Введение
Оптика обладает большими возможностями для построения цифровых и аналоговых систем обработки информации. По сравнению с электроникой оптика обладает потенциальными преимуществами для создания вычислительных устройств:
• меньшее количество энергии на один вычислительный такт;
• значительно меньший теоретический предел тактовых частот вычислителя;
• естественность реализации параллелизма вычислений и обеспечение высокой связности в вычислительных системах.
Однако, в последнее время из-за стремительного развития цифровых электронных вычислительных средств актуальность создания чисто оптических вычислительных машин сильно уменьшилась. Поэтому, особый интерес сегодня представляют оптические системы, в которых сочетались бы свойства дачников, оптический блок предобработки и которые легко сочленялись бы с электронными блоками обработки информации. Представляется разумным использовать опыт работы с аналоговыми оптическими вычислительными системами для создания оптических или оптико-элекгронных систем, обладающих указанными выше свойствами.
Применение оптических систем, использующих когерентное освещение, ограничено из-за необходимости использования высококачественной элементной базы, включая пространственно-временные модуляторы света. В таких системах необходимо обеспечивать высокую точность юстировки и низкий уровень фазовых шумов. Оптические системы обработки информации, использующие частично когерентное освещение, в значительной мере избавлены от этих недостатков. Они защищены от фазовых шумов устройств ввода, предъявляют меньшие требования к точности юстировки оптических элементов и свойствам используемых источников излучения.
В особый класс среди систем с частично когерентным освещением можно выделить системы обработки информации, использующие в качестве информационного параметра степень проегранственной когерентности. В таких системах преобразования производятся над пространственной когерентностью, а результирующее распределение степени проегранственной когерентности отображается в виде распределения интенсивности с помощью визуализатора пространственной когерентности. Такие
1
системы сочетают в себе достоинства систем, использующих иространственнокогерентное излучение, и надежность систем с пространственно-некогереитным излучением. Однако существенным недостатком систем этого класса является низкое отношение сигнал/фон, что обусловлено наличием постоянного светового фона. Болес того в таких системах отношение сигнал/фон падает обратно пропорционально числу элементов объекта. Таким образом, создание систем, использующих преобразование пространственной когерентности, невозможно без разработки эффективных методов увеличения отношения сигнал/фон.
2
Глава I. Преобразование пространственной когерентности и регистрация нестационарных волновых фронтов
1.1. Обратные задачи в оптике
Решение задачи построения изображений удаленных объектов - уже на протяжении долгого времени одна из приоритетных задач оптики. Особый интерес представляет разработка методов формирования изображений без использования фокусирующих элементов, которые сложны в изготовлении и вносят неизбежные аберрации в формируемое изображение. Процесс построения изображений в формирующей безлинзовой системе можно трактовать как двукратное преобразование Фурье характеристик световой волны -прямое и обратное. Такие преобразования могут быть выполнены либо чисто оптическими, либо оптико-электронными методами.
Чисто оптическое безлинзовое двукратное преобразование Фурье на основе преобразования пространственной когерентности [1] показало принципиальную возможность формирования плоских изображений объемных объектов с большой глубиной резкости. В этом варианте изображение строиться светом непосредственно рассеянным или излученным объектом. К сожалению, отсутствие к настоящему времени эффективных аппаратных решений по пространственно-временной фильтрации световых полей не позволяет в этом слу'чае обеспечить необходимый контраст формируемого изображения.
Оптико-электроное безлинзовое двукратное преобразование Фурье включает в себя первичное преобразование в оптическом канате и последующее обратное преобразование в оптико-электронном тракте. Первичное преобразование Фурье в оптическом канале может выполняться, например, на основе преобразования пространственной когерентности с последующей визуатизацией степени пространственной когерентности, а обратное преобразование - в оптико-электронном тракте на основе широкоапертурного фотоприемника. При этом обеспечивается возможность независимой временной модуляции фоновой и информационной составляющих светового поля и
з
последующей временной фильтрации в электронном тракте. Применение такой модуляции позволит строить изображения с необходимой контрастностью.
1.2. Широкоапертурная регистрация волновых фронтов
Очевидно, что интегральная регистрация стационарных волновых фронтов широкоапертурными фотоприемниками может дать информацию только об интегральных характеристиках светового поля. Для того, чтобы получить доступ к информации о локальных характеристиках необходимы либо осуществлять локальные измерения характеристик волнового фронта, либо интегральные измерения интенсивности нестационарных волновых фронтов [2]. В общем случае широкоапертурной регистрации нестационарных волновых фронтов два волновых фронта, один или оба из которых несут информацию об объекте, интерферируют в плоскости широкоапертурного фотоприемника. Угол наклона между интерферирующими волнами изменяется во времени по определенному закону. Соответственно, и ток через фотоприемник будет меняться во времени, и, таким образом, можно получить информацию о локальных характеристиках светового поля.
В работах [3, 4] рассмотрена голографическая регистрация информации о нестационарном сигнале и последующем извлечении информации о временном спектре сигнала. В [3] при голографической регистрации в одном канале формировалась предметная волна, промодулированная во времени при ее взаимодействии с объектом. В другом оптическом канале формировалась опорная волна с линейным изменением пространственной частоты во времени за счет линейного движения со скоростью V первого объектива телескопической системы перпендикулярно оптической оси. Опорная волна такого вида связана с изменением пространственной частоты фронта (углом падения) в плоскости регистрации и поэтому может быть сформирована только в течении ограниченного промежутка времени Т. Нестационарная шггерференционная картина, возникающая при взаимодействии опорной и предметной волн, регистрировалась на голографической фотопластинке. На стадии восстановления изображение восстанавливалось плоской волной, затем фурье-объектив формировал фурье-образ
4
восстановленного изображения. По фурье-образу представлялась возможность определить временной спектральный состав предметной волны с точностью порядка 10 Гц. Разрешение системы было пропорционально уТ//, где/- фокусное расстояние перемещаемого объектива. В этом методе введение нестационарной опорной волны даст доступ к информации, недоступной при традиционной голографической регистрации.
Извесгны также корреляционные методы с совмещением волновых фронтов и фотоэлектрической регистрацией результата обработки [5, 6]. Сущность таких методов заключается в следующем. Входная информация, содержащаяся на транспаранте в виде образа объекта, преобразуется в когерентном свете с помощью оптической системы в распределение фурье-образа поля в плоскости пространственных частот. В зависимости от величины смещения образа объекта на транспаранте составляющая поля, соответствующая фурье-образу объекта, харакгеризуется в плоскости пространственных частот определенным фазовым множителем, связанным с наклоном фронта волны. Другой транспарант, являющийся фильтром, содержит изображение образа объекта, которое также преобразуется оптической системой в фурье-образ. В плоскости пространственных частот осуществляется изменение угла падения фронта волны, соответствующей фильтру, при этом меняется характер картины интерференционных полей. При совмещении фронта волны фильтра с фронтом волны образа объекта наблюдается резкое изменение величины суммарного поля, знак которого зависит от соотношения фаз интерферирующих волн. Указанное изменение поля регистрируется широкоапертурным фотоприемником, ток которого пропорционален интегральной интенсивности света, падающего на входное окно. Следовательно, ток фотоприемника при совмещении фронта волны фильтра с фронтом волны образа объекта будет резко увеличиваться.
Первый вариант подобной схемы был описан в работе [7], хотя в этой схеме совмещение волновых фронтов не выполнялось. Транспарант-об ьекг и транспарант-фильтр располагались в передней фокальной плоскости фурье-объектива. Интерференционная картина в плоскости пространственных частот регистрировалась с помощью ПЗС матрицы с системой электронного сканирования. Составляющая выходного сигнала, связанная с интерференцией полей, характеризовалась наибольшей временной частотой, так как соответствующая компонента интерференционной картины об-
5
ладает наиболее мелкой структурой. После подавления низкочастотной компоненты гока и обработки с использованием электронной системы типа спектроанализатора получалась функция корреляции входного объекта и эталона, записанного на фильтре.
Более совершенный вариант схемы предложен в работах [8, 9]. Преобразование Фурье от транспарантов объекта и эталона выполнялось в одном оптическом канале. Для совмещения волновых фронтов использовалась линейно перемещающаяся дифракционная решетка с переменным шагом (линейно частотно модулированная - ЛЧМ решетка). В качестве такой решетки была использована голографическая линза Френеля. Совмещение осуществляется для волны транспаранта-фильтра в нулевом порядке дифракции и для волны транспаранта-объекта в первом порядке дифракции за счет изменения пространственной частоты фронта последней при движении решетки. Результирующая интерференционная картина регистрировалась с помощью широкоапертурного фотоприемника. Импульс выходного тока соответствует максимуму автокорреляционной функции, а его положение во времени характеризует положение искомого образа на входном транспаранте. Необходимым требованием к дифракционной решетке является достаточный диапазон изменения шага с тем. чтобы все объекты, образы которых содержатся на входном транспаранте, были зафиксированы. Кроме того, изменение шага решетки не должно быть быстрым, так как в пределах рабочей области в каждый момент времени изменение шага должно быть мало, чтобы избежать нежелательного искривления фронта волны. Время цикла обработки информации в такой схеме определяется временем перемещения дифракционной решетки.
Эта схема получала дальнейшее развитие в работах [5, 6, 10], в которых совмещение волновых фронтов реализовано с помощью двухлучевого интерферометра типа Маха-Цандера. В одном канале интерферометра размещается входной транспарант, содержащий изображение образа объекта и помехи, а в другом канале - транспарант-фильтр с изображением образа объекга. Оптическая система выполняет преобразование Фурье, в плоскости пространственных частот расположен широкоапертуриый фо-топриемник. Совмещение волновых фронтов осуществляется в результате движения транспаранта-фильтра. Выходной ток фотоприемника будет содержать постоянную составляющую, обусловленную постоянной засветкой фотоприемника опорной и предметной волнами, и переменную составляющу ю, соответствующую корреляцион-
6
ной функции образов, записанных на входной транспарант и транспарант-филыр. Таким образом, в описываемой схеме, в отличие от схемы с использованием дифракционной решетки, само линейное движение транспаранта-фильтра формирует нужную нестационарную структуру волн. При изменении ролей опорного и предметного каналов такая схема позволяет производить обработку информации в процессе ее непрерывного введения. Кроме того, наличие двух независимых каналов позволяет более гибко использовать схему, выполняя в каждом канале различные преобразования световых полей. Недостатки описанных схем типичны для систем, использующих когерентное освещение. Они подвержены влиянию фазовых шумов устройств ввода, критичны к качеству и позиционированию оптических элементов, чувствительны к вибрации. Приведенные результаты исследований по использованию источников света с различной степенью пространственной и временной когерентноеги [6] в схеме с двухлучевым интерферометром, подтверждают возможность использования источников монохроматичного излучения с низкой степенью пространственной когерентности, что однако не ослабляет высоких требований к позиционированию оптических элементов.
В работе [11] рассматривается возможность получения амплитудно-фазового спектра когерентно-оптическими методами при помощи акустооптического анализатора спектра интерференционного типа. Транспарант с полутоновой или силуэтной записью анализируемой функцииX*) при помощи объектива проецируется в некото-рую плоскость, где происходит интерференция прошедшего через транспарант света с наклонной плоской световой волной, угол наклона которой изменяется по заданному закону при помощи акусгооптической ячейки. Формирование гармонических функций разложения - пространственных гармоник - происходит в этой плоскости. Интерференционная картина интегрируется широкоапертурным фотоприемником, ток которого равен:
/(О - Re{Я1 Кх>У)+ ехр(-2/ л и(0х) 12dxdу ~ const +
+ Re {ff/(x, у) ехр(-2/ п u(t) дг) dxdу ~ const + !j{x) cos(2n u(t) x) dbt,
7
где м(/) - просгранственная частота наклонной плоской волны, изменяющаяся по заданному закону во времени. Для получения фурье-преобразования используют линейное изменение пространственной частоты, то есть и(/) = <р((). Таким образом, амплитуда переменной части тока фотодетектора в момент времени / пропорциональна значению фурье-компоненты функции Дх) с пространственной частотой и(/). При изменении этой пространственной частоты огибающая переменного сигнала фогоприем-ника будет представлять фурье-спеюр анализируемой функции. Достоинствами данного метода являются высокая чувствительность, получение амплитудно-фазового спектра и то, что для высокой точности анализа и высокого разрешения не требуется уменьшение размеров диафрагмы фотоприемника до точечных. Однако и данный метод не избавлен от влияния фазовых шумов устройств ввода, высоких требований к качеству оптических элементов и точности фокусировки изображения в плоскости фотодетектора.
В лаборатории оптической обработки информации кафедры «Физика твердого тела» Московского инженерно-физического института был разработан когерентнооптический спектроанализатор [12, 13], который лишен недостатков, присущих аку-стооптическому анализатору спектра интерференционного типа. Основное отличие модифицированного спектроанализатора состоит в том, что пространственные гармоники с меняющейся частотой создаются в плоскости транспаранта (перед ним), а сам транспарант расположен перед широкоапертурным фотоприемником. Этот метод характерен тем, что для процесса спектрального анализа не требуется сферическая либо анаморфотная оптика, которая всегда вносит добавочные шумы из-за дефектов в ней и искажает спектр из-за аберраций. Оптические элементы в когерентно-оптическом интерференционном спектроанализаторе необходимы только для формирования пространственных гармоник. В частности, такие гармоники могут быть образованы при интерференции двух наклонных плоских волн с противоположными пространственными частотами и и -м, модуль которых изменяется во времени от 0 до итлх.
Процесс формирования спектра в таком спектроанализаторе можно описать следующим образом. Транспарант размером 2Лх2В с записью одномерной функцииДх) в виде модуляции коэффициента амплитудного пропускания /(х) и фазовыми неоднородностями, описываемыми функцией ехр(/^(х, у)), освещается двумя плоскими вол-
8
нами с амплитудами £оЄХр(2тгі и(х) х) и £оСхр(-2я/ и(х) х). Фотоприемник регистрирует интерференционную картину, возникающую за транспарантом, и его ток пропорционален интегральной шггенсивности света, падающего на окно фотоприемника:
А В
/(/) ~ 11 |Дх) ехр(Лу(х,у)){ ехр(2/ и(х) X + ехр(-2/ и(х) х)|2 бхду ~
-Л-В
А
~ \ |Дх)|2 (2+2со8(4я и(т) х)) сіх = (1.2)
-А
А А
= 2\|Дх)|2 сіх + 2\|Дх)|2 соз(4л и(х) х) сіх.
-А -А
В момент времени т второе слагаемое равно спектральной компоненте функции |/(х)|2 на пространственной частоте г/(х). Для получения спектра самой функции необходимо ограничить класс регистрируемых функций, для которых квадрат функции пропускания транспаранта по амплитуде равен анализируемой функции |Дх)|2 = Ах). Такое условие выполняется либо в случае, когда коэффициент амплитудного пропускания равен функции (Дх))1/2, либо в случае силуэтной записи. При использовании силуэтного транспаранта с пропусканием:
*(х, у)
^1,0 <у<Ах)
І0 ,у>Лх), О-3)
интегральная интенсивность прошедшего через него света равна:
АВ
І~ I\|Дх) ехрО'цДх,у)){ ехр(2/ мх + ехр(-2/ их)|2 сіхсіу =
■А-В
А Ах)
= / (2+2со8(4л и х)) дх / &у = (1 -4)
-а о
А А
= 2/|Дх)|2 сіх + 2]Дх) со5(4л и х) сіх.
-А -А
При изменении по заданному закону м(х) пространственных частот плоских волн, образующих пространственные гармоники, ток фотоприемника, пропорциональный интегральной интенсивности, равен сумме некоторого постоянного фона и
9
- Київ+380960830922