Преобразователь изображения

 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может найти широкое применение для создания преобразователей изображения, работающих в реальном масштабе времени, и оптических процессоров, осуществляющих логические операции. Сущность изобретения заключается в осуществлении бистабильного режима работы преобразователя изображения за счет формирования оптической обратной связи по считывающему свету в режиме "на отражение". Эффект оптически управляемой памяти достигается благодаря введению в устройство диэлектрического анализатора, расположенного между высокоомным фотополупроводником и диэлектрическим зеркалом, при этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего фотоактивную для фотополупроводника составляющую считывающего света. Наличие оптической положительной обратной связи обеспечивает повышенную чувствительность к записывающему свету. 1 ил.

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти широкое применение для создания преобразователей изображения, работающих в реальном масштабе времени, и оптических процессоров, осуществляющих логические операции.

Известен преобразователь изображения (ПИ) с оптической обратной связью (ОС), реализующий бистабильный режим работы [1]. Такой ПИ выполнен на основе биактивной многослойной структуры, состоящей из фоторегистрирующей и модулирующей свет частей. Бистабильный режим работы осуществляется за счет образования оптической ОС посредством системы зеркал и объективов преобразованного электрооптическим кристаллом (ЭОК) изображения с исходным изображением, проецируемым на входную плоскость фоторегистрирующей части. При этом считывающий свет, так же как и записывающий, является фотоактивным для фоточувствительной структуры ПИ, а преобразованное изображение в оптической ОС должно в точности проецироваться на исходное фоторегистрируемое изображение.

Основным недостатком такого устройства является низкая разрешающая способность, обусловленная, с одной стороны, аберрацией оптических элементов, образующих оптическую ОС, и, с другой стороны, невозможностью прецизионной передачи с масштабом 1:1 преобразованного изображения по цепи оптической ОС и юстировки проецирования преобразованного изображения с исходным во входной плоскости ПИ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является преобразователь изображения [2], содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, многослойную структуру, состоящую из входного прозрачного электропроводящего слоя, диэлектрического слоя, высокоомного фотополупроводника (ФП), диэлектрического зеркала, электрооптического кристалла и выходного электропроводящего слоя, и светоделительный поляризатор.

Преобразователь изображения работает в режиме "на отражение" считывающего света, распространяемого со стороны ЭОК. Считывающий свет проходит через светоделительный поляризатор, где поляризуется, и попадает на слой ЭОК, пространственная текстура которого сформирована на основе ориентационного или гибридного электрооптических эффектов. Вследствие пространственной модуляции фотопроводимости в объеме ФП при проецировании записывающего света приложенное к электропроводящим слоям и сконцентрированное, в основном, на слое высокоомного ФП внешнее напряжение перераспределяется на слой ЭОК. При достижении пороговых значений напряжений в слое ЭОК на участках, соответствующих освещенным участкам ФП, происходит разрушение текстурированной толщи ЭОК. Плоскополяризованный считывающий свет, просвечивающий слой ЭОК на участках текстурированных разрушений, изменяет фазу поляризации, которая посредством светоделительного поляризатора преобразуется в модуляцию по интенсивности. Поскольку считывающий свет отражается от диэлектрического зеркала, то его спектр может включать и фотоактивную для фотополупроводника засветку, не влияющую на фоторегистрацию исходного изображения.

Основными недостатками этого ПИ являются, во-первых, отсутствие оптически управляемой памяти, и, во-вторых, взаимозависимость времени экспонирования записывающего света от нестационарности кинетики фотоотклика в ФП и релаксации электрооптического отклика в ЭОК. Вследствие этого на режимы работы ПИ накладывается ряд ограничений как по питанию, так и по экспозиции записывающего света.

Технической задачей изобретения является оптическое управление временем хранения преобразуемого изображения, не зависящее от времени экспонирования записывающего света, увеличение пороговой чувствительности, а также упрощение конструкции устройства.

Это достигается за счет формирования оптической ОС по считывающему свету и бистабильного режима работы благодаря введению в ПИ [2], содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, многослойную структуру, содержащую входной прозрачный электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный ФП, диэлектрическое зеркало, ЭОК и выходной прозрачный электропроводящий слой, и светоделительный поляризатор, диэлектрического анализатора между высокоомным ФП и диэлектрическим зеркалом. При этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего в ФП часть считывающего света, фотоактивного для высокоомного ФП.

Преобразователь изображения с оптической ОС по считывающему свету представлен на фиг.1 и содержит: 1 - объектив, 2 и 9 - соответственно, входной и выходной прозрачные электропроводящие слои, 3 - диэлектрический слой, 4 - высокоомный фотополупроводник (ФП), 5 - область пространственного заряда (ОПЗ), 6 - диэлектрический анализатор, 7 - диэлектрическое зеркало, 8 - электрооптический кристалл (ЭОК), 10 - светоделительный поляризатор.

Преобразователь изображения работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии записывающего света E(x,y,Δλ)=0 - напряжение U_пит, приложенное к электропроводящим слоям 2 и 9, делится на высокоомном ФП 4 и ЭОК 8 обратно пропорционально их емкостям. Значительная часть напряжения сосредоточена на диэлектрическом слое 3, на границе раздела диэлектрик-фотополупроводник, частично в объеме ФП и на диэлектрических слоях 6 анализатора и 7 зеркала. Напряжение на ЭОК 8 меньше порогового напряжения, и он "выключен", т.е. его текстура по толщине оптически активна для просвечивающего считывающего света. При использовании в качестве ЭОК нематического жидкого кристалла оптическая активность может осуществляться за счет ориентационных S-, B- эффектов, а также гибридных и других электрооптических эффектов. При этом на выходе поляризатора 10 и диэлектрического анализатора 6 со стороны ФП считывающий свет отсутствует, соответственно I(dλ)≈0 и i(δλ)≈0, либо его интенсивность минимальна и равномерна по кадровому окну.

При наличии фотоактивного для ФП записывающего света E(x,y,Δλ), падающего со стороны диэлектрика 3 при приложении к электропроводящим слоям 2 и 9 напряжения питания U_пит, происходит фоторегистрация изображения. Объектив 1 проецирует записывающий свет (изображение), промодулированный в пространстве, на ФП 4. Концентрация фотогенерированных зарядов в соответствующих участках 5 ФП 4 пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности E(Δλ) записывающего света в каждой точке (x,y) кадрового окна и сосредоточена у границы раздела диэлектрический 3 слой - высокоомный ФП 4. Фотогенерированные в ФП заряды перераспределяют падение напряжения с участков 5 ОПЗ на соответствующие участки 8 ЭОК. По достижении напряжения выше порогового пространственная текстура ЭОК на этих участках перестраивается.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим светом I₀(dλ) широкого спектра. Считывающий свет I₀(dλ) проходит через светоделительный поляризатор 10 (в качестве которого может быть использована поляризационная призма Глана), где он поляризуется, выходной прозрачный электропроводящий слой. 9, оптически активный слой 8 ЭОК, и попадает на диэлектрическое зеркало 7, которое выполнено в виде интерференционного светофильтра. Большая часть I₀(dλ) записывающего света отражается от диэлектрического зеркала 7 и распространяется в обратном направлении. При этом падающий на диэлектрическое зеркало 7 и отраженный от него считывающий свет испытывает двойное воздействие оптической активности ЭОК 8. На выходе каждого участка многослойной структуры считывающий свет промодулирован по фазе в соответствии с распределением падений напряжений в слое 8 ЭОК по участкам, соответствующим распределению концентрации фотогенерированных носителей заряда в ФП 4. Модуляция считывающего света по фазе с помощью светоделительного поляризатора 10 преобразуется в модуляцию по интенсивности I(x,y,dλ).

Бистабильный режим работы ПИ с оптической ОС по считывающему свету осуществляется следующим образом. В отсутствие записывающего света E(x,y, Δλ)= 0 и при наличии фотоактивной для ФП 4 засветки δλ≠0 в спектре считывающего света I₀(dλ) ПИ находится в ждущем режиме. При этом ЭОК 8 "выключен". Считывающий свет I₀(dλ) проходит через поляризатор 10, где он поляризуется, выходной электропроводящий слой 9, оптически активный слои 8 ЭОК и попадает на интерференционное диэлектрическое зеркало 7, которое пропускает фотоактивную для ФП 4 засветку δλ. Вследствие оптической активности ЭОК 8 и определенной ориентации плоскости поляризации анализатора 6 относительно светоделительного поляризатора 10 на выходе анализатора 6 (со стороны ФП 4) часть считывающего света i(δλ)≈0 отсутствует, либо его интенсивность, равномерно распределенная по кадровому окну, минимальна и соответствует предпороговому состоянию ЭОК.

При наличии записывающего света E(x,y,Δλ)≠0 напряжение, перераспределяемое с ФП на ЭОК, включает участки, соответствующие освещенным участкам 5 ФП со стороны диэлектрика 3. При этом модуляция считывающего света по фазе с помощью диэлектрического анализатора 6 преобразуется в модуляцию по интенсивности i(x,y,δλ), и фотоактивный свет δλ, промодулированный в пространстве ЭОК 8, попадает со стороны ЭОК на ФП 4, вызывая в нем дополнительную фотогенерацию зарядов. Их концентрация в соответствующих участках 5 ОПЗ со стороны ЭОК пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности фотоактивной части записывающего света i(x,y,δλ) в каждой точке кадрового окна и сосредоточена у границы раздела фотополупроводник - слой 6 диэлектрического анализатора. Фотогенерированные добавочным светом i(x,y,δλ) заряды в ФП дополнительно перераспределяют падение напряжения с ОПЗ на соответствующие участки ЭОК, осуществляя, таким образом, оптическую ОС. При окончании времени экспонирования записывающего света, т.е. при E(x,y,Δλ)=0, и при наличии фотоактивной составляющей записывающего света i(x,y,δλ)≠0 ПИ переходит в бистабильное состояние. При этом соответствующие участки ЭОК остаются "включенными", поскольку необходимое напряжение, перераспределенное со слоя ФП на слой ЭОК, поддерживается управляющим пространственно промодулированным светом i(x,y,δλ). Время хранения преобразованного изображения определяется временем непрерывного действия фотоактивной составляющей записывающего света или напряжения питания U_num≠0. При выключении записывающего света i(x, y, δλ)= 0 или напряжения питания U_пит=0 на время, превышающее время релаксации ЭОК, преобразователь изображения возвращается в исходное состояние - в режим ожидания.

При малой интенсивности записывающего света, соответствующей пороговой чувствительности ПИ, оптическая положительная ОС усиливает фотоотклик ФП, при этом изменяется и плотность оптического пропускания ЭОК 8. При изменении интенсивности I₀(d λ) записывающего света или его спектрального состава будет изменяться и тональность преобразованного изображения.

Существенными отличительными признаками заявленного устройства являются: формирование оптической ОС по считывающему свету при работе ПИ "на отражение" и бистабильного режима работы благодаря введению между ФП и диэлектрическим зеркалом диэлектрического анализатора. При этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего фотоактивный для высокоомного ФП свет и отражающий оставшуюся часть видимого света.

Данные отличительные признаки являются новыми, поскольку не использовались в известных преобразователях изображения.

Преимущество заявляемого ПИ по сравнению с прототипом заключается в следующем: во-первых, достигается оптическое управление временем хранения преобразованного изображения (оптически управляемая память), во-вторых, время хранения не зависит ни от времени экспонирования записывающего света, ни от кинетико-релаксационных процессов, происходящих в многослойной структуре ПИ, в-третьих, наличие фотоактивной составляющей в спектре считывающего света повышает пороговую чувствительность ПИ, поскольку осуществляется положительная ОС, в-четвертых, интенсивность и спектральный состав фотоактивной составляющей в спектре считывающего света позволяет эффективно воздействовать на диапазон передаваемых оптических плотностей.

Кроме того, достоинствами заявляемого ПИ являются: во-первых, его упрощенная конструкция, поскольку управляющим оптическим сигналом служит непосредственно считывающий свет, имеющий в своем составе фотоактивную для ФП составляющую, во-вторых, автоматическое совмещение проецируемых на ФП записывающего E(x,y,Δλ) света и фотоактивной составляющей i(x,y,δλ;) считывающего света, и, следовательно, высокая разрешающая способность, ограниченная собственной разрешающей способностью ПИ, в-третьих, отсутствует необходимость в прецизионной передаче с масштабом 1:1 преобразованного изображения по оптической ОС, в-четвертых, отсутствие аберраций, поскольку отсутствуют оптические элементы, образующие оптическую ОС по преобразованному изображению.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ: 1. Collins S.A., Wasmundt K.G. Optical Feedback and Bistability: a Review//Opt.Eng. - 1980. V. 19, N4. (Аналог).

2. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь, 1987. (Прототип).

Формула изобретения

Преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, многослойную структуру, содержащую входной прозрачный электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный фотополупроводник, диэлектрическое зеркало, электрооптический кристалл, выходной прозрачный электропроводящий слой, светоделительный поляризатор, отличающийся тем, что введен диэлектрический анализатор между высокоомным фотополупроводником и диэлектрическим зеркалом, при этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего часть считывающего света, фотоактивного для высокоомного фотополупроводника.

РИСУНКИ

Рисунок 1