Способ регистрации двумерной оптической информации и регистрирующая среда для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G03C5/16 

Изобретение относится к регистрации записи и визуализации изображения( в частности к способам регистрации двумерной оптической информации и регистрирующим средам для их осуществления, и может быть использовано в научной фотографии и технике,

Цель изобретения - повышение светочувствительности и расширение динамического диапазона.

Предлагаемый способ основан на нагревании фотоактивного материала регистрируемым электромагнитным излучением и на явлении захвата магнитного потока полым сверхпроводником I или II рода.

j Экспериментально установлено,что захваченный критический магнитный по- ток„является чрезвычайно чувствительным к нагреву сверхпроводника, Небольшой нагрев приводит к тому, что маг.нитное поле в полости становится больше критического, Мейсиеровский ток, протекающий по внутренней поверхности сверхпроводника,начинает превышать критическую величину и становится диссипативным, что приводит к рассеянию энергии магнитного поля и

уменьшению его величины до критического значения, соответствующего увеличившейся температуре. Рассеяние энергии не приводит к дальнейшему увеличению температуры, т.к. при это увеличивается теплоемкость сверхпроводника.

Благодаря особенностям установления критического состояния полый сверхпроводник с захваченным магнитным потокрм является элементом,чувствительным к изменению температуры и запоминающим максимальную температуру или интенсивность падающего на него излучения, т,ев позволяющим регистрировать распределение интенсивности излучения, спроецированного на его поверхность (оптическую информацию) ,

В качестве регистрирующей среды предлагается использовать материал, имеющий фазовый переход из сверхпроводящего в несверхпроводящее состояние .

Воздействие на регистрирующую срду перед проецированием излучения магнитным полем необходимо для того, чтобы в процессе проецирования излучения установилось критическое значе ние магнитного поля, соответствующее температуре, полученной в результате воздействия этого излучений на регистрирующую среду«

Магнитное поле должно быть постояным, т.к. в сверхпроводнике возможен захват только такого поля. Переменное магнитное поле в полом сверхпроводнике быстро исчезнет за счет дис- сипативных процессов.

Поскольку происходит захват только перпендикулярной поверхности регистрирующей среды составляющей магнитного поля, магнитное поле должно быть направлено перпендикулярно поверхности регистрирующей среды или под углом к ней. Воздействие указанным магнитным полем должно производиться перед проецированием излу

10

15

20

25

Q J5

40

45

620982

лен зависимостью этой характеристики от интенсивности регистрируемого излучения .

Вся совокупность перечисленных выше признаков приводит к тому, что становится возможной реверсивная регистрация двумерной оптической информации путем изменения магнитного поля, захваченного сверх полупроводником при воздействии электромагнитного излучения, При этом чувствительность повышается до 0,1 Дж м, динамический диапазон расширяется до Ю Дж-м количество циклов регистрации становится неограниченным, т.к. при переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное и обратно никаких изменений в кристаллической решетке не происходит, поэтому сверхпроводник не разрушается.

Несверхпроводящпй материал подложки повзоляет захватывать магнитный поток в полости сверхпроводящего фотоактивного слоя. Неферромагнитный материал подложки препятствует искажениям захваченного магнитного поля, что позволяет ему меняться в соответствии с изменением температуры.

Фотоактивный сверхпроводящий слой выполнен в виде колец. Это необходимо для того, чтобы создать совокупность полых сверхпроводявхих элементов, каждый из которых способен независимо изменять величину захваченного магнитного потока при воздействии электромагнитного излучения.

Кольца должны быть несоприкасающимися во избежание пересечения магнитных потоков от отдельных колец и искажения в результате этого регистрируемой информации.

Вся совокупность перечисленных признаков приводит к тому, что регистрирующая среда становится фоточувствительной, причем с ее помощью становится возможной регистрация двумерной оптической информации.

На фиг. 1 изображено устройство,

Изобретение относится к регистрации, записи и визуализации изображения и может быть использовано в научной фотографии и технике. Излучение, несущее информацию, проецируют на регистрирующую среду с фазовым переходом из сверхпроводящего в несверхпроводящее состояние я подложки из неферромагнитного и несверхпроводящего материала, причем фото активный слой выполнен в виде отдельных колец. На указанную среду перед проецированием излучения действуют постоянным магнитным полем, направленным перпендикулярно или под углом к поверхности среды и превышающим по величине критическое магнитное поле для материала этой среды при рабочей температуре. Наблюдают за изменением намагниченности среды. Фото активный слой выполнен из свинца, подложка из галлий-гадолинового граната. Светочувствительность при записи в лучах СОл-лазера возрастает в 100 раз, достигая 10 Джм , динамический диапазон увеличивается от 1,3-10 до . 2 с.п,ф-лы, 1 з.п.ф-лы, 4 ил. I и

чения, т.к. именно этот процесс произ-50 в котором реализуется предлагаемый

способ с помощью предлагаемой регистводит очувствление регистрирующей среды, Величина магнитного поля должна превышать критическую, т.к. только в этом случае может произойти проникновение магнитного поля в полый сверхпроводник и его последующий захват.

Выбор качества характеристики данной среды ее намагниченности.обуслов55

рирующей среды; на фиг, 2, 3 - регист рирующая среда; на фиг. 4 - результаты испытаний предлагаемой регистрирующей среды,

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - регистрирующая среда, 2 - держатель регистрирующей среды, охлаждаемый прокачкой жидкого или

рирующей среды; на фиг, 2, 3 - регистрирующая среда; на фиг. 4 - результаты испытаний предлагаемой регистрирующей среды,

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - регистрирующая среда, 2 - держатель регистрирующей среды, охлаждаемый прокачкой жидкого или

516

газообразного гелия, 3 - вакуумиро- ванная камера, 4 - окно для видимого и регистрируемого излучения, 5 - катушки, создающие магнитное поле, 6 - направляющее зеркало для регистрируемого излучения, 7 - источник регистрируемого излучения.

На фиг. 3 приняты следующие обозначения: 8 - слой из фотоактивного сверхпроводящего материала в виде колец; 9 - подложка из несверхпроводящего и неферромагнитного материала.

На фиг, 4 приняты следующие обозначения: 10 - зависимость угла поворота плоскости поляризации света, отраженного от регистрирующей среды, от интенсивности регистрируемого электромагнитного излучения при температуре подложки 6 К, 1I - та же зависимость при температуре подложки 6,5 К.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На регистрирующую среду 1, укрепленную на охлаждаемом держателе 2 и помещенную в вакуумированную камеру 3, после охлаждения подается мапгит- ное поле, создаваемое пропусканием тока через катушки 5. После снятия магнитного поля на регистрирующую среду 1 через окно 4 и направляющее зеркало 6 от источника 7 подается электромагнитное излучение, которое несет информацию. Излучение нагревает регистрирующую среду и создает па нем рельеф магнитного поля, который может быть визуализирован известными способами.

Назначение элементов регистрирующей среды следующее: слой 8 из фотоактивного сверхпроводящего материала в виде колец необходим для распределения магнитного потока, создаваемого х внешним магнитным полем после его исчезновения и для фиксации изменения распределения магнитного потока в результате воздействия электромагнитного излучения, подложка 9 необходима для создания механической прочности всей среды,

Регистрирующая среда работает следующим образом.

При подаче на среду магнитного поля напряженностью больше критической происходит захват поля каждым сверхпроводящим кольцом из слоя 8. После снятия магнитного поля на каждом кол це сохраняется магнитное поле, равно

932б

критическому для используемого сверхпроводника при рабочей температуре, на регистрирующую среду направляют то излучение, которое необходимо зарегистрировать; спустя время, необходимое для нагревания сверхпроводящих элементов, излучение выключают. По распределению намагниченности судят

10,0 распределении интенсивности зарегистрированного излучения.

Наблюдение изменения характеристик регистрирующей среды возможно различными способами, например наблюдение

и за распределением плотности мелкого ферромагнитного порошка, наносимого на поверхность регистрируемой среды после экспонирования, непосредственное считывание распределения мггнит20 ных полей магнитной гопенкой сч последующим запоминанием его J15M и воспроизведением на экране дисплея, перенос распределения млгнитнмх полей на магнитную ленту контактом послец25 ней с регистрирующей средой и последующим считыванием распределения магнитной головкой, наблюдение за поворотом плоскости поляризации плоскополяризованного видимого с во г. npif про30 хождении eio чгпез магннгопктивное вещество, и котором уюл поворота плоскости поляризации зависит от магнитного поля.

В примере реализации испопьзонан последний способ наблюдения за изменением магнитного поля регистрирующей среды, поскольку он не требует сложных дополнительных механических устройств считывания.

дф В качестве сверхпроводящего материала при реализации регистрируемой среды использован свинец, который имеет достаточно высокую температуру сверхпроводящего перехода (7,2 K)s

.г приемлемое значение критического маг-

35

нитного поля (800 Гс) и резкую зависимость величины критического магнитного поля от температуры вблизи температуры фазового перехода (около зд 200 Гс/К). В качестве подложки использовали пластины из галлий-гадолиние- вого граната толщиной 0,5 мм, на которые был нанесен тонкий слой (10 мкм) висмутсодержащего феррогра- с ната. Последний обладает магнитоактивностью и используется в качестве визу- ализатора распределения магнитного поля в пространственно-временных модуляторах света. Образец имел максималь10

71620982

ную намагниченность 250 Гс, поворот плоскости поляризации в таком поле составил 5°,

Двухслойная подложка необходима только для использованного способа наблюдения за изменением захваченного поля В других случаях подложка регистрирующей среды выполняется однослойной из неферромагнитного и несверхпроводящего материала, На подложку со стороны феррогра- ната наносится свинец в виде отдельных.колец. Нанесение производилось еледугацим образом. Подложку помещали в вакуумную камеру, производили откачку до остаточного давления 10 мм Hg и покрытие наносили распылением из горячего тигля при температуре тигля 300°С в течение 15 мин, В результате на подложке образовывался слой свинца т олщиной 10-12 мкм.

Дальнейшее формирование сверхпроводящих колец производили методом фотолитографии. Спой свища покрывали фоторезистом, наш -резнет проектировали фотошаблон с изображением колец, после экспонирования фоторезист смывали с незасвеченных мест, а незащи15

0

25

8

мерения показали, что темпер поверхности среды превышает туру стенок не более чем на

Держатель с регистрирующе помещали в вакуумированную к которая создавалась внешними ми сосуда Дьюара, в одну из было вделано оптическое окно NaCl Камеру помещали между тушками 5, способными создав те нахождения регистрирующей магнитное поле напряженность 500 Э.

В качестве источника опти информации использовали импу СОл-лазер 7, излучение котор ослабляющие калиброванные фи направляющее зеркало 6 напра регистрирующую среду. Контра чения создавали перекрытием

Визуализацию оптической и ции производили с помощью ис видимого излучения, в качест го использовали лазер ЛГ-56 ет поляризованное излучение отпадает надобность в исполь поляризатора. Отраженный от рующей среды свет через анал

щенный фоторезистом свинец стравлива- 30 направляется к наблюдателю.

ли в слабой соляной кислоте,

Размеры колец: диаметр 0,8 мм, ширина каждого кольца 0,2 мм, расстояние между соседними кольцами 0,2 мм. Размер фоточувствительного поля около 1 см . Для лучшего отражения обратную сторону подложки покрывали тонким слоем алюминия,

Использовали установку, представ35

Испытания проводили следующим об разом.

На охлажденную до 6 К регистриру щую среду 1 подавали импульс магнит ного поля пропусканием через катушки 5 импульса тока. Напряженность магнитного тока в максимуме составл ла около 500 Э, это гораздо больше критического поля для свинца при 6

ленную на фиг. I. Регистрирующая ере- 40 (°коло 250 Э). В результате каждое

да 1 была изготовлена по технологии, описанной выше. Держатель 2 среды был самодельным и представлял собой камеру, через которую прокачивали жидкий или газообразный гелий. В ре- зультате прокачки поверхность держателя охлаждалась вплоть до 5 К. Температура поддерживалась постоянной с помощью специальной регулирующей системы, включающей термопару, измеряю- щую температуру прокачиваемого гелия в камере, печку, подогревающую этот гелий, и управляющее устройство (не показаны), С помощью этой системы могла задаваться любая температура от 4,2 до 300 К и поддерживаться с точностью 0,1 К, К держателю с помощью пружинных прижимов крепилась регистрирующая среда, Специальные из8

5

мерения показали, что температура на поверхности среды превышает температуру стенок не более чем на 0,2 К,

Держатель с регистрирующей средой помещали в вакуумированную камеру 3, которая создавалась внешними стенками сосуда Дьюара, в одну из которых было вделано оптическое окно 4 из NaCl Камеру помещали между двумя катушками 5, способными создавать в месте нахождения регистрирующей среды магнитное поле напряженностью до 500 Э.

В качестве источника оптической информации использовали импульсный СОл-лазер 7, излучение которого через ослабляющие калиброванные фильтры и направляющее зеркало 6 направляли на регистрирующую среду. Контраст излучения создавали перекрытием луча,

Визуализацию оптической информации производили с помощью источника видимого излучения, в качестве которого использовали лазер ЛГ-56. Лазер дает поляризованное излучение, поэтому отпадает надобность в использовании поляризатора. Отраженный от регистрирующей среды свет через анализатор

Испытания проводили следующим образом.

На охлажденную до 6 К регистрирующую среду 1 подавали импульс магнитного поля пропусканием через катушки 5 импульса тока. Напряженность магнитного тока в максимуме составляла около 500 Э, это гораздо больше критического поля для свинца при 6 К

кольцо захватывало магнитный поток, создающий вблизи кольца магнитное поле напряженностью около 250 Э, что регистрировалось по повороту плоскости поляризации видимого света. Для этого включали источник видимого света и фиксировали поворот плоскости поляризации после воздействия магнитного поля на регистрирующую среду. После этого анализатор ставили в такое положение, чтобы его поле казалось темным, и на регистрирующую среду направляли импульс излучения COg,- лазера, анализатор поворачивали до тех пор, пока его поле вновь не становилось темным, Определяли зависимость угла поворота анализатора от интенсивности падающего излучения СО -лазера, Она представлена на

1620982

фиг. 3 дг(я двух температур охлаждения регистрирующей среды. Видно, что максимальная чувствительность способа составляет около 1СГ1 Дж/м2-, что существенно превышает чувствительность прототипа (ICf Дж/м ). Динамический диапазон, как видно на фиг.З, составляет около 10 Дж/м, в то время как в способе-прототипе 1,34 ПО - Дж/м.

Достигнутые параметры не являются предельными по чувствительности и по динамическому диапазону: чувствительность может быть увеличена использованием сверхпроводников с большей крутизной фазовой характеристики, Например, в сверхпроводниках второго рода она составляет .несколько кило- эрстед на кельвин, что позволяет соответственно повысить и чувствительность (более чем на порядок). Динамический диапазон в конкретной реализации определяется характеристикой магнятоактивного слоя, вращающего плоскость поляризации света. Сам же свинец имеет линейную область фазовой характеристики на протяжении 2 К от

Тс, что

позволяет иметь динамический диапазон до 210 Дж/м . Переход к

Дж/м

Другим сверхпроводникам, имеющим больший диапазон линейности фазовой Характеристики, позволяет расширить динамический диапазон.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает в 100 раз более высокую светочувствительность и примерно в 10 раз более широкий динамический диапазон. Количество циклов регистрации становится неограниченным благодаря неизменности механических свойств фотоактивного материала регистрирующей среды в процессе ее эксплуатации.

Предлагаемый способ и регистрирую- щая среда дополнительно позволяют осуществить дискретную регистрацию градаций интенсивности оптической информации. Это связано с тем, что при повышении температуры захваченный маг нитный поток уменьшается квантами, причем величина кванта 2 ЧО 7 Гс-съГ, Подсчет числа потерянных квантов магнитного потока позволяет проводить

двумерное распределение интенсивности набэром чисел, который легко обрабатывать с помощью ЭВМ,

Формул.а изобретения

0

5

0

5

0

5

0

5

и наблюдение изменения характеристики регистрирующей среды, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения светочувствительности и расширения динамического диапазона, излучение проецируют на материал, имеющий фазовый переход из сверхпроводящего в несверхпроводящее состояние, причем перед проецированием излучения на регистрирующую среду действуют постоянным магнитным полемt направленным перпендикулярно или под углом к поверхности регистрирующей среды и превышающим по величине критическое магнитное поле для материала регистрирующей среды при рабочей температуре, а наблюдение осуществляют за изменением намагниченности этой среды.

целью повышения светочувствительности и расширения динамического диапазона, фотоактивпый выполнен из материала, имеющего фазовый переход из сверхпроводящего в нормальное состояние, а подложка из неферромагнитного и несверхпроводящего материала, при этом фотоактивный слой выполнен в виде колец, расположенных на рас- стоя1ши друг от друга.

8

рпг

2 гпф

(

град

5 4J1

О qr 0,2 0.3 Q,b 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1fO 1,1 1,2 U

Ј,A K-tf2

Фиг. 4

Редактор М.Циткина

Составитель В.Кондратьев Техред м.Дидык

Заказ 4245

Тираж

У

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

+-1Q

Корректор М. Самборская

Подписное