Устройство для измерения голографических характеристик фоторегистрирующих сред Советский патент 1986 года по МПК G03H1/18 

Изобретение относится к голографии и сенситометрии фоторегистрирую- щих сред и может быть использовано для выбора и контроля режимов экспозиции и обработки регистрирующих сред при голографической записи информации, а также при исследованиях, связанных с их разработкой.

Цель изобретения - повышение производительности и точности измерений

На чертеже приведена схема устройства.

Устройство состоит из источника 1 света - лазера, голографической схемы (элементы ) записи тестовой голограммы и оптической схемы считывания (оптические элементы 19-30), двух двухканальных фотоприемников - дифракционного (31-32) и экспозиционного (33-34), радиоэлектронной схемы перемножения, усиления и детектирования сигналов - фотоприемников (35-44), оптоэлектронной схемы подсвета (45-46), электронного осциллографа 47 и блока 48 управления.

Голографическая схема состоит из двух каналов - опорного (3-8) и сигнального (9-17), оптически расходящихся от расщепителя лазерного луча 2 и сходящихся в кадре держателя (кассеты) исследуемой ФРС 18, в ка}кдом канале имеются последовательно расположенные на оптической оси затвор 3(9), поворотное зеркало 4(10), ослабитель 5(11), ножевой фильтр 6(14), микрообъектив 7(15), диафрагма 8(16) с микроотверстием. В сигнальном канале дополнительно введены две призмы 12 и 13 параллельного переноса (перископическая система), расположенные между ослабиг телем 11 и ножевым фильтром 14, и отображающий объектив 17.

Оптическая схема считывания состоит из ответвителя 19 гетеродинного луча, расположенного на оси опорного канала голографической схемы между расщепителем 2 и затвором 3, расположенных вдоль оси гетеродинного луча затвора 20, двух призм 21 и 22 параллельного переноса, направляющего зеркала 23, толограммно-лин- зового барабанного сканера 24 и апертурной диафрагмы 25 перед входом экспозиционного фотоприемника, расположенных по оси опорного луча голографической схемы подвижной эта1ОННОЙ голограммы 26 в плоскости (сассеты 18, телескопической системы 27,28 за кассетой 18,подвижной точечной заслонки 29 и линзы 30,отдельно

расположенной на средней оси 1-го порядка дифракции гетеродинного луча на голограммных линзах сканера 24, причем гетеродинный луч после зеркала 23 проходит через изображение от-:

аерстия диафрагмы 16, создаваемое объективом 17 на голограммных линзах сканера 24, под углом, соответствующим средней несущей пространственной частоте этих линз, и даnee в нулевом порядке дифракции через отверстие диафрагмы 25 на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 34, .оптически связанный через отражение с фотокатодом ФЭУ 33, а

+1-Й порядок дифракции гетеродинного луча на голограммных линзах сканера 24 через собирающую линзу 30 фокусируется на фотодиоде 45, призмы 12, 13, и 21, 22 параллельного переноса

служат для ввода сигнального и гетеродинного лучей внутрь барабана 24 Радиоэлектронная схема перемножения усиления и детектирования сигналов фотоприемников состоит из двухпозиционного переключателя входа У осциллографа 35, сдвоенного двух- позиционного переключателя входов перемножителя 36, 37, первого смесителя 38, усилителя 39 сигналов суммарной радиочастоты, усилителя 40 сигналов частоты световых биений, второго смесителя 41, усилителя 42 сигналов промежуточной частоты (частоты гетеродина) синхронного детектора 43, гетеродина 44.

Оптоэлектронная схема подсвета состоит из фотодиода 45 и видеоусилителя 46, причем вькод первого ФЭУ 31 выходного фотоприемника через

переключатель 36 подключен к сигнальному входу первого балансного смесителя 38, выход второго ФЭУ 32 через переключатель 35 подключен к входу У осциллографа 47 и через переключатель 37 к входу усилителя 40 сигналов частоты световых биенийj выход первого ФЭУ 33 экспозиционного фотоприемника подключен через переключатель 36 к сигнальному входу

первого балансного смесителя 38, выход второго ФЭУ 34 - через переключатель 37 к входу усилителя 40 сигналов частоты световых биений, выходы усилителей сигналов суммарной радиочастоты 39 и частоты световых биений 40 подключены к входам второго балансного смесителя 41, выход которого подключен к входу усилителя 42 сигналов промежуточной частоты 42. Выход усилителя 42 сигналов промежуточной частоты и выход гетеродина 44 подключены к входам синхронного детектора 43, выход которого подключен к входу X осциллографа 47 и через переключатель 35 к входу У осциллографа 47, выход фотодиода 45 подключен к входу видеоусилителя 4Ь, выход которого подключен к входу (яркостному) Z осциллографа 47,

Устройство действует последовательно в трех режимах: в режиме записи тестовой голограммы, в режиме измерения семейства сигнальных голо- графических характеристик по полученной тестовой голограмме и в режиме измерения интенсивностей опорного поля, при которых были измерены сигнальные характеристики семейства.

В режиме записи тестовой голограммы открываются затворы 3 и 9, затвор 20 закрыт. Барабан 24 фиксируется в таком положении, при котором сигнальный поток проходит в просвете между голограммными линзами, не подвергаясь каким-либо искажениям.

Луч лазера 1 расщепляется расще- пителем 2 на два луча, идущие в опорный (элементы 3-8) и сигнальный (9-17) каналы. Ножевые фильтры 6 и 1 сориентированы ортогонально по отношению друг к другу. В результате дей ствия диафрагм 8 и 16 как фильтров нижних частот в плоскости регистрации голограммы (в кадровом окне кассеты 18) возникают два ортогональных одномерных распределения освещенности: одно по горизонтали (сигнальное) , а другое по вертикали (опорное). Таким образом, одно и то же распределение интенсивности сигнального поля регистрируется на голограмме при различных зна чениях параметра - уровня интенсивности опорного поля.

В режиме снятия семейств сигнальных характеристик одновременно измеряются две величины - значение интенсивности сигнального поля в данно точке кадра кассеты 18 при съемке

0

5

0

5

0

тестовой голограммы и соответствующее ему значение дифракционной эффективности полученной тестовой голограммы.

Это измерение проводится построчно, каждой строке соответствует определенное значение интенсивности опорного поля, строки формируются благодаря ступенчатому расположению голо- граммных линз на барабане 24, число строк равно числу голограммных линз, обычно достаточно Иметь 5-8 строк.

Измерение распределения интенсивности сигнального и опорного полей осуществляется методом так называемого оптического гетеродинного сканирования, причем для получения собственно ин1енсивности поля, оптический сигнал детектируется двухканальиьм фотоприемником с последующим перемножением электрических сигналов в радиоэлектронном устройстве; благодаря этому также достигаются сужение полосы частот сигналов и подавление дробового шума фотоэффекта.

Гетеродинное сканирование осуществляется при вращении голограммно- линзового барабана за счет дифракции сигнального луча голографической схемы в подвижном +1-м порядке голо- граммной линзы и гетеродинного луча в неподвижном нулевом порядке голо- граммной линзы. При вращении барабана +1-Й порядок широкого сигнального луча качается относительно неподвижного нулевого порядка узкого гетеродинного луча, получая при этом средний допплеровский сдвиг световой частоты на величину

Доппл.ср

v,,.

,ер.

(1)

где V

Гг

.ср.

-линейная скорость движения голограммных линз;

-средняя несущая пространственная частота голограммных линз.

При перемещении голограммной линзы допплеровский сдвиг частоты света в сигнальном луче + 1-го порядка изменяется в полосе

гл

,,

(2)

где - расстояние между сканером

и голограммой; полоса пространственных

частот в голограммнои линзе;LP - длина строки сканирования

на тестовой голограмме при

ее считывании;

- длина волны света. Гетеродинный луч нулевого порядка попадает через отверстие диафрагмы 25 на фотокатод ФЭУ 34 экспозиционного фотоприемника, частично по- глощается в нем, а частично отражается от его поверхности, отраженная часть попадает на фотокатод ФЭУ 33 этого же фотоприемника. Таким образом, на выходах обоих ФЭУ появляют- ся сигналы биений между полем постоянного гетеродинного луча нулевого порядка и попадающим в отверстие той же диафрагмы 25 текущим участком качающегося сигнального поля -t-1-го порядка. Средняя частота этих биений равна д„ппл ° (1). Амплитуда этих биений пропорциональна произведению амплитуд гетеродинного поля (которое в данном случае постоянно) и поля того малого участка сигнального поля +1-го порядка, луч от которого в данный момент оказывается коллинеарным с гетеродинным лучом. Переключатель 36-37 в режиме считывания сигнального поля находится в положении 1 (верхнее) и сигналы биений с выходов ФЭУ 33 и 34 поступают на входы радиоэлектронной схемы перемножения. Сигнал от ФЭУ 33 преобразуется по частоте вверх после смешения его с колебаниями гетеродина 44 частоты f в балансном смесителе 38 на частоту

f,

+ f.

(3)

г - АОППЛ Этот преобразованный сигнал усиливается полосовым усилителем 39 и смешивается в смесителе 41 с усиленным в усилителе 40 сигналом частоты биений от ФЭУ 34. С выхода смесителя 41 снимается сигнал разностной частоты, равной частоте гетеродина. Полоса частот этого сигнала определяется его амплитудной модуляцией, поэтому она намного уже полосы, определяемой по формуле (2) этот сигнал усиливается узкополосным резонансным усилителем 42 и детектируется в синхронном детекторе 43, на опорный вход которого также подается напряжение гетеродина 44. Выходной сигнал синхронного детек5

ю J5

20

25

30

5

0

5

0

5

тора поступает на вход X и через переключатель 35 (в режиме измерения интенсивностей опорного поля) на вход У. Одновременно по тестовой голограмме сканируя луч -1-го порядка дифракции гетеродинного луча на голограммнои линзе. Этот луч сфокусирован на поверхности тестовой голограммы благодаря соответствующему фокусному расстоянию голограммнои линзы. Дифрагированный на тестовой голограмме световой поток распространяется по направлению опорного луча через телескопическую систему 27- 28 на дифракционный фотоприемник 31- 32. При этом в режиме измерения сигнальных характеристик в изображение опорного источника, создаваемое телескопической системой, вводится заслонка 29, Таким образом дифракционньш фотоприемник защищается от дифракции сигнального потока го- лографической схемы на тестовой голограмме (которая и дает восстановленное изображение опорного источника голографической схемы). В режиме измерения сигнальных характеристик в дифракционном фотоприемнике используется только один ФЭУ 32, Видеосигнал о текущей дифракционной эффективности поступает с выхода ФЭУ 32 через переключатель 35 на вход У осциллографа 47. Таким образом, в результате совместного воздействия сигналов с выхода ФЭУ 32 (на вход У) и с выхода синхронного детектора 43 (на вход X) при вращении голограммно- линзового барабана - сканера 24 на экране осциллографа 47 возникает семейство сигнальных голографичес- ких характеристик ФРС.

В режиме измерения интенсивностей опорного поля в свободную от имеющейся ФРС кассету 18 вводится эталонная голограмма 26, полученная заранее на высококачественном материале в этой же голографической схеме, но при удаленных ножевых фильтрах 6 и 14, точечная заслонка 29 удаляется, затвор сигнального луча 12 в голографической схеме закрывается, затворы гетеродинного луча 20 и опорного луча 3 голографической схемы открыты переключатели 36 и 37 подключают выходы ФЭУ 31 и 32 к входам схемы перемножения. При вращении барабана 24 на выходах ФЭУ 3I и 32 возникают сигналы биений между полем опорного луча, прошедшего в нулевом порядке

эталоинойголограммы, и полем сканирующего гетеродинного луча дифрагированного в +1-М порядке на эталонной голограмме. Поскольку эталонная голограмма получена в этой же голо- графической схеме, но при удаленных ножевых фильтрах 6 и 14, во-первых, она имеет одинаковую дифракционную эффективность по всей апертуре, и, во-вторых, дифрагированный в ее +1-М порядке сканирующий гетеродинны луч оказывается всегда коллинеар- ным с лучом от опорного источника в отверстии диафрагмы 8 голографичес- кой схемы, проходящим в нулевом порядке эталонной голограммы через точку на ней, куда в данный момент попадает зондирующий луч. В результате напряжение на выходе синхронного детектора оказывается пропорциональным интенсивности опорного поля в этой точке. Так как опорное поле вдоль строк постоянно и изменяется лишь при переходе с одной строки на другую, то на экране осциллографа 47 работающего в режиме внутренней развертки, синхронизированной с вращением барабана 24, отображается ступенчатая кривая, описывающая распределение интенсивностей опорного поля - значений параметра, при которых снимается семейство сигнальных голографических характеристик.

Электронный луч трубки осциллографа должен открываться только на вре- мя прямого хода сканирования зондирующего луча по тестовой голограмме, т.е. на время формирования сигнальной характеристики. Для этого служит оптоэлектронная схема подсвета, сое- тоящая из собираюа ей линзы 30, фотодиода 45 и видеоусилителя 46. Линза 30 размещена на средней оси дифракции +1-ГО порядка зондирующего луча на голограммных линзах сканера так, чтобы она отображала центр сканирования на входное окно фотодиода 45, благодаря чему фототок на его выходе протекает в течение всего времени, :пока этот порядок попадает в апертуру линзы 30, в свою очередь, эта апертура ограничена размерами, соответствующими в масштабе сканирования размерам окна кассеты 18. Сформированные таким образом видеоимпульсы фототока усиливаются видеоусилителем 46 и воздействуют на вход управления яркостью Z осциллографа 47,

0

5

0

5 0

5

0

5

Таким образом, при применении предлагаемого устройства значительно снижаются временные затраты на получение семейств характеристик ФРС, в результате использования возможности быстрой развертки с помощью голограммно-линзового барабана при одновременном повьшении точности измерений вследствие исключения влияния уходов мощности источника когерентного света за время считывания и автоматического обеспечения точного соответствия между координатами текущих точек считывания тестовой голограммы и сигнального и опорного полей. Практически время получения одного семейства голографических характеристик ФРС - это время проявления тестовой голограммы, поскольку само считывание семейства сигнальных характеристик в предлагаемом устройстве - это время одного оборота голограм чио-линзового барабана, т.е. единицы миллисекунд. Для гало- идно-серебряных ФРС время проявления и фиксирования голограммы может занимать от десятков минут до нескольких десятков секунд в зависимости от используемого фотохимического процесса, для фототермоплатичес- кого материала - порядка секунд. Поэтому для галоидно-серебряных материалов при использовании предлагаемого устройства выгоднее запись тестовых голограмм и их проявление массивами кадров, полученных в широком интервале интенсивностей сигнального и опорного лучей. Необходимый для этого динамический диапазон измерения может быть достигнут путем эптимизации полосы частот усилителей сигналов частоты биений и суммарной радиочастоты, путем подавления шумов радиотракта и дробовых шумов фототоков,проходящих по зеркальным частотным каналам, и использования синхронного детектирования.

Формула изобретения

Устройство для измерения голографических характеристик фо- торегистрирующих сред, содержащее источник когерентного света, голографическую схему, состоя- щую из сигнального и опорного каналов, в которой содержатся последо- вательно расположенные затвор, направляющее зеркало, ослабитель, ножевой фильтр, микрообъектив с фильтрующей диафрагмой для нижних пространственных частот, в месте сведения каналов которой расположена кассета с исследуемой средой, оптическую систему считывания, состоя- щую из ответвителя гетеродинного луча, расположенного на оси опорного канала до затвора, и последовательно расположенных на оптической оси затвора направляющего зеркала, ска- нера и собирающей линзы, и измерительную злектрическую схему, состоящую из экспозиционного и дифракционного фотоприемников и двухкоорди- натного осциллографа, отличаю- щ е е с я тем, что, с целью увеличения производительности и точности измерений, в него введены дополнительно отображаюц1 1Й объектив, призмы параллельного переноса, расположен- ные в сигнальном канале между ослабителем и ножевым фильтром, а в системе считывания - между затвором и направляющим зеркалам, радиоэлектронная схема перемножения, усиления и детектирования сигналов фотоприемников, фотодиод и видеоусилитель, эталонная голограмма, телескопическая система с точечной заслонкой, а также сдвоенный двухпозиционный пе- реключатель, причем сканер выполнен в виде барабана с голограммными линзам с механизмом вращения и призмами параллельного переноса лучей, ножевой фильтр, микрообъектив с фильтрующей диафрагмой сигнального канала голографической схемы с отобржающим объективом и направляющим зеркалом системы считывания-размещены внутри барабана, при этом отображающий объектив расположен на оси сигнального канала, ось которого пересекается с осью системы считывания и Составляет угол равный углу дифракции на средней несущей час- тоте голограммной линзы, собирающая линза расположена на средней оси дифракции +1-ГО порядка восстановленного с голограммной линзы луча для отображения центра сканирования на входное окно фотодиода, входное окно экспозиционного фотоприемника расположено на оси нулевого порядка дифракции восстановленного с голограммной линзы луча,эталонная голограмма располагается с возможностью перемещения в плоскости перед кассе

, JQ |5 . 20 25JQ .

35

40

0

5той, телескопическая система расположена за кассетой по оси опорного канала, точечная заслонка расположена с возможностью перемещения в плос1 кости изображения опорного источника голографической схемы, входное окно дифракционного фотоприемника расположено на оси опорного канала за плоскостью расположения точечной заслонки, фотоприемники экспозиционный и дифракционный содержат по два фотоэлектронных умножителя, фотокатоды которых оптически связаны между собойJ радиоэлектронная схема перемножения, усиления и детектирования сигналов фотоприемников состоит из смесителей, гетеродина, синхронного детектора, усилителя сигналов суммарной радиочастоты, усилителя сигналов промежуточной частоты световых биений и усилителя сигналов промежуточной частоты, причем выход первого фотоэлектронного умножителя выходного дифракционного или экспозиционного фотоприемников через двухэкспози- ционный переключатель соединен с входами первого смесителя, выход второго фотоэлектронного умножителя дифракционного или экспозиционного фотоприемника соединен через этот же переключатель с входом усилителя

Сигналов частоты световых биений, I

выход второго фотоэлектронного умножителя дифракционного фотоприемника соединен также через переключатель с входом У осциллографа, при этом вьсход гетеродина соединен с входом первого смесителя, выход которого подключен к усилителю сигналов суммарной радиочастоты, выходы усилителей сигналов суммарной радиочастоты и частоты световых биений соединены с входами второго смесителя, выход которого подключен к входу усилителя сигналов промежуточной частоты, выход усилителя сигналов промежуточной частоты и выход гетеродина соединен с входами синхронного детектора, выход которого подключен к входу X осциллографа, и через переключатель к входу У осциллографа , а выход фотодиода подключе к входу видеоусилителя , выход которого соединен с , входом Z осциллографа.

w

Изобретение относится к устройствам для измерения голографических характеристик фоторегистрирующих сред. Црлью изобретения является увеличение лроизводительности и точности измерений. Достигается цель путем введения отображающего объектива, призм параллельного переноса, расположенных в сигнальном канале между Ьслабителем и ножевым фильтром. Дополнительно введены в систему считывания радиоэлектронная схема перемножения, усиления и детектирования сигналов фотоприемников, фотодиод и видеоусилитель, эталонная голограмма и телескопическая система с точечной заслонкой, а также сдвоенный двух- позиционный переключатель. Входное окно экспозиционного фотоприемника расположено на оси нулевого порядка дифракции восстановленного с голо- граммной линзы луча. Эталонная голограмма располагается с возможностью перемещения в плоскости перед кассетой. Телескопическая система расположена за кассетой по оси опорного канала. Точечная заслонка расположена с возможностью перемещения в плоскости изображения опорного источника голографической схемы. Радиоэлектронная схема перемножения, усиления и детектирования сигналов фотоприемников состоит из смесителей, гетеродина, синхронного детектора, усилителя сигналов суммарной радиочастоты, усилителя сигналов промежуточной частоты световых биений и усилителя сигналов промежуточной частоты. Выход гетеродина соединен с входом первого смесителя, выход которого подключен к усилителю сигналов суммарной радиочастоты, выходы усилителей сигналов суммарной радиочастоты и частоуы световых биений соединены с входами второго смесителя. . 1 ил, ю (Л