Пространственно-временные модуляторы света

Компоненты оптических систем обработки информации

ТЕМА

Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) изготавливаются в виде электрически (ЭУТ) либо оптически (ОУТ) управляемых оптических транспарантов (ОТ) и характеризуются следующими параметрами:

размеры линейной апертуры, мм,

число элементарных ячеек,

разрешающая способность, линий/мм,

рабочие и управляющие (для ОУТ) длины волн, нм,

величина управляющего напряжения (для ЭУТ), В,

коэффициент контраста (равен отношению разности максимального и минимального пропусканий транспаранта к их сумме),

быстродействие (время релаксации ПВМС),

нелинейность передаточной характеристики,

шумы.

В основе действия современных ПВМС лежат различные температурные, электрооптические, магнитооптические, акустооптические и др. эффекты - явления Поккельса, Керра, Фарадея, дифракция Брэгга и др. Типичные размеры линейной апертуры ПВМС 20-30 мм.

Рис. 14. Схема мембранного ЭУТ

Под действием электрического поля тонкая проводящая отражающая свет ХЛмембрана прогибается, при этом относительная величина прогиба равна Мембранный ЭУТ выполнен в виде двумерной решетки элементарных отражающих свет ячеек, устройство которых показано на Рис. 14.а.

где - напряжение, подаваемое на электрод ячейки, - сила поверхностного натяжения пленки. Методами технологии интегральной электроники изготавливаются мембранные ЭУТ с толщиной мембраны 0.1 мкм, радиусом ячейки 10-20 мкм, периодом решетки 40 - 50 мкм и общим числом ячеек, например, 128x128. Величина прогиба мембраны составляет около одной десятой длины световой волны, что достаточно для заметной фазовой пространственной модуляции отраженного ЭУТ света (Рис. 14. б). Управление ячейками ЭУТ производится посредством системы токопроводящих адресных шин с помощью электронного командного устройства (КУ), связанного с компьютером. Мембранный ЭУТ обеспечивает пространственное разрешение величиной около 20 линий/мм и обладает высоким быстродействием - время переключения ячеек до 0,1 мкс.

Разработаны ЭУТ в виде электровакуумных приборов с электроннолучевым управлением пропускания функциональных устройств транспарантов. Одним из первых известных ЭУТ такого типа является ПВМС «Эйдофор», принцип действия которого поясняется на Рис. 15.

Рис.15. Принцип действия ЭУТ «Эйдофор»

Рабочая поверхность ПВМС «Эйдофор» выполнена в виде тонкой масляной (полимерной) пленки толщиной 0.2 - 0.6 мкм на поверхности стеклянной пластины. Под действием электронного пучка пленка испытывает локальные температурные деформации величиной около , что вследствие рефракции приводит к изменению направления светового луча, проходящего через данный участок пленки. Посредством теневой («шлирен») системы, включающей два объектива с установленной между ними в центре фокальной плоскости диафрагмой («ножом Фуко», выполняющим роль фильтра нуле­вых пространственных частот), обеспечивается амплитудная модуляция проходящего через пластину пучка света.

Хотя эффективность использования энергии источника света здесь невысока (около 1 %), система «Эйдофор» обладает высокими, около 30 ли­ний/мм, разрешающей способностью, контрастом 1:100 и быстродействием - смена кадра происходит в течение 0,03 с. Такая система впервые использовалась для проекции ТВ-изображений на большой экран.

Рис. 16. ПВМС«Титус»

Другим примером электровакуумного ЭУТ является ПВМС «Титус», в основе принципа действия которого лежит линейный электрооптический эффект Поккельса (Рис. 16). Пластина из электрооптического кристалла , находящегося при температуре - С (для охлаждения кристалла применяются термоэлементы Пельтье), сканируется электронным лучом, который создает заданный рельеф электрического потенциала (и соответствующее градиенту потенциала распределение локального электрического поля) вблизи поверхности кристалла. Под действием электрического поля, вследствие эффекта Поккельса, величина двулучепреломления в разных участках кристаллической пластины прямо пропорциональна величине продольной составляющей напряженности электрического поля,

Здесь - показатель преломления, - электрооптический коэффициент, - локальная напряженность электрического поля.

Пластина кристалла помещается между скрещенными линейными поляри­заторами и (Рис. 16), при этом распределение мощности излучения в плоскости сечения пучка света на выходе такой оптической системы представляется формулой

где - полуволновое напряжение, - разность потенциалов в области поверхности пластины. ЭУТ «Титус» может использоваться в качестве амплитудного, либо фазового (при отсутствии линейного поляризатора на выходе системы) пространственного модулятора с разрешающей способностью около 30 линий/мм, временем переключения 10 мкс, коэффициентом контраста 1:100.

Рис. 17. Пьезокерамический ЭУТ

ЭУТ на основе электрооптической керамики обладают преимуществами перед электровакуумными ПМВС, благодаря сравнительно низкой стоимости. Рабочим материалом здесь является пластина из поликристалла цирконата-титаната свинца, легированного лантаном, толщиной около 100 мкм. В такой пьезокерамике образуются области спонтанной электрической поляриза­ции (домены), вектора ориентации которых в отсутствие внешнего поля рас­положены хаотично - Рис. 17. а. При прохождении света через такую пьезо-керамическую пластину состояние поляризации света изменяется незначительно, так как средняя величина двулучепреломления при этом близка к нулю. При действии внешнего электрического поля, что обеспечивается созданием потенциального рельефа решеткой прозрачных электродов на поверхности ЭУТ, направления векторов спонтанной поляризации доменов керамики выстраиваются вдоль вектора внешнего поля. Вследствие продольного электрооптического эффекта Поккельса в разных участках пластины средняя величина двулучепреломления становится отличной от нуля, что приводит к изменению поляризации света, проходящего через данный участок ЭУТ (Рис. 17. б). Пьезокерамические ЭУТ содержат до 10 000 ячеек размерами 0.3x0.3 мм, прозрачны в широком диапазоне длин волн 0.6 - 6.0 мкм, характеризуются высоким (1:500) контрастом и высокой, до 0.1 мс скоростью срабатывания.

Рис. 18. ОУТ «Фототитус»

Одним из первых оптически управляемых ПМВС явился ОУТ «Фототи-тус», принцип действия которого поясняется на Рис. 18. В основе действия такого ОУТ лежит продольный электрооптический эффект Поккельса в тонкой, толщиной 0.15 мм, пластине кристалла БКБР. В отличие от ЭУТ «Титус», пространственный зарядовый рельеф вблизи поверхности кристалла созда­ется не электронным пучком, а электрическими зарядами, возникающими в результате внутреннего фотоэффекта в слое фотопроводника - селена, нахо­дящегося в контакте с кристаллом. Между слоем селена толщиной 10 мкм и кристаллом БКБР расположено диэлектрическое зеркало (многослойное ин­терференционное покрытие) с высоким коэффициентом отражения на длине волны считывания 633 нм. Разность потенциалов прозрачных электродов, расположенных на внешних поверхностях ОУТ, около 100 В. Поглощение излучения на длине волны записи 300-400 нм вызывает образование элек­тронов проводимости в слое селена, которые под действием внешнего элек­трического поля дрейфуют к границам пластины и создают требуемый про­странственный зарядовый рельеф, следовательно, и различной величины продольное электрическое поле в пластине кристалла. В результате искусственного двулучепреломления в кристалле осуществляется пространственная модуляция поляризации излучения считывающего пучка света. ОУТ «Фото-титус» при апертуре 30 мм имеют разрешение до 40 линий/мм, контраст 1:100. Недостатком этого ОУТ является необходимость охлаждения кри­сталла до - С (ниже точки Кюри).

Примером ПВМС, в котором используются как электрооптические так и полупроводниковые свойства одного кристалла является ОУТ «ПРОМ», принцип действия которого поясняется на Рис. 19.

Рис. 19. ОУТ «ПРОМ».

Основой ПВМС ПРОМ является пластина из высокоомного кристалла силиката либо германата висмута (В80) толщиной 100 мкм. По бокам пластины размещены слои изоляторов (органический диэлектрик парилен толщиной 3 мкм) и прозрачные электроды. В режиме записи при освещении участка кристалла синим или ультрафиолетовым светом ( = 442 нм) в результа­те внутреннего фотоэффекта образуются носители заряда, которые под действием внешнего поля дрейфуют к границам кристалла и захватываются ловушками, создавая в соответствующем участке кристалла заданный рельеф электрического потенциала. Локальное электрическое поле вследствие продольного электрооптического эффекта Поккельса создает искусственное двулучепреломление в кристалле, приводящее к фазовой или амплитудной (при использовании внешних поляризаторов) пространственной модуляции считывающего света на длине волны 633 нм. ОУТ «ПРОМ» характеризуется высоким контрастом (лучше 1:1000) и низким, до 10 линий/мм пространственным разрешением. Такие ПВМС обычно используются для преобразования некогерентного изображения в когерентное, например, на длине волны гелий-неонового лазера, равной 633 нм.

Помимо отмеченных типов ПВМС, в настоящее время разработаны и постоянно совершенствуются управляемые пространственные модуляторы на основе термопластиков, жидких кристаллов, магнитооптических материалов, полупроводниковых структур и др. Благодаря использованию современных технологий оптики и микроэлектроники, в последние годы в этих областях достигнуты весьма высокие характеристики таких устройств.

Дата добавления: 2017-01-14