Целью синтетического массива гетеродинного обнаружения является изоляция областей большой площади поверхности детектора в виртуальные пиксели. Это обеспечивает преимущества наличия нескольких пикселей (например, для создания изображения) без необходимости иметь физические пиксели (т. е. изолированные элементы детектора). Детектор может быть простым однопроводным выходом, по которому все виртуальные пиксели могут считываться непрерывно и параллельно. Пиксели мультиплексируются в частотной области.
Это решает две общие проблемы, возникающие при оптическом гетеродинном обнаружении . Во-первых, гетеродинные сигналы являются частотами биений между источником сигнала и опорным источником (называемым локальным генератором ). Они не являются уровнями постоянного света [ требуется разъяснение ] , а осциллирующими сигналами, и поэтому в отличие от обычных детекторов световой поток от сигнала не может быть интегрирован на конденсаторе. Поэтому, чтобы иметь массив пикселей, каждый пиксель должен поддерживаться усилителем переменного тока и схемой обнаружения, что является сложным. При синтетическом обнаружении массива все сигналы могут быть усилены и обнаружены одной и той же схемой. Вторая проблема, которую решает синтетическое обнаружение массива, возникает не при формировании изображений пикселей, а когда сигнал не является пространственно когерентным по всей поверхности детектора. В этом случае возникающие частоты биений по-разному фазируются по всей поверхности детектора, и они деструктивно мешают, создавая низкий выходной сигнал. При синтетическом обнаружении массива каждая область детектора имеет разную основную гармонику для своей частоты биений, и, таким образом, нет стационарной интерференции, даже если фаза сигнала изменяется по всей поверхности детектора.
Рисунок 1 показывает конкретный формат реализации метода синтетической решетки. Эта реализация называется «радужным гетеродинным детектированием», поскольку частоты локального генератора распределены подобно радуге по поверхности детектора.
Выходной сигнал детектора представляет собой многочастотный сигнал. Если этот выходной сигнал спектрально разрешен, то каждая отдельная электрическая частота соответствует отдельному месту на детекторе.
Хотя концепция проста, существует ключевая трудность, которую необходимо преодолеть при любой реализации: как сгенерировать радугу разнесенных оптических частот, ширина полосы пропускания которых относительно детектора меньше электрической ширины полосы пропускания детектора. То есть типичный детектор может иметь ширину полосы пропускания в масштабе 100 мегагерц. Если наибольшая разностная частота равна |ω6-ω6|, то эта разность должна быть меньше 100 мегагерц. Это, в свою очередь, означает, что расстояние между соседними разностными частотами должно быть меньше 100 МГц и в среднем меньше 100 МГц/число пикселей. Чтобы понять, почему это представляет проблему, рассмотрим рассеивание белого света с помощью призмы. Для любой призмы конечного размера вы не можете получить достаточную дисперсию для создания разрешенных (неперекрывающихся бимлетов), которые отличаются менее чем на мегагерц. Таким образом, методы дисперсии не могут рассеивать широкополосный источник света для создания смещенных по частоте бимлетов с узко расположенными разностными частотами. Один из возможных способов добиться этого — иметь отдельный лазерный источник для каждого бимлета; Эти источники должны быть точно контролируемыми по частоте, чтобы их центральные частоты были разделены желаемыми сдвигами. Основная проблема с этим носит практический характер: ширина полосы пропускания и дрейф частоты большинства лазеров намного больше 1 МГц. Лазеры, необходимые для этого, должны иметь достаточно узкую спектральную чистоту, чтобы они могли когерентно взаимодействовать с источником сигнала. Тем не менее, наличие нескольких узкополосных прецизионных частотно-настраиваемых лазеров также является сложным.
Одним из практических способов достижения этого является использование акустооптического дефлектора . Эти устройства отклоняют входящий световой луч пропорционально акустической частоте возбуждения. Они также имеют побочный эффект смещения выходной оптической частоты на акустическую частоту. Таким образом, когда один из них возбуждается несколькими акустическими частотами, испускается ряд отклоненных лучей, каждый с небольшим и различным сдвигом оптической частоты. Удобно, что это работает, даже если исходный лазер имеет низкую спектральную чистоту, поскольку каждый субспектральный компонент луча взаимно фазово когерентен с источником и смещен на ту же частоту. В частности, этот подход позволяет использовать недорогие, высокомощные или импульсные лазеры в качестве источников, поскольку не требуется управление частотой.
На рисунке 2 показана простая версия этой реализации из 2 «пикселей». Лазерный луч отклоняется акустической частотой 25 МГц и 29 МГц через акустооптический модулятор. Выходят два луча, и оба объединяются на детекторе вместе с исходным лазерным лучом. Луч 25 МГц освещает левую половину детектора, а луч 29 МГц освещает правую половину детектора. Частоты биений против сигнального луча на детекторе создают выходные частоты 25 и 29 МГц. Таким образом, мы можем различать, какие фотоны попадают в левую или правую половину детектора. Этот метод масштабируется до большего числа пикселей, поскольку AOD с тысячами разрешаемых пятен (каждое с разной частотой) имеются в продаже. Двумерные массивы можно создавать с помощью второго AOD, расположенного под прямым углом, или голографическими методами.
Метод мультиплексирует все пространственные позиции на детекторе по частоте. Если частоты равномерно распределены, то простое преобразование Фурье восстанавливает когерентное изображение. Однако нет причин, по которым частоты должны быть равномерно распределены, поэтому можно динамически регулировать количество, размер и форму пикселей. Можно также независимо изменять усиление гетеродина на каждом пикселе по отдельности, просто делая луч LO более или менее сильным. Таким образом, можно расширить динамический диапазон приемника, уменьшая усиление на ярких пикселях, увеличивая его на тусклых и, возможно, используя более крупные пиксели для тусклых областей.
Метод мультиплексирования также вносит два ограничения. В случае визуализации сигналы не должны меняться быстрее, чем постоянная времени Найквиста, подразумеваемая разницей частот между соседними пикселями. Если это так, пиксели размываются или накладываются друг на друга. (Для приложений, не связанных с визуализацией, например, когда кто-то просто пытается собрать больше света, но ограничен пространственной некогерентностью, это наложение неважно, поскольку оно не изменяет некогерентную сумму пикселей.) Кроме того, когда кто-то работает вблизи предела дробового шума, подход мультиплексирования может повысить уровень шума, поскольку все пиксели видят дробовой шум от всего массива (так как все они соединены одним проводом). (Опять же, для приложений, не связанных с визуализацией, это может быть неважно).