Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике - Петров М.П.
Скачать (прямая ссылка):
29*
Интеграл имеет вид свертки, поэтому изображающая система может быть использована как аналоговый процессор, выполняющий двумерную операцию свертки или при обеспечении некоторых дополнительных условий— операцию корреляции. Конкретный характер выражения (2.19) зависит от формы импульсного отклика, который в когерентно-оптической системе легко сформировать голографическими методами. Так, чтобы обеспечить процесс распознавания (операцию корреляции), необходимо поместить в задней фокальной плоскости первого объектива так называемый согласованный фильтр [2.11, 2.12] (более подробный анализ работы коррелятора будет дан в главе 9).
Однако реальное исполнение как фурье-процессоров, так и корреляторов, конкурентоспособных с цифровыми устройствами, встречает немалые технические трудности. В частности, требуется соответствующая высококачественная элементная база — устройства ввода информации, фурье-объективы, фотоприемные устройства, лазеры И др.
Наиболее очевидно применение фоторефрактивных сред — для устройства ввода изображения на входе и для создания реверсивных голографических фильтров. Если ввод информации осуществляется оптическим путем, т. е. формирование пропускания Т (х, у) входного транспаранта происходит путем его освещения записывающим светом, то такой транспарант называется оптически управляемым пространственно-временным модулятором света (ПВМС). Обсудим коротко отдельные требования к ПВМС, которые должны быть выполнены для обеспечения конкурентоспособности оптической системы обработки информации. В качестве примера системы возьмем фурье-процессор, а за критерий конкурентоспособности — его эквивалентную производительность. Довольно реалистической является величина входного массива порядка N = 103 X 103 разрешимых точек (пикселов) на входном транспаранте. Для того чтобы произвести фурье-преобразование на электронном компьютере с применением алгоритма быстрого фурье-преобразования (БФП), необходимо выполнить 2N log2 N сложных операций типа перемножения двух чисел. Если N= 10е, то 2N log 2 N « 4-107. Предположим, что имеется возможность производить смену входного массива (т. е. смену входного транспаранта) 100 раз в секунду. Тогда эквивалентная производительность оптического фурье-процессора составит порядка 4-109 операций в секунду. Это высокая цифра, обеспечивающая в определенных случаях конкурентоспособность по сравнению с ЭВМ. Каковы же при этом требования к ПВМС?
При разумных размерах модулятора в 1—2 см обеспечение записи 10е пикселов требует разрешающей способности 20-J-50 лин/мм. Для обеспечения линейности по амплитуде света дифракционная эффективность должна быть значительно меньше максимально возможной, но, с другой стороны, не слишком малой, чтобы потери считывающего света было допустимы. Итого, желаемая дифракционная эффективность —¦ 1ч-5%. Быстродействие не менее 100 циклов записи и стирания изображения в секунду. При этом чувстви-
30
тельность, если исходить из того, что с целью избежания перегрева' модулятора поглощение мощности записывающего света не должно превосходить 1 Вт, должна быть не хуже 1(Н— 1(И Дж/см2. Если же исходить из параметров обычных источников освещения, то чувствительность должна быть лучше, чем 10_в—10“7 Дж/см2.
Динамический диапазон модулятора может лежать в интервале' 404-60 дБ по интенсивности записывающего света (перепад интенсивностей в 100—1000 раз). Кроме указанных достаточно хорошо известных характеристик, необходимо обратить внимание на два дополнительных параметра — шумы и фазовая однородность модулятора. Требования низкого уровня собственных шумов связаны, в частности, с низкой дифракционной эффективностью модуляторов,, а отсутствие фазовых искажений есть специфическое требование когерентных оптических систем. Наличие фазовых искажений модулятора приводит к расширению (размытию) оптических сигналов на: выходе фурье-процессора, а следовательно, к потере разрешающей-способности и резкому снижению отношения сигнал/шум.
Требования к фазовой однородности очень высокие. Напримерг если принять, что неконтролируемая (случайная) модуляция фазы светового луча не должна превосходить 0.5 рад, то допустимые отклонения толщины модулятора ПВМС составят A/iraax < 0.5ty2im. При % = 0.6 мкм и п = 2.5 A/imax должно быть не б**лее 2-10~2 мкм. на всей поверхности модулятора.
Применение ФРК, как будет показано в последующих главах,, позволяет в основном решить задачу создания ПВМС, по крайней мере в рамках разумных компромиссов между противоречивыми требованиями.
Другой областью применений фоторефрактивных кристаллов в когерентно-оптических процессорах могло быть их использование в качестве сред для реверсивных голографических фильтров.
Реверсивные голографические фильтры, как и оптически управляемые ПВМС, должны быть линейными по отношению к амплитуде считывающего света элементами, допускать многократное повторение циклов записи и стирания информации, обладать низким уровнем шумов и т. д. Эти и ряд других требований к ним совпадают с таковыми для ПВМС. Но имеются два существенных отличия. Первое — это разрешающая способность фильтра. Она должна быть по крайней мере в 3—4 раза выше, чем у ПВМС. Второе отличие — более высокие требования к динамическому диапазону. Эти вопросы более подробно будут обсуждаться в главе 9.
