Модуляция и демодуляция сигналов в оптико-электронных приборах

~

где т - глубина модуляции; n₃ - скорость распространения звука в ячейке. Иными словами, ячейка превращается в периодическую структуру, аналогичную дифракционной решетке. Если на такую ячейку под определенным углом q₁ (углом Брэгга) падает пучок параллельных лучей с длиной волны l, то в результате дифракции он отклонится на угол q₁+q_д»w₁l/2pn₃. При этом будет иметь место лишь первый порядок дифракции. Угол дифракции q_д линейно связан с частотой w₁ управляющего сигнала.

Меняя амплитуду приложенного к ячейке напряжения и частоту w₁, можно управлять глубиной модуляции и углом отклонения выходящих из ячейки лучей. Поместив после ячейки линзу с фокусным расстоянием fў, в ее фокальной плоскости получим линейное смещение сфокусированного пучка

Акустооптические модуляторы используются и как динамические транспаранты (см. ниже § 7).

К настоящему времени создано большое количество модуляторов, основанных и на других физических явлениях (интерференционные и дифракционные модуляторы; модуляторы на основе нарушения оптического контакта, т.е. явления полного внутреннего отражения; модуляторы, в которых используется изменение поглощения в полупроводнике при изменении концентрации свободных носителей; фотохромные и др.). Однако, большинство таких модуляторов практически не вышло из стадии лабораторных или опытных образцов и не нашло широкого промышленного применения.

7. Пространственно-временные модуляторы (динамические транспаранты)

Отдельную группу устройств, предназначенных для изменения параметров проходящих через них оптических сигналов, составляют пространственно-временные модуляторы (ПВМ), в которых осуществляется управление сигналом не только во времени, как в описанных выше устройствах, но и по сечению модулируемого пучка лучей. Такие устройства, называемые также динамическими транспарантами, широко применяются в ОЭП для обработки изображений и графической информации, в оптических вычислительных устройствах и в ряде других. Большинство из них работает с когерентным излучением.

Принцип действия многих ПВМ основан на изменении оптической толщины сравнительно тонких слоев некоторых материалов путем воздействия на них оптического излучения или пучка электронов. При этом воздействии изменяется прозрачность или отражательная способность модулирующего слоя (меняется его фазовый рельеф) как во времени, так и по площади этого слоя. Кроме этого, в некоторых транспарантах можно менять оптические свойства путем изменения управляющего напряжения, прикладываемого к отдельным участкам ПВМ.

Схема оптически управляемого ПВМ представлена на рис. 10,а. Транспарант состоит из прозрачных электродов 1, слоя фотопроводника 2, разделительного слоя 3 в виде диэлектрического зеркала и электрооптического модулирующего слоя 4.

При облучении ПВМ управляющим входным оптическим сигналом s₁ в зависимости от освещенности, создаваемой s₁ на слое фотопроводника 2, происходит перераспределение напряжения, приложенного к прозрачным электродам 1. В результате считывающий оптический сигнал s₂, приходящий с другой стороны на ПВМ через слой электрооптического материала и не воздействующий на его электрооптические свойства, на освещенных участках ПВМ претерпевает амплитудную или фазовую модуляцию. Диэлектрическое зеркало 3 позволяет существенно уменьшить влияние считывающего сигнала s₂ на возбуждение фотопроводящего слоя 2 и одновременно отражает промодулированный сигнал.

Подобного рода модуляторы могут работать не только на отражение, но и на просвет. Стирание информации часто проводится путем равномерного и достаточно интенсивного облучения ПВМ при закороченных электродах.

Рис. 9 Схемы ПВМ:

а - с оптическим управлением; б - с электронным управлением

Обобщенная схема электрически управляемого динамического транспаранта представлена на рис. 10, б. Входящее излучение s₁ поступает на мишень 5, прозрачность которой изменяется путем подачи на нее управляющего сигнала s₂ в виде пучка электронов. Выходящее излучение s₃ оказывается промодулированным по сечению пучка и во времени.

На практике находят применение довольно разнообразные по физическому принципу работы, конструктивным особенностям и областям применения ПВМ. В табл. 1 приведены параметры уже существующих или разрабатываемых за рубежом динамических транспарантов.

В светоклапанном транспаранте изменение рельефа тонкой жидкой диэлектрической пленки осуществляется управляемым электронным пучком, интенсивность которого модулируется в соответствии с подаваемым извне сигналом. Проходящее через пленку коллимированное излучение (лазерное) оказывается модулированным по сечению в соответствии с рельефом пленки. При токе 0,5...4 мкА деформация пленки происходит при температуре около 50°С, и ее амплитуда составляет единицы процента от толщины пленки. Такие транспаранты имеют срок службы в несколько лет.

В термопластиковом фазорельефном устройстве используется деформация тонкого слоя термопластика (5...10 мкм) при воздействии на него управляемого электронного пучка, разогревающего этот слой до 100° С. После разогрева и образования фазового рельефа термопластик должен застыть, поэтому здесь быстродействие, оцениваемое временем одного цикла изменения рельефа, невысоко (0,5...1с). Полоса пропускания пространственных частот, т.е. и пространственное разрешение, здесь гораздо выше, чем в светоклапанном устройстве.

Работа кристаллов DKDP с оптическим или электронным управлением в качестве мишени динамического транспаранта основана на использовании эффекта Поккельса. Структура оптически управляемых транспарантов может быть подобной той, что представлена на рис. 10,а, а электрически управляемых транспарантов - на рис. 10,б. В этих транспарантах кристалл DKDP обычно охлаждается до точки Кюри (» -50°С), что обычно обеспечивается с помощью термоэлектрического холодильника.

Таблица 1 Параметры некоторых динамических транспарантов

Достоинством электрически управляемых транспарантов является возможность использовать излучения различных длин волн и получения на этой основе цветных изображений. Очень перспективны системы, сочетающие электрически управляемые транспаранты с голографическими пространственными фильтрами.

В жидкокристаллическом транспаранте, представляющем собой многослойную пленочную структуру, молекулы жидкокристаллического слоя (толщиной несколько микрометров) ориентированы под углом 45° к оси транспаранта. Падающее («считывающее») излучение должно быть плоскополяризованным. Поворот молекул жидкого кристалла под воздействием приложенного напряжения вызывает поворот плоскости поляризации входящего в транспарант излучения на +45°, а отраженного назад (от диэлектрического отражающего слоя транспаранта) излучения - на -45°. При скрещенных осях поляризации входного и выходного слоев транспаранта излучение на его выходе отсутствует.

При изменении интенсивности пространственно-модулированного излучения («записывающего») меняется напряжение между электродами, что вызывает изменение ориентации молекул жидкокристаллического (модулирующего) слоя и приводит к эллиптической поляризации. Таким образом, выходящее излучение, отраженное от диэлектрического зеркала (считывание), будет модулировано по сечению пучка в соответствии с изменением освещенности в сечении записывающего пучка.

Такие транспаранты обладают хорошим разрешением (Ј70 лин/мм при 50%-ной глубине модуляции).

Жидкокристаллические модуляторы могут работать при достаточно больших (до десятков градусов) углах падения на них слаборасходящихся пучков, что невозможно для большинства других электрооптических устройств.

Модуляторы проходящего излучения на основе нематических жидких кристаллов состоят из пленки жидкого кристалла (ЖК), расположенной между прозрачными электродами, и диафрагмы, роль которой может играть оправа чувствительного слоя приемника. При подаче на ЖК управляющего напряжения степень рассеяния излучения, проходящего через ЖК, изменяется, поэтому поток, прошедший диафрагму, модулируется по амплитуде. При изменении управляющего напряжения в некоторых пределах коэффициент пропускания ЖК меняется достаточно линейно. Размещая ЖК-слой между двумя узкополосными интерференционными фильтрами, можно добиться почти полной непрозрачности рассеивающих участков этого слоя. Применяя высокоомные прозрачные электроды и прикладывая к одному из них постоянное опорное напряжение, создающее вдоль этого электрода определенное, например линейное, распределение напряжения, изменяют положение границы между прозрачной и рассеивающей частями ЖК. Для этого к тому же электроду помимо постоянного опорного напряжения прикладывается переменное модулирующее напряжение. В результате потенциал в отдельных точках указанного электрода относительно второго электрода меняется вдоль слоя ЖК по модулирующему закону. Соответственно изменяется и прозрачность слоя.

Помимо ПВМ с непрерывной (аналоговой) структурой входного зрачка (апертуры) в последнее время появились управляемые цифровые транспаранты, состоящие из дискретных фотоприемников, элементов транзисторного (матричного) управления, общего для всех ячеек ПВМ электрооптического слоя. Такие ПВМ могут обладать большим быстродействием (тактовая частота 1...10 МГц), высоким пространственным разрешением (число ячеек 10³...10⁴) и чувствительностью (10^-13...10^-14 Дж/элемент). Они могут быть построены на базе сегнетоэлектриков, не обладающих гистерезисом и поэтому работающих при температурах выше точки Кюри.

Важным параметром динамических транспарантов является время хранения записи (память). При достаточно большой емкости памяти становится возможным пространственное интегрирование (накопление) изображений, т.е., например, осреднение последовательно получаемых изображений в целях устранения некоррелированного шума и увеличения отношения сигнал-шум (см. §§ 11.5 и 11.6).

Меняя на противоположное состояние поляризации модулирующего слоя оптически управляемого динамического транспаранта, можно осуществить так называемое оптическое вычитание изображения. Например, при изменении знака распределения напряжений на противоположный по площади транспаранта при переходе от одного кадра (изображения) к следующему получается сигнал, отражающий лишь изменения, произошедшие за время такого перехода. Слегка расфокусировав изображение во втором по времени прихода кадре, после вычитания (алгебраического сложения) можно выделить лишь контуры изображения, устранив или заметно ослабив контраст участков с одинаковой или близкой освещённостью. Устранение постоянного фона в изображении очень важно для ряда практических приложений (см. §§ 11.6, 11.10). Однако следует помнить, что в большинстве случаев такие преобразования возможны лишь при работе с когерентным излучением.

Литература

1.Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76 - 82.

2.Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дистлер С. А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335с.

3.Высокоточные угловые измерения / Д. А. Аникст, К. М. Константинович, И. В. Меськин и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: 1987. 480с.

4.Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423с.

5.Данилов Е. П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С.20- 33.

6.Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215с.

7.Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов в 2-х частях. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. -Ч.1-350 с. Ч. 2-258 с.

8.Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1987. 368с.

9.Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излучения. Учебник для вузов. - С.-Пб.: Папирус, 2004. - 240 с.

10.Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416с.

11.Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985. 128с.

12.Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978.400с.

13.Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168с.

14.Ллойд Дж. Системы тепловидения /Пер. с англ.; Под ред. А.И. Горячева, М.: Мир, 1979.416с.

15.Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. 421с.

16.Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 696с.

17.Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 387с.

18.Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Ю.Б.Парвулюсов, С.А.Родионов, В.П.Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

19.Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Радио и связь, 1985. 200с.

20.Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128с.

21.Справочник по инфракрасной технике/Под ред. У.Волфа и Г.Цисиса.В 4 т./Пер. с англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М. Мирошникова. М.:Мир, 1995-1999.

22.Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.

23.Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. - М.: Университетская книга: Логос, 2009. - 248 с.

24.Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; Под общ. ред. Н.В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 644с.

25.Шуба Ю.А. Оптимальные фильтры при спектральной селекции // Оптико-механическая промышленность. 1969. №6. С.59 - 61.

26.Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180с.

27.Davis J. Consideration of atmospheric turbulence in laser system design // Appl. Optics, 1966.V.5, №1.P.139- 147.

28.Fielding K.H., Horner J.L. 1-f binary joint transform correlator // Optical Engineering, 1990. V.29,№ 9. P. 1081 - 1087.

29.Hufnagel R.E., Stanley N.R. Modulation transfer function associated with image transmission through turbulent media//JOSA, 1964. V. 54, №1.P.52-61.

30.Infrared and Electro-Optical System Handbook/ Ed. by J.S.Accetta and D.L.Shumaker. ERIM, Ann Arbor, Bellingham, SPIE Proc, Vol.PM-10, 1993. 3024 p.

31.Kaufman Y.J. Atmospheric effect on spatial resolution of surface imagery: errata // Appl. Optics, 1984. V.23,№ 22, P.4164 - 4172.

32.Kopeika N.S., Kogan I., Israeli R., Dinstein I. Prediction of image quality through the atmosphere: The dependence of atmospheric modulation transfer function on weather // Optical Engineering, 1990. V.29, №2. P. 1427- 1438.

33.McAulay A., Kadar I. Neural networks for adaptive shape tracking // SPIE Proc, V.1099. 1989,P.74-82.

34.McKechnie T.S. Focusing infrared laser beams on targets in space without using adaptive optics//SPIE Proc, V.1408. 1991, P.119 - 134.

35.Norton P.R. Infrared image sensors // Optical Engineering, 1991. V.30, №11. P. 1649-1663.

36.Parenti R.R. Recent advances in adaptive optics methods and technolodgy // SPIE Proc.,V.1000. 1988,P.101 - 109.

37.Patterson T.J., Chabries D.M., Christiansen R.W. Image processing for target detection using data from a staring mosaic infrared sensor geosynchronous orbit // Optical Engineering, 1986. V.25,№1. P.166-172.

38.Rayces J.L. Levich L. Thermal compensation of infrared achromatic objectives with three optical materials // SPIE Proc., V. 1354. 1990, P.752- 759.

39.Sadot D., Kopeika N.S. Forecasting optical turbulence strength on the basis of macroscale meteorology and aerosole: models and validation // Optical Engineering, 1992. V.31,№2.P.200-212.

40.Wight R. A reprise of perfomance prediction methods // SPIE Proc, V.762. 1988, P.171 - 183. Размещено на Allbest.ru