Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы
1.1. Оптические корреляционные методы обработки информации 12
1.2. Инжекционные лазеры как источники излучения для систем оптической обработки информации 31
ГЛАВА 2. Теория частично согласованной оптической пространственной жпьтращи
2.1. Методика расчета частично-когерентных систем оптической обработки информации 45
2.2. Выходной сигнал коррелятора с частично-когерентным источником 54
2.3. Влияние когерентности излучения на форму корреляционного сигнала в схеме согласованной оптической пространственной фильтрации 60
2.3.1. Влияние временной когерентности 60
2.3.2. Влияние пространственной когерентности. 67
ГЛАВА 3. Исследование коррелятора вандер лбгта на инжекционных лазерах
3.1. Аппаратура и методика проведения эксперимента. 84
3.1.1. Запись голографических согласованных фильтров 34
3.1.2. Измерения когерентности излучения инжекционных лазеров 91
3.1.3. Схема экспериментальной установки. 97
3.2. Влияние спектральных характеристик излучения на форму корреляционного сигнала
3.3. Влияние пространственной когерентности излучения на величину отношения сигнал/фон, интенсивность корреляционного максимума и точность установки
фильтра на стадии обработки. **4
ГЛАВА 4. Характерисяики шограшческих корреляторов на основе инжекционных лазеров
4.1. Достоверность опознавания детали изображения. 132
4.2. Зависимость предельной информационной емкости коррелятора от ширины спектра излучения
4.3. Энергетические характеристики коррелятора бинарных сигналов 163
Литература
- Инжекционные лазеры как источники излучения для систем оптической обработки информации
- Выходной сигнал коррелятора с частично-когерентным источником
- Запись голографических согласованных фильтров
- Зависимость предельной информационной емкости коррелятора от ширины спектра излучения
Введение к работе
Задача обеспечения быстрой параллельной обработки больших массивов информации является одной из важнейших современных научно-технических проблем / I /.
В решении проблемы эффективной обработки информации значительный интерес представляют оптические методы / 2-9 /. Это связано с исключительно высокой информационной ёмкостью светового поля, высокой скоростью распространения оптических сигналов, возможностью параллельной обработки двумерных функций, относительной простотой реализации в оптике ряда интегральных преобразований.
Оптическая обработка информации может быть осуществлена как с помощью когерентных, так и некогерентных световых полей. Соответственно, в настоящее время сложились и продолжают интенсивно развиваться два направления оптической обработки информации: когерентная и некогерентная обработка / 5-7 /. При этом каждое из двух направлений и соответствующие им методы и средства имеют свои достоинства и недостатки и предназначены для решения определенных классов задач.
Наибольшими функциональными возможностями обладают когерентные методы, позволяющие решать широкий круг задач по обработке двумерных комплексных функций, заданных в виде распределения амплитуд и фаз светового поля / 2-4,8,9 / Однако когерентные системы более сложны, чувствительны к механическим воздействиям и предъявляют более жесткие требования к качеству оптических элементов и источников света / 3,10 /. Некогерентные системы оптической обработки информации конструктивно проще, но класс решаемых ими задач ограничен, как правило, обработкой действительных положительных функций, а для реализации обработки знакопеременных функций
- 5 -необходим ряд специальных мер, усложняющих систему и создающих дополнительные трудности /II /.
Мало исследованной областью является обработка с использованием частично-когерентного излучения. При этом.открытым является вопрос о возможности нахождения оптимального, с учетом специфики конкретной решаемой задачи, соотношения между параметрами схемы обработки и степенью когерентности источника.
Достаточно разработана на сегодняшний день основывающаяся на принципах фурье-оптики / 12 / теория аналоговой когерентной оптической обработки информации / 2,4,9,13,14 /, которая строится в приближении точечного монохроматического источника. Вместе с тем, детально исследованы вопросы теории когерентности оптического излучения / 15,16 /, при этом общеизвестно, что любой реальный физический источник является фактически частично-когерентным. Однако отсутствует важное для практических применений достаточно общее рассмотрение систем оптической обработки информации, содержащих источник с произвольной степенью когерентности.
Среди различных групп задач, решаемых системами оптической обработки информации, особое место занимает корреляционный анализ. Двумерная корреляция является одной из наиболее эффективных операций, осуществляемых оптическим процессором, и служит ключевой в широком ряде систем оптического распознавания образов и выделения сигналов на фоне аддитивных помех / 17,18 /.
В соответствии с двумя названными выше подходами к созданию систем оптической обработки информации корреляционный функционал сравнения в оптике может быть реализован с помощью как когерентного, так и некогерентного излучения / 17,18 /.
Одной из наиболее известных и получивших наибольшее распространение схем когерентных корреляторов является система согласован-
ной оптической пространственной фильтрации» основывающаяся на предложенном Вандер Люгтом голографическом методе синтеза комплексных пространственных фильтров / 19 /. В настоящее время метод согласованной оптической пространственной фильтрации продолжает оставаться эффективным средством создания когерентных оптических систем распознавания образов различного назначения и основой для разработки новых, более совершенных алгоритмов распознавания / 18,20,21 /.
Возможность применения в схеме согласованной оптической пространственной фильтрации пространственно-некогерентного излучения была впервые показана Ломанном / 56 /. Дальнейшее развитие метод некогерентной согласованной пространственной фильтрации получил в работах / 58-66 /. В настоящее время известен ряд схем, получивших общее название дифракционных корреляторов интенсивности / 62 /. Схема согласованной оптической пространственной фильтрации с когерентным источником (коррелятор Вандер Люгта) и дифракционный коррелятор интенсивности как относящиеся соответственно к когерентным и некогерентным системам оптической обработки информации обладают всеми свойственными двум общим подходам и отмеченными выше достоинствами и недостатками. Специфической особенностью коррелятора Вандер Люгта являются высокие требования к точности установки фильтра / 43 /, которые снимаются в дифракционном корреляторе интенсивности. Однако при этом пространственная когерентность излучения становится мешающим фактором при сохранении требований к квазимонохроматичности. Поэтому при использовании в схеме дифракционного коррелятора интенсивности источника с достаточно высокими временной и пространственной когерентностью (например, газового лазера) пространственная когерентность искусственно разрушается / 61,62,64 /.
В качестве источников излучения в когерентных системах оптической обработки информации традиционно используются газовые лазеры. Однако газовые лазеры обладают низким коэффициентом полезного действия, требуют высоковольтных источников питания и дополнительных устройств для модуляции и отклонения луча. В ряде случаев вес и габариты системы в целом определяются соответствующими характеристиками именно лазера.
Существенное уменьшение габаритов и повышение экономичности систем оптической обработки информации могут быть достигнуты при использовании в качестве источников излучения инжекционных лазеров. Инкекционнне лазеры обладают уникальным сочетанием достоинств / 80 /, наиболее важными среди которых с точки зрения применения в системах оптической обработки информации являются малые размеры и вес, высокая эффективность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения, низковольтное питание, возможность непосредственной модуляции излучения током ин-жекции, жесткость конструкции.
Однако как источник когерентного излучения инжекционный лазер имеет ряд особенностей, отличающих его от лазеров других типов. Степень когерентности излучения существенно зависит от технологии изготовления и режима работы. Характерной для большинства типов инжекционных лазеров является развитая многомодовая генерация, а получение достаточной мощности излучения в одном пространственном или спектральном типе колебаний связано с определенными трудностями / 81 /.
Особенности инжекционных лазеров как источников когерентного излучения потребовали проведения ряда специальных исследований по определению возможности их использования в голографии, нахождению ограничений, накладываемых недостаточно высокими пространственной
- 8 -и временной когерентностью излучения на плотность записываемой и восстанавливаемой информации, выбору оптимальных схем, методик и режимов записи / 88-92,107-111,114-118 /.
Упешные результаты работ по применению инжекционных лазеров для восстановления и записи голограмм, разработка вариантов построения и создание действующих макетов голографических запоминающих устройств на основе инжекционных лазеров / 109,112,113 /, достигнутый в последние годы прогресс в области технологии изготовления лазеров определяют актуальность постановки следующей задачи: исследования возможности применения инжекционных лазеров в когерентных оптических системах, осуществляющих функции не только хранения, но и обработки информации, в частности, в корреляционных схемах.
В настоящее время известен большой ряд лазерных структур, позволяющих осуществить генерацию со степенью когерентности, варьирующейся в широком диапазоне от многомодовой генерации с образованием многих каналов в лазерах с широкой активной областью до одномодового одночастотного режима в полосковых гетеролазерах с оптическим ограничением / 80-82,87,94,95 /. При этом применение инжекционных лазеров в качестве источников излучения в системах оптической обработки информации позволяет исследовать широкую промежуточную область между когерентной и некогерентной обработкой.
Отмеченные особенности инжекционных лазеров как источников когерентного излучения и практическая потребность в малогабаритных экономичных системах оптической обработки информации определяют необходимость проведения исследований влияния степени когерентности излучения инжекционных лазеров на характеристики систем обработки с целью определения ограничений, накладываемых частичной когерентностью излучения на информационную ёмкость системы, и на-
- 9 -хождения оптимальных соотношений между параметрами схемы, уровнем мощности и степенью когерентности источника.
6 настоящей работе в качестве объекта исследования выбрана классическая схема согласованной оптической пространственной фильтрации - коррелятор Вандер Люгта. К моменту постановки задачи (1978 г.) практически отсутствовали работы по применению инжекционных лазеров в оптических корреляторах. В настоящее время уже известен ряд работ / 123-128 /, демонстрирующих возможность применения инжекционных лазеров в когерентных корреляторах различных типов. Экспериментально реализован также другой предельный случай - линейная по интенсивности обработка в схеме некогерентного коррелятора Ломанна на основе матрицы инжекционных лазеров / 129 /. Однако не проводились исследования влияния когерентности излучения инжвкционных лазеров на форму корреляционного сигнала и характеристики систем обработки. Известна также другая группа работ /71-74 /, посвященных анализу схемы согласованной оптической пространственной фильтрации на основе частично-когерентных источников. В них, напротив, не учитывается специфика излучательных характеристик инжекционных лазеров, а результаты заключаются либо в рассмотрении некоторых частных вопросов, либо носят качественный характер.
Цель работы заключалась в исследовании процесса согласованной оптической пространственной фильтрации при использовании в схеме источников с ограниченной степенью когерентности и обосновании возможности создания голографических корреляторов на основе инжекционных лазеров.
Решение задачи предусматривало.
I. Теоретический анализ влияния когерентности излучения источника, используемого в схеме согласованной оптической пространст-
- 10 -венной фильтрации на стадии обработки, на форму корреляционного сигнала.
Экспериментальное исследование влияния когерентности излучения инжекционных лазеров различных типов на параметры коррелятора.
Расчет ряда представляющих практический интерес характеристик голографических корреляторов на основе инжекционных лазеров.
Названные задачи решены соответственно во 2, 3 и 4 главах диссертации. В I главе представлен обзор литературы. Научная новизна работы заключается в следующем.
Предложена общая методика расчета частично-когерентных систем оптической обработки информации. С использованием предложенного формализма получено общее выражение для выходного сигнала схемы согласованной оптической пространственной фильтрации в случае, когда на стадии корреляционной обработки используется источник с произвольной степенью когерентности, включающее в качестве предельных случаев когерентный коррелятор Вандер Люгта и некогерентный коррелятор Ломанна.
Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния когерентности излучения инжекционных лазеров на форму корреляционного сигнала в схеме согласованной оптической пространственной фильтрации.
На основе результатов исследования влияния когерентности излучения на форму корреляционного сигнала определен ряд характеристик систем корреляционной обработки информации на основе схемы согласованной оптической пространственной фильтрации и инжекционных лазеров: достоверность опознавания детали изображения; предельные соотношения между шириной спектра излучения, информационной
- II -
емкостью, точностью установки фильтра и геометрическими параметрами схемы; энергетические характеристики коррелятора бинарных сигналов с оперативным вводом с помощью управляемого транспаранта.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
Полученные результаты могут служить физической основой для разработки систем корреляционной обработки информации на инжекци-онных лазерах. Применение в качестве источников излучения инжек-ционных лазеров позволяет на основе существующей элементной базы значительно снизить вес, габариты и энергопотребление систем обработки. Результаты работы могут быть использованы при разработке устройств обработки аэрокосмической информации, устройств памяти и ввода ЭВМ, в задачах робототехники и в ряде других областей, связанных с применением оптических методов распознавания образов и выделения сигналов на фоне помех.
Результаты диссертации обсуждались на семинарах лаборатории оптоэлектроники Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР, докладывались на Ш, ІУ и У Всесоюзных школах по оптической обработке информации (Рига, май 1980 г.; Минск, сентябрь-октябрь 1982 г.; Киев, октябрь 1984 г.), Ш Всесоюзном семинаре по оптическим и оптико-электронным методам обработки аэрокосмических изображений (Батуми, апрель 1981 г.), I Всесоюзной конференции "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (Ленинград, апрель 1982 г.), ІУ Всесоюзной конференции по голографии (Ереван, май 1982 г.), Всесоюзной конференции по полупроводниковым лазерам (Душанбе, октябрь 1983 г.) и опубликованы в работах / 162-172 /.
Инжекционные лазеры как источники излучения для систем оптической обработки информации
В качестве источников излучения в когерентных системах оптической обработки информации, в том числе в рассмотренных выше схемах когерентных корреляторов, используются, как правило, газовые лазеры, излучение которых характеризуется высокой степенью когерентности и малой расходимостью. Более того, в ряде схем дифракционных корреляторов интенсивности также используются газовые лазеры, а для реализации линейной по интенсивности обработки степень пространственной когерентности излучения искусственно разрушается / 61,62,64 /. Однако газовые лазеры обладают низким коэффициентом полезного действия, требуют высоковольтных источников питания и дополнительных устройств для модуляции и отклонения луча. В ряде случае вес и габариты системы в целом определяются соответствующими характеристиками именно лазера.
Существенное уменьшение габаритов и повышение экономичности систем оптической обработки информации могут быть достигнуты при использовании в качестве источников излучения инжекционных лазеров (ИЛ). На целесообразность применения ИЛ в голографических устройствах различного назначения, в том числе в схеме согласованной оптической пространственной фильтрации, было указано еще в работе / 78 /. В настоящее время перспективность применения инжекционных лазеров в системах оптической обработки информации не вызывает сомнений и отмечается не только специалистами в области инжекционных лазеров и их применений, но и рядом специалистов, занимающихся непосредственно вопросами оптической обработки информации, в частности, авторами работ / 9,17,79 /.
Инжекционные лазеры как приборы квантовой электроники обладают уникальным сочетанием достоинств / 80 /, наиболее важными среди которых с точки зрения применений в области оптической обра ботки информации являются следующие: малые размеры и вес, высокая эффективность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения, низковольтное питание, возможность непосредственной модуляции излучения током инжекции, жесткость конструкции, определяющая эксплуатационную надежность.
Интенсивные исследования и разработки в области инжекционных лазеров привели к созданию большого числа разновидностей приборов, различающихся конкретной структурой, используемыми материалами и конструктивным исполнением / 80,81 /.
Основным признаком классификации активных элементов лазерных диодов является тип структуры активной области, В гомоструктурах инжектирующим контактом служит р-п переход в однородном по составу полупроводнике с различными легирующими примесями. Более совершенными, но требующими более сложной технологии являются лазеры на основе гетероструктур, представляющие собой комбинации из гетеропереходов между разными полупроводниками и р-п переходов. Создание лазеров этого типа позволило получить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.
Среди большого количества полупроводниковых материалов, используемых для изготовления ИЛ, наилучшими, позволяющими получать лазеры с наиболее высокими значениями выходной мощности и долговечности, остаются арсенид галлия и соединение на его основе а также GuIaPils . Соответственно, длины волн излучения лазеров этой группы лежат в диапазонах 0,7 0,9 мкм и 1,06 1-І ,67 мкм / 80 /.
Преобладающей конструктивной разновидностью ИЛ в настоящее время являются полосковые структуры, в которых один из инжектирующих контактов представляет собой протягивающуюся от одного зеркала до другого полоску, обеспечивающую выделение активной облас ти. Это связано с тем обстоятельством, что, как показывают результаты исследований, полосковые гетеролазеры представляют собой почти идеальные источники для волоконно-оптических линий связи, являющихся одной из наиболее близких к широкой практической реализации областей применения ИЛ / 80,82 /.
Лазеры, в которых ток накачки распространяется на все поперечное сечение, называют широкими или неполосковыми. Их изготовление считается целесообразным только в случаях, когда необходимы импульсные мощности в диапазоне 5+50 Вт при достаточно большой скважности / 80 /.
Технические и эксплуатационные характеристики некоторых типов инжекционных лазеров, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в Таблице І.І / 83 /
Как источник когерентного излучения инжекционный лазер обладает рядом характерных особенностей, отличающих его от лазеров других типов. Степень когерентности излучения ИЛ существенно зависит от технологии изготовления и режима работы. В развитом режиме генерации излучение имеет, как правило, многомодовый характер, а для достижения одномодовой генерации необходим ряд специальных мер / 81 /.
Выходной сигнал коррелятора с частично-когерентным источником
Так как апертура линзы считалась неограниченной, может быть применен принцип обратимости. Решение прямой задачи будет определяться комплексно-сопряженной правой частью (2.1.24), в которой Gplp.v) заменено на Gj»(p,v) , и примет вид 2ELtwT XI GpCp - jG/p.vje М Pj)e" (l/f"1)j)dp , (2.1.25) здесь Gp(0,v) и Gp(p,v) - соответственно взаимные спектральные плотности в плоскости источника, являющейся передней фокальной плоскостью линзы с фокусным расстоянием , и на расстоянии I за линзой.
При l-f (2.1.23) и (2.1.25) приобретают вид точного четырехмерного фурьё-преобразования, что позволяет при расчете частично-когерентных систем оптической обработки информации использовать известный математический аппарат фурье-оптики / 12 /, в частности, широко используемые при расчете когерентных систем прямую и обратную теоремы свертки / 12-14 /.
Таким образом, в выбранной нами системе координат (2.1.7) процедура расчета частично-когерентной системы оптической обработки информации формально не отличается от расчета соответствующей когерентной системы. При этом в качестве функции, эквивалентной комплексной амплитуде поля Е(х,у), должна использоваться взаимная спектральная плотность G(x,v) , а вместо амплитудных коэффициентов пропускания оптических элементов (пространственных модуляторов света, линз, голограмм и т.п.) следует использовать функции вида (2Л. 18). Процедура расчета заключается в следующем. За дается взаимная спектральная плотность (ВСЮ в плоскости источника. Используя закон распространения ВСЯ в формах (2.1.II) и (2.1.14),соотношения (2.1.23), (2.1.25), прямую и обратную теоремы свертки с учетом размерности пространства, учитывая пространственную модуляцию ВСП, осуществляемую оптическими элементами схемы, можно вычислить взаимную спектральную плотность в любой из представляющих интерес плоскостей системы. В последней плоскости оптического тракта обработки, где осуществляется преобразование оптического сигнала в электрический, для получения распределения интенсивности необходимо выполнить обратный переход от введенной формальной системы координат к обычной декартовой, совместить попарно координаты точек и перейти от спектральной плотности к интенсивности по формуле (2.1.3а) при Р, = Рг и Т = 0.
При переходе в декартову систему координат могут быть использованы выражения для векторных операций (2.1.9 а,б). Следует также учесть, что если выходной сигнал в формальной системе координат представлен интегралом, в частности, интегралом свертки или корреляции, то при переходе к декартовой системе координат результат должен быть умножен на якобиан обратного преобразования Л ь г.УьУг)/О(5ь5 .5 »50 , равный - I.
Оптическая схема согласованной оптической пространственной фильтрации - коррелятора Вандер Люгта представлена выше на рис. I.I. В главе I рассмотрена теория этого коррелятора для известного случая, когда запись голографического согласованного фильтра и обработка осуществляются когерентным источником. Задача главы 2 состоит в анализе влияния степени когерентности источника, исполь - 55 -эуемого на стадии обработки, на форму корреляционного сигнала.
Будем считать, что фильтр записывается источником с достаточно высокими пространственной и временной когерентностью и длиной волны излучения Л . Требования к степени когерентности источника для записи голограммы, при выполнении которых его можно считать идеальным, известны / 13,106 /. Пусть на стадии обработки в фокальной плоскости коллимирущей линзы (рис. 2.1) помещается частично-когерентный источник, например, излучающая область р-п перехода инжекционного лазера, характеризующийся взаимной спектральной плотностью G OO и имеющий максимум в спектре излучения на длине волны \г , в общем случае отличной от длины волны источника, использованного при записи фильтра.
Запись голографических согласованных фильтров
Запись голографических согласованных фильтров излучением газового лазера осуществлялась по стандартной методике записи фурье-голограмм на фотопластинках ЛОИ-2. В качестве источника излучения использовался Не - Ne лазер типа ЛГ-38. Использовалось два варианта схем записи, отличавшихся способом формирования опорного пучка и несущей частотой получаемого фильтра. Оптические схемы записи показаны на рис. 3.1 а,б.
В схеме на рис. 3.1а опорный пучок формировался зеркалами (9), (10) и точечной диафрагмой (II), помещенной в передней фокальной плоскости коллимирующего объектива (12). Угол падения опорного пучка составлял 6 = 22. В качестве транспаранта использовалась квадратная матрица, содержавшая 7x7 круглых протравленных в фольге отверстий диаметром d = 120 мкм с шагом между отверстиями 800 мкм. Транспарант располагался в передней фокальной плоскости фурье-объектива (16). Фокусное расстояние F1 объектива (16) выбиралось исходя из приемлемых требований к точности установки фильтра в корреляторе после обработки фотопластинки. Как показано в / 43 /, поперечный сдвиг фильтра As , соответствующий уменьшению величины отношения сигнал/фон корреляционного отклика на 3 дБ от максимального значения при точной настройке схемы, составляет As - A /2D , где, в соответствии с обозначениями,принятыми в главе 2, Л{ - длина волны источника при записи, В - размер эталонного объекта. При As = 20 мкм, Л{ = 0,63 мкм и D 5 мм F4 » 320 мм. Использовался объектив И-ІІМ с фокусным расстоянием F » 300 мм. Размер фильтра определялся диаметром диафрагмы (17) и составлял 3 мм, что приблизительно соответствует ширине нулевого дифракционного максимума 2,44A1f1/d в огибающей пространственного спектра объекта.
Запись г.олографических согласованных фильтров имеет ряд особенностей по сравнению с записью фурье-годограмм, предназначенных для последующего восстановления изображений. При этом в том и другом случаях важным является правильный выбор режима записи. -числу которых относится используемый объект, состоит из резких дифракционных максимумов, при этом ширина отдельного максимума определяется апертурой объекта, а расстояние между ними - числом элементов объекта по одной координате.
Такой характер распределения интенсивности в фурье-пдоскости приводит к значительному ухудшению отношения сигнал/шум в восстановленном изображении, обусловленному нелинейностью регистрирующего материала, а при согласованной фильтрации может существенно уменьшить отношение интенсивности корреляционного максимума к фону. Известны два основных метода уменьшения диапазона интенсивности в предметном пучке при записи фурье-голограмм: метод случайной фазовой маски / 138,139 / и метод дефокусировки / 138,140 /. Метод случайной фазовой маски при записи голографического согласованного фильтра применим только в случае, если регистрируемый фильтр затем используется в некогерентном дифракционном корреляторе интенсивности / 60,61,64,65 /, где выходной сигнал определяется функцией корреляции квадратов модулей комплексных коэффициентов пропускания объектов и дополнительная фазовая модуляция эталонного объекта, создаваемая маской, не изменяет содержащуюся в нём информацию. Поэтому в нашем случае использовался метод дефокусировки. Фотопластинка на стадии записи сдвигалась из фурье-плоскости на величину AFi = 3+5 мм, что находится в пределах оптимальной величины AF /F., 0,01+0,05 / 138,140 /. Влияние дефокусировки на точность регистрации функции корреляции будет оценено ниже (разд. 3.3).
В схеме, приведенной на рис. 3.16, центральное отверстие транспаранта и точечная диафрагма (II), формировавшая опорный пучок, располагались в передней фокальной плоскости фурье-обьектива симметрично относительно его оптической оси на расстоянии Да друг от друга. Величина До выбиралась исходя из известного условия пространственного разделения распределений интенсивности в выходной плоскости коррелятора, соответствующих функциям корреляции, свертки и нулевому порядку дифракции / 12 /. Для приведенной геометрии схемы записи и для частного случая автокорреляции указанное условие примет вид: Act 2,5 D При D « 5 мм и диаметре входного зрачка фурье-объектива D ж 32 мм было взято Ас = 16 мм. При этом угол между предметным и опорным пучками составил Q=Aq/F « з.
Качество фильтров контролировалось по изображению транспаранта, восстановленному излучением Не -Не лазера. Были получены фильтры с дифракционной эффективностью 12% при 6 = 22 и 6% при 6 =3 и отношением сигнал/шум в восстановленном изображении -20.
Если запись фильтров осуществляется излучением Не -Не лазера (А « 0,63 мкм), а инжекционный лазер (Аг 0,84-9 мкм) используется только на стадии обработки, то из-за отличий длин волн источников требуется дополнительная настройка схемы для совмещения пространственных масштабов фурье-спектров объектов / 126,163, 168 / Кроме того, при использовании фазовых объектов величина фазовой модуляции может быть различной на разных длинах волн. Поэтому более предпочтительной является схема коррелятора, в которой запись и обработка осуществляются излучением с одной длиной волны
Зависимость предельной информационной емкости коррелятора от ширины спектра излучения
График зависимости углового смещения положения максимума корреляционного пика &г[/Гг от смещения максимума в спектре излучения &Лг представлен на рис. 3.13. Кривые I и 2 соответствуют углам записи 0 22 и G » 3. Коэффициенты наклона близки к значениям Sin Э/1,COS 8дг в соответствии с выражением (2.3.1) и геометрией схемы.
Компенсация смещения положения максимума корреляционного пика в результате изменения длины волны генерации может быть достигнута соответствующим смещением транспаранта во входной плоскости. На рис. 3.14 представлены графики зависимости углового смещения положения максимума корреляционного пика Sfj/F2 от углового смещения транспаранта Sc /F . Кривая I соответствует 8 = 22, кривая 2-6 = 3. Коэффициенты наклона в нашем случае определяются как Лг/ЛчС05 8Д2.
Для исследования влияния пространственной когерентности излучения инжекционных лазеров на характеристики коррелятора было выполнено две группы экспериментов для двух разных объектов, от - 115 -дичащихся своими автокорреляционными свойствами.
В первом случае использовалась оптическая схема, приведенная выше на рис. 3.7. Источником излучения служил диффузионный гомо-лазер, степень когерентности которого как функция углового расстояния X между точками наблюдения в дальней зоне излучения для разных токов инжекции представлена на рис. 3.5. Длительность импульсов накачки составляла 100 нсек при частоте следования импульсов 100 кГц. В этом режиме приведенное в п.3.1.2 значение ширины зоны генерации 150 мкм соответствовало двукратному превышению тока инжекции над пороговым. Варьирование степени когерентности излучения в плоскости транспаранта осуществлялось изменением амплитуды тока инжекции, фокусного расстояния коллимирующего объектива и ориентации излучающей области лазера относительно оптической оси системы. Для изменения ориентации излучающей области в схеме, показанной на рис. 3.7, между коллимирующим объективом (2) и транспарантом (3) помещалась призма Дове.
Использовался фильтр, записанный He-Ne лазером по схеме, приведенной на рис. 3.16, с углом между предметным и опорным пучками 6 = 3. При этом, в соответствии с результатами разд. 3.2, можно было не учитывать влияние ширины спектра излучения инжекци-онного лазера ( АЛ-а 1 нм при I = 2Inop ) на форму корреляционного сигнала. Кроме того, телевизионная камера в схеме на рис. 3.7 поворачивалась на 90 так, что сканирование корреляционного сигнала осуществлялось в направлении, перпендикулярном плоскости голографирования. Оптическая разность хода двух лучей, идущих из краев фильтра и формирующих первый боковой корреляционный пик в среднем столбце автокорреляционной матрицы по оси , перпендикулярной плоскости голографирования, равна (ДП = сЦЛ Д/Л , где Л - расстояние между элементами транспаранта. При сЦ = - 116 мм, A = 800 MKM, F1 = 300 мм, Лг = 0,85 мкм и Л1 = 0,63 мкм ( Дг )t я II мкм. Длина когерентности излучения источника 1ког = А /ДЛ2 720 мкм. Таким образом, для указанного направления с достаточной степенью точности выполняется условие квазимонохроматичности, использованное в теоретическом анализе (п.2.3.2).
Исследовалось влияние пространственной когерентности излучения на форму огибающей корреляционного сигнала. В качестве характеристики огибающей было взято отношение интенсивности центрального корреляционного пика к интенсивностям первого и второго боковых. При этом для обеспечения наибольшей точности измерений для каждого уровня оптического сигнала, определяемого током ин-жекции и конфигурацией схемы, подбиралось оптимальное, с точки зрения наибольшей амплитуды электрического; сигнала и меньшего уровня шумов, питающее напряжение телекамеры. Элементы схемы (8-II) служили для контроля мощности в плоскости видикона и поддержания ее ниже уровня насыщения камеры. Нелинейность регистрации, как и при исследовании влияния временной когерентности излучения на форму корреляционного сигнала (разд. 3.2), учитывалась по кривой зависимости амплитуды сигнала на осциллографе от плотности мощности излучения на видиконе. Кривая снималась для каждого используемого в эксперименте уровня оптического сигнала и соответствовавшего ему напряжения питания камеры. Полученные экспериментальные результаты сопоставлялись с результатами теоретического анализа.
