Голография в матричных фазовых модуляторах света

Схема представляет собой интерферометр Тваймана-Грина. Монохроматическое излучение He-Ne лазера проходит через телескопическую систему 2 и диафрагму 5, таким образом, объект

Голография в матричных фазовых модуляторах света

Дипломная работа

Физика

Другие дипломы по предмету

Физика

Сдать работу со 100% гаранией
eye, позволяют легко записывать и воспроизводить тонкие фазовые голограммы.

О рабочих прототипах голографических дисплейных устройств различных конфигураций уже было написано множество работ. Размеры и разрешение используемых для построения таких прототипов ПМС сильно сказывается на качестве воспроизводимого трехмерного изображения. Порядок пространственной частоты может служить хорошим численным показателем при оценке качества таких устройств. Для стационарного наблюдателя достаточно средних значений пространственной частоты, но при проектировании дисплея, ориентированного на наблюдателя, имеющего поступательные и вращательные степени свободы, требования к пространственной частоте резко возрастает.

При оптимизации голографического дисплея на практике приходится учитывать свойства человеческого глаза, в частности ограниченный размер зрачка и его положение относительно дисплея. В настоящее работе производились эксперименты по проявлению компьютерно генерированных голограмм, рассчитанных с учетом свойств человеческого глаза и предоставленных партнером по развитию данной тематики (Санкт-Петербургским центром исследований компании Intel).

Схема установки для проведения эксперимента

 

Рис. 5. Схема прототипа голографического дисплея на He-Ne лазере:

- He-Ne лазер; 2 - коллиматор; 3 - мнимое изображение;

- ЭА ЖК ПМС; 5 - объектив с диафрагмой; ПЗС - ПЗС камера;

ПК - персональный компьютер.

 

Схема установки представлена на Рис.5. Ключевым элементом схемы является ЭАЖКПМС 4 пропускающего типа LC-2002 фирмы Holoeye, который освещался излучением He-Ne лазера 1 (633 nm). С компьютерно-генерированной голограммы, передаваемой с персонального компьютера на модулятор, восстанавливалось мнимое изображение 3, которое было возможно наблюдать невооруженным глазом с расстояния ~1500 мм от изображения. В целях регистрации изображения использовалась высококачественная профессиональная цифровая камера с регулируемым размером диафрагмы.

Структура голограммы была рассчитана в соответствии с апертурой зрачка человеческого глаза. Таким образом, с любой точки наблюдения зрачок выполнял функцию полевой диафрагмы.

Результаты эксперимента

Рис. 6. Изображения с тестовых голограмм

 

Для начальной настройки установки использовались тестовые голограммы, поставляемые в комплекте с модулятором. Записанные с помощью камеры примеры восстановленных с таких голограмм изображений показаны на Рис.6.

На Рис.7 показаны результаты проявления голограмм, предоставленных партнером. Приведенные изображения наглядно демонстрируют зависимость зашумленности изображения от размера диафрагмы.

Как видно, наименее зашумленное изображение получено при размере диафрагмы, наиболее бликом к расчетному (фокальное расстояние объектива 170 мм).

 

Рис. 7. Зависимость зашумленности изображения от размера диафрагмы:

 

Проявленные изображения были зарегистрированы несколькими наблюдателями. Приведенные в настоящем материале снимки уступают по качеству наблюдаемым невооруженным глазом изображениям.

В результате эксперимента показана возможность успешного использования технологий ЖК ПМС при построении голографических трехмерных дисплеев, а также прошел успешное тестирование алгоритм расчета компьютерно-генерированных голограмм, разработанный представителями фирмы Intel. В ближайшем будущем планируется развитие данного эксперимента в сторону построения более сложного прототипа с использованием более совершенного модулятора, имеющего лучшее разрешение и меньший размер пикселя.

4. Повышение чувствительности интерференционных измерений методом перезаписи голограмм

 

Область поставленной задачи

Методы голографической интерферометрии с увеличением чувствительности измерений позволяют исследовать малые фазовые неоднородности прозрачных сред [7] и топографию отражающих поверхностей при малых отклонениях отраженного волнового фронта от плоского [8]. В обоих случаях эти отклонения составляют сотые и десятые доли интерференционной полосы.

Идейной базой данного проекта послужили работы И.С. Зейликовича, В.И. Короткова, А.М. Ляликова, С.А. Пулькина и др. по исследованию и разработке возможностей повышения чувствительности интерференционных измерений [6-12] и применению таких методов для измерения объектов в субмикронном диапазоне.

На данный момент голографические методы повышения чувствительности интерферометрических измерения уже были успешно использованы в работах, реализующих передачу единицы длины от государственного эталона длины в субмикронный и нанометровый диапазоны [6]. В статьях [7, 10] был описан метод прецизионного измерения периода дифракционных решёток до 3600 штрихов/мм с помощью лазерного дифрактометра. В настоящей работе используется голограмма наноступени на кремниевой подложке, полученная в лазерном микроинтерферометре (ЛМИ). В ЛМИ используется оптическая схема, подобная оптической схеме лазерного дифрактометра, описанного в [7, 10], но вместо измеряемой дифракционной решетки установлена измеряемая ступень, а в качестве приёмника излучения вместо ПЗС-линейки используется ПЗС-камера. Схема ЛМИ для записи голограммы объекта представлена на Рис.1.

Схема установки для проведения эксперимента

Схема представляет собой интерферометр Тваймана-Грина. Монохроматическое излучение He-Ne лазера проходит через телескопическую систему 2 и диафрагму 5, таким образом, объект 7 освещается плоским волновым фронтом. Образцом служила мера высоты ступени 70 нм, которая помещалась в одно плечо интерферометра перпендикулярно лазерному лучу. Во второе плечо устанавливалось зеркало 6. Все измерения проводились со слегка заклоненным зеркалом 6 для получения интерференционной картины полос равной толщины в поле зрения микроскопа. Дополнительно к схеме Тваймана-Грина, между светоделительным кубиком 5 и микроскопом для сведения пучков помещались два объектива 8, в сопряженные фокальные плоскости которых была установлена диафрагма 9. Такая оптическая схема позволяет направлять световые пучки под относительно большими углами, изменять и оптимизировать число линий на интерференционной картине. На структуре длиной 100 мкм помещается около 20-30 интерференционных линий. Интерференционная картина регистрировалась ПЗС-камерой (736 х 572 пикселя).

 

Рис. 8. Схема записи голограмм малых неоднородностей.

- He-Ne лазер; 2 - телескоп; 3 - опорное зеркало; 4 - диафрагма; 5 - светоделительный кубик; 6 - опорное зеркало; 7 - объект; 8 - объективы; 9 - диафрагма

 

Комплексные амплитуды световых волн, записывающих голограмму объекта 7, отображающуюся на ПЗС-камере, будут иметь вид:

 

 

где - плоскость, перпендикулярная плоскости распространения света; - действительные амплитуды объектной и опорной волн; - пространственная частота опорной волны; - угол между направлением распространения опорной волны и осью ; - длина волны источника света; и - искажения фаз световых волн, обусловленные аберрациями оптической системы; - изменение фазы объектной волны на объекте.

На Рис.2. приведено изображение интерферограммы (голограмма), полученное на ПЗС-камере.

 

Рис. 9. Голограмма ступени

 

Вторым этапом является повышение чувствительности измерений. Развернутый обзор голографических методов регулировки чувствительности интерференционных измерений и некоторых примеров их применения при анализе прозрачных сред проведен в работе [11]. Среди обсуждаемых в работе [11] методов хотелось бы выделить метод перезаписи голограмм, развитием которого и является настоящая работа.

 

Рис. 10. Схема перезаписи голограмм малых неоднородностей.

- He-Ne лазер; 2 - телескоп; 3 - интерферометр Маха-Цендера;

- голограмма; 5 - объектив; 6 - фильтрующая диафрагма

 

На Рис.3 изображена схема для перезаписи голограмм, позволяющая увеличить чувствительность измерений. Схема представляет собой интерферометр Маха-Цендера. Монохроматическое излучение He-Ne лазера 1 проходит через расширяющий диаметр пучка телескоп 2 и попадает в интерферометр 3 Маха-Цендера, где волна разделяется на два луча, которые затем вновь сводятся воедино и интерферируют. Комплексные амплитуды волн на выходе интерферометра можно представить как:

 

 

где - плоскость, перпендикулярная плоскости распространения света; - действительные амплитуды объектной и опорной волн; и - составляющие пространственных частот волн, определяющие из направление распространения, в общем случае выражающиеся как ; и - углы между направлением распространения i-ой волны и осями и ; - длина волны источника света; и - искажения фаз световых волн, обусловленные аберрациями интерферометра; - изменение фазы объектной волны на объекте.

Голограмма 4 (физически реализованная печатью на прозрачной полимерной структуре) освещается волнами и под определенными углами, в результате чего в фокальной плоскости первого из объективов 5 наблюдается две (от каждой из волн) картины дифракции. Диафрагма 6, установленная в фокальной плоскости первого из объективов 5, имеет два отверстия.

При перезаписи голограммы направляют освещающие волны и на голограмму так, чтобы волны, дифрагировавшие в +n-й и −n-й порядки, распространялись под некоторым углом друг к другу, а их максимумы в плоскости диафрагмы 4 попадали каждый в свое отверстие. Таким образом, расстояние между отверстиями задает несущую частоту полос, получающихся в результате вторичной интерференции сопряженных порядков, которая сопровождается удвоением фазового набега. Комплексные амплитуды

Похожие работы

< 1 2 3 4 > >>