Когерентно-оптический преобразователь масштаба поля

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Гомельский государственный университет им. ФранцискаСкорины(73) Патентообладатель Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины(57) Применение преломляющей призмы в качестве когерентно-оптического преобразователя масштаба поля.(56) 1. Гинзбург В.М., Степанов Б.М. Голографические измерения.-М. Радио и связь. 1981.-С. 90-96. 2. Голография. Методы и аппаратура / Под ред. В.М. Гинзбурга и Б.М. Степанова.-М. Сов. Радио, 1974.С. 63-69. 3. А.с. СССР 1252741 ПМК 01 29/10, 1986. 4. Алешкевич Н.И., Ключников А.С., Кондратенко В.И. Оптическое восстановление СВЧ-голограмм // Вестник БГУ им. В.И. Ленина.-2, сер.1, 1989.-С. 15-19. 5. Алешкевич Н.И., Ключников А.С., Кондратенко В.И. К вопросу об управлении фазовой структурой световых пучков // Вестник БГУ им. В.И. Ленина.-1, сер.1, 1990.-С. 12-15. 6. Г.С. Ландсберг. Оптика.-М.Наука, 1976.-С. 540-547. 7. Теория оптических систем.-М. Машиностроение, 1981.-С. 331-333. Фиг. 1 Изобретение относится к когерентной оптике и может быть использовано для преобразования масштаба световых полей в оптических системах обработки информации, в частности, при исследовании полей дальней зоны широкоапертурных источников света для оптического масштабного восстановления СВЧ - голограмм при оптическом моделировании диаграмм направленности антенн, при регистрации спектров светорассеяния с помощью фотометрических элементов и в других системах. Известно использование голограммы в качестве когерентно-оптического преобразователя масштаба поля 1. 2521 1 В известном решении преобразование масштаба поля осуществляют путем регистрации голограммы с последующим ее восстановлением когерентным световым пучком с длиной волны отличной от длины волны при регистрации голограммы. При этом в качестве дополнительной операции может производиться изменение масштаба транспаранта уменьшение либо увеличение голограммы методами некогерентной оптики 2. Из сказанного вытекает очевидная трудоемкость метода преобразования масштаба поля, невозможность преобразования масштаба поля в реальном масштабе времени с помощью голограммы, а поскольку голограмма восстанавливает поле только предварительно записанное, то существенное ограничение применения голограммы лишь записанным в ней полем с целью преобразования его масштаба. Применение излучения другой длины волны ограничивает возможность увеличения коэффициента преобразования масштаба за счет изменения длины волны, поскольку при восстановлении голограммы наблюдаются искажения поля и нарушается его подобие, особенно заметное для продольного и поперечного направлений преобразования масштаба. Известен когерентно-оптический преобразователь масштаба поля 3, примененный в устройстве для оптического моделирования диаграммы направленности антенны. В известном устройстве для моделирования когерентно-оптический преобразователь масштаба поля (в дальнейшем - КОПМП) выполнен в виде конфокальной системы двух линз с различными фокусными расстояниями. Согласно проведенным исследованиям применение упомянутого КОПМП 4-5, преобразование масштаба светового поля заключается в том, что конфокальная оптическая система, осуществляя над полем источника, расположенного в передней фокальной плоскости первой преобразующей линзы, двойное преобразование Фурье с различными параметрами, образует в задней фокальной плоскости второй преобразующей линзы поле,связанное с исходным операцией преобразования масштаба одновременное с инверсией координат. 2) 1 гдеи 2- фокусные расстояния линз телескопа. Следует отметить, что введение второй линзы дает сверх суммарный эффект, недостижимый при использовании для получения уменьшенного или увеличенного изображения одной линзы. Подобие при построении изображения в линзе имеет вид(2),1 что отличается от предыдущего выражения наличием квадратичного фазового множителя, и, таким образом, при построении изображения одна линза обеспечивает лишь амплитудное подобие в заданной плоскости. При использовании же когерентных световых пучков преобразованное поле оказывается фазово-искаженным, вследствие чего поле дальней зоны преобразованного поля не является подобным полю дальней зоны (пространственночастичному спектру) исходного объекта. Вторая линза в этом случае играет роль фазового корректора в отличие от первой, которая играет роль объекта фокусирующего, т.е. создающего изображение. Аналогичным образом можно построить систему из любого числа линз (не менее двух), позволяющую производить над полем операцию преобразования масштаба. Преобразование масштаба поля согласно известному решению характеризуется 1). Использованием сферических линз, что влечет наличие присущих всем приборам такого рода аберраций. 2). Увеличением масштабного коэффициента преобразования поля требуется предельно малое фокусное расстояние корректирующей линзы, что обуславливает естественным образом малость е апертуры и, как следствие, большие апертурные искажения при преобразовании выражающиеся в фильтрации высоких пространственных частот. 3). Достаточно небольшим коэффициентом преобразования, что обусловлено ограничениями на технические характеристики существующих линз, связанными с их габаритами и вышеупомянутыми апертурными ограничениями и сферическими аберрациями. 4). Большими габаритами оптической системы преобразования масштаба, обусловленными необходимостью использования первой линзы с максимально большим фокусным расстоянием. 5). Невозможностью осуществления анизотропного одномерного преобразования масштаба даже при использовании цилиндрических линзовых систем, что также преимущественно обусловлено наличием сферических аберраций и апертурных ограничений. Согласно предлагаемому изобретению решается задача создания оптического элемента, обеспечивающего одновременное конформно-подобное преобразование масштаба светового поля в реальном времени. Технический результат, достигаемый при этом, заключается в возможности преобразовании масштаба любых световых полей, в возможности увеличения коэффициента преобразования масштаба. 2521 1 Дополнительный технический результат заявляемого КО ПМП заключается в возможности перестройки коэффициента преобразования масштаба в более широком диапазоне значений. Достижение поставленной задачи и основного технического результата обеспечивается тем, что в качестве когерентно-оптического преобразователя масштаба используется преломляющая призма. Дополнительный технический результат обеспечивается тем, что преломляющую призму устанавливают с возможностью поворота относительно оси, параллельной выходной преломляющей грани призмы. Известно применение преломляющей призмы в качестве диспергирующего элемента в спектральных приборах 6, базирующееся на свойстве призмы по различному (ввиду дисперсии материала призмы) преломлять падающие на нее лучи с различной длиной волны. Известно также использование призмы в качестве формирователя световых пучков в некогерентной оптике для изменения сечения светового пучка (призменные коллиматоры), в основе построения которых лежат представления геометрической оптики 7. Следует отметить, что видимая схожесть задач изменения сечения при формировании светового пучка и преобразования масштаба поля на самом деле является кажущейся различны задачи используются различные условия применения призмы достигаются различные результаты. На фиг. 1 изображена схема преломления световой волны на призме в приближении геометрической и волновой оптики. Фиг. 2 иллюстрирует геометрию построения эквивалентного источника при преломлении поля на границе раздела согласно заявляемому изобретению. На фиг. 3 изображен ход лучей в преломляющей призме, используемой в качестве КОПМП, при произвольном (а) и нормальном (б) расположении передней грани. В задаче изменения сечения при формировании светового пучка формируется световой пучок с определенным (суженным либо расширенным по отношению к исходному) сечением, т.е. - полушириной пучка либо иным энергетическим параметром. При этом пренебрегают дифракционными эффектами на границе раздела, что предполагает выполнение условиядля светового пучка, где- расстояние исследования, длина волны света. В случае постановки задачи преобразования масштаба поля формируется поле, отвечающее полю определенным образом ориентированного эквивалентного источника(х), связанного с исходным(х) соотношением подобия- коэффициент преобразования масштаба. При этом совершенно очевидно при выполнении условия, где- расстояние до плоскости наблюдения, понятие светового пучка в преобразованном поле 2 абсолютно неприменимо и следует оперировать терминами поля дальней зоны - т.е. Диаграмма направленности либо угловой (пространственно-частотный) спектр поля, описывающими распределение энергии поля по углам, в то время как понятие световой пучок в когерентной оптике описывает состояние с определенным волновым вектором, т.е. в нем все лучи параллельны. При этом (фиг. 1) для задачи преобразования масштаба используют такие понятия Р(х) - плоскость источника с функцией распределения(х), Р (х)плоскость локализации эквивалентного источника с функцией распределения(х), Р(у) - плоскость регистрации, (у) - распределение поля в плоскости регистрации, 1 и 2 - сечения световых пучков соответственно до и после преобразования. Сущность заявляемого изобретения вытекает из впервые проведенного расчета преобразования поля произвольного источника на плоской границе раздела двух сред. Рассмотрим в параллельном приближении преобразование поля произвольно расположенного плоского источника(х) на границе разделадвух оптических произвольных сред с показателями преломления 1 и 2 соответственно (фиг. 2). Используя границу раздела как плоскость промежуточного интегрирования, можно показать, что поле в произвольной плоскостиво второй среде отвечает полю эквивалентного источника,связанного с исходным соотношением и расположенного в соответствии с условиями, налагаемыми на плоскости локализации 2521 1 где 1, 2 - углы между нормалями к плоскости раздела 1 и эквивалентного 2 источников , 1 и 2 - соответственно расстояние от начала координат плоскостей локализации до точки пересечения нормалей с границей раздела. Рассматривая преобразования в призме, как последовательное преобразование на двух границах раздела (фиг. 3 а), можно получить связь между исходным и преобразованным полями(7), где 1, 2 - углы падения и преломления между нормалями в первой преломляющей границе, 3 и 4 - углы падения преломления на второй преломляющей грани. Полученное выражение характеризует преобразование масштаба поля при произвольном расположении передней грани призмы (соответствует фиг. 3 а). Таким образом, впервые показана возможность применения преломляющей призмы по неизменному ранее функциональному назначению, а именно для преобразования масштаба когерентного электромагнитного (светового) поля. В реальном устройстве с энергетической точки зрения предпочтительно использование конфигурации с 12 (фиг. 3 б) (максимум коэффициента пропускания), при этом коэффициент преобразования масштаба определяется выражением (4), или с учетом обозначений углов Используя (6), для коэффициента преобразования масштаба можно получить(9), что для углов близких к углу полного внутреннего отражения пво может быть приближенно выражено в виде(11), что при 0 обуславливает большое изменениепри малом изменении положения выходной преломляющей грани призмы, что позволяет пренебречь учетом измененияза счет преломления на передней грани призмы. Таким образом, согласно изобретению любая оптическая прозрачная преломляющая призма может быть использована в качестве КОПМП. Величина коэффициента преобразования масштаба поля в общем случае будет определяться значениями углов 1, 2, 3, 4 (см. выражение 7) либо для прямой призмы 3, 4 (см. выражение 9,10) и показателем преломления материала призмы. Совершенно очевидно, что предлагаемый КОПМП применим для любых источников когерентного излучения и для любых видов когерентных полей для которых можно пренебречь нелинейными эффектами, связанными с высокой плотностью мощности светового излучения. Для практического использования преломляющей призмы ее устанавливают таким образом, чтобы энергетическая ось поля исследуемого объекта составляла угол с преломляющими гранями призмы и проходила через их центр, а расположение призмы и объекта удовлетворяло условиям параксиального приближения. В частном случае прямой призмы, ее конструктивные параметры, определяются выражением где- показатель преломления материала призмы,- угол при основании призмы - требуемый коэффициент преобразования масштаба. Условия параксиального приближения для прямой призмы определяются выражениями 2521 1 где- расстояние до объекта исследования- максимальная пространственная частота- длина волны света- поперечный размер (высота) призмы 0 - апертура объекта. Исследуемый объект, призму располагают с учетом указанных требований, ориентируя энергетическую ось поля таким образом, чтобы она образовывала нормаль с поверхностью призмы, перпендикулярной к основанию и составляющей угол 90 -с преломляющей гранью, и проходила через ее центр. Заявляемое устройство при этом работает следующим образом. Световое поле исследуемого объекта проникает в призму, преломляется на преломляющей грани, преобразуясь в конформно-подобное одномерное световое поле в соответствии с выражением(15). Легко видеть (см. выражения 4, 6, 8, 9, 10), что величина коэффициента преобразования масштаба может быть не только задана конструктивно (см. выражение 11), но и может быть изменена путем поворота призмы вокруг оси, параллельной ее граням и перпендикулярной энергической оси поля исследуемого объекта. Это позволяет регулировать масштаб преобразования поля, производить исследования поля, поворачивая призму относительно упомянутой оси и устанавливая значения коэффициента преобразования масштаба пропорционально углу поворота. В этом случае преобразование масштаба поля(16) справедливо для конкретного угла . Проводя аналогичные расчеты для коэффициента продольного преобразования е масштаба поля, получим его связь с коэффициентом поперечного преобразованияв виде 2(17). Таким образом, для преобразования поля в призме характерно наличие изменения соотношения между продольнымпоперечными масштабами моделируемого объекта, что позволяет судить о возможности применения данного объекта при оптическом моделировании с возможностью согласования продольного и поперечного масштабов моделируемых полей. Использование оптически прозрачной преломляющей призмы в качестве КО ПМП позволяет, в сравнении с прототипом, достичь существенного технического эффекта, заключающего в том, что, во-первых, коэффициент преобразования масштаба практически неограничен в отличие от линзовых систем, где ограничение накладывают апертурные искажения, вызванные применением линз, для которых размеры апертуры напрямую связаны с фокусным расстоянием и увеличением коэффициента преобразования, что влечет за собой уменьшение относительного выходного отверстия (полосы пространственно-частотного пропускания) либо за счет прямого уменьшения апертуры второй преобразующей линзы при уменьшении ее фокусного расстояния, либо за счет удлинения системы ввиду увеличения фокусного расстояния первой линзы. Увеличение масштаба преобразования поля в свою очередь позволяет расширить класс моделируемых объектов(при восстановлении СВЧ - голограмм увеличение масштаба преобразования поля пропорционально увеличению длины волны моделируемого поля, допускающей достижение масштабного соответствия). Снижается(пропорционально квадрату масштабного коэффициента) требование на минимальный размер зоны наблюдения, что при прочих равных условиях позволяет расширить класс используемых оптических элементов при диагностике их диаграммы рассеяния. Апертура допускающих использование для данной процедуры применения КОПМП объектов пропорциональна квадрату масштабного коэффициента, т.е. увеличениев 10 раз позволяет работать с объектами в 100 раз более крупными. 2521 1 Во-вторых, с технической точки зрения широкоапертурную призму изготовить несравненно проще, нежели такую же линзу. Теоретически отсутствуют в этом плане любые ограничения, в то время как для линзовых КОПМП апертура, как указывалось выше, связана с коэффициентом преобразования, и ввиду этого ограничена. Это позволяет существенно повысить качество преобразования, при улучшении технологичности преобразования. И, наконец, в-третьих, для призмы не характерны аберрации, присущие криволинейным оптическим поверхностям, что также повышает качество моделирования при диагностике антенн. Применение преломляющей призмы для масштабного преобразования световых полей не ограничивается вышеупомянутыми приложениями. Фиг. 3 оставитель В.А. Тугбаев Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.Н. Никитина Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.