Основные характеристики ПВМЛИ (определения)

Заметим, что единого критерия и стандартной методики оценки качества и характеристик ПВМЛИ не существует, несмотря на накопленный десятилетиями опыт работы с ними. Поэтому ограничимся общим рассмотрением, выделив те характеристики ПВМЛИ, которые являются наиболее функциональными и представляют наибольший интерес для приложений.

1. Модуляционная характеристика — зависимость управляемой величины (амплитуды, фазы, интенсивности, поляризации и т.п.) от параметров управляющего воздействия. Для конкретных ПВМЛИ это могут быть напряженность электрического поля (в электрооптическом случае), напряженность магнитного поля (в магнитооптическом случае), ток через обмотку акустооптического преобразователя, вкачиваемая в преобразующий элемент электрическая мощность и т.п. Примером модуляционной характеристики может служить зависимость, приведенная на рисунке 13.2.

2. Сенситометрическая характеристика — зависимость модулируемого параметра от интенсивности или экспозиции (дозы) входного управляющего оптического сигнала. Эта характеристика имеет смысл только для оптически управляемых ПВМЛИ и по своей сущности аналогична характеристической кривой фоточувствительных материалов или люкс-амперной характеристике фотоприемников. Для примера на рисунке 13.8 показана типичная сенситометрическая характеристика жидкокристаллического ПВМЛИ.

Основные параметры сенситометрической характеристики, приведенной на рисунке 13.8:

— максимальное пропускание , соответствующее насыщению характеристики;

— пороговая интенсивность управляющего излучения, соответствующая возникновению отклика ПВМЛИ (измеряется как ордината пересечения касательной к линейному участку кривой с уровнем или как интенсивность, соответствующая определенному превышению начального пропускания );

— — интенсивность управляющего излучения, соответствующая выходу на насыщение (обычно берется соответствующей пропусканию 0,85…0,9 ).

Диапазон интенсивностей управляющего излучения от до называется динамическим диапазоном модулятора. Он аналогичен фотографической широте фотоматериала или динамическому диапазону фотоприемного устройства. Динамический диапазон включает в себя участок, на котором поведение сенситометрической кривой с заданной степенью точности подчиняется линейному закону. Угловой коэффициент кривой на линейном участке называют коэффициентом контрастности, а отношение — максимальным контрастом. Динамический диапазон определяет также максимальное число градаций яркости, передаваемых модулятором [1].

3. Передаточные функции и разрешающая способность.

Оптическая передаточная функция (ОПФ) является важнейшей характеристикой качества любой системы формирования, передачи и преобразования изображений. ОПФ описывает искажения глубины модуляции (контраста) и фазы, которые возникают в оптическом приборе (в том числе и в ПВМЛИ) при передаче или преобразовании им двумерного сигнала, в виде синусоидального распределения интенсивности с различными пространственными частотами и [12]. В соответствии с этим определением ОПФ содержит две функции пространственных частот, а именно: функцию передачи модуляции (ФПМ), характеризующую разрешающую способность прибора, и функцию передачи фазы (ФПФ), описывающую линейное смещение элементов преобразованного изображения на различных пространственных частотах.

Математически ОПФ однозначно связана с функциями, используемыми в качестве характеристик разрешающей способности ПВМЛИ.

Именно, функция рассеяния точки (ФРТ) представляющая отклик ПВМЛИ на входной сигнал в виде точечного источника излучения единичной мощности, описываемый функцией Дирака , связана с ОПФ преобразованием Фурье:

(13.23)

Здесь и — нормированные ФРТ и ОПФ соответственно, — нормированная ФПМ, — ФПФ; условие их нормировки:

(13.24)

Еще одна характеристика пространственного разрешения — переходная функция (ПФ), или отклик ПВМЛИ на ступенчатое распределение освещенности в изображении светящейся полуплоскости, граница которой совпадает с осью . ПФ связана с функцией рассеяния линии (ФРЛ), являющейся откликом на сигнал в виде одномерной -функции:

(13.25)

, (13.26)

откуда видно, что .

Здесь и — нормированные ФРЛ и ПФ соответственно.

Существует целый ряд критериев и методов оценки разрешающей способности ПВМЛИ с использованием ФПМ, ПФ, ФРЛ, ФРТ и связей между ними [13]. Наиболее удобные и наглядные с практической точки зрения критерии основаны на анализе ФПМ, однако в конкретных случаях все диктуется спецификой задачи.

4. Временные характеристики определяют быстродействие преобразования и обработки сигналов и изображений в ПВМЛИ. Набор параметров, описывающих динамику переключения ПВМЛИ, в принципе одинаков для случаев управления электрическими и оптическими сигналами, но зависит от наличия и отсутствия у них памяти и отклика на стационарные воздействия см. рисунок 13.9)

В отсутствие памяти цикл переключения ПВМЛИ (рисунок 13.9,б) под действием импульсного управляющего сигнала (рисунок 13.9,а) состоит из задержки ( ), времени включения ( ), удержания на постоянном уровне ( ) и времени спада, или релаксации ( ) после выключения управляющего воздействия. При отсутствии отклика на стационарные воздействия цикл работы ПВМЛИ характеризуется двумя временами — временем реакции на включение ( ) и выключение ( ) управляющего воздействия (рисунок 13.9,в). При наличии памяти к перечисленным выше параметрам добавляется время выключения («стирания») отклика (рисунок 13.9,д,е).

5. Шумовые характеристики ПВМЛИ можно условно разделить на четыре основных вида: искажения, фазовые неоднородности, рассеяние и шумы, зависящие от входного сигнала.

Искажения, обусловленные главным образом нелинейностью характеристик ПВМЛИ, заключаются в появлении в выходном спектре пространственных частот компонент с частотами, кратными основной частоте входного сигнала, а также с частотами, равными сумме и разности пространственных частот на входе (комбинационных тонов). Очевидно, что искажения имеют наибольшее значение в системах обработки сигналов, однако они проявляются и при обработке простейших изображений, что следует принимать во внимание.

Фазовые неоднородности имеют особенно существенное значение в случае применения ПВМЛИ в когерентно-оптических схемах спектроанализаторов и корреляторов, поскольку приводят к нарушению пространственной инвариантности оптических схем и нарушению их нормальной работы. Фазовые искажения для своего учета описания требуют фазочувствительных же методов расчета и контроля (например, интерферометрических). Очевидно, что картина фазовых искажений может существенно усложниться при использовании управляемого двулучепреломления, поскольку фазовые неоднородности приводят также и к неоднородности модуляционных и сенситометрических характеристик.

Рассеяние в различных слоях структур ПВМЛИ, в отличие от фазовых неоднородностей, приводит к появлению шумовых компонент в широком спектре пространственных частот. Эти шумы оказывают влияние на динамический диапазон и контраст формируемых и преобразуемых изображений.

Наиболее сложны и плохо устранимы шумы, связанные с входным сигналом ввиду своего мультипликативного характера. Особенно сильно они влияют на работу ПВМЛИ в случае высокой степени когерентности входного сигнала и для своего учета требуют измерений в режиме преобразования тест-сигналов заданной формы и с минимальными флуктуациями. Иначе говоря, для настройки ПВМЛИ необходим эталонный источник оптического сигнала, удовлетворяющий метрологическим требованиям.

Сфера применения ПВМЛИ непрерывно расширяется. Наряду с быстрым развитием жидкокристаллических ПВМЛИ в последнее время еще более бурно развиваются ПВМЛИ на основе интегральных структур. Это прежде всего связано с нанотехнологиями, поскольку лучшего инструмента для неразрушающего воздействия на отдельные объекты нанометрового масштаба, чем лазерный луч, пока не существует. Поскольку большинство нанотехнологий так или иначе ориентированы на биологию и медицину, следует в обозримом будущем ожидать появления новых «прорывов» в методах управления параметрами лазерного излучения и новых открытий в молекулярной биофизике.

Литература к лекции 13.

1. Васильев А.А. с сотр. Пространственные модуляторы света. — М.: Радио и связь, 1987. — 320 с.

2. Мустель Э.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. — М.: Наука, 1970. — 295 с.

3. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. — М.: Мир, 1973. — 686 с.

4. Захаров И.С. Пространственно-временные модуляторы света. — Томск: Изд. ТГУ, 1983. — 265 с.

5. Di Domeniko M., Anderson L.K. Broad-band electro-optic traveling-wave light modulators. // Bell.Syst.Tech.Journ., 1963, 42,№11, р. 2621.

6. Справочник по лазерам под ред. акад. А.М. Прохорова, в 2 томах. Т. 2, — М.: Сов. радио, 1978. — 400 с.

7. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. — М.: Наука, 1983. — 320 с.

8. Балбашов А.М., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. — М.: Энергия, 1979. — 217 с.

9. Балбашов А.М. с сотр. Управляемые транспаранты на магнитных материалах.// Квантовая электроника, 1977, 4, №9, с. 1933.

10. Hansen P., Krumme J.-P. Magnetic and Magneto-optical Properties of Garnet Films// Thin Solid Films, 1984, 114, р. 69.

11. Бондаренко В.С., Зоренко В.П., Чкалова В.В. Акустооптические модуляторы света. — М., Радио и связь, 1988, 136 с.

12. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. — М.: Мир, 1970. — 634 с.

13. Васильев А.А. с сотр. Разрешающая способность ЖК пространственных модуляторов излучения: математическое моделирование и экспериментальные результаты. — Препринт ФИАН СССР. — М.: ФИАН СССР, 1986, — 48 с.