5.3. Аналоговые оптические процессоры

Функциональная и структурная организации аналоговых оптических процессоров строится на основе функционально-целевого назначения. Когерентный аналоговый оптический процессор, использует методы пространственных преобразований с помощью масок, линз, волноводов и фильтров. Аналоговые оптические процессоры могут выполнять функции оптических корреляторов когерентного и некогерентного типов. Математические операции и задачи, реализуемые оптическим процессором, ограничены. Особенно эффективно использование методов голографии в задачах обработки информации. С помощью голографических устройств реализуют синтез пространственных операционных фильтров и преобразователей изображений.

5.3.1. Акустооптические процессоры и их применение

Акустооптические процессоры корреляционного типа с пространственным и временным интегрированием используют для анализа быстропротекающих процессов. В частности они используются для анализа радиосигналов. Схема работы акустооптического спектроанализатора приведена на рис. 5.3.

Акустооптический спектроанализатор работает следующим образом. Когерентный пучок света 1 подают на пластину 3, в котором возбуждаются акустические волны частотой f₁ пьезоэлектрическим преобразователем 2. Выходящий поl углом Брэгга луч фокусируется линзой Л в фокальной плоскости в точку а.

Рис. 5.3. Схема работы акустооптического спектрального

анализатора

Если частота акустической волны изменится на f₂, то выходящий луч сфокусируется в точку б. Таким образом, если на пьезоэлектрический преобразователь подавать радиосигнал с изменяющейся или модулированной частотой, то в фокальной плоскости будет формироваться спектр сигнала. Обычно в фокальной плоскости размещают линейку фотодиодов или фотокамеру, позволяющую воспроизводить спектр сигнала в удобном для восприятия и анализа виде.

Применяют также акустооптические анализаторы спектра с пространственным и временным интегрированием. Более сложные акустооптические процессоры используют для обработки сигналов фазированных антенных решеток, используемых в радиолокации.

Если в пластине 3 (рис.5.3) возбуждать колебания одной частоты и подавать на неё белый свет, то в фокальной плоскости линзы получим равномерный спектр. Пропустив предварительно свет через кювету с жидкостью, мы получим спектры поглощения присутствующих в ней веществ. Таким образом, акустооптические анализаторы можно успешно применять для спектрального анализа.

5.3.2. Оптический процессор двумерного преобразования Фурье

Аналогично предыдущему случаю (рис.5.3) строится оптический процессор для двумерного преобразования Фурье.

Для этого используют монохроматический луч и прозрачный транспарант со штриховым изображением.

Плоский фронт когерентного пучка света, прошедший через транспарант (рис. 5.4), в линзе Л1 преобразуется в сферический, а пучок (луч) преобразуется в пространственный спектр в фокальной плоскости линзы. Лучи, направленные под углом к оси линзы фокусируются в фокальной плоскости со смещением. Таким образом, угловое распределение спектра за линзой преобразуется в пространственное распределение в фокальной плоскости. В фокальной плоскости линзы мы получим преобразование Фурье:

F{G(x,y)}=g(φ,ξ)=∫∫ G(x,y) exp[-j(px+qy)]dxdy , (5.11)

где постоянные иравны

Рис. 5.4. Прямое и обратное преобразование Фурье от

изображения

–пространственное распределение света на транспаранте, – фокусное расстояние линзы ; интегрирование ведется по площади транспаранта.

Восстановить изображение, можно используя обратное преобразование Фурье с помощью линзы Л2:

F{g(φ,ξ)}= G′(x,y)=(1/2π)∫∫ g(φ,ξ) exp[j(px+qy)]dpdq , (5.12)

где G′(x,y) пространственное распределение света на экране, интегрирование ведется по угловому распределению g(φ,ξ) в фокальной плоскости линзы Л1.

Преобразование Фурье можно фильтровать масками. Диафрагменное отверстие обрезает высшие гармоники и смягчает резкие границы изображения. Маска, закрывающая центр фокуса делает резче границы и дает контрастное изображение.

В заключение необходимо отметить, что современные вычислительные машины находятся на пределе быстродействия, требуются и создаются вычислительные машины с параллельной обработкой информации. Оптические процессоры позволяют производить операции с двумерными массивами и изображениями. Кроме того они, в отличии от электрических цепей, не имеют ограничений по быстродействию, обусловленных индуктивностью и емкостью.

В настоящее время появилось новое направление электроники, функциональная электроника. Её использование связано с тем, что обработка быстропротекающих процессов в радиотехнике оказалась эффективной при одновременном использовании полей разной физической природы. Примером является акустооптический спектроанализатор, позволяющий обрабатывать радиосигналы с частотой до 1 ГГц.