книги из ГПНТБ / Гущо Ю.П. Фазовая рельефография

В-2. СТРУКТУРА СИСТЕМ ФАЗОВОЙ РЕЛЬЕФОГРАФИИ

В состав типовой системы фазовой рельефографии входят: I) устройство управления зиписыо *; 2) носитель записи с деформируемым слоем; 3) устройство воспро­ изведения; 4) устройство проявления (рис. В-1).

Функция устройства управления сводится к регистра­ ции на деформируемом слое входного сигнала какой-ли­ бо физической природы в виде рельефа поверхности.

Устройства управления можно классифицировать по многим признакам [Л. 23]. Однако наиболее удобно де­ лить устройства управления по физической природе входного сигнала.

Входные сигналы, применяемые в рельефографии, и соответственно устройства управления, преобразующие их в поверхностный рельеф, можно разбить на: 1) элек­

сигналов проклассифицированы более детально. С по­ мощью устройства управления входной сигнал для по­ лучения рельефа поверхности прежде всего необходимо преобразовать в рельеф плотности поверхностных или объемных сил, т. е. силовой рельеф. Создание силового рельефа во всех устройствах управления является необ­ ходимым этапом при преобразовании входного сигнала

врельеф поверхности.

Вслучае использования твердых термопластических пли фотопластнческпх материалов необходимо предус­ мотреть устройство для размягчения деформируемого слоя. Процесс преобразования силового рельефа в по­ верхностный, совершающийся при размягчении слоя, на­ зывают проявлением. Известны два метода проявления: тепловой и в среде растворителя.

Наиболее распространен метод теплового проявле­ ния, который осуществляют электрическим нагревом проводящей подложки, потоком лучистой энергии и на­ гретой струей газа или жидкости. Тепловое проявление имеет значительные преимущества по сравнению с при­ емами обработки экспонированных слоев в фотографии,

вчастности, осуществляется намного быстрее и легче поддается автоматизации.

1 Далее в основном употребляется более короткий термин «устройство управления».

10

Носитель записи имеет обычно многослойную струк­ туру, необходимой частью которой является деформиру­ емый слой. К настоящему времени изучено большое чис­ ло уже известных и специально созданных материалов, используемых в деформируемых слоях. Их можно разде­ лить на три группы: 1) слабопроводящие и проводящие жидкости; 2) гели и упругие металлические пленки; 3) твердые термопластики. Жидкие, гелеобразные слои и металлические пленки, как правило, применяют для оперативной обработки информации с периодом цикла запись — стирание от сотых долей секунды до несколь­ ких секунд. Твердые термопластики можно использовать как для оперативного, так и для долговременного хране­ ния информации. Время цикла запись — стирание в этом случае регулируют устройствами проявления и стира­ ния.

Воспроизведение рельефной записи осуществляют оптическим излучением или корпускулярным потоком1. Независимо от физической структуры регистрирующей среды и способа образования информации носитель за­ писи при воспроизведении сигналов управляет одним из двух параметров излучения: амплитудой или фазой световой волны. В первом случае имеют дело с ампли­ тудной, а во втором — с фазовой модуляцией. Возможен

исмешанный способ амплитудно-фазовой модуляции.

Вбольшинстве классических информационных систем используют принцип амплитудной модуляции, при кото­ ром носитель записи (фотопленка, печатный лист, элек­ трофотографический слой) управляет световым потоком благодаря поглощению части его световой энергии.

Врельефографии применяется фазовая модуляция потока излучения носителем записи. При фазовой мо­ дуляции, основанной на явлениях преломления (рефрак­ ции) и дифракции, поток излучения не поглощается записывающей средой, а только изменяет свою простран­ ственную фазу. При этом среда, граничащая со свобод­ ной поверхностью деформируемого слоя, должна отли­ чаться от него коэффициентом преломления. В зависи­ мости от величины сигнала (глубины рельефа) лучи от считывающего источника излучения преломляются или дифрагируют на различный угол.

1 Наряду с термином «воспроизведение» мы далее будем поль­ зоваться и термином «считывание».

12

)

Объекты, управляющие фазовыми параметрами из­ лучения, принято называть фазовыми объектами. Для воспроизведения информации с фазового объекта при­ меняют различные методы, сущность которых сводится к преобразованию фазовой модуляции в амплитудную.

Известны четыре метода воспроизведения рельефной записи: щелевой оптики, фазоконтрастной оптики Цернике, проекционной оптики, электронного считывания.

При использовании оптического излучения нз их чис­ ла применяют главным образом щелевой и фазоконт­ растный методы1. В настоящее время в большинстве устройств воспроизведения используют щелевую проек­ ционную оптику, с помощью которой при отсутствии рельефа на поверхности носителя записи получают тем­ ное поле.

■При очень глубоких канавках или при так называ­ емой «морозной» записи рельефа можно применять и обычную проекционную оптику.

Оптические устройства с когерентными источниками света используют для восстановления голограмм, запи­ санных на деформируемых носителях в виде фазовых дифракционных решеток. В идеальной фазовой косину­ соидальной решетке свет не поглощается. Яркость изо­ бражений, восстановленных по фазовой голограмме, значительно выше, чем по амплитудной. Деформируемые слои не подвержены усадке при хранении и допускают многократное использование в отличие от фотографиче­ ских эмульсий.

Поэтому голограммы, записанные на деформируемом слое, не искажаются при хранении, могут быть стерты и нанесены вновь.

Известен также метод воспроизведения записи с фа­ зового объекта корпускулярным потоком. При этом в рельефографип, как и в электронной микроскопии, для считывания записи применяют электронный поток, уп­ равление которым основано на использовании зависи­ мости угла отражения электронов от наклона стенки канавки рельефа.

На основе классификационной схемы рис. В-1 с уче­ том сказанного можно построить обобщенный функци-

1 Оба эти метода являются частным случаем так 'Называемого метода пространственной фильтрации [Л. 81].

13

опальный оператор системы фазовой рельефографии:

пространственные координаты; t — время.

Задача отыскания функций, связывающих плотность сил и рельеф поверхности, а также рельеф поверхности и выходной световой поток, является достаточно общей проблемой для всех систем рельефной записи. Вид связи между входным сигналом и рельефом поля сил отлича­ ет, как правило, одно устройство управления от другого. Преобразование входного сигнала в рельеф плотности сил может содержать одни или несколько промежуточ­ ных этапов.

Анализ любой системы или ее части основывается на определении такой ее характеристики, которая наи­ более просто и вместе с тем полно устанавливала бы связь между ее выходным и входным сигналами.

В линейных системах такой характеристикой обычно служит либо коэффициент передачи, либо переходная функция.

Коэффициент передачи имеет определенный смысл лишь в том случае, когда выходной сигнал отличается от входного по величине и фазе, но не по форме. При прохождении через линейную систему при всех условиях не меняет свою форму гармонический сигнал. Коэффи­ циент передачи в этом случае определяют как отноше­ ние комплексных амплитуд гармонического сигнала на выходе и входе системы. Зависимость модуля коэффици­ ента передачи и фазы от частоты называют амплитудно-

частотной и фазо-частотной характеристиками соответ­ ственно.

Если входной сигнал имеет сложную форму, то, раз­ ложив его на сумму гармонических по Фурье, с по­ мощью известного коэффициента передачи легко опре­ делить выходной сигнал и в этом случае.

Переходной функцией называют выходной сигнал, обусловленный подачей на вход системы единичного сту-

14

Г л а в а п е р в а я

МЕТОДЫ РЕЛЬЕФНОЙ ЗАПИСИ

1-1. Запись электрических сигналов

а) Запись электронны м лучом

'Запись электронным лучом лежит в основе действия устройств накопления и отображения информации, использующих масляные и твердые термопластические слои. В стадии разработки находятся системы с жидки­ ми термопластиками1 [Л. 24, 25] и упругой металличе­ ской пленкой [Л. 6] в качестве носителей.

Принцип записи можно пояснить с помощью рис. 1-1. Электронный луч 1, модулированный по интенсивности,

Рис. 1-1. Механизм термопла­ стической записи электронным лучом.

— длина зоны нагревания; s2 — длина зоны охлаждения термопла­ стика; v — скорость перемещения

создает на поверхности или в объеме деформируемого слоя 2 рельеф электрических зарядов, которые индуци­ руют в проводящем слое 4 заряды противоположного знака. Электрические силы взаимодействия этих зарядов способны деформировать поверхность слоя 2. Если при­ меняется твердый термопластический слой, то для про­ явления записи его необходимо размягчить одним из из­ вестных способов. Основа 3 придает носителю механиче­ скую прочность.

1 Термопластики, поддерживаемые в жидком состоянии натреванием.

16

До настоящего времени нет вакуумно-стойких носи­ телей, поэтому для удаления выделений газообразных продуктов из них все вакуумные камеры снабжены не­ прерывно откачивающими устройствами.

Своеобразный способ записи электронным лучом предложен One [Л. 6] (рис. 1-2). Тонкая металлическая упругая проводящая плен­ ка 1 наложена па систему диэлектрических опорных стержней 2, рас­ положенных на изоляционной подложке 3. Электронным лучом 4, мо­ дулированным по интенсивности, электрический заряд сквозь плен­ ку 1 наносят на поверхность слоя 3. В пленке 1 наводится заряд

в слоях 1 и 3 пленка деформируется. Поскольку пленка способна отражать световые лучи, то модулированный рельеф ее поверхности можно преобразовать с помощью щелевой оптики в градации ярко­ сти на экране. Время образования рельефа на металлической пленке составляет меньше 1 мксек, в то время как для масляных и термо­ пластических слоев оно имеет величину порядка сотых долей се­ кунды.

На рис. 1-3 изображена схема устройства [Л. 23], в котором электронный луч 7 используют для'электризации диэлектрического слоя /, внешнего по отношению к объему трубки. В экранную часть трубки вмонтирована вакуумно-плотная пластина 6, прозрачная для электронов с высокой энергией. Обычно такое окно для быстрых электронов изготовляют нз алюминиевой фольги толщиной не­ сколько микрон. Электронный поток ускоряют напряжением около 50 кв. Носитель записи состоит из диэлектрического слоя 1, дефор­ мируемого высокоомного слоя 2, проводящего деформируемого слоя 3 н металлического электрода 4, нанесенного на подложку 5. Для размягчения деформируемых слоев, если это необходимо, можно использовать нагреватель. Электронный луч 7 создает в диэлектри­ ческом слое 1 рельеф электрических зарядов, поле которых образует модулированную плотность электростатических сил на границе раз­ дела слоев 2 и 3. Образованный рельеф на поверхности слоя 3 мо­ жет быть считан щелевой оптикой «а -просвет или на отражение. Если слой 2 изготовлен из термопластического материала, считывание можно осуществить после разделения слоев 2 и 3.

2— 509

Всистемах с размещением деформируемого носителя

ввакуумной камере ускоряющее напряжение электрон ного прожектора обычно составляет 10—15 кв. Увеличе­ ние напряжения приводит к образованию объемного за­ ряда внутри деформируемого слоя, вследствие чего сни­ жается эффективная плотность электростатических сил.

Уменьшение напряжения создает определенные трудно­ сти при фокусировке и управлении лучом. Для повыше­ ния разрешающей способности и чувствительности к току луча применяют способ предварительной равномерной зарядки поверхности деформируемого слоя, а модуля­ цию электрического сигнала осуществляют стиранием части заряда управляемым электронным лучом при зна­ чительно большем ускоряющем напряжении. В местах облучения деформируемого слоя заряд стекает благода­ ря повышению проводимости участка под действием электронного луча большой интенсивности.

Несмотря на необходимость применения непрерывно действующих вакуумных насосов, системы с электрон­ ным лучом нашли практическое применение главным образом в качестве систем отображения информации. Запись электронным лучом на термопластических слоях, отличающуюся от записи на масле более высокой раз­ решающей способностью (около 300 линий/мм), приме­ няют и при регистрации двоичной информации (Л. 27]. Проявлять, воспроизводить и стирать запись с термопла­ стической пленки можно вне вакуумной камеры.

Существенный недостаток электронно-лучевых рельефографнческих систем, работающих в непрерывном ре­ жиме запись — считывание — стирание, состоит в необ­ ходимости смены рабочей поверхности деформируемого слоя, поскольку свойства слоя под действием электрон­ ного луча меняются.

При длительном воздействии электронного луча де­ формируемый слой становится непригодным для записи. В системах с масляным слоем для этой цели медленно вращают подложку, а при термопластической записи перемещают пленку.

Имеются сообщения (Л. 24, 25] о разработке систем записи с жидкими термопластиками, более устойчивыми к воздействию электронного луча. Применение этих тер­ мопластиков позволяет конструировать системы записи без необходимости замены слоя либо с редкой его сме­ ной.

18

Входным сигналом при записи информации электрон­ ным лучом следует считать плотность тока луча. По­ скольку при указанных выше величинах ускоряющего напряжения вторичными электронами можно пренебречь [Л. 28], ток луча пересчитывается в поверхностный за­ ряд, осажденный в деформирующем слое, по формуле

q= it,

где i — ток в луче; t — время воздействия луча на по­ верхность носителя.

Плотность заряда, с которой приходится иметь дело в рельефной записи, лежит в пределах 10_6—10-9 к/см2.

б) Запись потоком электронов или ионов

в воздуш ной среде

Некоторые недостатки методов записи электронным лучом, главным из которых является необходимость по­ мещения всей системы в вакуум, отсутствуют в систе­ мах записи информации ионизационными электродами в воздушной среде. Однако при этом сильно снижается разрешающая способность и ограничивается скорость передачи изображения.

В этом случае в качестве носителя записи обычно применяют тот или иной твердый термопластик, нане­ сенный на проводящий слой, а высоковольтным элек­ тродом служит металлическая игла. Если между иголь­ чатым электродом и проводящим слоем приложить высокое напряжение, достаточное для образования ло­ кального газового разряда таунсендовского типа, то на поверхность термопластика будет нанесен заряд. Пере­ мещая электрод и управляя интенсивностью тока разряда, можно создать определенный электростатический рель­ еф [Л. 29]. Головка, содержащая большое число элек­ тродов, позволяет записывать сигналы параллельно по нескольким каналам (Л. 30]. Примером подобной мно­ гоэлектродной системы может служить металловолокон­ ная шайба ![Л. 31, 32], проводящие элементы которой коммутируют с электродом источника сигнала при помо­ щи электронного луча.

Разновидностью рассматриваемого способа является матричная запись двоичных сигналов [Л. 33]. Матрич­ ный способ применяют при построении устройств памя­ ти или блоков вывода информации из ЭВМ. Он осно-