение поля, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия способа анализа волновых фронтов светового поля с производным амплитудным распределением, после регистрации интенсивности исходного светового поля производят расщепление исходного светового поля на два световых пучка, после чего по одному пучку осуществляют операцию светорассеяния, а затем раздельно по обоим пучкам производят Фурье-преобразование, после которого осуществляют линейное амплитудно-фазное преобразование спектрального распределения поля по соответствующим координатным направлениям, а затем производят обратное Фурье-преобразование полученного спектрального распределения поля по двум пучкам, причем регистрацию интенсивности преобразованного светового поля осуществляют по этим же координатным направлениям, после чего наклоны волнового фронта светового поля определяют по формулам

где I₁(x₁,y₁) - интенсивность исходного светового поля;
I₂(x₂, y₂) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате преобразования светового потока, не испытавшего светорассеяния, по одному координатному направлению;
I₃(x₃, y₃) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате преобразования светового потока, не испытавшего светорассеяния, по другому координатному направлению;
I₄(x₄, y₄) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций, по одному координатному направлению;
I₅(x₅, y₅) - интенсивность результирующего светового поля, полученного в результате осуществления всех перечисленных операций, по другому координатному направлению;
C, B - постоянные множители, учитывающие амплитудный коэффициент передачи оптической системы,
а по наклонам определяют фазовое распределение светового поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3