ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Физические характеристики, модуляция светового излучения и перенос информации об объекте из "Передача и обработка информации голографическими методами " Геометрическая, или лучевая, оптика адекватно описывает многие оптические явления, и ее использование приносит большую практическую пользу, например, при создании оптических приборов, при качественном описании многих особенностей оптических систем и т. д. Однако волновые свойства света, электромагнитная природа светового излучения играют чрезвычайно важную роль при исс тедовании особенностей передачи оптическим излучением информации об объектах материального мира и количественного определения характеристик веществ и процессов, в особенности в голографии. [c.12] Электромагнитная теория Максвелла [11J определяет следующие основные характеристики световой волны 1. амплитуду электрического вектора 2. фазу его колебаний 3. поляризацию плоскости колебаний магнитного вектора 4. длину волны 5. направление распространения. Кроме того, для голографии и оптической обработки информации весьма важными характеристиками являются пространственная и временная когерентность. [c.12] Рассмотрим, какие изменения могут произойти с этой волной в результате взаимодействия с объектом. Предположим, объект представляет собой прозрачную щель на непрозрачном экране и нужно получить информацию об объекте, анализируя волну, проходящую сквозь объект. Амплитуда волны непосредственно за транспарантом в областях, перекрытых непрозрачным экраном, равна нулю. В области щели амплитуда волны не изменится. Измеряя распределение энергии непосредственно за транспарантом, получим информацию о пространственной структуре нашего объекта. [c.13] Потери информации о пространственной структуре объекта обусловлены невозможностью измерить распределение энергии во всей области пространства за предметом и неточностью измерений и вычислений. В случае линзы потери информации имеют ту же природу и обусловлены ограниченностью апертуры и несовершенством линзы. В обоих случаях будут, кроме того, потери, обусловленные неидеальностью измерителя энергии. [c.14] Таким образом, если волна проходит через объект, в результате взаимодействия с которым изменяется амплитуда волны, можно тем или иным способом извлечь информацию о пространственной структуре этого объекта, осуществляя преобразования и измерение распределения энергии прошедшей волны. Иначе говоря, модулированная по амплитуде световая волна переносит информацию о пространственной структуре объекта-транспаранта. [c.14] Рассмотрим теперь прозрачные объекты, не изменяющие амплитуду проходящей через них волны. Пусть такой объект представляет собой стеклянную пластинку, толщина которой в некоторой точке изменяется скачком (рис. 1.1.1). В этом случае измерение энергии в плоскости непосредственно за объектом и в изображении объекта, формируемом обычной линзовой системой, не даст нам практически никакой информации. Распределение энергии непосредственно за объектом останется практически однородным, хотя волна и содержит информацию о толщине пластинки. [c.14] Взаимодействие поля с веществом выражается в изменении скорости распространения света в этой среде. Через тонкую часть пластинки волна пройдет быстрее, чем через толстую и между этими волнами появится разность фаз Лф=зД/1(и—1)2л/А-, где п — показатель преломления пластинки, X — длина волны света. Так как прямое измерение распределения энергии непосредственно за объектом или в обычном его изображении не позволяет извлечь необходимую информацию, следует использовать другие методы. [c.14] При плавном изменении высоты ступеньки дифракционные картины (рис. 1.1.2) периодически сменяются. Таким образом, изучение дифракционной картины от щели, на которую наложен прозрачный преломляющий объект, позволяет судить о соотношении оптических длин путей. В отличие от случая амплитудного объекта, здесь нет однозначности. Наблюдая и измеряя распределение энергии в дифракционной картине от щели, перекрытой фазовым объектом, в общем случае нельзя определить истинное значение толщины различных участков объек-та. Кроме того, трудно отличить этот случай от опыта, в котором в некоторой точке объекта изменяется не оптическая длина пути, а показатель преломления. Определенное изменение показателя преломления приведет к точно такому же результату, как и соответствующее изменение толщины. [c.15] мы рассмотрели амплитудную и фазовую модуляцию световой волны и убедились, что волна переносит информацию о поглощающих свойствах, толщине и преломляющих свойствах объектов-транспарантов. Однако перечисленные виды модуляции не исчерпывают возможностей световой волны переносить информацию о прозрачных объектах. Как известно, часто при прохождении света через прозрачные объекты может измениться поляризация световой волны. Эти изменения могут быть обусловлены следующими причинами 1) прохождением границы двух диэлектриков (или границы вакуум-диэлектрик), когда изменение поляризации обусловлено изменением угла падения световой волны на границу раздела, 2) свойствами вещества объекта, когда вещество обладает, например, двулуче-преломлением или способностью поворачивать плоскость поляризации. [c.16] С другой стороны, путь части световой волны, проходящей через наклонную пластинку, больше, и, следовательно, между волнами, проходящими через нормально ориентированную и наклонную пластинки, возникнет разность фаз. Следовательно, такой объект осуществляет и фазовую модуляцию световой волны. И, наконец, поместив за объектом анализатор, можно, ориентируя его, установить, что свет, проходящий через наклонную пластинку, линейпо-поляризован в соответствующей плоскости. Если угол падения света на наклонную пластинку не равен углу Брюстера, то с помощью анализатора можно установить степень поляризации проходящей волны. [c.17] Зная энергию падающей волны, измеряя распределение энергии за объектом, измеряя возникающие разности фаз, определяя направление и степень поляризации, зная законы отражения и преломления электромагнитных волн, можно извлечь всю возможную информацию об интересующем нас объекте о толщине пластин, показателе преломления пластин, угле наклона пластин по отношению друг к другу. [c.17] Важная информация о пространственном распределении оптических свойств объекта содержится в сведениях о направлениях распространения волн, прошедших объект или отраженных от него. [c.18] Направление распространения определяется фронтом волны (поверхностью равных фаз). В каждой точке пространства направление распространения дается нормалью к фронту волны. Запись, содержащая информацию о направлении распространения волны, является одним из важных достоинств голографии, позволяющей воспроизводить трехмерные объекты. [c.18] Следует отметить, что получение любой информации об объекте с помощью светового излучения требует регистрации волны, взаимодействовавшей с объектом. [c.18] На примерах, аналогичных приведенным, можно качественно рассмотреть и информацию об отражающих объектах, переносимую световой волной, и сделать заключение, что информация о пространственной структуре объекта плоского или трехмерного, пропускающего или отражающего, о его дисперсионных свойствах, спектрах пропускания или отражения переносится световой волной в виде изменений амплитуды волны, направления распространения и фазы, а также поляризации волны. [c.18] Образование изображения в когерентном свете можно рассматривать как результат интерференции волн, дифрагировавших на объекте и сведенных с помощью линзовой системы в определенной плоскости — плоскости изображения. Тогда для формирования изображения синусоидальной одномерной решетки с помощью какой-либо линзовой системы необходимо иметь достаточно большую апертуру линзовой системы, чтобы дифрагировавшие пучки -Ь1 и —1-го порядков, попадая в апертуру, отклонялись соответствующим образом, и, интерферируя, давали изображение решетки. Зная угол дифракции, нетрудно показать, что размер апертуры оптической системы D = 2kvz, где z — расстояние от решетки до главной плоскости линзы. Таким образом, описание объекта с помощью пространственной частоты позволяет просто оценить, например, требуемую апертуру объектива. [c.19] Для описания передачи информации о свойствах одномерного синусоидального объекта практически оказалось достаточным указать его пространственную частоту. Для несинусоидальных одномерных периодических объектов задать основную частоту или период повторения свойств оказывается уже недостаточным. Такие объекты можно, однако, охарактеризовать набором характерных пространственных частот или спектром пространственных частот. [c.19] Таким образом, мы кратко остановились на характеристиках светового излучения, видах модуляции и ввели понятия пространственной частоты и спектра пространственных частот. [c.22] Вернуться к основной статье