Menu Title

APLIKOVANÝ VÝZKUM

»  Prostorová modulace světla

PROSTOROVÁ MODULACE SVĚTLA (PMS)

PMS je pojem širšího významu, který  v moderní optice označuje metody a zařízení používaná pro amplitudovou, fázovou a polarizační modulaci světelných vln. Současné systémy užívané pro PMS zahrnují mikroelektromechanické systémy (MEMS)  nebo LCD technologie. V kategorii MEMS jsou nejčastěji užívány mikrozrcátkové systémy (DMD – Digital Micromirror Device), dynamické difraktivní mřížky (GLV – Grating Light Valve) nebo piezoelektrická deformovatelná zrcadla.


pms_1 Metody PMS, které jsou základem experimentů prováděných v LDO,  využívají technologii LCOS SLM. U těchto systémů je modulace procházejícícho nebo častěji reflektovaného světla prováděna změnou orientace paralelně uspořádaných vrstev nematických tekutých krystalů. Orientace vrstev v jednotlivých pixelech displeje je ovládána elektrodami řízenými DVI signálem PC.  Pomocí technologie LCOS SLM je možné realizovat amplitudovou nebo fázovou modulaci dopadajících světelných vln.  Preferovanou fázovou modulaci je možné provést v režimech označovaných jako „phase-only“ nebo „phase-mostly.“ V prvním z uvedených případů se pracuje s čistě fázovou modulací lineárně polarizovaného světla. Systémy patřící do druhé skupiny pracují s elipticky polarizovaným světlem a kromě fázové modulace vykazují také tolerovatelnou amplitudovou modulaci.

pms_4 pms_5 Displej prostorového modulátoru světla je vytvořen z buněk (pixelů), které na dopadající světlo působí jako binární amplitudová mřížka. Jedním ze základních parametrů systému je koeficient zaplnění, který určuje poměr propustné (odrazné) a nepropustné (neodrazné) oblasti displeje. Velikost koeficientu zaplnění rozhoduje o tom, jaké množství světla zůstane neovlivněno nežádoucí difrakcí na amplitudové mřížce tvořené jednotlivými pixely displeje.

pms_6 pms_7 Změnou orientace vrstev tekutých krystalů, způsobenou elektrickým polem, jsou  změněny optické vlastnosti v jednotlivých pixelech displeje.  Podle typu použitého systému jsou tyto změny převedeny na amplitudovou nebo fázovou modulaci světla. Tímto způsobem je na aktivní oblasti displeje vytvořena pracovní amplitudová nebo fázová mřížka umožňující cílenou transformaci dopadajících světelných svazků. Z hlediska energetické účinnosti je výhodnější fázová modulace. Pro dosažení co nejvyšší účinnosti je výhodné u fázových mřížek používat  blejzovaný profil.  

 ZOBRAZOVACÍ APLIKACE PMS


V zobrazovacích aplikacích je prostorový modulátor světla (PMS) často užíván jako čočka, která vytváří kvadratickou fázi určenou požadovanou ohniskovou vzdáleností. Maximální rozdíl optických drah, který může PMS zavést, je většinou omezen hodnotou vlnové délky λ. Z tohoto důvodu je nutné vytvářenou kvadratickou fázi čočky redukovat na interval <0,2π>. Tímto způsobem je vytvořena kvaziperiodická struktura, jejíž lokální frekvence roste se vzdáleností od optické osy.  S ohledem na požadavek splnění Nyquistova vzorkovacího kriteria není možné pomocí PMS vytvořit fázovou funkci čočky pro libovolně zvolenou ohniskovou vzdálenost. Nejmenší ohnisková vzdálenost, kterou lze daným PMS vytvořit závisí na jehoi příčném rozměru aktivní plochy RM a velikosti pixelu Δx. Například pro PMS Holoeye Pluto (RM=7.7 mm, Δx=8 μm, λ=632.8 nm) lze při splnění Nyquistova kriteria vytvořit nejkratší ohniskovou vzdálenost fm=0.2 m.

 

pms_11 pms_12 Činnost prostorového modulátoru světla (PMS) je optimální pro monochromatické záření vlnové délky, na kterou je systém nastaven. V zobrazovacích aplikacích má požadavek monochromatičnosti světla zásadní význam a je dobře splněn při použití laserového záření. Problémy nastávají při použití PMS v experimentech nekoherentní holografie, ve kterých je využíváno prostorově nekoherentní záření klasických zdrojů (LED, žárovka, výbojka) nebo fluorescenční záření. Požadovaná monochromatičnost je v tomto případě zajišťována pomocí spektrálních filtrů s typickou šířkou pásma propustnosti 1 – 5 nm. Použití úzkospektrálních filtrů je problematické z důvodu výrazného zhoršení poměru signal / šum. Při rozšíření spektra záření se v zobrazovacích aplikacích uplatňuje velmi výrazná difraktivní disperze PMS, která je pro vidtelnou oblast se spektrálními čarami D, F a C určena extrémní hodnotou Abbeaova čísla Vdif = – 3.7.

pms_13 Pro eliminaci difraktivní disperze byl navržen, realizován a testován afokální refraktivní korektor, který umožnil achromatizovat činnost PMS v celé viditelné oblasti. Tímto způsobem byl výrazně zvýšen optický výkon systému při použití širokospektrálního záření. 

Z. Bouchal, V. Chlup, R. Čelechovský, P. Bouchal and I. C. Nistor, Achromatic correction of diffractive dispersion in white light SLM imaging, Opt. Express 22, 12046 (2014).

Odkaz zde

pms_15