Optoelektronika_FULL_cropped
.pdf
Рис. 16.2. Графики функции
видности человеческого глаза для дневного (1) и ночного (2)
зрения
Vλ |
|
|
|
|
0,8 |
2 |
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
0 |
440 |
520 |
600 |
680 λ , нм |
360 |
Способность глаза воспринимать цвет обусловлена тем, что сетчат- ка глаза имеет три разновидности рецепторов, отличающихся составом светочувствительного вещества Многоцветность восприятия определя- ется комбинацией откликов этих трех рецепторов на излучение трех ос- новных цветов: λR = 700 нм (красный), λG = 564,1 нм (зеленый) и
λB = 435,8 нм (синий). Произвольный цветовой оттенок получается пу-
тем смешения этих цветов в определенной энергетической пропорции. Для надежного считывания информации необходимо, чтобы яр-
кость источника, содержащего информацию, превышала яркость фона
на некоторую величину B . Минимальное значение отношения |
B B |
|||
kth = |
Bmin |
, |
(16.2) |
|
B |
||||
|
|
|
||
при котором источник еще различим глазом на данном фоне, называется пороговым контрастом. Для удобства работы необходимо, чтобы контраст изображения превосходил kth не менее, чем в 10 раз.
Все виды индикаторов можно отнести к одной из двух групп: рабо-
та одних основана на преобразовании электрической энергии в световую (активные индикаторы), для функционирования других необходима внешняя подсветка (пассивные индикаторы).
Физические механизмы, лежащие в основе работы индикаторов различных типов, весьма разнообразны, так же как перечень рабочих веществ для индикаторов. В настоящее время в оптоэлектронных систе- мах отображения информации используются вакуумные и газоразряд- ные индикаторы, индикаторы на основе жидких кристаллов, индикаторы на основе инжекционной и предпробойной люминесценции и др.
Лекция 17. ОПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
Процессор на основе оптически управляемого транспаранта.
Привлечение оптических методов позволяет радикально повысить ско- рость обработки информации. В основе такого качественного скачка ле- жит переход к электромагнитным колебаниям очень малой длины вол- ны, что позволяет модулировать сигнал не только во времени, но и в пространстве, а также резко расширить полосу частот модуляции. Опти- ческие методы позволяют оперировать с информацией как в цифровой, так и в аналоговой форме.
Уже рассмотренный нами оптически управляемый транспарант по- зволяет осуществлять целый набор информационных операций по па- раллельной обработке оптических изображений. Одна из возможных схем оптического процессора показана на рис. 17.1.
2 |
3 |
3 |
P |
4 |
|
A |
Pc |
|
|
|
|
5 |
|
1 |
|
|
|
|
Pout |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
U |
P |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Pin |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
Рис. 17.1. Схема оптического процессора на основе оптически управляемого транспаранта:
1 – источники излучения; 2 – линзы; 3 – транспарант; 4 – оптически управляемый транспарант; 5 – полупрозрачная пластинка; P – поляриза- тор; A – анализатор
Основу процессора составляет оптически управляемый транспарант 4, работающий на отражение и обладающий эффектом памяти. В схему считывания процессора входят скрещенные поляризатор и анализатор, так что при отсутствии оптического управляющего сигнала Pc интен-
сивность света на выходе процессора также равна нулю. За счет измене- ния напряжения U транспарант 4 должен позволять преобразовывать по- зитивное изображение в негативное.
Рассмотрим операции, которые позволяет осуществлять такого рода оптический процессор. На транспарант 4 можно записать один за другим два изображения, задаваемые последовательно транспарантом 3. При
наличии памяти у транспаранта 4, картина на нем будет представлять собой сумму двух исходных изображений. Сама операция подобного рода называется операцией сложения картин.
Операцию умножения картин можно осуществить, если вместо од- ного транспаранта 3 поместить одновременно два транспаранта. Резуль-
тирующее изображение будет представлять собой произведение двух исходных оптических картин.
Если одно изображение на транспаранте 3 записать на транспарант 4 при напряжении U, а следующее – при напряжении, соответствующем преобразованию картины в негативную, то реализуется вычитание двух картин.
Пространственное дифференцирование изображений можно осуще- ствить следующим образом. На управляемый транспарант 4 записывает- ся исходное изображение, задаваемое на транспаранте 3. Затем из него вычитается несколько сдвинутое (или расфокусированное) изображение того же транспаранта. При этом проявятся места, соответствующие наи- большему градиенту интенсивности в исходном изображении.
Операции над изображениями можно производить и с помощью рассмотренного нами ранее оптически управляемого транспаранта, ра- ботающего на просвет (рис. 14.8).
С его помощью возможно, например, изменение спектрального со- става света, содержащего исходную картину: картина в цвете Pc стано-
вится картиной в цвете Pin .
Некогерентный управляющий поток Pc может быть преобразован в
когерентный поток на выходе транспаранта, если в качестве источника излучения, создающего поток Pin , используется лазер.
Достаточно просто осуществляется усиление изображения, так как мощность пучка Pin , а соответственно и пучка Pout , может значительно
превышать мощность управляющего пучка Pc .
Изображение, создаваемое пучком Pc , может быть преобразовано в негативное, если ось анализатора повернуть на угол π
2 .
Рассмотренные выше операции над картинами могут служить осно- вой для более сложных операций над изображениями, сводящихся к комбинации определенных операций в заданной последовательности.
Элементы теории преобразования оптических сигналов. Из-
вестно, что при помещении транспаранта с записью какой-либо функции f (x, y) в передней фокальной плоскости линзы и освещении его коге-
рентным излучением, в задней фокальной плоскости линзы получается пространственный спектр этой функции (ее преобразование Фурье) (рис. 17.2 а). В отличие от одномерных временных образов радиосигна-
лов, пространственный Фурье-образ оптического изображения является двухмерным.
Прямое преобразование Фурье функции двух переменных f (x, y) (двухмерное преобразование Фурье) имеет вид
∞ |
∞ |
|
|
G(ωx , ωy )= ò |
ò f (x, y) e |
−iωx x−iωy y dxdy , |
(17.1) |
−∞ −∞
где G(ωx , ωy ) – спектральная плотность, зависящая от двух пространст- венных частот ωx и ωy . Зная спектральную плотность G(ωx , ωy ), мож- но найти исходную функцию f (x, y), применяя обратное преобразова- ние Фурье:
|
|
|
|
|
1 |
|
∞ |
∞ |
|
|
|
f (x, y) = |
|
ò òG(ω |
|||
|
|
|
4π |
2 |
||||
|
|
|
|
|
|
−∞ −∞ |
||
(x, y) |
а |
(ωx , ωy ) |
(x, |
|||||
|
||||||||
1 |
|
|
2 |
3 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||
F 
F
x, ωy ) eiωx x+iωy y dωx dωy . |
(17.2) |
||||
y) |
(ωx , ωy ) |
б |
(x , y ) |
|
|
|
|
||||
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
F1 
F1 
F2 
F2
Рис. 17.2. Схема пространственного преобразования Фурье (а) и пространственной фильтрации сигнала (б) в когерентной оптиче- ской системе:
1 – транспарант; 2 – линза; 3 – задняя фокальная плоскость линзы 2; 4 – про- странственный (частотный) фильтр; 5 – линза; 6 – задняя фокальная плоскость линзы 5
Предположим, что в задней фокальной плоскости линзы 2 установ-
лен оптический пространственный фильтр с частотной характеристикой A(ωx , ωy ). Тогда спектр оптического сигнала на выходе этого фильтра
S(ωx , ωy ) будет иметь следующий вид:
S(ωx , ωy )= G(ωx , ωy )A(ωx , ωy ) . |
(17.3) |
Предположим теперь, что задняя фокальная плоскость линзы 2 со- вмещена с передней фокальной плоскостью дополнительной линзы 5 (рис. 17.2 б). Тогда линза 5 будет выполнять обратное преобразование Фурье функции S(ωx , ωy ). Другими словами, в задней фокальной плос-
кости линзы 5 оптический сигнал из частотного представления снова
преобразуется к пространственному представлению. В этом случае на основании фрмулы (17.2) для пространственного распределения ампли-
туды светового потока на выходе оптической системы будем иметь
|
1 |
|
∞ |
∞ |
f (x , y ) = |
|
ò |
òG(ωx, ωy )A(ωx , ωy ) eiωx x+iωy y dωx dωy . (17.4) |
|
4π |
2 |
|||
|
|
−∞ −∞ |
||
Таким образом, воздействуя на пространственные частоты при по- мощи диафрагм или других элементов, размещенных в фокальной плос- кости линзы 5, можно ослабить или полностью устранить те или иные гармоники этого пространственно-частотного спектра, т. е. целенаправ- ленно преобразовать спектр пространственных частот оптического сиг- нала. В этом состоит сущность метода оптической пространственной фильтрации – одного из основных методов обработки оптических сиг- налов. Особенно широкие возможности открываются при использова- нии в качестве пространственных фильтров оптических голограмм.
Когерентный оптический процессор: принцип распознавания образов. Проиллюстрируем возможности оптической обработки инфор- мации с использованием когерентных световых пучков на примере про- цессора с пространственной фильтрацией сигнала (рис. 17.3).
2
3 |
Pr 4 |
2 |
5 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
1
2
F |
F |
|
F |
F |
|
Рис. 17.3. Схема когерентной оптической системы распозна- вания образов:
1 – источник излучения; 2 – линзы; 3 – входная плоскость; 4 – частотная плоскость; 5 – выходная плоскость
На входную плоскость 3 направляется параллельный пучок коге- рентного излучения, коллимированного от точечного источника 1. Две собирающие сферические линзы располагаются на расстояниях F и 3F (F – фокусное расстояние линзы) от входной плоскости. Если во вход- ную плоскость поместить оптический транспарант, содержащий какую- либо картину Pin , то в выходной плоскости 5 сформируется ее перевер-
нутое изображение. Плоскость 4 называется частотной плоскостью, в ней формируется оптическое поле, распределение амплитуды и фазы ко- торого соответствует пространственно-частотному спектру картины, на-
ходящейся во входной плоскости 3. Иначе говоря, первой из двух линз будет выполнено преобразование Фурье функции Pin . Поэтому любой
транспарант, помещенный в плоскость 4, будет играть роль фильтра пространственных частот. Например, экран с прямоугольным отверсти- ем является двухмерным фильтром нижних частот, непрозрачный пря- моугольник – пространственным фильтром верхних частот. Применяя в данной схеме управляемый транспарант, в принципе можно осуществ- лять пространственную фильтрацию, изменяющуюся во времени.
Введение в частотную плоскость голограммы среди прочих задач позволяет решить задачу распознавания образов.
Предположим, что на некоторой странице текста необходимо опо- знать и определить пространственные координаты какого-либо знака. Для получения согласованного с этим знаком фильтра, во входной плос- кости 3 помещается оптический транспарант с изображением знака. В частотной плоскости 4 формируется световая волна, соответствующая его пространственному спектру. Если с помощью светоделителей (на- пример, полупрозрачных пластинок) и зеркал на плоскость 4 направить опорную волну Pr , когерентную с волной, освещающей входную плос-
кость 3, то в частотной плоскости 4 сформируется интерференционная картина, представляющая собой голограмму Фурье-образа данного зна- ка. Описанная схема получения пространственного фильтра известна как схема Ван дер Люгта. Эта голограмма, зафиксированная на некотором материальном носителе, представляет собой согласованный фильтр для пространственных частот данного знака.
Далее, фильтр-голограмму оставляют в плоскости 4, убирают опор- ную волну, а во входную плоскость 3 помещают страницу с текстом и освещают ее тем же источником света. При освещении голограммы вос- станавливаемым изображением теперь будет изображение точечного ис- точника света, так как роль опорного пучка в этом случае играет излуче- ние, прошедшее через входную плоскость 3. Поэтому в выходной плос- кости 5 в местах, где было изображение заданного знака, появляется изображение точечного источника света.
Описанным методом можно опознать сколь угодно сложные карти- ны, а используя реверсивную среду для записи голограмм, можно вести обработку целого массива данных в реальном масштабе времени.
ЛИТЕРАТУРА
1.Карих Е.Д. Оптоэлектроника. – Мн.: БГУ, 2000. – 263 с.
2.Фотоника: Пер. с англ. и фр./ Под ред. М. Балкански и П. Лалемана. − М.: Мир, 1978. − 416 с.
3.Верещагин И. К., Косяченко Л. А., Кокин С. М. Введение в оптоэлектронику. −
М.: Высш. шк., 1991. − 191 с.
4.Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. − М.: Радио и связь, 1989. − 360 с.
5.Основы оптоэлектроники: Пер. с япон./ Я. Суэмацу, С. Катаока, К. Кисино и др. −
М.: Мир, 1988. − 288 с.
6.Волноводная оптоэлектроника: Пер. с англ. / Под ред. Т. Тамира. − М.: Мир, 1991. − 575 с.
7.Осинский В. И. Интегральная оптоэлектроника. − Мн.: Наука и техника, 1977. − 248 с.
8.Хансперджер Р. Интегральная оптика. – М.: Мир, 1985. – 384 с.
9.Акаев А. А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. – М.:
Высш. шк., 1988. – 237 с.
10.Мартынов В. Н., Кольцов Г.И. Полупроводниковая оптоэлектроника. – М.:
МИСиС, 1999. – 400 с.