10. Оптические методы обработки информации.
10.1 Основы голографии.
10.1.1. Потребности в обработке в реальном масштабе времени(РМВ) больших объемов видеоинформации, например, аэрокосмических снимков, рентгеновских снимков, многоканальных сигналов в сейсмических, акустических, и радиоприемных станциях не обеспечиваются цифровыми ЭВМ ( космический снимок территории 100х100 км с разрешением 10 м содержит 108бит информации). Это вызвало необходимость разработки аналоговых оптоэлектронных систем регистрации, хранения и обработки видеосигналов в РМВ.
Конкретные оптические процессоры используются для обработки сигналов РЛС с синтезированной апертурой, распознавания образов и т.д. Основными их недостатками являются малая точность (не более 1%) и отсутствие гибкости.
Для устранения этих недостатков существует и другой подход – создание цифровых оптических ЭВМ. Для этого уже разработана элементная база: оптический аналог транзистора (трансфазор), логические элементы и узлы, голографические архивные системы памяти и т.д. с энергией переключения 10-15Дж. На их основе возможно создание цифровой оптической параллельной ЭВМ со скоростью 1010операций в секунду [6].
В настоящее время пока что основным подходом в обработке оптической информации явления аналоговый, основанный на принципах голографии.
10.1.2. Основы голографии были заложены в 1948 г. англичанином Д.Габором и позже разработаны Э.Лейтом, Ю. Упатниексом, Ю. Н. Денисюком. Голография представляет собой способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины (голограммы), которая образована волной (рис.10.1,а), отраженной предметом – О, освещаемым источником света –S(объектная волна) и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света через зеркало – З (опорная волна). Интерференционная картина регистрируется каким-либо регистрирующим материалом, например, фотопластинкой – Ф, после обработки которой получается голограмма – Г. Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, как и при записи объектной волны (рис. 10.1,б),
Рис. 10.1. Схема получения (а) и восстановления (б) волнового фронта, получение Фурье-голограммы (в).
что обеспечивает возникновение мнимого изображения – МИ и действительного изображения – ДИ.
Голографический метод применим ко всем волновым процессам: электронным, рентгеновским, световым, акустическим, сейсмическим, ВЧ и СВЧ и т.д. при условии, что они когерентны. Наиболее применим этот метод в оптическом диапазоне Э В М.
В зависимости от вида регистрирующего материала голограммы могут быть амплитудными (при изменении коэффициента пропускания или отражения),фазовыми(при изменении коэффициента преломления или толщины) иамплитудно-фазовыми(при одновременном изменении двух факторов).
В зависимости от соотношения толщины – hрегистрирующего материала и периода регистрируемой интерференционной картины –dголограммы могут быть двумерными (d>>h) и трехмерными (d<<h), которые можно восстанавливать источником света со сплошным спектром.
В зависимости от способа формирования объектной и опорной волн различают голограммы Фраунгофера, Френеля и Фурье.
Наиболее распространенной и перспективной для обработки информации является Фурье – голограмма. Для ее получения плоский объект (транспарант) – t(x,y) освещается когерентной коллимированной волной и фокусируется линзой Л (рис. 10.1,в). В фокальной плоскости линзы устанавливается регистрирующая пластинка – Ф, на которую через ту же линзу – Л направляется опорная волна – ОП. Фурье – голограммаТ(,)образуется как результат интерференции Фурье – образов транспаранта и опорной волны. Так как линза производит спектр пространственных частотТ(,)транспарантаt(x,y)
(10.1)
где
то каждая точка фокальной плоскости
линзы отвечает своей пространственной
частоте с соответствующей фазой. Уголпадения опорной
волны представляет несущую пространственную
частоту записи, модулированную
пространственными частотами транспаранта.
Таким образом Фурье – голограмма
регистрирует спектр пространственных
частот входного сигналаt(x,y).
Поскольку информация о каждой точке транспаранта распределена по всей пространственно-частотной области, то потеря части спектра не приводит к потере всего образа, а лишь снижает разрешение и яркость изображения при восстановлении. При этом благодаря фокусировке в Фурье – голограмме информация регистрируется с максимальной плотностью, голограммы не чувствительны к сдвигу и имеют очень малые аберрации (квадратичные фазовые искажения).