ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти применение для создания оптических процессоров, осуществляющих логические операции.

Известен преобразователь изображения (ПИ), схемная бистабильность которого реализована с помощью оптической обратной связи [1]. Такой ПИ выполнен на основе фоточувствительной регистрирующей структуры и модулирующего свет электрооптического (жидкого) кристалла. Его принцип действия основан на том, что модулируемый электрооптическим кристаллом (ЭОК) считывающий свет (преобразуемое изображение) оптически связан посредством системы зеркал и объективов с входной плоскостью фоторегистрирующей структуры. При этом считывающий свет, так же как и записывающий, является фотоактивным для фоточувствительной структуры ПИ. Более того, преобразуемое изображение в оптической обратной связи (ОС) не должно изменяться в размерах и проецироваться в точности на исходное фоторегистрируемое изображение.

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

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

В этом устройстве преобразование изображения осуществляется фотогенерацией носителей зарядов в слое высокоомного ФП активным для него светом, прошедшим через входной электропроводящий и диэлектрический слои, и модуляцией ЭОК считывающего света, при приложении к входному и выходному электропроводящим слоям внешнего напряжения от источника питания. Преобразуемое изображение хранится в виде зарядового рельефа на границе фотополупроводник - диэлектрик и частично в объеме ФП. Пространственное распределение и локальные концентрации фотогенерированных зарядов определяются пространственной модуляцией записывающего света (пространственным распределением яркостных градаций фотографируемого объекта). Вследствие пространственной модуляции фотопроводимости в объеме ФП 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 частичное или даже полное разрушение его текстурированной толщи. Плоскополяризованный считывающий свет, просвечивающий слой ЭОК на участках текстурированных разрушений, изменяет фазу поляризации. Модуляция считывающего света по фазе с помощью анализатора преобразуется в модуляцию по интенсивности, и регистрируемое и преобразуемое изображение передается в дальнейшие каналы его обработки.

Основными недостатками этого устройства являются, во-первых, отсутствие оптически управляемой памяти, и, во-вторых, время хранения преобразованного изображения зависит как от времени экспонирования записывающего света, так и от нестационарности кинетики фотоотклика в ФП и релаксации электрооптического отклика в ЭОК. При этом кинетико-релаксационные процессы взаимозависимы как от световой экспозиции, так и от экспозиции питающего напряжения. Вследствие этого на режимы работы ПИ накладывается ряд ограничений как по питанию ПИ, так и по экспозиции записывающего света.

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

Это достигается за счет формирования оптической ОС и бистабильного режима работы благодаря введению в ПИ [2], содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительный поляризатор, многослойную структуру, содержащую входной прозрачный электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный ФП, ЭОК, выходной прозрачный электропроводящий слой, первый анализатор и светофильтр, между высокоомным ФП и ЭОК второго анализатора и управляющего фотоактивного света, направленного в многослойную структуру со стороны первого анализатора. При этом первый анализатор выполнен в виде светоделительного поляризующего элемента, плоскость поляризации которого параллельна плоскостям поляризации светоделительного поляризатора и второго анализатора. Модуляция управляющего света, распространяемого на ФП со стороны ЭОК, также увеличивает пороговую чувствительность благодаря эффективному уменьшению потенциального барьера на границе раздела фотополупроводник - второй анализатор, при этом в ПИ дополнительно введены фокусирующая и коллимирующая линзы, а также оптический модулятор с диафрагмой, которая модулирует поток управляющего света в совмещенной фокальной плоскости обеих линз.

Преобразователь изображения с оптической ОС представлен на фиг.1 и 2 и содержит: 1 - объектив, 2 - светоделительный поляризатор, 3 и 9 - соответственно входной и выходной прозрачные электропроводящие слои, 4 - диэлектрический слой, 5 - высокоомный фотополупроводник (ФП), 6 - область пространственного заряда (ОПЗ), 7 - второй анализатор, 8 - электрооптический кристалл (ЭОК), 10 - первый (светоделительный) анализатор, 11 - светофильтр, 12 и 13 - соответственно фокусирующую и коллимирующую линзы, 14 - оптический модулятор с диафрагмой обтюраторного типа.

Преобразователь изображения работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии записывающего света E(x,y,Δλ) = 0 от объекта напряжение U_пит, приложенное к электропроводящим слоям 3 и 9, делится на высокоомном ФП 5 и ЭОК 8 обратно пропорционально их емкостям. Значительная часть напряжения сосредоточена на диэлектрическом слое 4, на границе раздела диэлектрик-фотополупроводник, частично в объеме ФП и на электрически пассивном слое 7 второго анализатора. Напряжение на ЭОК 8 меньше порогового напряжения, и он "выключен", т. е. его текстура по толщине оптически активна для проходящего света. При использовании в качестве ЭОК нематического жидкого кристалла с твистированной на 90^o или супертвистированной на 270^o закруткой молекул в спираль на выходе первого анализатора 10 считывающий свет отсутствует I(λ) ≈ 0 либо его интенсивность минимальна и равномерна по кадровому окну. Светофильтр 11 отсекает оставшуюся часть не поглощенного многослойной структурой прямого записывающего Δλ света и пропускает считывающий λ свет.

При наличии фотоактивного для высокоомного ФП 5 записывающего света E(x, y, Δλ) ≠ 0 падающего со стороны слоя диэлектрика 4 при приложении к электропроводящим слоям 3 и 9 напряжения U_пит питания, происходит регистрация изображения. Объектив 1 проецирует записывающий свет E(x,y,Δλ) (изображение), промодулированный в пространстве, через светоделительный поляризатор 2 на ФП 5, где происходит генерация носителей заряда. Их концентрация в соответствующих участках 6 ОПЗ фотополупроводника 5 пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности записывающего света в каждой точке кадрового окна и сосредоточена у границы раздела диэлектрический 4 слой - высокоомный ФП 5. Фотогенерированные заряды в ФП 5 перераспределяют падения напряжения с участков 6 ФП на соответствующие участки 8 ЭОК. По достижении напряжения выше порогового пространственная "твист" -текстура ЭОК на этих участках "разрушается", т.е. молекулы ориентируются по направлению электрического поля.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим и не фотоактивным для высокоомного ФП светом I₀λ). Считывающий свет I₀(λ) проходит через светоделительный поляризатор 2 (в качестве которого может быть использована поляризационная призма Глана), где он поляризуется, входной прозрачный электропроводящий слой 3, диэлектрический слой 4, слой 5 ФП без генерации в нем неравновесных носителей заряда, второй анализатор 7, слой 8 ЭОК, выходной прозрачный электропроводящий слой 9 и первый светоделительный анализатор 10. При этом плоскости поляризации поляризатора 2, второго анализатора 7 и первого анализатора 10 параллельны. 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. Модуляция считывающего света по фазе с помощью первого (светоделительного) анализатора 10 преобразуется в модуляцию по интенсивности I(x,y,λ), и преобразованное изображение передается в дальнейшие каналы его обработки.

Время хранения преобразованного изображения определяется временем экспонирования записывающего света и релаксационными явлениями электрооптического отклика в ЭОК.

Преобразователь изображения с оптической ОС в бистабильном режиме работает следующим образом. В отсутствие записывающего света E(x,y,Δλ) = 0 и при наличии управляющего фотоактивного для ФП 5 света e₀(δλ) ≠ 0 ПИ находится в ждущем режиме. При этом ЭОК 8 "выключен". Управляющий фотоактивный свет e₀(δλ), распространяясь навстречу считывающему свету, проходит через светоделительный первый анализатор 10, где он поляризуется, через выходной прозрачный электропроводящий слой, слой 8 ЭОК и попадает на второй анализатор 7. Поскольку ЭОК "выключен", то его пространственная текстура закручивает плоскополяризованный управляющий свет так, что на выходе второго анализатора 7 (на слое высокоомного ФП 5 со стороны второго анализатора 7) управляющий свет отсутствуете е(δλ) = 0, 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 со слоя ФП на слой ЭОК, включает участки, соответствующие освещенным участкам 6 ФП 5 со стороны диэлектрика 4. При этом модуляция управляющего света по фазе с помощью второго анализатора 7 преобразуется в модуляцию по интенсивности e(x, y,δλ), и управляющий фотоактивный свет, промодулированный в пространстве ЭОК 8, попадает со стороны ЭОК на ФП 5, вызывая в нем фотогенерацию носителей заряда. Их концентрация в соответствующих участках 6 ОПЗ со стороны ЭОК пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности управляющего света e(x,y,δλ) в каждой точке кадрового окна и сосредоточена у границы раздела высокоомный 5 фотополупроводник - слой 7 второго анализатора. Добавочные фотогенерированные управляющим светом e(x, y,δλ) заряды в ФП 5 дополнительно перераспределяют падение напряжения с ОПЗ на соответствующие участки ЭОК, осуществляя таким образом оптическую положительную ОС. При окончании времени экспонирования записывающего света, т. е. при E(x,y,Δλ) = 0, и при наличии управляющего света e(x,y,δλ) ≠ 0 ПИ переходит в бистабильное состояние. При этом соответствующие участки ЭОК остаются "включенными", поскольку необходимое напряжение, перераспределенное со слоя высокоомного ФП на слой ЭОК, поддерживается управляющим пространственно промодулированным светом e(x, y,δλ). Время хранения преобразованного изображения определяется временем непрерывного действия e(x,y,δλ) ≠ 0 управляющего света и напряжения U_пит≠0 питания. При их выключении (т.е. e(x, y, δλ) = 0 и/или 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 5, при этом изменяется и плотность оптического пропускания ЭОК 8. Более того, при изменении интенсивности управляющего света будет изменяться и тональность преобразованного изображения.

Поскольку высокоомный ФП 5 с электронной электропроводностью заключен между диэлектрическими слоями, то на его границах формируются потенциальные барьеры типа Шотки. Высота потенциальных барьеров с разных сторон ФП определяется полярностью и величиной приложенного напряжения питания. При положительной полярности на входном электропроводящем слое 3 потенциальный барьер на границе диэлектрический 4 слой - фотополупроводник 5 понижается, при смене полярности - увеличивается. В любом случае наличие потенциальных барьеров для электронов с двух сторон ФП 5 препятствует эффективному перераспределению напряжений при фотогенерации носителей зарядов, поскольку часть фотогенерированных зарядов и, соответственно, часть интенсивности записывающего света затрачивается на уменьшение высоты потенциального барьера. Уменьшить влияние потенциальных барьеров возможно модуляцией напряжения питания, однако, поскольку ПИ сформирован из высокоомных ФП 5 и ЭОК 8 слоев, то перераспределение электрического поля в объеме ПИ носит долговременный релаксационный характер. Вследствие этого резко уменьшается функция передачи модуляции. Эффективное управление высотой потенциальных барьеров на границах высокоомного ФП 5, следовательно, увеличение чувствительности к записывающему свету достигается за счет временной модуляции T=1/f управляющего фотоактивного e₀(f, δλ) света, распространяемого на ФП 5 со стороны ЭОК 8. Такая модуляция осуществляется посредством введения фокусирующей 12 и коллимирующей 13 линз и оптического модулятора 14 с диафрагмой в поток управляющего фотоактивного e₀(δλ) света (фиг.2). При этом фокусы линз и плоскость диафрагмы совмещены в одной точке. При периоде повторения 1/f импульсов управляющего света e₀(f, δλ) значительно меньшем, чем время установления равновесного состояния (релаксации потенциального барьера) в объеме ФП 5 и на его границах, потенциальный барьер на границе раздела высокоомный фотополупроводник - слой 7 второго анализатора открыт, т.е. его высота минимальна. Под действием записывающего света E(x,y,Δλ) ≠ 0 энергия фотогенерированных информационных зарядов (электронного рельефа изображения) не затрачивается на уменьшение высоты потенциального барьера, а полностью участвует в перераспределении напряжения с ФП на слой ЭОК, поскольку e(x,y,f,δλ) ≠ 0.

Существенными отличительными признаками заявленного устройства являются формирование оптической ОС и бистабильного режима работы благодаря введению между высокоомным ФП и ЭОК второго анализатора и управляющего фотоактивного света, распространяемого навстречу записывающему свету, со стороны первого анализатора, а также временная модуляция управляющего фотоактивного света посредством дополнительного введения в поток управляющего света фокусирующей и коллимирующей линз и оптического модулятора, диафрагма которого перекрывает поток управляющего света в совмещенной фокальной плоскости обеих линз.

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

Преимущество заявляемого преобразователя изображения 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 управляющего света, а также его временная модуляция повышают пороговую чувствительность ПИ, поскольку осуществляется положительная ОС и уменьшается высота потенциального барьера соответственно, в-четвертых, управляющий свет позволяет эффективно воздействовать на диапазон передаваемых оптических плотностей.

Кроме того, достоинствами заявляемого преобразователя изображения являются: во-первых, самоюстировка, обусловленная автоматическим совмещением проецируемых на ФП записывающего E(x,y,Δλ) и управляющего e(x,y,δλ) света, и, следовательно, высокая разрешающая способность, ограниченная собственной разрешающей способностью ПИ, во-вторых, отсутствие необходимости в прецизионной передаче с масштабом 1:1 преобразованного изображения по оптической ОС, в-третьих, 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, N 4. (Аналог).

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

Изобретение относится к области оптической обработки информации. Сущность изобретения заключается в формировании оптической обратной связи и бистабильного режима работы преобразователя изображения. Благодаря введению в преобразователь изображения между высокоомным фотополупроводником и электрооптическим кристаллом второго анализатора, а также управляющего фотоактивного для фотополупроводника света, распространяемого со стороны электрооптического кристалла, достигается оптическое управление временем хранения преобразуемого изображения, не зависящее от времени экспонирования записывающего света. Наличие оптической положительной ОС обеспечивает повышенную чувствительность к записывающему свету. Увеличению пороговой чувствительности способствует также временная модуляция управляющего света, посредством которой эффективно уменьшается высота потенциального барьера типа Шотки на границе раздела фотополупроводник - слой второго анализатора. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь изображения, содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительный поляризатор, многослойную структуру, содержащую входной прозрачный электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный фотополупроводник, электрооптический кристалл, выходной прозрачный электропроводящий слой, первый анализатор и светофильтр, отличающийся тем, что введены второй анализатор между высокоомным фотополупроводником и электрооптическим кристаллом и управляющий фотоактивный свет, направленный в многослойную структуру со стороны первого анализатора, при этом первый анализатор выполнен в виде светоделительного поляризующего элемента, плоскость поляризации которого параллельна плоскостям поляризации светоделительного поляризатора и второго анализатора. 2. Преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что введены дополнительно в поток управляющего фотоактивного света фокусирующая и коллимирующая линзы, а также оптический модулятор с диафрагмой, при этом диафрагма находится в совмещенной фокальной плоскости обеих линз.