книги из ГПНТБ / Гущо Ю.П. Фазовая рельефография

Достичь полного отражения светового потока прин­ ципиально невозможно, так как для этого необходимо было бы иметь призму с идеальной сплошной средой и идеальный деформируемый слой. Исследования показы­ вают, что около 1 % света выходит за пределы призмы со стороны слоя 8. В случае применения фотопроводнн-

Рпс. 4-4. Схема призматического щелевого оптического устройства.

кового устройства управления рельефом этот световой поток, если не принять специальных мер, серьезно ме­ шает работе системы.

Другим недостатком призматической оптики являет­ ся наклонное расположение деформируемого слоя по отношению к оптической осп. Чтобы воспроизвести изо­ бражение на экране без искажений, необходимо приме­ нить средства оптической коррекции.

Выше были рассмотрены оптические схемы проекции на экран полутоновых и штриховых изображений, ко­ торые требуют записи в форме фазовой решетки. Отме­ тим теперь некоторые особенности щелевой оптики для индикации двоичных цифровых данных.

Двоичную информацию обычно записывают на слое в виде одиночных ямок, сечение которых показано на рис. 4-5. Для записи 1 можно применить, например, ямку; для представления 0 — недеформировалный уча­ сток. Вследствие несжимаемости деформируемой среды при образовании ямки по ее краям появляются два бу­ горка.

90

Щелевая система для считывания двоичной инфор­ мации [Л. 27] (рис. 4-6) мало отличается от рассмотрен­ ной на рис. 4-1. Обычно выходная решетка имеет вид двух щелей. За решеткой расположены два фотоумножи­

званной, например, пылинкой, неравномерная засветка фотоумножителей приведет к тому, что схема И не сра­ ботает.

Существуют оптические устройства с неподвижным световым лучом, мимо которого протягивают пленку

Рис. 4-6. Схема щелевого оптического устройства для считывания цифровой записи.

с записью, а также устройства со сканирующим лучом, осуществляющим последовательную выборку, и др.

Есть основания считать, что цифровая запись на де­ формируемых носителях со временем выделится в само­ стоятельную область техники построения запоминающих устройств с большой емкостью подобно цифровой маг­ нитной записи. Этому способствует высокая плотность записи, большая скорость считывания и низкая стои­ мость носителя записи как в абсолютном выражении, так и приходящаяся на единицу информации. Рельефо­ графические запоминающие устройства пригодны к ис­ пользованию в полностью оптических вычислительных

91

машинах, поскольку они могут иметь оптический вход и выход.

Иногда требуется получить окрашенный сигнал или изображение, например, с целью разделения потоков информации по цвету, совмещения цветов для получе­ ния многоцветных изображений и т. п. Для этого можно использовать монохроматический источник света или цветные фильтры до прохождения светового потока че­ рез оптический тракт или после него.

Щелевые системы позволяют формировать монохро­ матический выходной поток и без применения указан­ ных способов. Если щели шлирен-оптнки достаточно ши­ роки, то весь спектр дифрагированного света попадает на экран. При сужении щелей решетки из этого спектра можно выделить необходимую полосу частот. Если за­ даны параметры источника света, конструкция стержней и форма поверхностного рельефа, то пропускаемый на экран цвет зависит от шага фазовой решетки, а вели­ чина светового потока-—от ее амплитуды.

Благодаря возможности разделения световых лучей по цветам успешно решается проблема воспроизведения цветных изобраокений путем последовательного или од­ новременного сложения трех основных цветов, напри­ мер красного, зеленого и синего. Существуют три кон­ структивные разновидности цветных проекторов с ще­ левой оптикой.

В первой основные цвета воспроизводятся во время передачи одного кадра с помощью одного проектора с синхронной сменой фильтров перед приемным устрой­ ством и проекционным источником света. При этом устройство управления должно работать в 3 раза быст­ рее, чем при воспроизведении черно-белых изображений. Подобные проекторы относительно экономичны и при­ меняются в замкнутых системах передачи информации.

Во второй для приема многоцветных изображений с одновременной передачей трех цветов используют три проектора. Многоцветное изображение получают совме­ щением основных цветов на экране.

В двух предыдущих случаях цвета смешиваются на экране, а носитель записи работает в черно-белом ре­ жиме. В третьей разновидности проекторов на одном носителе одновременно записывают три дифракционные решетки, шаг которых соответствует трем.основным цве­ там, или две решетки с одним постоянным и одним пе­

92

ременным шагом. Правильному воспроизведению цвет­ ных изображений препятствует дифракция световых пуч­ ков на «чужих» дифракционных решетках. Бороться с этим явлением трудно. Практически цветные изобра­ жения получаются достаточно высококачественными, если применять фильтрующие щелевые решетки и раз­ носить их в пространстве [Л. 8]. Применяя дифракцион­ ные фазовые решетки для деления цветов в изображе­ нии, можно значительно повысить гибкость системы цветной проекции, обеспечить возможность одновремен­ ной передачи цветов и сделать оборудование более ком­ пактным.

4-2. Светоотдача щелевых оптических устройств

Коэффициентом светоотдачи или просто светоотдачей щелевой оптики называют отношение светового потока, прошедшего через первую и вторую щелевую диафраг­ му, к световому потоку, прошедшему через первую диа­ фрагму. Светоотдача зависит от параметров и располо­ жения щелевых диафрагм и деформируемого слоя и других оптических элементов устройства воспроизведе­ ния. Наиболее важной характеристикой светоотдачи является ее зависимость от изменений поверхностного рельефа деформируемого слоя. Эта характеристика впервые была рассчитана Фишером и Тиманом [Л. 70] на основе законов геометрической оптики. Применение этих законов приводит к достоверным результатам толь­ ко в тех случаях, когда можно пренебречь дифракцией света на щелевых диафрагмах и на несущей изображе­ ние фазовой решетке. Однако для щелевых устройств [Л. 40, 54] это условие часто не выполняется.

Рассчитаем светоотдачу щелевого оптического устройства, схема которого изображена на рис. 4-7. К этой схеме приводятся практически все случаи, кото­ рые были описаны в предыдущем параграфе. В плоско­ сти О Х о , r/i находится распределенный источник света L; в плоскости Оз, х, у помещена фазовая решетка — дефор­

деформируемого слоя до первой и второй диафрагм со­ ответственно. Проанализируем наиболее важный для практики случай, когдаразмер элемента изображения во много раз больше периода несущей фазовой решет-

93

кп или когда деформируемый слой можно рассматри­ вать как однородную периодическую фазовую решетку.

В приближении Фраунгофера [Л. 71] с точностью до постоянного множителя амплитуда В световой волны

Рис. 4-7. Расчетная схема щелевого оптического устройства.

в некоторой точке деформируемого слоя, обусловленная светом, посылаемым из точки (х'о, у0) светового источни­ ка, определяется с помощью выражения

плоскости второй щелевой диафрагмы определится по формуле

через деформируемый слой.

При пологом поверхностном рельефе его величина

94

ных амплитуд световой волны в этой плоскости необхо­ димо проинтегрировать по всей поверхности источника света. Например, это распределение в плоскости первой диафрагмы определится так:

с диафрагмами, состоящими из бесконечного периодиче­ ского набора непрозрачных стержней. При пользовании формулами (4-1) —(4-3) п (4-6) —(4-8) будем считать,

что период следования стержней в обеих решетках ра­ вен h, ширина щелей первой диафрагмы h\, ширина не­ прозрачных стержней второй — ho, расстояние R = R' (рис. 4-7). Допустим также, что на деформируемый слой нанесена фазовая синусоидальная решетка, набег фазы

(Oh = 2д/Л.

95

Функция прозрачности второй диафрагмы будет иметь вид:

СО

^-^-sin Ц- k ) ехр(/о)Д'/г). (4-10)

k~ — СО

Для создания темного поля в отсутствие поверхност­ ного рельефа необходимо выполнить условие

В соответствии с выражениями (4-3) —(4-5) для рас­ сматриваемого случая функция пропускания слоя запи­ шется в виде

найдем формулу для определения коэффициента свето­ отдачи 1:

Впервые формула (4-12) была выведена Мастом [Л. 54]. Она значительно упрощается, если коэффициен­

1 В частности, при вычислении интегралов, содержащих выраже­ ние (4-11), удобно воспользоваться тождеством [Л. 72]

-7t

где Jo( г ) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

96

вается. При очень больших а светоотдача в соответст­ вии с формулой (4-12) перестает зависеть от длины волны, так как при малом значении аргумента

и, следовательно,

соответственно, графики имеют линейный характер, чем объясняется возможность хорошей передачи градаций яркости щелевой оптикой. График светоотдачи практи­ чески линеен и при а— С помощью этих графиков можно легко оценить минимальную глубину канавки Amu, при которой воспроизведение записи еще возмож­ но, а также максимальную глубину Лмакс, которой опре­ деляется предел увеличения входного сигнала.

Определив Алпш и ^мпI-;со можно рассчитать динамический диапазон глубины фазовой решетки, воспроизво­ димый данной оптической системой. Пусть R = 50 см; /г=4-10~ 1 сиг; Яс—5,3 ПО-5 сиг; из условия сг=1 получим, что период поверхностного рельефа Я=6,6-10_3 см. При

Рис. 4-8. Зависимость коэффициента свето­

зоне глубин фазовой решетки от ЫО-6 до 6 -1 0-е см данная оптическая система обеспечивает линейную пе­ редачу градаций яркости на экране, причем для всего диапазона отношение ^4/Л.<0,1, что вполне осуществимо на практике.

Щелевые оптические устройства применяют главным образом при условии линейной зависимости р от ср. В этом случае светоотдачу можно вычислить по упро­ щенной формуле

ветствующий ей угол набега фазы при заданной величи­ не параметра а.

4-3. Фазоконтрастная оптика

Метод фазового контраста, как и щелевой, можно использовать для преобразования фазовых изменений считывающего потока света в градации яркости. На рис. 4-9 изображена схема воспроизведения записи на

98

деформируемом слое по данному методу. Изображение щели 3, переносимое в световом потоке от когерентного источника света 1, через конденсор 2 и диафрагму о проецируется с помощью объектива 4 на визуализирую­ щую пластинку 6, осуществляющую сдвиг световой вол­ ны на четверть периода. Экран 8 в отсутствие записи на носителе 5 освещен равномерно. Если поверхность носителя 5 деформирована, часть светового потока от источника с помощью объектива 7 попадает на экран, минуя визуализирующую пластину 6. Вследствие интер­ ференции световых лучей, прошедших и не прошедших

Рис. 4-9. Схема фазоконтрастного оптического устрой­ ства.

через пластину 6, в зависимости от величины разности фаз яркость экрана уменьшается или увеличивается по отношению к среднему его фону. Этотфон приводит к снижению контраста получаемого изображения.

Напомним, что в щелевой оптике световой поток, не отклоненный фазовой решеткой, полностью задерживает­ ся второй щелевой диафрагмой и не попадает на экран. Щелевые устройства не предъявляют каких-либо требо­ ваний к когерентности используемого света. Последнее обстоятельство особенно важно для систем отображе­ ния с большим экраном, так как позволяет использо­ вать не лазерные, а обычные тепловые источники мощ­ ного светового излучения.

Из-за необходимости применять когерентные источни­ ки света и наличия светлого фона на экране в отсутст­ вие записи метод фазового контраста обычно исполь­ зуют лишь для исследования параметров записи и в ви­ де исключения для ее воспроизведения. Так, в [Л. 42] подобный метод применен для считывания записи с де­ формируемого слоя толщиной в четверть длины волны света.