Het ‘multitasking-dilemma’ van CGH: waarom bestaat strooilicht? Om 'draaggolffrequentie' te begrijpen, moeten we eerst een uitgangspunt begrijpen: CGH zelf is een diffractief optisch element. Wanneer u een lichtstraal op een CGH laat schijnen, produceert deze niet zomaar de gewenste diffractievolgorde. Vanwege de fundamentele wetten van de fysieke optica zal het tegelijkertijd verschillende "klonen" produceren: de +1-orde (doelsignaal) die je nodig hebt, de 0-de orde die er dwars doorheen gaat zonder diffractie, de -1-orde die naar de andere kant afbuigt, en zelfs hogere orden...
Figuur 1. Licht van verschillende diffractie-orden (blauw staat voor +1e orde, de rest is strooilicht).
In een ideaal ontwerp draagt alleen het +1 orderlicht informatie over het gemeten oppervlak terug naar de interferometer. In werkelijkheid dwalen de "parasitaire" orders van de 0e en -1e orde echter ook doelloos rond in het optische pad. Zodra ze het optische meetpad betreden, veroorzaken ze strooilichtinterferentie. Het resultaat is een verminderd contrast in de interferentieranden, vage randen en soms zelfs de superpositie van valse fase-informatie. Kortom, vage randen zijn vaak niet het gevolg van zwak licht, maar eerder van overmatig geluid. Wat is een "draaggolffrequentie"? De introductie van een draaggolffrequentie moet dit "signaal-en-ruis"-conflict oplossen. We kunnen ons de faseverdeling van de CGH voorstellen als een gecodeerd diagram dat de ‘vorminformatie van het gemeten oppervlak’ vastlegt. De "draaggolffrequentie" is een extra kantel- of defocusfactor die op deze gecodeerde informatie wordt gesuperponeerd. Deze operatie klinkt abstract, maar het doel ervan is heel puur: het nuttige doelsignaal een "nieuwe ruimte" geven in het ruimtelijke frequentiedomein. Oorspronkelijk zijn het doelsignaal en die nutteloze 0e en 1e orde strooilichten opeengepakt en verstrikt in het frequentiespectrum. Hoe je het ook ruimtelijk blokkeert, je kunt het niet volledig blokkeren. Maar zodra een draaggolffrequentie op het doelsignaal wordt gesuperponeerd, wordt het spectrum ervan "verschoven" naar een hoger frequentiebereik, waardoor afstand wordt gecreëerd tot de stationaire interferentiesignalen. Dit is alsof je op een luidruchtig feest bent waar jij en je vrienden in eerste instantie het lawaai overstemmen en elkaar niet kunnen horen. Maar de draaggolffrequentie is alsof u en uw vrienden een specifieke hoogfrequente toon krijgen; jullie twee schakelen over naar deze toon die niemand anders gebruikt om te communiceren, en de omringende laagfrequente ruis wordt onmiddellijk een filterbare achtergrond.
Figuur 2. Orderscheiding op basis van gekantelde draaggolffrequentie
Figuur 3. Scheiding van niveaus op basis van defocusdraaggolffrequentie
Zodra de interfererende signalen en de doelsignalen in het spectrum zijn gescheiden, kan daaropvolgende ruimtelijke filtering op zuivere en effectieve wijze "strooilicht buitenhouden". De kunst van het filteren: niet hoe sterker hoe beter, maar precies goed. Dit is een kunst van evenwicht, over het vinden van het ‘precies goede’ moment. Als de draaggolffrequentie te laag is, overlappen de spectra van de interfererende en doelsignalen elkaar nog steeds, waardoor er een warboel ontstaat, wat resulteert in falende filters en vage randen. Als de draaggolffrequentie te hoog is, is het spectrum voldoende gescheiden, maar dit leidt tot extreem smalle lijnbreedtes in de CGH, waardoor extreem strenge eisen worden gesteld aan de precisie van de micro-nano-fabricage. Dit betekent niet alleen een toename van de productieproblemen, maar ook een ernstige impact op de diffractie-efficiëntie van de feitelijke CGH. In een ideaal ontwerp is het grootste deel van de energie geconcentreerd in de +1-orde, maar als de draaggolffrequentie te hoog is, kan zelfs een kleine afwijking in het productieproces ervoor zorgen dat licht naar andere orden lekt, waardoor de signaalintensiteit aanzienlijk wordt verminderd. Waar ligt de echte ontwerpvaardigheid? Bij het vinden van die "minimale effectieve draaggolffrequentie." Een goed ontwerp gaat niet over het willekeurig ophalen van waarden in tekensoftware; het gaat erom nauwkeurig te berekenen hoe de gesuperponeerde draaggolffrequentie kan worden geminimaliseerd en tegelijkertijd een zuivere scheiding van alle interfererende diffractie-orden kan worden gegarandeerd. Het bereiken van een zuivere scheiding met een kleine draaggolffrequentie garandeert zowel randcontrast als scherpte zonder overmatige druk uit te oefenen op de daaropvolgende productie en processen. Een praktische suggestie voor CGH-gebruikers: als CGH-gebruiker hoef je die complexe draaggolffrequentievergelijkingen niet zelf op te lossen, maar dat betekent niet dat je de detectieresultaten aan de bron niet kunt controleren. Als uw CGH tijdens het testen regelmatig vage randen, slecht contrast of regelmatig achtergrondgeluid vertoont, kunt u, nadat u optische pad- en omgevingsproblemen hebt uitgesloten, een kwantitatief analyserapport van de diffractievolgorde-scheiding aanvragen bij de CGH-ontwerper of -leverancier. Dit rapport zal u duidelijk vertellen: onder het huidige draaggolffrequentieontwerp, waar wordt elke interfererende volgorde naartoe verplaatst, wat is hun spectrale afstand tot het doelsignaal en of ze effectief kunnen worden geblokkeerd door het ruimtelijke filter. Met dit rapport kunt u bepalen of het ‘filter’-ontwerp van de CGH betrouwbaar is. Ten slotte ligt het verschil tussen 'helder zien' en 'niet helder zien' bij het nastreven van precisie op nanometerniveau in interferometrie vaak in een klein beetje vernuft in het ontwerp. De draaggolffrequentie speelt een rol die vergelijkbaar is met die van de bescheiden lichttechnicus in het grootse spektakel van precisietesten: het bepaalt niet de inhoud van het beeld, maar bepaalt hoe schoon het beeld is. De volgende keer dat u een standaard interferogram ziet met scherpe contouren en een volledig zwarte achtergrond, onthoud dan dat dit niet alleen een overwinning is voor de oppervlaktenauwkeurigheid, maar ook een prachtige kunst van frequentiefiltering.
