Акустооптические преобразователи свет-сигнал

Преобразователями свет-сигнал называются устройства, служащие для преобразования оптического изображения в электрический сигнал. В телевидении для этой цели широко применяются электронно-лучевые и полупроводниковые устройства: суперортиконы, видиконы и т. п. Сравнительно новым классом преобразователей свет-сигнал являются акустооптические развертывающие устройства (АРУС), в которых считывание изображения осуществляется бегущим акустическим цугом. Эти устройства просты по конструкции и технологии изготовления, не требуют больших напряжений и мощностей, способны работать в широком диапазоне длин волн света. Но главное достоинство АРУС, выделяющее их среди других преобразователей свет-сигнал, заключается в том, что они позволяют регистрировать не только амплитудную, но и фазовую структуру светового поля изображения. Это открывает большие возможности для обработки оптической информации телевизионными методами, для построения систем адаптивной оптики.

2.6. Принцип действия акустооптического развертывающего устройства

Принципиальная схема акустооптического преобразователя свет-сигнал показана на рис. 2.5.

Основу АРУС составляет ячейка 1, в которой пьезопреобразователем 2 возбуждается бегущая упругая волна в виде короткого цуга 3. Линза 4 формирует изображение 5 объекта 6 непосредственно в плоскости ячейки. Проходя через ячейку, свет дифрагирует на акустическом цуге, причем в каждый момент времени дифрагируют лучи лишь от того участка изображения, мимо которого пробегает цуг. Линза 7 фокусирует дифрагированные лучи 8 на поверхность фотоприемника 9. Непродифрагировавший свет 10 задерживается экраном 11. Таким образом, цуг играет роль подвижного «окна», через которое излучение последовательно от различных точек изображения поступает на фотоприемник. Снимаемое с приемника напряжение представляет собой видеосигнал развертки строки изображения. Период строчной развертки определяется временем распространения цуга через ячейку:

,

где ω - апертура ячейки (предполагается, что световой пучок полностью заполняет апертуру ячейки).

Развертку двумерных изображений можно осуществлять с помощью двух последовательно расположенных скрещенных ячеек, акустические импульсы в которых возбуждаются в ортогональных направлениях и с определенным сдвигом по времени, меняющимся от строки к строке. Но более простым является метод, в котором развертка по кадру создается сканированием изображения поперек считывающей ячейки, благодаря чему через область взаимодействия последовательно проходят все участки изображения. Такое сканирование можно осуществлять любыми дефлекторами, в том числе и акустооптическими.

2.7. Разрешение АРУС

Одной из важнейших характеристик АРУС является число разрешимых элементов в строке N, равное отношению апертуры ячейки к минимальному размеру элемента разложения d_min:

.

Геометрия взаимодействия в АРУС представлена на рис. 2.6. Минимальный разрешимый элемент - это такой участок изображения, исходящие из которого лучи проходят через цуг и дифрагируют. Следовательно, d_min можно найти, как проекцию дифрагирующего объема на фронт падающей световой волны. В первую очередь d_min определяется длиной цуга h: . Поэтому для увеличения разрешения длину цуга надо делать как можно меньше. Но бесконечно уменьшать h нельзя, т. к. длина цуга должна быть больше длины акустической волны Λ ₀: h > Λ ₀. Отсюда следует, что d_min > Λ ₀. Таким образом, считывающие устройства с высоким разрешением могут быть созданы лишь при использовании упругих волн высокой частоты.

Наибольшее разрешение достигается в области малых значений параметра Гордона. С ростом G разрешение падает из-за увеличения относительных размеров области взаимодействия, которое может быть обусловлено двумя причинами: наклонным падением света и расходимостью светового пучка.

При G << 1 разрешение не зависит от геометрии взаимодействия, а определяется только длиной цуга. Цуг в этом случае работает как плоская щель шириной h, движущаяся со скоростью v. Чем больше G, тем сильнее проявляется объемный характер взаимодействия. Даже при фиксированном h увеличение l приводит к возрастанию d_min и падению разрешения.

Если угол Брэгга близок к нулю, ухудшение разрешения связано с расходимостью световой волны. Входная линза создает четко сфокусированное изображение только в центральной плоскости ячейки. Чнм больше отношение h/ l, тем сильнее эффект дефокусировки.

2.8. Регистрация фазовой структуры световых полей. Фазовые АРУС

В экспериментальной физике нередко встречаются объекты, которые изменяют лишь фазу проходящей через них световой волны, сохраняя постоянной ее амплитуду. Такие объекты носят название фазовых. Поскольку глаз или любой другой фоторегистрирующий прибор способны отличать изменение только интенсивности света, то при обычных способах наблюдения вся информация о фазовых объектах теряется. Для наблюдения фазовых объектов применяются специальные методы визуализации, такие как метод темного поля, метод фазового контраста и др.

Визуализацию фазовых объектов можно осуществлять с помощью устройств типа АРУС. Особенность этого метода заключается в том, что визуализация происходит в два этапа: сначала получается видеосигнал развертки изображения фазового объекта, а затем при помощи обычной телевизионной техники формируется видимое изображение объекта. Область возможного применения фазовых АРУС не ограничивается задачами визуализации. На их основе могут быть разработаны устройства для точного электрического измерения фазовой структуры световых полей, в частности, для систем адаптивной оптики.

Принципиальная схема фазового АРУС не отличается от представленной на рис. 2.5.

Важная особенность фазового АРУС: сигнал развертки сдвинут по фазе на π /2 относительно пространственного распределения светового поля. Это объясняется тем, что в устройстве регистрируется не фаза падающей волны φ(z), а ее производная dφ/dz.

Как и в случае амплитудных АРУС, в первом приближении акустический цуг можно рассматривать как движущееся со скоростью звука отверстие 1 (рис. 2.7). Прошедший через это отверстие световой пучок 2 собирается в фокальной плоскости 3 выходной линзы 4 в пятно, 5 - распределение интенсивности света.

Пусть z₀ = vt - координата центра цуга. В случае чисто фазового объекта u(z) = u₀ exp[j φ(z)], и проходящая через отверстие световая мощность одинакова при любом z₀. Однако направление выходящего из ячейки пучка меняется при перемещении цуга, так как оно определяется направлением волновой нормали падающей волны в области цуга. Поэтому при изменении z₀ пятно в фокальной плоскости линзы сканирует около некоторого среднего положения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемника, способного регистрировать положение пятна, можно обеспечить соответствие между выходным сигналом приемника i(t) и локальными значениями фазы светового поля. В этом и заключается принцип действия фазового АРУС.

Так же, как и в случае амплитудного АРУС, предельное разрешение устройства по фазе определяется размерами области взаимодействия h и l. Структура пятна определяется длиной цуга, а фаза светового поля (точнее, ее градиент) влияет на положение пятна. При перемещении цуга пятно сканирует по закону около точки z = 0. Если фотоприемник захватывает всю область сканирования, то вся информация о фазе светового поля теряется. Следовательно, для получения сигнала развертки фазы необходимо использовать либо специальный позиционно-чувствительный приемник, либо обычный фотоприемник с узким входным окном.

Видеосигналы в точках z_±1 имеют противофазный характер. Поэтому целесообразно использовать в схеме фазового АРУС два фотоприемника, расположенных в этих точках, и включенных по дифференциальной схеме. Тогда выходной сигнал i не будет содержать постоянной составляющей, а амплитуда переменной удвоится.

Фазовый АРУС плохо передает низкочастотные составляющие спектра оптического сигнала. Это является следствием того, что в устройстве непосредственно регистрируется не фаза φ, а ее градиент. В тех случаях, когда необходимо получать информацию именно о фазе, указанную трудность можно обойти различными методами. Во-первых, можно использовать пространственную поднесущую. Для этого надо анализируемую волну пропустить через синусоидальную решетку с периодом, соответствующим максимуму пространственно-частотной характеристики АРУС. Во-вторых, информацию о фазовой структуре можно получить, проинтегрировав выходной сигнал по времени. Частотная характеристика с интегратором имеет такой же вид, как у амплитудного АРУС.

Поскольку акустооптическое взаимодействие является линейным по световому полю, то динамический диапазон АРУС при считывании амплитуды определяется лишь динамическим диапазоном фотоприемников. Иначе обстоит дело с динамическим диапазоном по фазе. Когда рабочая точка находится на склоне кривой I(z), максимальное изменение φ' составляет .

Динамический диапазон фазового АРУС зависит от пространственной частоты оптического сигнала. Для синусоидально-модулированной волны наименьший диапазон получается для граничной частоты F_гр. При уменьшении F он возрастает.Больший диапазон можно получить в схеме с позиционно-чувствительным фотоприемником.