Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информация в оптических и оптико-электронных системах 19
1.1. Информационная структура изображения 19
1.1.1. Понятие информации применительно к оптике 19
1.1.2. Информационная структура изображения. Основные информационные характеристики 22
1.2. Информационные свойства систем толографической памяти 26
1.2.1. Характеристики толографической памяти 26
1.2.2. Основные виды и практические схемы устройств толографической памяти 31
1.3. Пространственно-временные модуляторы света 41
1.4. Акустооптические устройства и их место в различных типах светоинформационных систем 48
1.4.1. Ячейка Брэгга как основа акустооптического устройства 48
1.4.2. Акустооптические модуляторы 51
1.4.3. Акустооптические дефлекторы 54
1.4.4. Акустооптические анализаторы спектра 59
1.4.5. Акустооптические перестраиваемые фильтры 61
1.5. Голографические регистрирующие среды 64
1.5.1. Классификация голографических регистрирующих сред 64
1.5.2. Характеристики голографических сред... 67
1.6. Мотивация исследований информационных процессов и информационной метрики при использовании акустооптических и голографических методов обработки и хранения информации 76
Глава 2. Особенности прохождения и обработки информации в оптических системах обработки и хранения данных 78
2.1. Прохождение сигнала и шумов через элементарный канал в многозвенной оптической системе 78
2.1.1. Изменение сигнала и шумов в элементарном канале при прохождении последовательности звеньев системы 78
2.1.2. Принципы оценки шумов на выходе нескольких преобразовательных звеньев 85
2.1.3. Шумы на выходе диафрагмирующих звеньев и сторонние шумы 87
2.1.4. Изменение отношения сигнал/шум в звене линзового преобразования 89
2.1.5. Шумы и отношение сигнал/шум в звене с фотографическим преобразованием 91
2.2. Изменение сигналов, шумов и помех в многоканальных системах..95
2.2.1. Перекрестные искажения и помехи при мультиплексировании 95
2.2.2. Шумовые решетки и их вклад в снижение отношения сигнал/шум 98
2.3. Прохождение сигнала и шума в акустооптических устройствах 102
2.3.1. Информационная структура акустооптических устройств 102
2.3.2. Прохождение сигнала через акустооптическое устройство 105
2.3.3. Источники шума в акустооптике. Сторонние шумы звеньев 113
2.4. Прохождение сигнала и шума через ПВМС на примере структуры «фотопроводник — ЖК» 120
Выводы к главе 2 127
Глава 3. Информационная метрика оптических и оптико-электронных системи их компонент 129
3.1. Информационные характеристики систем и принципы их измерений 129
3.1.1. Основные измеряемые величины 129
3.1.2. Потери информации как мера оценки системы 131
3.1.3. Частота битовых ошибок как критерий точности голографической передачи набора цифровых данных 135
3.2. Проблемы неполного использования информационных возможностей систем и ценности разных видов информации 139
3.2.1. Коэффициент заполнения емкости информацией в реальной системе 139
3.2.2. Иерархия видов информации и весовые коэффициенты 142
3.3. Основы информационной метрики акустооптических спектроанализаторов 145
3.3.1. Принципы измерения разрешения акустооптических спектроанализаторов 145
3.3.2. Экспериментальный метод измерения разрешения акустооптических спектроанализаторов 152
3.3.3. Применение информационной метрики акустооптических анализаторов спектра на примере измерения пространственной разрешающей способности 156
3.3.4. Экспериментальное исследование распределения информационной емкости АОСА вдоль апертуры ячейки Брэгга 159
3.3.5. Взаимозависимость между информационной емкостью и информационной пропускной способностью акустооптических спектроанализаторов 166
3.4. Информационная метрика акустооптических дефлекторов 173
3.4.1. Принципы измерения разрешения акустооптических дефлекторов 173
3.4.2. Измерение разрешающей способности двухкоординатных акустооптических дефлекторов 177
3.5. Информационная метрика акустооптических перестраиваемых фильтров 184
3.5.1. Селективность акустооптических перестраиваемых фильтров как аналог разрешающей способности других типов акустооптических устройств и принципы ее измерения 184
3.5.2. Расчетно-экспериментальная реализация информационной метрики АОПФ 192
3.6. Информационная метрика голографических систем хранения данных 197
3.6.1. Приоритетный набор информационных компонент в голографической памяти 197
3.6.2. Информационное качество голографических систем хранения данных 201
3.6.3. Информационная емкость и время выборки в объемной голографической памяти с мультиплексированием 206
Выводы к главе 3 211
Глава 4. Методы улучшения информационных характеристик устройств обработки и хранения данных 214
4.1. Исследуемые устройства обработки и хранения данных и их информационные характеристики, подлежащие улучшению 214
4.2. Методы усовершенствования информационных характеристик ПВМС 215
4.2.1. Преобразование изображений из рентгеновского диапазона в видимый с помощью ПВМС на базе структуры фотопроводник - жидкий кристалл 215
4.2.2. Возможность применения ПВМС для предварительного усиления изображений в телевидении 225
4.3. Методы усовершенствования информационных характеристик акустооптических устройств 231
4.3.1. Использование особенностей функции передачи акустооптического устройства для увеличения информационной емкости акустооптических анализаторов спектра 231
4.3.2. Использование ячеек Брэгга с частотной характеристикой специальной формы для расширения полосы частот акустооптических устройств 241
4.3.3. Оптимизация информационной емкости акустооптических устройств путем подбора соотношения числа разрешимых элементов и числа различимых градаций 246
4.4. Оптимизация информационных характеристик оптических и оптико-электронных систем с помощью пространственных фильтров 250
4.4.1. Оптимизация пространственного фильтра для передачи сигнала со спектром специальной формы с повышенным отношением сигнал/шум 250
4.4.2. Контроль качества фотоэлектрических приборов с помощью фильтрации спектра изображения выходного сигнала прибора 256
4.5. Увеличение объема восстанавливаемой информации при двухпучковом восстановлении данных 259
4.5.1. Равнозначность объектной и опорной волн и возможность их одновременного использования при восстановлении голограмм...259
4.5.2. Волновой фронт на выходе тонкой голограммы фазового объекта при восстановлении, осуществленном одновременно с записью 262
4.5.3. Волновой фронт на выходе тонкой голограммы фазового объекта, восстановленной одновременно опорным и измененным объектным пучками 266
4.5.4. Некоторые особенности восстановления волнового фронта от объемных голограмм двумя пучками 269
Выводы к главе 4 272
Глава 5. Разработка, информационный анализ и метрика устройств обработки и хранения данных 274
5.1. Устройство скоростного панорамного обзора радиоэфира на основе акустооптического анализатора спектра 274
5.1.1. Проблема создания панорамного приемника -спектроанализатора 274
5.1.2. Устройство панорамного приемника — спектроанализатора и его технические характеристики 276
5.1.3. Перспективы совершенствования устройств панорамного скоростного обзора и анализа радиоэфира 284
5.2. Устройства для записи голограмм широкополосных радиосигналов 289
5.2.1. Формирование голограмм сигналов с помощью акустооптических устройств и проблема компенсации доплеровского сдвига частоты света 289
5.2.2. Устройство записи голограмм широкополосных сигналов с использованием опорного пучка с гауссовым временным спектром 297
5.3. Устройство считывания полихромной информации на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 305
Выводы к главе 5 312
Заключение 314
Литература 317
Основные публикации, по материалам которых написана диссертация 339
- Основные виды и практические схемы устройств толографической памяти
- Шумы и отношение сигнал/шум в звене с фотографическим преобразованием
- Экспериментальный метод измерения разрешения акустооптических спектроанализаторов
- Возможность применения ПВМС для предварительного усиления изображений в телевидении
Введение к работе
На грани 20 и 21 веков, ознаменовавшемся бурным развитием информационных технологий, многие установившиеся области науки приходится пересматривать и дополнять с учетом информационных представлений. К таким областям относятся оптика и смежные с ней дисциплины. Рассмотрение информационных процессов, происходящих при работе с различными оптическими приборами, при формировании изображений, в фотографии, спектральном анализе, голографии, оказываются необходимым дополнением к анализу оптических процессов, особенно учитывая, что эти процессы, во многих случаях являются составной частью новых информационных технологий. К технологиям, определяющим общий технический прогресс, относятся регистрация, хранение и обработка информации оптическими и акустооптическими методами. Возможность параллельной обработки больших массивов информации и голографической записи ее в объеме регистрирующих сред позволяет рассматривать оптические методы обработки как альтернативу электронным методам. Для определения возможностей оптических и голографических устройств хранения и обработки информации необходимо рассмотреть особенности протекающих в них информационных процессов, а также определить методы их информационного описания, в том числе метрику.
Важной задачей является исследование информационных процессов не только в оптических и оптико-электронных системах в целом, но и в их важнейших компонентах, таких, как пространственно-временные модуляторы света (ГТВМС) и акустооптические устройства различных типов, а также некоторых других. Поэтому описание процессов в оптических и оптико-электронных компонентах с помощью
специфических информационных характеристик, разработка методов измерения этих характеристик, установление связи между этими характеристиками и физическими процессами, происходящими в устройствах, а таюке определение предельных информационных возможностей устройств, представляются весьма актуальными.
Цель диссертационной работы состояла в создании и развитии методов информационного описания оптических и оптико-электронных систем и их компонентов, а также в создании, оценке и апробации новых информационно-измерительных устройств на базе этих методов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
сформулировать принципы рассмотрения информационных процессов в некоторых системах и устройствах и определить набор информационных характеристик, которыми их можно описать;
осуществить анализ построения оптических систем и их составляющих с точки зрения их информационных возможностей;
исследовать прохождение сигнала через некоторые оптические системы и их компоненты;
определить источники потерь информации, обусловленные шумами, связанными с различными физическими процессами, протекающими в исследуемых устройствах;
сформулировать критерии для измерения основных информационных характеристик акустооптических приборов, используемых как составные компоненты систем;
разработать и экспериментально опробовать измерительные установки для определения информационных характеристик таких приборов;
на основе проведенных исследований определить и экспериментально осуществить совершенствование существующих приборов, используя методы информационной оптимизации оптических устройств и их компонентов;
разработать, экспериментально опробовать и применить для решения конкретных технических задач устройства, содержащие оптимизированные компоненты.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Найден и применен общий подход к оптическим системам в целом и к приборам, включаемым в них с точки зрения обработки информации. Предложен комплекс информационных параметров и показана их зависимость от физических параметров для различных систем и устройств.
Впервые были поставлены в однозначное соответствие информационные процессы, происходящие в оптических системах и их компонентах и физические процессы, обеспечивающие прохождение сигнала через них.
Впервые исследована информационная структура акустооптических устройств, показаны особенности этой структуры для различных видов этих устройств, исследовано прохождение сигнала и шума через акустооптические устройства.
Впервые сформулирована система критериев для определения параметров акустооптических устройств, определяющих их информационные характеристики. Разработаны и опробованы экспериментальные методы определения этих параметров для различных типов устройств.
Впервые исследовано прохождение сигнала через ПВМС на примере устройства типа «свет — свет» на базе структуры «фотопроводник - жидкий кристалл»
Впервые предложен ПВМС, осуществляющий преобразование изображений из рентгеновской области в видимую, на базе структуры «рентгеночувствительный фотопроводник — жидкий кристалл».
Впервые предложен критерий применимости ПВМС в телевидении для предварительного усиления изображений.
Впервые предложены и экспериментально обоснованы методы расширения информационных возможностей акустооптических устройств путем расширения их полосы частот до величин, превышающих октаву.
Впервые предложен метод контроля качества фотоэлектрических приборов путем применения специальной оптической схемы, включающей пространственный фильтр с регулируемыми областями прозрачности кольцевой формы. Предложен критерий годности проверяемого устройства при использовании такой схемы.
Предложен и исследован метод увеличения объема данных, восстанавливаемых из устройств голографической памяти путем применения двухпучкового восстановления данных.
Впервые предложен, разработан и опробован метод записи голограмм широкополосных сигналов с полной компенсацей допплеровского сдвига пучка при вводе сигнала в оптическую систему.
защиту выносятся следующие основные положения:
1. Оптическая система и устройства, входящие в ее состав,
удовлетворительно описывается моделью, включающей
последовательность многоканальных звеньев, каждое из которых осуществляет преобразование информации. Каждому звену может быть поставлено в соответствие входное и выходное значение сигнала, коэффициент (функция) передачи, входное и выходное отношение сигнал/шум, а также фактор, определяющий уменьшение отношения сигнал/шум в данном звене, который также определяет потери информации в звене.
Основные информационные характеристики акустооптических устройств и связанные с ними физические характеристики определяются в соответствии с системой информационных критериев, в основе которых лежит заранее заданная допустимая вероятность неразличения единицы информации. Среди таких физических характеристик - разрешающая способность акустооптических анализаторов спектра и дефлекторов, а также селективность акустооптических перестраиваемых фильтров.
Минимизация потерь информации при наблюдении рентгеновских изображений осуществляется с помощью ПВМС на базе структуры «рентгеночувствительный фотопроводник - жидкий кристалл», позволяющий согласовать спектральные диапазоны звеньев системы с высоким отношением сигнал/шум.
Использование нелинейности передаточной функции ячейки Брэгга, а также использование ячейки Брэгга со специальной ступенчатой формой частотной характеристики позволяют расширить полосу частот акустооптических устройств вблизи границы режима Брэгга до величин, превышающих октаву.
Использование двухпучкового восстановления данных в голографических системах позволяет увеличить объем обрабатываемой информации, а также расширить функциональные возможности системы записи и хранения данных, используя
одновременно голографическую интерферометрию и
корреляционный анализ.
6. Полная компенсация допплеровского сдвига частоты света из-за акустооптического взаимодействия в ячейке Брэгга реализуется путем пропускания опорного ггучка через акустооптическую ячейку Брэгга, запитываемую сигналом гауссовой формы. В результате открывается возможность голографической записи широкополосных сигналов.
актическая значимость работы заключается в следующем:
Разработанная информационная модель оптической системы и ее компонентов позволяет определить предельные информационные возможности системы и основные источники потерь информации.
Предложенная система информационных критериев позволяет адекватно оценивать применимость различные виды акустооптических устройств для решения задач с различными допустимыми уровнями риска неразличения данных.
Предложенная структура устройства преобразования рентгеновских изображений в видимые позволяет использовать миниатюрные рентгеночувствительные ПВМС для технических и медицинских целей.
Предложенные модели акустооптических устройств с расширенной полосой частот позволяют расширить области применения акустооптических анализаторов спектра в связи со значительным увеличением их информационной емкости (до 2 раз),
Разработанный, изготовленный и испытанный образец панорамного приемника-спектрометра позволяет реализовать наблюдение за радиоэфиром в реальном масштабе времени.
Предложенный метод компенсации допплеровского сдвига частоты света позволяет реализовать устройство записи широкополосных
радиосигналов, что имеет важное значение для решения ряда задач радиоастрономии. 7. Предложенный и разработанный модуль считывания цветной графической информации позволяет значительно повысить скорость передачи информации по каналу связи благодаря автоматическому устранению избыточной информации. Личный вклад автора. Все основные научные результаты, диссертационной работы получены автором лично. При постановке работы по разработке панорамного приемника-спектрометра существенная роль принадлежала В.Н.Соколову. При получении экспериментальных результатов в работах принимали участие А.В.Беляев, С.В.Андреев и А.А.Родионцев.
В совместных работах автору принадлежат постановка задачи, теоретический анализ, участие в получении экспериментальных результатов, а также анализ полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ходе следующих конференций:
5-я конференция социалистических стран по жидким кристаллам, Одесса, 1983
II Всесоюзная конференция «Формирование оптического изображения и методы его обработки», Кишинев, 1985.
II Всесоюзная конференция «Применение методов оптической обработки информации», Фрунзе, 1990.
International Conference "Optical Memory and Neural Networks'94", Moscow, 1994.
International Liquid Crystal Workshop "Surface Phenomena", St.Petersburg, 1995.
International seminars "Advances in Acousto-optics": Paris, 1996; St.Petersburg, 1997; Gdansk, 1998; Brugge, 2000; Gdansk 2001
II International Conference on Optical Information Processing, StPetersburg, 1996.
International Conference on Diffraction Optics, Savonlinna, Finland, 1997.
SPIE Annual Meetings: San Diego, 1997; San Diego, 1998; Denver, 1999
International conference "Optical Information Science and Technology OIST'97", Moscow, 1997
3-я Межведомственная конференция «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах», С.Петербург, 1997.
3 International Conference on Optical Information Processing, Suzdal, 1999
International Conference "Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image and Signal Processing", Lviv, Ukraine, 1999.
International Forum on Wave Electronics and Its Applications, St.Petersburg, 2000.
2 International Conference "Advanced Optical Materials and Devices", Vilnius, Lithuania, 2000.
International Seminar "Holography and Optical Information Processing", Bishkek, 2001.
16th European Frequency and Time Forum, St.Petersburg, 2002.
Ultrasonic World Congress, Paris, 2003.
International Conference on Correlation Optics, Chernivtsy, Ukraine, 2003.
4lh International Conference "Advanced Optical Materials and Devices", Tartu, Estonia, 2004.
9l International School on Acousto-Optics and Applications, Gdansk-Sobieszewo, Poland, 2004.
6~я Международная конференция «Прикладная оптика», С.Петербург, 2004.
По теме диссертации опубликовано 68 работ, в том числе 1 монография, и 4 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 347 страницах машинописного текста, иллюстрированного 95 рисунками, содержит 4 таблицы. Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитированной литературы, состоящего из 228 наименований.
Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость, изложена структура диссертации перечислены положения, выносимые на защиту.
В первой главе осуществлен анализ различных оптических и оптико-электронных систем и устройств, входящих в их состав, с точки зрения их способности обрабатывать и передавать информацию. Среди систем особое внимание уделено различным видам голографи ческой памяти, а среди устройств и компонентов - ПВМС, акустооптическим устройствам, а также средам хранения информации. В конце первой главы сформулирована необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований, связанных с развитием как представлений об информационных процессах в оптических системах, так и информационной метрики систем и входящих в них устройств.
Вторая глава посвящена информационным процессам в оптических системах и их компонентах. Устанавливается связь между физическими и информационными процессами. Каждая система или устройство представлена в виде последовательности звеньев, в каждом из которых осуществляется преобразование сигнала. Вычисляются функции передачи
звеньев систем, а также таких устройств, как ГШМС на базе структуры «фотопроводник - жидкий кристалл» и акустооптический анализатор спектра с пространственным интегрированием. Вводятся такие информационные характеристики, как информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное качество.
В третьей главе развиты представления об информационной метрике различных устройств, прежде всего акустооптических. Сформулирована система критериев определения базовых характеристик этих устройств, основанная на допустимой вероятности неразличения единицы информации. Разработаны экспериментальные методы реализации информационной метрики.
Четвертая глава включает в себя комплекс исследований, посвященных оптимизации информационных характеристик различных устройств. Исследования проводились для ПВМС, акустооптических устройств различных типов, пространственных фильтров, а также систем топографической записи и хранения данных.
В пятой главе излагаются результаты разработок, базирующихся на исследованиях, описанных в предыдущих главах. Описан разработанный в рамках настоящей работы панорамный приемник-спектрометр, построенный на базе акустооптического анализатора спектра с пространственным интегрированием, и рассмотрены методы его совершенствования. Предложен метод записи голограмм широкополосных сигналов, в котором применен оригинальный способ полной компенсации допплеровского сдвига частоты света при прохождении его через акустооптическое устройство. Описан разработанный в рамках работы модуль считывания цветной графической информации на базе акустооптического перестраиваемого фильтра, позволяющий существенно повышать информационную пропускную способность некоторых систем благодаря фильтрации избыточной информации.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в рамках выполнения настоящей диссертационной работы.
Основные виды и практические схемы устройств толографической памяти
В то же время на прозрачные электроды структуры подаются напряжение (обычно переменное, не превышающее нескольких вольт). При этом внутри структуры возникает электрическое поле. Поэтому молекулы жидкого кристалла, исходно ориентированные параллельно подложкам (в данной конфигурации под углом 45 друг к другу у разных подложек), под действием электрического поля изменяют направление своей ориентации. Модуляция сопротивления фотопроводящего слоя приводит к перераспределению напряжения между слоями структуры, и на слое НЖК напряжение оказывается модулированным в соответствии с пространственным распределением интенсивности падающего света. Таким образом, и ориентация молекул НЖК также оказывается модулированной в соответствии с тем же законом.
Как видно из рис. 1-9, структура освещается пучком когерентного света. На схеме показан поляризатор, обеспечивающий падение плоскополяризованного света на структуру. В случае, когда источник света (лазер) формирует уже плоскополяризованный свет, необходимость в поляризаторе отпадает.
Проходя через слой НЖК, плоскость поляризации света поворачивается в соответствии с ориентацией молекул жидкого кристалла. Однако модуляция направления ориентации ведет также и к модуляции положения плоскости поляризации света. Когерентный свет проходит через НЖК, отражается от диэлектрического зеркала, а затем вторично проходит через НЖК и выходит наружу. Разделение падающего и отраженного пучков обычно реализуется с помощью светоделительного кубика. Анализатор осуществляет превращение пучка света, модулированного по положению плоскости поляризации в пучок, пространственно модулированный по интенсивности.
Защита фотопроводника от воздействия считывающего света обеспечивается не только диэлектрическим зеркалом с высоким уровнем отражения и дополнительным поглощающим слоем, но и засветкой структуры когерентным светом с длиной волны, лежащей за пределами области спектральной чувствительности фотопроводника. Поглощающий слой должен быть по своим основным физическим параметрам согласован с фотопроводящим слоем; например, в случае, если в качестве фотопроводника используется сульфид кадмия, то в качестве поглощающего слоя применяют селенид кадмия или состав CdSexTei_x. В результате работы описанного ПВМС на его выходе формируется распределение интенсивности в пространстве и времени, соответствующее распределению интенсивности света, падающего на структуру, при этом обеспечивается развязка по несущему свету, и изображение может быть преобразовано не только из некогерентного света в когерентный, но и из одной области спектра в другую. В частности, такого рода ПВМС могут обеспечивать визуализацию изображений, сформированных электромагнитным излучением, находящимся за пределами видимой области спектра. Схожим образом осуществляется работа и других ПВМС с оптической адресацией, например, на базе структуры «электрооптический кристалл DKDP — селеновый фотопроводник» (так называемый «Фототитус») [48-50]. Основные отличия состоят в том, что для реализации «Фототитуса» необходимо осуществить охлаждение рабочего электрооптического кристалла до температуры чуть выше точки Кюри (около -60 С), а рабочее напряжение, прикладываемое к структуре достигает 200 В. Кроме того, стирание в жидкокристаллических ПВМС обычно осуществляется приложением напряжения с частотой, превышающей т.н. частоту инверсии диэлектрической анизотропии, а в «Фототитусе» - применением импульса коротковолнового света. Среди ПВМС с оптической адресацией надо отметить также структуры типа PROM (Pockels Readout Optical Modulator), в которой электрооптический эффект Поккельса осуществляется в кристалле Bii2Si02o или Bil2Ge02o, причем сам кристалл одновременно служит и фоточувствительной средой [51-55]. Отметим также такие приборы, адресуемые светом, как ПВМС с микроканальными пластинами, в которых в качестве светомодулирующей среды используются те же материалы, что и в перечисленных выше приборах, но вместо фотопроводящего слоя применяются микроканальные пластины, обеспечивающие значительное усиление входного сигнала [56, 57]. Другим распространенным типом ПВМС являются устройства с электронной адресацией, иначе называемые ПВМС типа «сигнал - свет». К этому типу можно, в частности, отнести любые модификации проекционных телевизионных устройств. Одним из наиболее распространенных устройств такого типа является жидкокристаллическое телевизионное устройство (ЖКТВ) [58, 59].
На рис. 1-10 схематически представлена структура ЖКТВ. Нематический ЖК помещен в ячейку между двумя стеклянными подложками с прозрачными электродами, причем ячейка представляет собой твист-структуру с поворотом директора молекул ЖК на 90. В момент, когда электрическое поле к структуре не приложено, свет, поляризованный на входном поляроиде, поворачивает свою плоскость поляризации на 90 вслед за поворотом директора молекул ЖК. При этом, поскольку поляризатор и анализатор ориентированы одинаково, свет не проходит сквозь структуру. Но если электрическое поле приложено, то молекулы ЖК стремятся расположиться параллельно силовым линиям поля, и при этом свет начинает частично проходить сквозь выходной поляроид. Чем выше значение напряженности поля, тем сильнее молекулы ориентируются вдоль него и тем меньше поворот плоскости поляризации света, т.е., больше интенсивность света на выходе.
Шумы и отношение сигнал/шум в звене с фотографическим преобразованием
Максимальная дифракционная эффективность для этого случая для плоских волн составит 33,9% , для прямоугольной периодической функции 40,4%, Однако значительная нелинейность фазовых голограмм накладывает дополнительные ограничения и практически дифракционная эффективность при хорошем качестве восстановленного изображения колеблется от 10% до 20%.
Анализ, проведенный Когельником [154] для толстой амплитудной голограммы при интерференции двух плоских волн, показал, что максимально достижимая дифракционная эффективность для пропускающих голограмм равна 3,7%, тогда как для отражательных -7,2%.
Дифракционная эффективность объемных фазовых голограмм, некоторые из которых могут пропускать свет практически без поглощения, оказывается в пределе значительно выше, чем у амплитудных голограмм. Теоретически при использовании толстых синусоидальных фазовых решеток как на прохождение, так и на отражение [154], при выполнении условия Брэгга можно получить дифракционную эффективность, равную или близкую к 100%. Практически получено значение, близкое к этому пределу.
Приведенные выше значения для дифракционной эффективности справедливы при использовании всего динамического диапазона среды, следовательно. Однако большинство записывающих сред имеют низкую чувствительность и мощности записывающего пучка, а также доступного времени экспозиции, может не хватить для перекрытия динамического диапазона. В этом случае дифракционная эффективность окажется существенно ниже.
Особое значение имеет для голографических записывающих сред их чувствительность к свету. Однако оценка чувствительности при этом окажется другая, чем при фотографической записи. Чувствительность непосредственно связана с достигаемой дифракционной эффективностью и зависит от объема восстанавливаемой информации.
Для нормального использования записанной информации, она должна храниться в течение всего времени, в котором существует необходимость обращения к ней; в случае нужды в неоднократном обращении к ней, она не должна стираться при считывании. В случаях, когда надо заменять всю или часть записанной информации на новую, среда должна обладать свойством стирания записанной информации и возможностью перезаписи. При ограниченных размерах среды должны обладать высокой информационной емкостью; соответственно, плотность записи голографической информации должна быть максимальной.
И, наконец, для того, чтобы голографическая память была конкурентоспособной с другими видами памяти, среда должна быть достаточно дешевой, а ее производство максимально технологичным для организации массового производства. Предъявляемые требования существенно ограничивают возможности использования известных записывающих сред в качестве голографических. Соответствие этих сред выставляемым требованиям могут быть определены по характеристическим кривым, пространственным и временным модуляционным характеристикам, отношению сигнал/шум, чувствительности, дифракционной эффективности и другим характеристикам. Среди них только дифракционная эффективность специфична для голографии, тогда как другие характеристики в равной степени относятся и к записывающим средам для обычной записи. Вместе с тем, соответствие той или иной характеристики требованиям в случае голографической или обычной записи могут быть существенно различны.
К основным характеристикам голографических сред, относятся плотность хранимой информации и ее объем. Для плоских голограмм эти величины относятся к поверхности среды хранения. Для объемных голограмм плотность и общий объем информации может быть отнесен как к объему среды, так и к ее поверхности. Говоря о вводе, хранении и выборке информации следует иметь в виду, что количество вводимой и выводимой информации может отличаться как от количества хранимой информации, так и друг от друга. На этапе записи и восстановления голограммы, количество вводимой и выводимой информации, как правило, одинаково. В отдельных случаях, количество одновременно вводимой и одновременно выводимой информации равно количеству хранимой, т.е. вся хранимая информация вводится единовременно и выводится полностью. Однако, как правило, объем хранимой информации намного превосходит объем выводимой информации и вводится она последовательно определенными частями.
Информация, записываемая в голографической регистрирующей среде, может быть распределена в ней достаточно сложным образом, например, так, как показано нарис. 1-18.
Экспериментальный метод измерения разрешения акустооптических спектроанализаторов
Выражение (2-34) относится к возможностям записи определенного количества мультиплексных голограмм на определенном участке среды при условии, что в дальней зоне картина интенсивности от пучка света пропорциональна функции sinx/x. Однако, в этой формуле не учитываются некоторые дополнительные перекрестные искажения, которые могут оказаться связанными со свойствами акустооптического дефлектора, применяемого для задания углового отклонения пучка света.
Для того, чтобы дефлектор не вносил дополнительных перекрестных искажений, необходимым условием является то, что его разрешающая способность (число разрешимых положений отклоненного пучка) было бы как минимум не меньше, чем число мультиплексных голограмм. Но и при соблюдении этого условия возможно внесение дополнительных перекрестных искажений. Здесь существенную роль играет временная апертура ячейки Брэгга, применяемой для дефлектора.
Разрешающую способность дефлектора принято определять формулой (1-23), хотя в следующей главе будет показано, что для адекватной оценки характеристик устройства эта формула требует введения дополнительного коэффициента. В формулу (1-23) входит временная апертура т., которую иногда называют временем выборки [33], что соответствует действительности для использования ячейки Брэгга в составе акустооптического анализатора спектра, но неприемлемо для дефлекторов. Время т необходимо для пересечения апертуры светового пучка акустическим волновым фронтом. Если в течение этого времени в пределах апертуры будут находиться сигналы двух разных частот, то, несмотря на то, что на вход устройства эти сигналы подавались один после другого, в течение времени т, которое обычно составляет от 3 до 20 мкс, свет на выходе дефлектора будет отклоняться одновременно в два направления. Таким образом, при последовательном восстановлении нескольких голограмм, мультиплексированиных по углу, возникает ситуация, когда в течение некоторого времени т будут одновременно восстанавливаться и предыдущая, и последующая голограмма. При этом, очевидно, до момента пересечения акустическим волновым фронтом, соответствующим смене частоты, середины апертуры, последующая голограмма формирует перекрестную помеху для предыдущей, а после этого — предыдущая голограмма для последующей.
Для того, чтобы минимизировать этот вид перекрестных искажений, необходимо, чтобы время ввода в дефлектор частоты нового угла отклонения Т удовлетворяло условию Т » т либо, чтобы во время смены частоты сигнала считывающий пучок был бы закрыт на время т. При использовании нескольких дефлекторов это условие должно соблюдаться для каждого дефлектора. Отсюда следует, что для минимизации искажений необходимо использовать дефлекторы с минимальным т. Однако, исходя из выражения (1-23), уменьшение временной апертуры дефлектора влечет за собой падение разрешающей способности устройства, а, следовательно, и числа мультиплексных голограмм.
Компенсировать уменьшение времени т. можно, в соответствии с выражением (1-23), увеличением полосы частот устройства. Возможности увеличения полосы частот рассматриваются в главе 4 на примере акустооптических спектроанализаторов, однако те же методы применимы и к дефлекторам.
В многоканальных системах, к которым относятся и устройства голографической памяти, кроме перекрестных искажений, на выходное отношение сигнал/шум могут также оказывать влияние т.н. шумовые решетки. Они возникают при последовательном многократном экспонировании регистрирующей среды [163]. Эти решетки возникают в результате действия пучков света, являющихся следствием дифракции восстанавливающего света на ранее записанных голограммах. При записи очередной экспозиции записывающие пучки генерируют новые решетки, стирая предыдущие. Но при этом возникает дифракция на этих предыдущих решетках, даже в случае, если в их отношении имеет место Брэгговское рассогласование (практически это аналог перекрестных искажений). Дополнительные дифрагированнные пучки взаимодействуют с записанными пучками и формируют шумовые решетки. Проблемы, связанные с наличием таких решеток, особенно заметны в голографических запоминающих устройствах, где большое количество записанных решеток накладываются друг на друга в фоторефрактивных кристаллах, и наличие фотоиндуцированных шумовых решеток может существенно ухудшить отношение сигнал/шум.
Рассмотрим последовательность экспозиций в кристалле исходя из анализа Брэгговского рассогласования. На рис. 2.5 показаны векторные диаграммы последовательности экспозиций. Первой экспозиции которых записывается решетка с волновым вектором К]. Во время второй экспозиции записывается решетка с волновым вектором К2 опорным пучком R2 и сигнальным пучком S2. Во время второй экспозиции первая решетка также считывается опорным пучком с некоторым рассогласованием волновых векторов. При этом дифрагированный пучок А\ будет взаимодействовать с опорным пучком R2, и Б среде запишется шумовая решетка с волновым вектором К-ц. При этом делается предположение, что мощность опорного пучка существенно превышает мощность сигнального пучка.
Возможность применения ПВМС для предварительного усиления изображений в телевидении
Производительность устройства памяти определяется с одной стороны количеством данных в странице и количеством записываемых страниц (объемом информации), но также и точностью, с которой передаются эти данные. Степень точности - насколько безошибочно передаются данные -определяется отношением сигнал/шум в отдельной ячейке, передающей информацию. При передаче полутоновых изображений в одной ячейке может быть передано несколько единиц информации, и отношение сигнал/ шум определяет как число полутонов, так и точность, с которой передается каждый из полутонов. В случае цифровой передачи, когда в ячейке передается только одна единица информации (например, значения 0 или 1) отношение сигнал/ шум определяет точность, с которой передается эта единица информация, т.е. насколько она безошибочно передается.
Для развития высокоплотных объемных голографических систем хранения данных оказалось необходимым учесть дополнительные источники шумов, специфические для такой системы. Применительно к цифровой системы, полученное отношение сигнал/ шум непосредственно связано точностью передачи данных, которая при решении ряда задач имела первостепенное значение. В связи с этим , в качестве одного из параметров системы была введена, важная для использования в вычислительной технике, частота появления битовых ошибок (Bit Error Rate - BER).
Рассчитанные на основе величины отношения сигнал / шум значения BER [182] дали для плотности pv 1010 бит/см3 величину 10" . Конечно, эти значения варьируются в зависимости от конструкции системы.
Одним из критериев, который может ограничивать pv еще до того, как свои ограничения вносят перекрестные помехи, является желаемое количество информации в голограмме во время вызова данных. Большой параллелизм систем объемной памяти особенно ценен тогда, когда одновременно обеспечиваются высокие скорости битовых потоков, которые превышают такие же скорости в электронных системах. Как только восстановленная от данной голограммы оптическая информация воспринята ПЗС, она уходит из оптической области и переходит в электронную область, и тогда все скорости потоков данных ограничены электроникой. В этом случае практично хранить оптическую информации в бинарном виде, так как тогда исключается необходимость в проведении аналого-цифровых превращений в электронной области (медленный процесс). Кроме того, возможно для уменьшения величины BER потребуется вставить некоторые алгоритмы коррекции ошибок, чтобы почистить данные в электронной области. При этом не вся переданные данные будут той частью данных, которые желательно было получить. Корректирующие ошибки коды, необходимые для улучшения BER, обычно захватывают 10% - 20% доступного пространства хранения. Поэтому полезное количество данных будет занимать приблизительно 80% - 90% от полного количества.
В работе [147] производилась оценка зависимости средней величины BER при мультиплексном хранении голограмм высокоемких страниц цифровых данных (800x600, 480 Кбит) в толстых фотополимерных средах в зависимости от толщины среды и от числа мультиплексированных голограмм. Толщина фотополимерных пленок изменялась в пределах от 250 до 500 мкм.
Рассматривалось три варианта: прохождение изображения данных через пленку без записи голограмм, запись на пленке 10 мультиплексных голограмм и восстановление одной из них, то же, но при 20 мультиплексных голограммах. При прямом прохождении изображения через среду толщиной 250мкм в отсутствии голограммы среднее значение BER составляло 2,6.10" . При записи в среде мультиплексных голограмм наихудший результат был получен при толщине 250 мкм и мультиплексировании 20 голограмм (BER и 10"3). При том же количестве голограмм, но толщине 516мкм величина BER составляла 4,8.10"4. В случае, когда мультиплексировалось 10 голограмм, величина BER с толщиной изменялась мало и составляла приблизительно 5 -ь 7,7.10"4 .
Использование объемных голограмм в приведенных случаях дает такую величину BER, которая не удовлетворяет поставленным требованиям. С другой стороны без использования объемной голографической памяти невозможно получить необходимую высокую плотность записи данных, поэтому необходимо прибегать к коррекции ошибок. В основе алгоритма коррекции ошибок лежит добавление при записи битов избыточности к каждому блоку данных, заранее определенного размера. Во время считывания алгоритм использует излишние биты, чтобы найти любые ошибочные биты, и затем корректировать их. Сами коды ошибок могут анализироваться улучшением частоты ошибок, которую они обеспечивают, максимальным количеством ошибок, которое может обнаруживаться или корректироваться, в также кодовой скоростью.
Большинство программ коррекции ошибок были разработаны для 1-D строк данных, и использование такого кода в объемной голографии демонстрировалась еще в работе [183]. Коррекция ошибок способна уменьшить показатели ошибки очень сильно. В компактном лазерном диске, например, скорость битовой ошибки 10"6 уменьшается до общей скорости битовой ошибки 10" с кодовым темпом приблизительно 0.66 . Исследователи, изучающие кодирование ошибок для голографической памяти считали полезным использование многочисленных 1-D кодов, также как и 2-D коды.
Однако, теоретическая база для 2-D кодов готова в значительно меньшей степени, чем для 1-D кодов. Отрицательной стороной использования коррекции ошибки в голографической памяти является уменьшение требуемой плотности и необходимость изготовления цепи в детектирующей электронике.
