2.2. Характеристика оптичного сигналу.

Оптичним сигналом називають світлову хвилю, що несе певну інформацію стосовно якогось повідомлення. При чому за законом інформаційного сигналу можуть змінюватися в часі та просторі параметри світлової хвилі: амплітуда, частота, фаза та поляризація. Таким чином, оптичний сигнал у загальному випадку є функцією чотирьох змінних: трьох просторових координат  і часу – t.

Світлова хвиля змінюються в часі по гармонійному законі:

де – одиничний вектор, що визначає в просторі напрям, уздовж якого здійснюється коливання електричного поля в точці простору з координатами й характеризує положення площини поляризації в даній точці;  амплітуда коливання напруженості електричного поля в точці ,  частота коливань;  фаза світлової хвилі в точці з координатами .

Зазвичай використовують комплексну форму запису, що є найбільш зручно для виконання математичних операцій і перетворень:

(2.4)

де – радіус–вектор, спрямований в точку x,y,z; –хвильовий вектор.

Величину називають комплексною амплітудою світлової хвилі

. (2.5)

Вона описує просторовий розподіл амплітуд і фаз світлової хвилі і зветься оптичним просторовим сигналом. Часовий множник , що є гармонічною функцією часу, зазвичай опускають. Він може бути введений на будь-якому етапі перетворень.

В оптичних системах зберігання й обробки інформації, як правило, використовують двовимірний оптичний сигнал, що описується розподілом комплексної амплітуди, фази або поляризації світлової хвилі по точці простору, що лежить у площині, перпендикулярній напрямку поширення хвилі. Якщо в цій площині ввести координати , то інформація, що міститься у двовимірному сигналі буде визначатися комплексною амплітудою

і поляризацією . Отже, інформація у світлову хвилю може бути введена шляхом модуляції амплітуди, фази чи поляризації по двох просторових координатах та .

Точковий безінерційний приймач оптичного випромінювання реєструє сигнал, який пропорційний миттєвій класичній інтенсивності випромінювання. Будь-який реальний приймач реєструє усереднені за простором і за часом амплітудні значення оптичного сигналу у вигляді відповідних фотометричних величин (потоку випромінювання, освітленості і таке інше), так як він має площа чуттєвого шару A_пр, постійну часу τ_пр і

характеризується деякою величиною

,

Для фотоелектричних приймачів зі середніми параметрами . Об’єм когерентності теплового випромінювання , а для лазерного випромінювання . Якщо об’єм когерентності оптичного сигналу більше , то фотометричні поняття стають неприйнятними. З цього витікає, що

реальний фотоелектричний приймач оптичного випромінювання, який ми розглядаємо, вимірює достатньо усереднену за простором і за часом інтенсивність некогерентного сигналу і деяку миттєву інтенсивність когерентного сигналу. Тому при реєстрації когерентного випромінювання за допомогою фотоелектричних приймачів, сигнал який ми реєструємо є деякою випадковою величиною, флуктуації якої визвані невстановившимися ефектами інтерференції. Очевидно, що частотний спектр флуктуації сигналу

визначається часом когерентності визначається часом когерентності визначається часом когерентності τ_с зосереджений в області частот .Збільшуючи степінь когерентності оптичного випромінювання, а також параметр функції ,який нас цікавить, розрізняють когерентний і некогерентний, просторовий і часовий оптичний сигнал. Наприклад, - когерентний оптичний сигнал, а вираз - некогерентний оптичний сигнал, який характеризує розподіл інтенсивності просторового сигналу в площині.

Аналогічно можна записати і для часових сигналів, які характеризують повільні зміни амплітуди поля в часі. На відміну від когерентного сигналу, який несе крім того інформацію про фазу хвилі, некогерентний оптичний сигнал такої інформації не несе.

Величину, яку вимірюють в оптичному діапазоні довжин хвиль є середній квадрат абсолютного значення сигналу (на відміну від радіодіапазону, де можна зареєструвати амплітуду сигналу). Причому усереднювання йде як за часом, так і за простором. Тому термін “оптичний сигнал”, який ми часто застосовуємо, слід сприймати як середній квадрат оптичного сигналу чи його інтенсивність.