Устройство для формирования гильберт-образа пучка излучения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5)5 0 02 В 27/4 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Оь 4ЬГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(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 полученияГильбертобраза в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра дифракционной структуры относительна аси пучка. Ж16740 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/д связано с другими параметрами устройства соотношением Т/б = 1/а (р хоп/Т - 0,251 - ( - 1)Р ) ), где в = 1, 2, 3,.й/4; й - число канавок 2; р = 1, 2, 3,вТ/А й; Л - длина волны излучения; хРл - координаты расположению приемников 4 излучения, выбранные за пределами линейной апертуры структуры иотсчитываемые в противоположные стороны относительно проекции центра структуры 1 на плоскость блока 3. регистрации, расположенную на расстоянии лрп от структуры 1, определяемом согласно выражению гРП 1 = щТ /рА, а глубина канавок 2 удовлетворяет соотношению 0,05 ЛП 5 0,45 Л. 4 ил,На фиг. 1 представлена схема устрой- ФЬь ства; на фиг. 2 и 3 приведены численные 0 результаты, позволяющие провести сравнение относительных распределений интенсивности излучения в 20-й дифракционной полосе, образующейся в зоне дифракции Френеля на расстоянии к 11 от структуры, с Гиль- берт-образом, полученным в дальней зоне; на фиг. 4 - иллюстрация поведения Гиль- берт-образа при смещении центра дифракционнай структуры относительно оси пучка.Устройство содержит фаэовую дифракцианную структуру 1 прямоугольным профилем штрихов-канавок 2 и блок 3регистрации дифракционных изображений с приемниками 4 излучения. При этомканавки 2 выполнены одинаковыми по ширине д и глубине и и расположены с одинаковым периодом Т на всей поверхностиструктуры 1, а округленное до ближайшегоцелого отношение Т/б связано с другимипараметрами устройства соотношением- Е -- 0,25 ( 1 - (- 1)Р )д в Тгде щ = 1, 2, й/4; М - число канавок 2;р =1,2,3- Л-длина волны излучегпТЛЙния; хр - координаты расположения приемников 4 излучения блока 3 регистрации,выбранные за пределами линейной апертуры структуры 1 и отсчитываемые в противоположные стороны относительнопроекции центра дифракционной структуры 1 на плоскость блока 3 регистрации,расположенную на расстоянии грв от структуры 1, определяемом согласно выражениющ Т 2Крпра глубина й канавок 2 удовлетворяет соотношению0,05 ЛЬ 0,45 А,Работа устройства основана на эффектеформирования Гильберт-образа пучка излучения в изображениях Френеля дифракционной структуры с указанной геометрией.Дифрагированное на структуре 1 полеможно представить в виде суперпозицииполей рассеянных прямоугольными канавками 2, Диапазон изменения отношения периода Т расположения канавок к их ширинед выбран из условия получения вблизи ко ординат хрп сдвига фаз полей, рассеянныхсиммметрично расположенными относительно центра дифракционной структуры 1канавками 2 на Л /2.По отношению к дифракционной полосе, номер которой задается округленным дощТближайшего целого числом, поля, рассеянные симметричными канавками 2,сдвинуты по фазе на Л /2. Указанный фактпозволяет выделить в выражении для комплексной амплитуды дифрагированного поляпроизведение функции амплитудно-фазового распределения О(хп) падающего пучка5 и знаковой функции зцп(х), где и - номерканавки, отсчитываемый относительно центра дифракционной структуры 1, и тем самым выполнить. необходимые условия дляосуществления преобразования Гильберта. При этом вблизи координат наблюденияхра выражение для комплексной амплитудыдифрагированного поля преобразуется с5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 = - в . Необ 2 лх ходимое условие формирования Гильбертобраээ не выполняется при значениях гр, хре, отличных от указанных дискретных множеств значений. Так, например, вблизи плоскостей наблюдения ар дифрэкционное изображение является слабоконтрастным и не отображает Гиль- берт-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 ар возможна реализация 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 0(х) = гесЬ - ), где 2 а -гХа) характерный размер пучка, причем а = ИТ/2, й = 20, Относительные распределения интенсивности на фиг. 3 получены при падег,7 г хнии пучка О(х) = з 1 п-- ). Отношение периода Т расположения канавок 2 к их ширине д 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 преобразод 1 д 2вание Гильберта. Расчеты выполнены с использованием дифракционного интеграла Фурье-оптики, Отношение глубины канавки й 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/бЬ, где 9 =Л/2 а, О= хйр, Видно, что относительные угловые распределения интенсивности в полосе Френеля и в изображении Гиль- берта, 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 дифракционнойструктуры 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, В частности, 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 полТучены в плоскости г 11 при - , равном 20. Иэбприведенных графиков следует, что смещение Ь х центра дифракционной структуры 1 относительно оси пучка 5 не приводит к появлению сильного фона в изображении Гильберта,П р и м е р. При формировании Гиль- берт-образа пучка диаметром 20 мм на длине волны Л = 10,6 мкм в плоскости р 1 дифракционную структуру необходимо выполнять с шагом Т = 1 мм и шириной прямоугольных канавок Ь равной 50 мкм, При этом Гильберт-образ, пучка формируется в 10-й полосе изображения .Френеля. Дифракционная структура для формирования Гиль- берт-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 100 х 100 мм.Формула изобретения устройство для формирования Гиль берт-образа пучка излучения, содержащеефазовую дифракционную структуру с прямоугольным профилем штрихов-канавок и блок регистрации дифракционных изображений с приемниками излучения, о т л и ч а.10 ю щ е е с я тем, что, с целью сокращениягабаритов путем получения Гильберт-образа в зоне дифракции Френеля при одновременном устранении зависимости качества формирования от смещения центра диф ракционной структуры относительно осипучка, прямоугольные канавки дифракционной структуры выполнены. одинаковыми по ширине и глубине и расположены с одинаковым периодом на всей поверхности 20 дифракционной структуры, а округленноедо ближайшего целого отношение периода Т расположения прямоугольных канавок к их ширине г 1 связано с другими параметрами устройства соотношением25-- 0,251 - ( - 1)рб п Тгде т = 1, 2, 3 й/4; М - число канавок; рщТ30" Лй= 1, 2, 3,- ; Л - длина волны излучения; хргп - координаты расположения приемников излучения блока регистрации,выбранные за пределами линейной апертуры дифракционной структуры и отсчитыва 35 емые в противоположные стороныотносительно проекции центра дифракционной структуры на плоскость блока регист рации, расположенную на расстоянии гр отструктуры, определяемом согласно выраже 40 ниюл. Трл 1- - ,ра глубина канавок и удовлетворяет соотношению450,05 Лй 0,45 Л-З,О и Фиг. тСоставитель В. КравченкоТехред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец актор С. Никити з 2919 Тираж 329 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж Гагарина, 10