Параллельная передача изображений через оптическое волокно тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова Международный Лазерный Учебно-научный Центр Корейский Институт Науки и Техники

РГб од

На правах рукописи

- 9 ИЮП

ДЖИОН ХУУНГ БУК

&еоы нтж шоок)

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА ИЗОБРАЖЕНИЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО

Специальность 01.04.21 - "Лазерная физика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - Сеул 1997

Работа выполнена в Международном Лазерном Учебно-научном Центре Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова (Москва, Россия) и в Корейском Институте Науки и техники (Сеул, Корея).

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук,

член-корреспондент Академии инженерных наук РФ,

профессор

В.Г.Дмитриев

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор В.И.Шмальгаузен

Кандидат физико-математических наук П.Г.Леонов

Ведущая организация: Московский Государственный Институт Радиотехники, Электроники и Автоматики.

Защита состоится ' 1997 г. в 16 часов

на заседании Специализированного совета Д.053.05.82 при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ. 7", -.

Автореферат разослан " ЦМ~)"И$97 г. V.. I г 1 » (С-

ее

Ученый секретарь Специализированного совета, доцент Т.М.Ильинова \;х''/';

Введение.

Проблема передачи изображения сквозь искажающие (турбулентные) среды, например, через оптическое волокно, является актуальной и составляет предмет настоящей работы. Были предложены новые методы прямой передачи световой информации,, несущей изображения, через световоды (Рис.1).

В этих методах время передачи может быть уменьшено, а сами передающие системы - упрощены, по сравнению с ранее предложенными системами, поскольку здесь не требуется преобразования получаемых оптических сигналов в электрические и кодирования - декодирования в передатчике и приемнике. Более того, методы прямой передачи изображений позволяют реализовать передачу значительно больших, по сравнению с обычными методами, массивов информации, поскольку они обеспечивают параллельную (многоканальную) передачу информации, используя многоканальные свойства света. Следовательно, физика и реализация методов прямой передачи информации могут оказаться весьма важными для создания нового поколения систем связи.

Для практического использования этих методов связи требуется решить проблему устранения искажений получаемых изображений, возникающих вследствие деполяризации и потерь пространственных свойств изображения в процессе передачи. Для решения этой проблемы были предприняты исследования по спектральному кодированию и использованию для компенсации искажений обращения волнового фронта (ОВФ, см. [1]-[9]). Однако, они находятся пока на ранней их стадии.

Для обеспечения коммерчески-приемлемого решения была предложена многоканальная система, в которой информация об изображении преобразуется в "элементы разрешения", а последние передаются по отдельным каналам [1]. Однако, этот метод был признан непрактичным из-за межмодового взаимодействия в световодах.

Другой метод был продемонстрирован в [4]-[9]; в нем элементы разрешения изображения передаются по соответствующим каналам с

использованием различных несущих. В этом методе световые источники с различными длинами волн, скомпонованные в матрицу, используются как несущие при передаче элементов разрешения изображения. На выходе световода сигналы переформировываются подобным же образом. Недостатком такой системы является наличие задержки, вызванной использованием механических элементов сканирования изображения.

Недавно Е.в.Реак и др. сообщили о методе прямой передачи изображения с использованием двухмерной многоцветной поверхностно-излучающей решетки лазерных диодов как источников несущей [7]. В соответствии с этим методом, передача сложных изображений возможна при использовании отдельных лазерных диодов с различными длинами волн для каждого элемента разрешения изображения, который будет передаваться. Этот метод также не вошел в практику, т.к. требуется разработка решетки, содержащей много лазерных диодов с различными длинами волн.

Таким образом, существует актуальная потребность в создании модифицированных методов прямой передачи изображения. В данной работе представлены некоторые экспериментальные результаты по поиску новых методов прямой передачи изображения. В главе 2 описан метод с использованием ОВФ в нелинейных кристаллах. В главе 3 описан метод с использованием голографического ОВФ, а в главе 4 - метод спектрального кодирования для передачи элементов изображения (пикселей).

Научная новизна.

1. Впервые показано, что в области нерегулярных пульсаций при ОВФ с самонакачкой частота пульсаций и амплитуда обращенного луча в первом приближении линейно нарастают с ростом интенсивности накачки (для нашей схемы амплитуда сопряженного луча была пропорциональна интенсивности накачки в степени 0,85). В режиме нестабильных колебаний время нарастания в первом приближении обратно пропорционально интенсивности накачки (в нашей схеме пропорционально интенсивности накачки в степени -0,92), а интенсивность первого генерируемого импульса

примерно линейно нарастает с ростом интенсивности накачки (в нашей схеме показатель был равен - 0,8).

2. Впервые проделаны детальные эксперименты с использованием ОВФ, сопровождаемого обращением волнового фронта с самонакачкой в фоторефрактивных кристаллах, и показано, что имеет место обострение контуров изображений в определенном направлении. Показано,' что частотные сдвиги являются результатом появления веерных лучей при ОВФ с самонакачкой.

3. Впервые с использованием такого ОВФ была исследована двухпроходовая оптическая схема передачи изображений через оптическое волокно.

4. Впервые исследована параллельная передача мульти-пиксельных изображений с использованием голограммы, вносящей предыскажения н волновой фронт с целью компенсации искажений, вносимых световодом.

5. Впервые экспериментально продемонстрирована передача изображений через световод с использованием метода двухмерного спектрального кодирования, предложены и исследованы многополосковые голографические дифракционные решетки и методы улучшения качества переданных изображений.

Защищаемые положения.

1. Существующие методы прямой передачи изображений через оптические волокна не удовлетворяют современным требованиям, особенно для передачи больших массивов информации (ТВ высокого разрешения, трехмерное изображение), в связи с чем необходимы проведение исследований по разработке новых перспективных методов. Такие новые методы, исследованные в настоящей работе (см. ниже), перспективны для прямой передачи изображений через оптическое волокно. Имеется патент США (1996).

2. В области нерегулярных пульсаций при ОВФ с самопакачкой частота пульсаций и амплитуда обращенного луча в первом приближении линейно нарастают с ростом интенсивности накачки. В режиме нестабильных колебаний в первом приближении время нарастания обратно

пропорционально интенсивности накачки, а интенсивность первого генерируемого импульса линейно нарастает с ростом интенсивности накачки.

3. Частотные сдвиги являются результатом появления веерных лучей при ОВФ с самонакачкой.

4. Параллельная передача мульти-пиксельных изображений с использованием голограммы, создающей предыскажения волнового фронта, является перспективным методом прямой передачи изображений через оптические волокна с возможностью компенсации искажений волнового фронта, создаваемых световодом.

5. Передача изображений с использованием двумерного спектрального кодирования, включающая использование многополосковых голографических дифракционных решеток, также является перспективным методом прямой передачи изображений через оптическое волокно, однако, этот метод нуждается в модификации для улучшения качества переданного изображения; проведенные в настоящей работе исследования делают возможным такую модификацию.

Практическая ценность, апробация работы.

Исследованные в настоящей работе явления, имеющие место при прямой передаче изображения через оптическое волокно, практически важны для теории и практики оптической связи. Результаты, полученные в настоящей диссертации, были использованы в KIST (Корейский институт науки и техники) во многих научных исследованиях и разработках, в том числе, заданных Правительством. Тема диссертации непосредственно связана с планами KIST, а также с планом научных работ Международного учебно-научного лазерного центра Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных трудах, в таких журналах, как SPIE Proceedings, OSA Annual Meeting, Квантовая электроника, Applied Optics, Optical Engineering и др., докладывались на международных и местных конференциях и семинарах.

Всего автором опубликовано 66 печатных трудов, включая местные публикации, научные и технические отчеты и т.д.

Диссертация состоит из 4 глав, списков литературы, содержит 85 стр., 60 рисунков и 5 таблиц.

Глава 1. Оптическое фазовое сопряжение (обращение волнового фронта) в нелинейных кристаллах.

В данной главе предложены некоторые методы прямой передачи изображения с использованием ОВФ в фоторефрактивных нелинейных кристаллах.

Некоторые оптические характеристики ОВФ [А-1. А-3. А-4.А-5].

Здесь представлены результаты исследования влияния положения падающего луча и его интенсивности на параметры "самонакачиваемого" ОВФ в кристалле титаната бария, используемого для оптического фазового сопряжения. В соответствии с различными положениями падающего луча, обнаружено четыре основных режима работы этого устройства: нерегулярные (хаотические) пульсации, регулярные колебания, стационарное фазовое сопряжение, область нестабильных колебаний (рис. 2). Во второй области частота пульсаций и амплитуда сопряженного луча, пропорциональные !„„„ и (1нак)0,85 соответственно, где 1нак - интенсивность падающего луча накачки. В четвертой области время нарастания и интенсивность первого генерируемого импульса пропорциональны соответственно (1нак)"0'92 и (1цак)0'81- Был также исследован сдвиг частоты, возникающий при веерообразных лучах прямым наблюдением интерференционных полос в интерферометре. Во многих экспериментах входной луч был сфокусирован на кристалл либо для увеличения интенсивности входного луча, либо для использования всей доступной мощности луча, поскольку время отклика в кристалле конечных размеров зависит от плотности мощности входного луча [10].

Вид сопряженного по фазе луча по-разному соответствует положению перетяжки сфокусированного луча накачки. Когда перетяжка входного луча размещена вблизи центра кристалла, в центре сопряженного луча

образуется провал интенсивности, сравнимый с таковым в случае общей конфигурации со значительно меньшим размером перетяжки. Когда в оптическую установку вводятся транспаранты в виде букв, в этом провале

и

наблюдается обострение краев изображения. Этот эффект имеет очень медленный отклик, и его настройка затруднительна.

Для того, чтобы исключить недостатки "самонакачиваемого" фазового сопряжения, была исследована т.н. двухлучевая геометрия ОВФ, сопровождаемая эффектом обращения в фоторефрактивном кристалле, как показано на рис. 3. Поскольку сигнальный луч фокусируется так, чтобы пересечь центр кристалла в положении Р более низком, чем сопряженный луч, т.е. чтобы исключить взаимодействие, сопряженное изображение стабильно во времени и достаточно качественно. Отклонение пересечения центра от позиции Р уменьшает внутреннее отражение, в результате чего выходное оптическое сопряжение оказывается не столь качественным.

На рис. 4 представлены экспериментальные результаты, полученные с использованием двухлучевой геометрии, когда ОВФ "обращает" букву К. На рис. 4а показано полное восстановление буквы К без какого-либо фильтра в канале самонакачиваемого фазового сопряжения, когда кристалл расположен за ИТ-плоскостью (плоскостью Фурье-изображения). Когда кристалл расположен в РТ-плоскости, может быть получен полный контур объекта - буквы К (рис. 4Ь). Использование узкополосного фильтра в канале накачки позволяет сравнительно легко получить зависящий от направления контур объекта немедленно после внесения объекта в луч. В этой геометрии отфильтрованный луч не только сам формирует "самонакачиваемое" ОВФ, но также действует как щелевой фильтр, ориентированный в кристалле горизонтально. Фильтр ограничивает область, в которой имеет место "самонакачиваемое" ОВФ, а также подавляет вертикальные частотные компоненты изображения (т.е. горизонтальные контуры) буквы К в ЕТ-плоскости. Вертикальное сконтуривание оказывается более резким, т.к. контуры в других направлениях подавлены значительно больше. Если положение падающего луча меняется (луч двигается вверх или вниз по кристаллу),

соответственно, верхние или нижние части вертикальных контуров (рис. 4с) имеют тенденцию к искажениям или вообще теряются. Однако, центральная часть удерживает резкий контур примерно постоянной яркости.

§2. Оптическое фазовое сопряжение (ОВФ) и передача оптической ипформапии через оптическое волокно [А-2]. Экспериментальные оптико-физические двухпроходовые схемы для передачи оптической информации с использованием методов ОВФ показаны на рис. 5, в. На рис. 5 показана схема с самонакачиваемым ОВФ, а на рис. 6 показана схема с двухлучевой геометрией. Входное изображение буквы К показано на фотографии слева вверху, а справа от него показано переданное изображение. Двухпроходовая система передачи изображения с самонакачиваемым ОВФ содержит многомодовое оптическое волокно (световод), в который поступает созданное лазерным лучом изображение объекта, и оптическое фазо-обращающее зеркало с компенсацией деполяризации и искажений изображения из-за дисперсии мод в световоде. На рис. 5 показано такое зеркало, в качестве которого использовался кристалл ВаТЮ3. Длина волокна около 1 м, числовая апертура НА=0,25.

Как показано на рис. 6, в другой схеме лазерный луч разделяется на два с помощью перестраиваемого расщепителя луча. Один из них используется для ОВФ в кристалле, другой - в качестве входного луча. Опорный луч в кристалле является необыкновенным с диаметром 2,6 мм, что вдвое больше, чем диаметр сигнального луча. Отношения интенсивностей было около 8:1 для предотвращения взаимодействия между опорным и сигнальным лучами.

Глава 2. Передача изображения с использованием голографического обращения волнового фронта.

В представленных здесь исследованиях, при использовании многомодового оптического волокна (световода) мы формируем независимые каналы для каждого пикселя изображения с помощью комбинации голографического фильтра на выходе световода и процесса

ОВФ [А-6, А-10, А-12]. Изображение формируется на голографическом фильтре с помощью опорных лучей. Опорные лучи записаны на голограмме в виде матрицы. Описанный здесь метод предназначен, во-первых, для представления передаваемого изображения в виде двумерной решетки пикселей, во-вторых - для создания индивидуального канала передачи для каждого пикселя.

Для передачи мульти-пиксельного изображения мы записываем для каждого пикселя голограмму с помощью выходного луча и соответствующего опорного луча, многократно проводя экспозицию голографической пластинки. Здесь возникает проблема появления ложных изображений при освещении голограммы опорным лучом. Поскольку они не могут быть удалены, надо обеспечить их непопадание в световод, т.е. сделать углы падения опорных лучей отличающимися друг от друга.

Для точной настройки голограммы выходного луча со всеми их соответствующими считывающими лучами используется голографическая решетка, записанная на голограмме, которая генерирует опорные лучи для записи и считывания прошедшего изображения.

$.7. Подготовка голограмм.

Описанные выше голограммы изготавливаются с помощью оптической установки (рис. 7). В качестве источника лазерного излучения используется аргоновый лазер на зеленой длине волны 0,5145 мкм. Лазерный луч расщепляется на два луча для записи интерференции луча, вышедшего из световода, с соответствующими опорными лучами на голограмме. Луч, который будет использован как опорный, расширяется и коллимируется линзами 1ц и Ъ^ для освещения голографической решетки Нх. Восстановленное изображение переносится из этой решетки в параллельную плоскость Их, И. Оси лучей восстановленных изображений параллельны друг другу и нормальны к поверхности Нх- Маска с небольшим отверстием локализована в Л-плоскости. Маска сдвигается по обоим направлениям (осям Х-У) для того, чтобы выбрать желаемую точку изображения в Б-плоскости, которая локализована в передней фокальной плоскости линзы Ьз- Основная голограмма Нг центрирована на задней

фокальной плоскости линзы Ьд, поскольку все коллимированные опорные лучи в этой плоскости совпадают, так что лучи отличаются только их углами падения на основную голограмму. Второй луч проходит через атеныоатор и фильтруется пространственным фильтром, состоящим из линзы 1*4, диафрагмы и коллимирующей линзы Ь8. Линза установленная на Х-У-трансляторе, используется для того, чтобы сделать решетку фокусированных лучей в плоскости Э. Сфокусированные лучи с помощью линз 1.7, М01 отображаются на входной поверхности световода. На линзе Ье имеется диафрагма диаметром 1 см для уменьшения искажения волнового фронта;

Максимальный диапазон передачи линзы Ьд по X или У определяется увеличением линз Ь? и М01, а также диаметром волокна. Поскольку 1*7 и М01 дают 27-кратное уменьшение, а используемый световод имеет диаметр 60 мкм, линза Ь5 может передать диаметр только 27 х 60 мкм = 1,62 мм. Однако, допустимое перемещение было только около 1,35 мм, вследствие конечных диаметров фокусированных пучков. Когда входное изображение имеет квадратное сечение, тогда его сторона равна 1 мм.

Распространяясь через волокно, входное излучение претерпевает искажения волнового фронта, которые проявляются в выходном луче. Выходящий из световода пучок коллимируется с помощью объектива М02 для того, чтобы уменьшить деградацию качества выходной голограммы, вызванную расходимостью сигнального луча. После прохождения через М02 сигнальный луч направляется на пластинку голограммы для того, чтобы записать картинку выходного луча. Пластинка экспонируется один раз для каждого набора голографических линз и для соответствующего положения линзы Ье до тех пор, пока не будут пройдены все наборы линз. Размер сигнального луча на голограмме составляет около 6 мм. Размер опорного луча больше, чем сигнального, для того, чтобы минимизировать возможные потери разрешения в постановленном изображении. Перед каждой экспозицией линза Ьд сдвигается на новую позицию пикселя в Б-плане. В наших экспериментах было записано до 25 пикселей.

£ 2. Оптическая установка для прямой передачи изображения.

Оптическая установка для нашего метода прямой передачи изображения показана на рис. 8. Она почти аналогична той, что показана на рис. 7, их слабое отличие состоит в том, что на рис.8 опорный луч в II -плоскости создает пиксель изображения, а выходное изображение формируется в 8-плоскости. Поскольку каждая точка голограммы на голографической системе линз имеет соответствующую точку изображения в 8-плоскости, любой рисунок, воспроизведенный группой голографических систем линз, будет генерировать соответствующий рисунок в Б-плоскости, если каждый компонент будет правильно размещен в установке. Каждая голографическая система линз формирует пиксель изображения.

Необходимо отметить, что расположение пикселей во входном и выходном изображениях определяется соответствующими порядками записи голографической картины выходного луча в плоскости Н1. Например, точки опорного луча в И-плоскости, созданные в виде квадратных матриц, могут иметь соответствующие точки в Б-плане в виде круга или линии. Точки изображения в Б- плане могут быть скомпонованы так, что они могут иметь любой рисунок.

Оптическая установка, показанная па рис.7 и рис. 8, может передавать изображение в обоих направлениях по световодам. Здесь в 8 и 11-плоскостях установлены голографические системы линз. Голограмма, компенсирующая искажения (Н2), записана парой голографических систем линз в Б-плоскости и соответствующими им системами линз в К-плоскости. Этот процесс повторяется многократно (многократная экспозиция) до тех пор, пока все системы линз в обеих плоскостях не будут пройдены. Созданная нами голограмма прецизионно устанавливается в одной и той же позиции. Теперь передача изображения возможна в обоих направлениях. Если входное изображение введено в Б-плоскости, выходное изображение появляется в Ы-плоскости, и наоборот. Расстояние между системами линз определяет различие в углах падения между опорными

лучами. Эта разница означает, что разделение между восстановленными выходными лучами должно быть больше, чем диаметр волокна, т.е. ЛЬ Б 'з 12

где ЛЬ - расстояние между системами линз в голографической системе линз, fз - фокальная длина линзы ЬЗ, Б - диаметр световода, f2 -фокальная длина линзы М02.

Из (1) следует, что ДИ должно быть не менее 0,94 мм для Гз= 40 см, Б=60 мкм и ¡2 =2,55 см. (Для нашего эксперимента это значение = 2 мм) 3. Экспериментальные результаты.

С помощью созданных оптических установок (рис. 7,8) были проведены экспериментальные исследования. Длина волокна была- около 10 см. На рис.9 сравнивается степень разделения восстановленных точечных изображений, когда расстояние между сфокусированными пучками в Б-плапе равно 100, 150 и 200 мкм, соответственно. Точечные изображения полностью разделены, когда сфокусированные пучки в Б-плоскости разнесены на 200 мкм. Это означает, что оптическая установка, представленная на рис. 8, может передать 25 точечных изображений с хорошим разрешением.

На рис. 10 показаны 4 корейские буквы, изображения которых были пропущены через световод. Изменение положения голограммы выходного луча или любое ее искажение приводит к появлению трудностей в восстановлении оригинального рисунка выходного луча. Эти трудности могут быть устранены записью интерференционных полос в голограмме выходного луча вблизи нормали к голографической пластинке. Это приведет к минимизации искажений полос, возникающих из-за наличия эмульсионного покрытия. Углы падения опорного и сигнального лучей несколько отличаются друг от друга; это сделано для того, чтобы исключить часть опорного луча, отраженную от поверхности выходной голограммы и попадающую обратно в волокно.

Поскольку искажения волнового фронта в оптической схеме, показанной на рис.8, должны быть скомпенсированы с высокой (лучше,

чем до длины волны) точностью, система должна быть съюстирована очень точно. Возможные источники рассогласования, которые могут быть вызваны сдвигом отдельных элементов установки, можно определить следующим образом. Любая фазовая расстройка, вызванная, во-первых, любым изменением положения волокна по'отношению к голограмме и, во-вторых, смещением голографической системы линз по отношению к голограмме выходного луча и, в-третьих, смещением или поворотом голограммы выходного луча по отношению к другим компонентам, будет приводить к искажениям, так что оригинальное изображение не сможет быть качественно восстановлено.

Глава 3. Метод спектрального кодирования.

В этой главе представлен метод изготовления двухмерных спектров с помощью системы дифракционных решеток (полосок) с различными периодами штрихов. Предложены метод и система параллельной передачи изображений, основанные на системе полосок из дифракционных решеток [А-7, А-8, А-9, А-11].

51. Система прямой передачи изображений, основанная на многополосных решетках.

Двумерная спектральная система, созданная в этой части работы, подобна той, что использовалась в двумерном спектр-анализаторе для обработки оптической информации. Базовая оптическая схема для прямой передачи изображения показана на рис.11. В этой схеме свет от источника белого света, О, коллимируется линзой Ь1. Этот коллимированный луч отклоняется дисперсионным элементом в1 (призмой или дифракционной решеткой) и формирует спектр, вытянутый в вертикальном направлении. Этот спектр фокусируется в фокальной плоскости С1Л, чтобы рсветить многополосковую решетку й2, расположенную в плоскости. Если 02 состоит из N вертикально центрированных полосок дифракционных решеток с различными периодами штрихов и каждая полоска перекрывает определенный спектральный диапазон вертикального спектра, определяемый их относительным положением и высотой, то дифрагированные лучи из й2 становятся уширенными в горизонтальном

направлении и создают двумерные распределения спектра источника белого света. Когда спектральные диапазоны, покрываемые n-ой и (п+1)-ой полосками, представлены длинами волн ^-n.i...^^ и соответственно, необходимо сделать так, чтобы наибольшая длина волны каждой полоски оказалась равной низшей длине волны следующей полоски, т.е. Х^12=Хп+1>1 и Xn+i,2=^n+2,i; и т.д., что необходимо для эффективного использования полного спектрального диапазона (поскольку в этом случае между полосками нет пропусков). Вертикально ориентированная цилиндрическая линза CL2 фокусирует первый порядок дифракции из G2 в плоскость Pin. Одновременно горизонтально ориентированная цилиндрическая линза CL3 передает изображение G2 в Pin-плоскость. Поэтому в Pin-плоскости формируется N вертикально ориентированных и горизонтально вытянутых спектров, т.е. формируется двумерное спектральное распределение.

Если в плоскости Pin ввести изображение в форме слайда или LCD-транспаранта, яркость каждой спектральной компоненты двумерного спектра будет промодулирована "уровнем серости" каждого пикселя изображения. Если оптические элементы расположены симметрично справа и. слева, то после прохождения через правую оптическую систему все спектральные компоненты двумерного спектра рекомбинируют в белое пятно, которое может быть передано через световод (для этого надо разместить входную поверхность волокна в той плоскости, где появляется это белое пятно). Луч, выходящий из волокна, необходимо снова разложить в двумерный спектр с помощью оптической схемы, подобной той, что показана в левой части рис. 11, чтобы восстановить входное изображение.

5 2. Устройство мпогополосковой дтЬракпиовпой решетки.

Многополосковая решетка представляет собой главное ядро предложенной системы передачи изображения. Решетка составлена из N вертикально ориентированных решеточных полосок и записана голографически на фотопластинке типа PFG-01 (из России). Все полоски ориентированы так, чтобы получилась прямоугольная структура и не было

провалов между полосками. Период штрихов на каждой полоске рассчитывается следующим образом. Пусть 01 и 02- углы падения луча на решетку и дифракции (отражения) от решетки, соответственно, Я- длина волны входящего луча, с1п - период штрихов п-ой решетки, тогда основное уравнение решетки имеет вид:

5ш92 - втЭ = X/ё„ (2)

Если %о и - длины волн, соответствующие низшему и высшему пределам спектра белого света, а Яц • наивысшая длина волны спектральной полосы, перекрытой полоской с номером п, и она же -наинизшая длина волны для полоски с номером п+1, угол падения 0, фиксирован для всех полосок и дифрагированные лучи идут в одном и том же направлении для преобразования в прямоугольную структуру, то имеют место следующие соотношения:

Я0 _ Я) _ Я2 _ _ ^N-1

ё, ё2 <13 <1„ для начальной части каждой полоски;

^ 3 ^ N

(3)

(4)

а, с!г а3

для конечной части каждой полоски. Если поделить (4) на (3), то Я | X 2 X з X* ^

Я» д Я | Я 2 Я

Используя (б), перепишем его в виде:

Я„ Я0 Я, Я2 Ял_2 чX.п_]

(б)

(6)

Следовательно,

Уравнение (7) определяет спектральную полосу каждой полоски в такой многополосковой решетке. Комбинируя (4, 5, 6), получим

С,п-1 У^О

Уравнение (8) позволяет рассчитать период штрихов для каждой полоски, если предварительно задать один из этих периодов. Высота каждой полоски может быть рассчитана, если известно распределение по длинам волн вертикального спектра, падающего на G2. Распределение по длинам волн и полная высота спектра определяются величиной дисперсии дисперсионного элемента G1 и фокальной длиной цилиндрической линзы CL1.

S 3. Оптическая система.

Предварительная оптическая система для двумерной параллельной передачи изображений была представлена на рис. 11. На рис. 12 показана оптическая схема, оптимизированная для минимизации потерь света в системе (добавлены некоторые оптические компоненты). Сферические линзы L1 и L2 используются для фокусировки изображения источника белого света S в диафрагму PH. Т.к. диаметр этой диафрагмы определяет спектральное разрешение двумерного спектра и необходимую интенсивность света в системе, этот диаметр должен быть также оптимизирован. Линза L3 коллимирует белый свет, выходящий из диафрагмы. После линзы L3 свет проходит через различные оптические компоненты в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В вертикальной плоскости свет проходит цилиндрические линзы CL4, CL5, CL6, CL7, CL7', CL61, CL5', CL4' для последующего прохождения через оптическое волокно. G1 - первый дисперсионный элемент, используемый для разложения входящего белого света в вертикальный спектр. Линза CL4 фокусирует вертикальный спектр на многополосковой решетке G2. CL5 - полевая линза, ограничивающая вертикальный спектр вблизи оптической оси системы. Спектральное распределение па G2 уменьшается в вертикальном направлении и отображается на входной плоскости изображения (Pin-плоскость) с помощью CL6. Линзы CL7 и CL7' играют ту же роль, что и CL5. Двухмерный спектр из G2 фокусируется в Pin-плоскости с помощью цилиндрических линз CL8 и CL9. Комбинация этих двух линз позволяет независимо менять фокальную длину и расстояние между G2 и Pin-плоскостью, что существенно для организации

двухмерного спектра с желательным размером. Цилиндрические линзы CL10 и CL10' играют ту же роль, что и CL7 и CL7'. Оптические элементы, установленные после Pin-плоскости, фокусируют двухмерный спектр в белое пятно света для пропускания через световод.

S 4. Экспериментальная установка.

В качестве источника света S в системе использовалась ксеноновая дуговая лампа мощностью 75 Вт, имевшая почти плоское распределение интенсивности в области 0,4-0,8 мкм. Полное количество полосок в многополосковой решетке G2 равно 20. В этом случае из (10) следует, что спектральные полосы полосок соответствуют данным, приведенным в таб.1.

Таблица 1. Нижний предел длин волн и периоды решетки для каждой голографической полоски

Stripe Xn(A) dn((im) Stripe UA) dn(nm)

Number Number

1 4000 0,9632 11 5657 1,3621

2 4141 0,9971 12 5856 1,4102

3 4287 1,0323 13 6063 1,4599

4 4438 1,0687 14 6277 1,5113

5 4595 1,1064 15 6498 1,5646

6 4757 1,1454 16 6727 1,6198

7 4925 1,1858 17 6964 1,6769

8 5098 1,2276 18 7210 1,7361

9 5278 1,2709 19 7464 1,7373

10 5464 1,3157 20 7727 1,8607

^end 8000

Период решетки каждой полоски определяется требуемым спектральным диапазоном и конфигурацией оптической системы. Для получения максимального разрешения решетка С2 должна иметь максимально возможную дисперсию. Это означает, что период штрихов в2 должен быть как можно меньшим. Однако, с точки зрения создания оптической системы, представляется удобным сделать так, чтобы первый

порядок дифрагированного луча из в2 распространялся перпендикулярно плоскости в2. С учетом рассмотрения всего вышесказанного был установлен угол первого порядка дифракции от в2 26°. Луч белого света из СЬ4 падает на в2 под углом падения 25°, так что первый порядок дифрагированного луча распространяется почти нормально к плоскости в2. Из уравнения (4) при 9, =25° и б,= 0° вычислены периоды штрихов каждой полоски, приведенные в таблице 1.

Высота каждой полоски определяется ее спектральной полосой и величиной дисперсии С1. В эксперименте в качестве использовалась треугольная стеклянная призма с углом при вершине 65°. Пусть а - угол падения луча на призму и п - коэффициент преломления стекла призмы для данной длины волны, тогда угол преломления (выхода луча из призмы) р(Х) удовлетворяет следующему соотношению

Призма сделана из российского оптического стекла ВР-28. При фокальной длине линзы СЬ4, равной 45 см, были реализованы полная высота спектра и распределение по длинам волн спектра на С2. Полная высота спектра равна 3,5 см, а высоты каждой полоски, соответствующие их спектральной полосе (табл.1), приведены в табл.2.

Как уже указывалось, спектральное разрешение оптической системы полностью определяется размером диафрагмы, если ширина полоски достаточно велика, чтобы пренебречь дифракцией. Оптимальный размер диафрагмы определяется спектральной полосой полоски и полными числами пикселей, которые должны быть разрешены данной полоской.

должна иметь разрешение М пикселей, то спектральное разрешение 5Х=АА„/М. Чтобы разрешить М пикселей, угловой размер диафрагмы должен быть меньше, чем диапазон углов дифракции, определяемый спектральной полосой Это условие может быть выражено в виде

Если спектральная ширина полоски равна ДХ„ и полоска

Дрь

(ма8)

3

(10)

Таблица 2. Высота полос.

п Ь^Дтт) п Ьйг(ПШ1) п Ь81г(тт)

1 3,43 8 1,92 15 1,09

2 3,15 9 1,77 16 1,00

3 2,91 10 1,63 17 0,92

4 2,68 11 1,50 18 0,85

5 2,47 12 1,35 19 0,78

6 2,27 13 1,27 20 0,72

. 7 2,09 14 1,17

где (1рь - диаметр диафрагмы, РЬЗ • фокальная длина линзы ЬЗ и -период решетки. Для первой полоски )-1=0,4мкм, ДХ=140Л, ^=0,9в32мкм; если М=20 и РЬЗ=20 см, <^=145 мкм. Для М=50 размер диафрагмы должен быть мепьше 60 мкм (в нашем эксперименте использовался диаметр 60 мкм).

Многополосковая голограмма была записана на фотопластинке РКв-01 из России. Для того, чтобы луч первого порядка дифракции распространялся перпендикулярно плоскости голограммы и чтобы удовлетворить условию Брэгга для каждой полоски, для записи полосок была использована несимметричная схема записи. Фотопластинка покрывалась маской с отверстием. Отверстие было выполнено в виде щели с переменной шириной для того, чтобы отъюстировать высоту каждой полоски. Многополосковая решетка записывалась на фотопластинке экспонированием щели, при этом пластинка перемещалась для записи следующей полоски. Период штрихов каждой полоски подстраивался с помощью изменения угла падения луча на фотопластинку с одновременным жестким контролем положения обоих зеркал. При этом должны быть учтены углы падения для каждой полоски, разность длин волн между записываемым и восстанавливаемым лучами для каждой полоски и усадка эмульсии после фотохимической проявки.

Экспериментально было получено, что эффективная толщина голограммы составляет около 80% толщины эмульсии после обработки и отбеливания.

Фотография экспериментальной установки для передачи изображений показана на рис. 13. Оптическая схема достаточно сложна из-за необходимости ее привязки к пути распространения луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Серьезной проблемой установки является необходимость центровки и юстировки более 50 оптических элементов. Большинство элементов являются цилиндрическими линзами. Входные изображения представляли собой транспаранты простых букв или символов. Выходные изображения фокусировались на ТВ (CCD) - камеру и выводились на монитор. На рис. 14 показан пример прошедшего изображения на мониторе китайской буквы "свет". На рис.15 показано выходное изображение слова KIST (Korean Institute of Science and Technology). На этих рисунках восстановленные вертикальные линии имеют меньшее число элементов разрешения, чем число полосок в решетке G2 (20), потому что яркость изображения верхней и нижней частей спектральной области уменьшена из-за того, что юстировка системы была произведена для оптимальной передачи центральной части изображения. Из рис. 15(a) видно, что, когда изображение сфокусировано очень точно, очень трудно распознать изображение потому, что линии изображения очень резкие и отделены друг от друга. Для того, чтобы сделать изображение на дисплее более распознаваемым, необходимо несколько расфокусировать изображение, как показано на рис. 15(b). Для случая рис.15(a) возможно введение дополнительных линий между линиями изображения за счет частичного сдвига нескольких изображений одного и того же объекта. Это может быть сделано, если одно и то же изображение проходит через много вертикально ориентированных волокон. В этом случае диафрагма должна соответственно сдвигаться в вертикальном направлении.

Выводы.

В настоящей работе получены следующие основные результаты:

1. Исследовано обращение волнового фронта (ОВФ) в нелинейном фоторефрактивном кристалле титаната бария. Создана и оптимизирована экспериментальная установка для получения нестационарного ОВФ с самонакачкой. Исследованы динамические области такого ОВФ (режимы пульсации и отсутствия пульсации). Показано, что нерегулярная частота пульсации и фазовые сдвиги, имевшие место в эксперименте, можно объяснить нестабильностью накачки в кристалле. Частотные сдвиги появляются вместе с появлением веерных лучей при ОВФ с самонакачкой.

2. В области нерегулярных пульсаций при ОВФ с самонакачкой частота пульсаций и амплитуда обращенного луча в первом приближении линейно нарастают с ростом интенсивности накачки (для нашей схемы амплитуда сопряженного луча была пропорциональна интенсивности накачки в степени 0,86). В режиме нестабильных колебаний время нарастания примерно обратно пропорционально интенсивности накачки (в нашей схеме пропорционально интенсивности накачки в степени минус 0,92), а интенсивность первого генерируемого импульса примерно линейно нарастает с ростом интенсивности накачки (в нашей схеме показатель был равен 0,8).

, 3. Для осуществления пространственной фильтрации изображений, зависящей от направления, была использована типовая оптическая схема для ОВФ с самонакачкой при однолучевой геометрии. Показано, что выбранные (в нашем случае вертикальные) края контура изображения усиливаются значительно больше, чем другие. Однако, однолучевая геометрия характеризуется медленным откликом (время формирования решетки более нескольких минут), к тому же в ней контроль параметров изображения затруднителен.

4. Проведены экспериментальные исследования для схемы с двухлучевой геометрией. Показано, что в данном случае ОВФ, сопровождаемое обращением, может быть получено при малых (менее

1 Вт/см2) интенсивностях и практически в реальном времени. Это хороший метод для практических применений.

5. Показано, что для схемы с двухлучевой геометрией может быть достаточно легко получено полное оконтуривание изображения с высокими параметрами качества и скорости при использовании опорного луча с достаточно большим диаметром или без какого-либо фильтра в опорном канале.

6. Исследована передача оптической информации через оптическое волокно с использованием ОВФ. Показано, , что ОВФ в схеме с двухлучевой геометрией весьма эффективно для компенсации искажений. Создана и исследована оптическая схема с двухпроходовой передачей изображения через волокно в двухлучевой геометрии с использованием самонакачиваемого ОВФ. Получено большое количество выходных изображений для различных конфигураций. Прошедшие через световод изображения для двухлучевой геометрии более качественны и стабильны, чем для самонакачиваемого ОВФ. Однако применение этого метода для прямой передачи изображения затруднительно из-за ограничений, связанных с двухпроходовой передачей.

7. Экспериментально продемонстрирована и исследована параллельная мульти-пиксельная передача изображений через многомодовое оптическое волокно с использованием двух голограмм для голографического ОВФ (одна - для генерации опорных лучей, другая - для введения предыскажений волнового фронта волны для компенсации искажений, внесенных световодом). Каждый опорный луч генерирует выходной пиксель изображения. Экспериментально получено полное разделение точечных изображений и передано через световод 25-пиксельное изображение. Показано, что такая система должна быть очень точно отъюстирована.

8. Показано, что некоторые недостатки и помехи, свойственные вышеописанному методу, могут быть устранены при использовании метода спектрального кодировании. Экспериментально продемонстрирована передача изображения через световод с использованием метода

двухмерного кодирования. Этот метод может быть использован для высокоскоростной передачи больших массивов оптической информации, таких как ТВ-изображения с высоким разрешением или трехмерных изображений. Исследованы многополосковые голографические дифракционные решетки для двухмерного спектрального кодирования, что оказалось весьма полезным не только для передачи информации, но и для создания голографических элементов. С целью повышения качества была модифицирована оптическая схема для передачи изображений с использованием двухмерного спектрального кодирования.

RESUME

1. The optical phase conjugation in the nonlinear photorefractive crystal, BaTi03, is investigated. Experimental set-up for an unstable self-pumped

phase conjugation is designed and improved. Some dynamical regions are investigated (pulsation region, non-pulsation region). It is shown that an irregular frequency and phase shifts take place that can be explained by an unstable pump generation in crystal. The frequency shifts come from the fannings of a fanning beam in self-pumped phase conjugation.

2. In the irregular pulsing region of a self-pumped phase-conjugation, the pulsing frequency and the amplitude of phase-conjugated beam are proportional approximately linearly to Ipump > where Ipump is the incident

pump' beam intensity. For our concrete optical set-up these dependences were to Ipump and (Ipump) respectively. In the unstable oscillating

region, the rising time and intensity of the first-generated pulse are proportional approximately to (Ipump) ^ Ipump, respectively. These dependences for our concrete optical set-up were to (Ipump) " and (Ipump) °'81> respectively.

3. A typical set-up of self-pumped phase conjugation with one-beam geometry was used for the direction-dependent spatial filtering of images. It is shown that selected (in our case - vertical) edges are most significantly enhanced relatively to other edges. However one-beam geometry is quite slow (grating formation time is more than a few minutes) and very difficult for a control of the image's parameters.

4. Experiments for a two-beam geometry experimental set-up are conducted. It is shown that optical phase conjugation assisted by a cat conjugation can be obtained at small intensities (less than 1 W/cm^) and practically at real time. It is a good method for the practical applications.

5. It is shown that for two-beam geometry a full edge with a high quality and speed could be easily obtained using a reference beam with a sufficiently large diameter (or without any filter in the reference channel).

6. Optical phase conjugation and optical information transmission through an optical fiber were investigated. It is shown that the optical phase conjugation from the two-beam geometry can be successfully used to these applications. Optical set-ups of double-pass image transmission with a self-pumped phase conjugation and with a two-beam geometry were

investigated and developed. A lot of output images is obtained for different configurations. The transmitting images are more fine and stable for a two beam geometry set-up than that of a self-pumped phase-conjugation. It was not good for the direct image transmission due to the limitation of double pass transmission.

7. A parallel multi-pixel image transmission through a multi-mode optical fibers was investigated and demonstrated experimentally by using of two hologram plates for a holographic phase-conjugation (one for generation of reference beams and other for a predistortion of the light wave front for the compensation distortions introduced by fiber). Each reference beam generates an output image's pixel. Complete separation of point images was obtained and 25-pixel image was transmitted through the fiber experimentally. It is shown that a system should be aligned very precisely.

8. It is shown that the drawbacks (that take place for an abovementioned methods) can be removed by using a spectral coding method. Image transmission using 2-D spectral coding has been demonstrated experimentally. Such kind of information transmission can be applied to the high-speed transmission of the information such as High Definition Television Images or 3-D images. The multi-stripe holographic diffraction gratings for 2-D spectral coding were investigated. It is useful for information transmission and holographic elements. Image transmission using 2-D spectral coding has been modified for increasing the transmission image quality.

Список литературы по теме диссертации

A-1. Jung-Young Son, Hyung-Wook Jeon, and Sang-Sam Choi, "Light Propagation in a Photorefractive BaTiÛ3 Crystal," SPIE Proceeding vol. 1841, Nonlinear Optical Processes in Solids, p.91 (1991).

A-2. J.Y.Son, Y.K.Lee, and H.W.Jeon, "Effects of system parameters on image transmission through fiber using self-pumped phase conjugation,-" OSA Annual Meeting, ThBB2 (1992).

A-3. Hyung Wook Jeon, Jung Young Son, Yim Kul Lee, and Young Sik Um, "A new observation on optical conjugation using barium titanate: Dark hole effect," Proceedings of Nonlinear Optics: Materials, Fundamentals, and Applications 2nd Topical Meeting, P.MD13-M992).

A-4. Dong Hwan Son, Hyung Wook Jeon, Yim Kul Lee, Jung Young Son, and Dong Kun Lim, ".Dependence of Optical Phase Conjugation on Incident Beam Position and Intensity," J. of the Korean Ins. of Tclematics and Electronics, vol. 30A(3), p.213 (1993).

A-5. Y.K.Lee, H.W.Jeon, J.Y.Son, M.W.Kim, and J.CJo, "Direction-dependent filtering using self-pumped phase conjugation," SPIE Proceeding vol.2026, Photonics for Processors, Neural Networks, and Memories, p.302 (1993).

. A-6. Jung-Young Son, Hyung-Wook Jeon. Yong-Jin Choi, Young-Hyun Cho, Young-Sik Um,

■ Vladimir I. Bobrinev, "A Method of Image Transmission through a Multi-Mode Optical Fiber," J. of Korea Physical Society, 28(5), pp.589-593 (1995).

A-7. V. I. Bobrinev, J. Y. Son, and H. W. Jeon, "Direct transmission of images along an optical fibre with the aid of spectral image encoding," Quantum Electronics(Russian) vol. 22(10), pp. 1034-1036(1995). Translated in "Direct image transmission through an optical fibre with the aid of spectral image encoding," Quantum Electronics vol. 25(10). pp.999-1001(1995).

A-8. Jung-Young Son, V. G. Dmitriev, Hyung-Wook Jeon, V. N. Mikhailov, "Solid-state Lasers for Color Holography," SPIE Proc. vol. 2406, Practical Holography X, pp.96-105 (1095).

A-9. V. I. Bobrinev, Hyung-Wook Jeon and Jung-Young Son, "Optical Image Transmission through an Optical Fiber, by Spectral Coding," Proceedings of 17th Congress of the International Commission for Optics, pp.259-260 (1996).

A-10. J. Y. Son, V. I. Bobrinev, H. W. Jeon, S. S. Choi, Y. H. Cho, and Y. S. Um, "Direct image transmission through a multi-mode optical fiber," Appl. Opt. vol. 35(2), PP.273-277U99S). . .

A-11. V. I. Bobrinev, Jung-Young Son, Hyung-Wook Jeon, Seong-Keun Lee, "A 2-D spectral multiplexing method for direct , image transmission through an optical fiber," Optical Eng. 36(4), ?f,15-2i,(W7).

A-12. Jung Young Son, Hyung Wook'Jeon, Yong Jin Choi, and V. I. Bobrinev, "Method'and apparatus for direct transmission of an optical image," US Patent 5,513,022 (1996).

Цитируемая литература

1. Amnon Yariv, "On transmission and recovery of, three-dimensional image information in optical waveguides", J. Opt. Soc. Am. 66(4), 301-305 (1976).

2. H-E. Korth, "Frequency Separator for e.g. data transmission via optical fiber," European Patent DE 2952071 (1931).

3. A. A. Friesem, Uri Levy, and Yaron Silberberg, "Parallel transmission of images through single optical fibers," Proceedings of the IEEE 71(2), 206-221 (1983).

4. A. M. Tai, "Two-dimensional image transmission through a single optical fiber by wavelength-time multiplexing," Appl. Optics 22(23). 3826-3832 (1983).

5. Jack Cederquist and Anthony ■ M. Tai, "Computer-generated holograms for geometric •transformations," Appl. Optics 23(18), 309B-3104 (1984).

6. G. G. Voevodkin and A. A. Kuznetsov, "Forming, transmission, and processing of two-dimensional image linear projections by spectra] multiplexing method," Second USSR Scient.-Techn. Conf. Radiooptics development problems, pp.88-89, Moscow (1985).

7. Eung Gi Paek, C. E. Zah, K. W. Cheung, and L. Curtis, "All-optical image transmission through a single-mode fiber," Opt Lett 17(8), 163-165 (1992).

8. Sunny Bains, "Holograms route wavelength-encoded 2-D images through fiber," Laser Focus World, pp. 71-72 (April 1993).

9. Jonh H. Hong, "Wavelength multiplexed two dimensional image transmission through single mode optical fiber," US Patent 5315,423 (1994).

10. M. Cronin-Golomb and A. Yariv, "Optical limiters using photorefractive nonlinearities," J.

Appl. Phys. 57(11), p.1985 (1985).

Подписи к рисункам

Fig.l. Методы передачи изображений через оптическое волокно (световод).

Fig.2. Самонакачиваемое ОВФ при отражении (в произвольных единицах) для различных положений входного луча (интенсивность входного луча 4 Вт/см2, угол падения 82°, диаметр пучка 6 мм). Fig.3. Двухлучевая геометрия в кристалле.

Fig.4. Экспериментальные результаты для двухлучевой геометрии: (а) полное восстановление буквы К\ (Ъ) обострение контура буквы (а) для случая, когда кристалл находится далеко позади Фурье-плоскости линзы FT на рис. 15; (с), (d) вертикальное обострение контура; (е), (f) вертикальное обострение для случая, когда степень обращения волнового фронта равна около 50% от случаев (с), (d). Fig.5. Оптическая схема двухпроходовой передачи изображения при самонакачиваемом ОВФ.

Fig.6. Оптическая схема двухпроходовой передачи изображения при двухлучевой геометрии.

Fig.7. Оптическая схема для записи голограммы выходного луча. Fig.8. Оптическая схема прямой передачи изображения. Fig.9. Результаты прямой передачи изображения: слева реальные изображения, справа - бинарные изображения, полученные сканером. Расстояния между лучами в S - плоскости равны 100, 150 и 200 мкм.

Fig.10. Результаты передачи корейских букв (4 типа) в системе прямой передачи изображений.

Fig. 11. Базовая оптическая схема системы передачи изображений с использованием метода двухмерного спектрального

мультиплексирования.

Fig.12. Экспериментальная оптическая схема системы передачи изображений с использованием метода двухмерного спектрального мультиплексирования.

Fig.13. Фотография экспериментальной установки.

Fig.14. Пример переданного изображения (китайский иероглиф,

обозначающий "свет").

Fig.15. Пример переданного изображения (части слова KIST).

Pulse Signal

JUUliUUUUliliUUl

"CTHT

optical Fiber (a) Image transmission by digital coding method

TjO

Optics

Input Image Optics

(b) Image transmission by optical muRi-channel method Fig.1

Fig.2

ÏOOum

* • #

150um 200um

Fig. 9

Fig. 10

Fig 11

G, a, CL,' Gj ' G,

l^btjH^J

СЦ CL, P,. CL,' CLj' -Vertical Plane-

Fig. 12

Fig. 15