Контрольные вопросы

1. Применение оптоэлектронных систем для передачи, обработки и хранения информации.

2. Оптический процессор для выполнения операции умножения.

3. Виды транспарантов.

4. Транспаранты из фотохромных материалов.

5. Транспаранты переменной прозрачности.

6. Транспаранты с фазовой модуляцией.

7. Управляемые транспаранты.

8. Электрически управляемые транспаранты.

9. Оптическое преобразование Фурье.

10. Пространственная фильтрация оптических сигналов.

11. Оптический процессор на основе пространственной фильтрации.

12. Оптический метод распознания образов.

13. Применение оптических методов распознания образов.

14. Применение гибридных оптоэлектронных вычислительных комплексов.

Лекция 15

Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 2)

15.1. Оптоэлектронные запоминающие устройства

Эффективность вычислительных машин в значительной степени зависит от того, как организована память машины и какова емкость памяти. Оптические методы хранения информации позволяют достичь более высокой плотности упаковки данных, чем магнитная запись, и, кроме того, повышают надежность считывания данных.

Возможность повышения плотности упаковки информации в оптических запоминающих устройствах (ЗУ) вытекает из основных принципов оптики, согласно которым световой луч можно сфокусировать в пятно диаметром, приблизительно равным длине световой волны λ. В качестве источников световой энергии в оптических ЗУ обычно используют лазеры. Выбор типа лазера, режима его работы и уровня излучаемой мощности зависит от вида используемой оптической системы и типа носителя информации. В свою очередь, выбор оптической системы и типа носителя определяется методом записи информации.

Применяются два способа записи:

• бинарный (каждому элементарному участку носителя ~λ ² соответствует 1 бит информации, поэтому предельная плотность записи составляет ~10⁷ бит/см²);

• голографический (каждый элементарный участок носителя хранит информацию обо всем информационном массиве, плотность записи значительно выше - 10¹¹...10¹² бит/см²). Для сравнения: плотность записи на магнитных элементах составляет всего 10⁵ бит/см².

15.2. Бинарные запоминающие устройства

Бинарное запоминающее устройство состоит из системы записи и системы считывания. Принцип действия такого ЗУ поясняется рис. 15.1. Излучение лазера 1, сфокусированное линзой 2, попадает на модулятор 3, который модулирует интенсивность лазерного пучка в соответствии с управляющим кодовым сигналом: при записи двоичной единицы модулятор прозрачен и лазерный луч проходит сквозь него, при записи двоичного нуля модулятор непрозрачен. Модулированный по интенсивности пучок поступает на дефлектор 4. За дефлектором расположена линза 5, которая фокусирует лазерный пучок в пятно малых размеров на информационном носителе 6. Дефлектор перемещает это пятно по поверхности носителя по определенному закону, например, вдоль первой горизонтальной строки, затем вдоль второй и т.д. На носителе двоичным единицам будут соответствовать засвеченные участки, двоичным нулям - незасвеченные. За носителем информации устанавливается матрица фотодетекторов 7. Считывание производится при отключенном модуляторе. Луч лазера, перемещаемый в пространстве дефлектором, освещает последовательно различные участки носителя. Если при этом лазерный луч попадает на прозрачный участок носителя, то на выходе матрицы появляется электрический сигнал, если на непрозрачный, то сигнал отс утствует.

В качестве источников излучения в бинарных ЗУ обычно используются аргоновые, гелий-неоновые и гелий-кадмиевые лазеры, работающие в непрерывном режиме.

Для модуляции лазерного пучка по интенсивности применяются модуляторы на основе различных физических эффектов: электрооптических эффектов Керра и Поккельса (изменение показателя преломления кристаллического материала под действием внешнего электрического поля), магнитооптического эффекта Фарадея (вращение плоскости поляризации под действием магнитного поля), акустооптического эффекта (взаимодействие световых волн с бегущими или стоячими акустическими волнами).

Системы отклонения светового луча - дефлекторы могут быть механическими или немеханическими. Простейший механический дефлектор - зеркальце гальванометра или вращающийся зеркальный барабан. Механические системы обеспечивают большие углы отклонения, но невысокую скорость сканирования - до 10³ точек в секунду. Немеханические (например, акусто- и электрооптические) системы отклонения характеризуются меньшими углами отклонения, но зато обеспечивают высокую скорость записи - до 10⁶ точек в секунду.

Способы записи информации:

• Записывать информацию можно на обычных галогенидо-серебряных фотопленках. При этом плотность записи 10⁷ бит/см². Существенные недостатки обычных фотоматериалов - необходимость «мокрого» проявления и невозможность перезаписи информации.

• Многократная запись информации возможна на фотохромном носителе. Такой носитель имеет фотохроматическое покрытие, которое темнеет при облучении видимым светом. Если воздействовать затем на это покрытие белым или желтым светом, то оно восстанавливается и может быть использовано для повторной записи. Если после экспозиции покрытие подвергается охлаждению, то записанная информация довольно быстро утрачивается, поэтому для длительного хранения информации такие носители также неудобны.

• Разработано несколько способов записи, основанных на прожигании лазерным лучом отверстий в тонких слоях никеля, цинка и некоторых других материалов, нанесённых на поверхность полиэфирной пленки. На таких прожигаемых пленочных носителях можно достичь плотности записи 10⁸ бит/см².

• Большие перспективы применения для записи оптической информации магнитооптических марганцево-висмутовых пленок. На таких пленках возможна плотность записи более 10⁷ бит/см². Недостаток этих пленок - низкая световая чувствительность.

Существенный выигрыш в скорости записи и считывания информации могут дать многоканальные бинарные ЗУ. В таких устройствах излучение источника расщепляется на несколько пучков, далее направляется на много-канальный модулятор, каждый канал которого модулирует интенсивность одного из пучков. При таком способе записи в каждый момент времени на носителе фиксируется не одна, а п единиц информации, где п - число каналов записи. Для считывания информации используется тот же источник излучения с расщепителем. Пучки света, прошедшие через информационный носитель, детектируются далее п - канальным фотодетектором.

Основные недостатки бинарных ЗУ - отсутствие удобных для практического использования дефлекторов и слабая помехозащищенность. Последнее объясняется тем, что в бинарных системах каждый элементарный участок информационного носителя хранит определенную информацию.