Оптические процессоры

Аналоговые оптические процессоры (АОП). Алгоритмическую основу АОП составляет тот факт, что волновой фронт излучения, проходя через линейную оптическую систему, подвергается интегральному преобразованию в пространстве координат, или в общем случае:

,

где Φ(x,y) и F(u,v) - функция распределения поля в плоскости входных и выходных апертур.

Рисунок 1

Если система линейна, то согласно принципу Гюйгенса-Френеля поле в любой точке на выходе формирует как результат суперпозиции (интегрирования) элементарных сферических волн, распространяются от каждой точки поверхности входного окна системы. При осевой симметрии для поля в дальней зоне (в фокусе линзы), то есть при z=f (f – фокус линзы):

_{Здесь fx и fy ­ пространственные частоты выходного сигнала, которые при сделанных выше допущениях определяется как:}

и (мкм-1).

Физически эти частоты характеризуют периодичность распределения максимума поля излучения при дифракции на круглом отверстии.

При сделанных предположениях общий результат, даваемый последним уравнением, состоит в том, что изображение на выходе системы F(u,v) есть двумерная функция Фурье – образ функции ее пропускания функция H(u,v,x,y) называется также импульсным откликом. Система представляет собой выходное изображение формируемое точечным входным источником.

С когерентными и с некогерентными полями могут выполнятся одни и те же преобразования. Комбинируя оптические элементы с разными импульсными откликами, можно получить многие уравнения вида интегральных преобразований, в частности, умножение комплексных функций(волновых полей), которое в выходной плоскости эквивалентно свертке

Как известно, преобразования Фурье и свертки являются базовыми операциями, позволяющие реализовать широкий класс линейных интегральных преобразований.

Устройство представленное на рисунке представляет собой АОП. Если обработке подлежит оптический образ, то выходное устройство, то входное устройство состоит из объекта (масштабирование изображения и координатная привязка) и оптически управляемого транспаранта (усиление, преобразование некогерентной волны в когерентную). Лазер обеспечивает равномерную когерентную засветку транспаранта и является здесь вспомогательным элементом.

Если на входе действует электрический сигнал , то они предварительно преобразуются в адекватную оптическую картину одним из двух методов : с помощью электрически управляемого транспаранта или путем непосредственной поэлементной модуляции многоэлементного излучателя (то есть матрица лазеров и светодиодов).

Вычислитель представляет собой набор, комбинацию оптических элементов: разнообразные линзы , пластины, фотографические и голографические фильтры, управляемые транспаранты, реализующих структуры с представляемым импульсным откликом.

В выходном устройстве объектив фокусирует преобразованную волну на фото-пластину или на матрицу фотоприемников, обеспечивая во втором случае электрическую форму выходных сигналов.

АОП основаны на параллельности ввода информаций и практически мгновенной ее обработки. Эти достоинства являются определяющими, когда на вход поступает массивы двумерной информации и их обработки д. проводится в реальном масштабе времени.

АОП присущие им ряд недостатков

1. В отличие от цифровых ЭВМ они не универсальны, то есть пригодны для выполнения лишь ограниченного числа операций.

2. АОП характеризуется низкой точностью, обуславливающими «шумами»: аберрации оптических элементов (детерминированный шум), различие спектров лазерного излучения (стохастический шум) и другие.

3. Большинство используемых в процессоре элементов имеют узкий динамический диапазоны.

4. Высокая потенциальная скорость собственно вычислителя ограничивается возможностями устройства ввода вывода.

Эти недостатки носят принципиальный характер и ограничивают распространение средств аналоговой оптической вычислительной техники.