|
| |
|
Слаботочка Книги в случае обработки некогерентных потоков входной сигнал Фнкг(л:, у) описывается не комплексной, а действительной функцией, характеризующей распределение интенсивности световой волны: Фп{.х,у) = У[Ф{х,у). (10.11) Система с некогерентным потоком излучения передает только амплитудную информацию, фазовая информация утрачивается. Однако строгий математический анализ показывает, что передаточная функция системы в некогерентном режиме равна функции автокорреляции ее передаточной функции в когерентном режиме, т. е. я„„Л/../.) = ПЯ(/Г, fT)H*{fT+U, fr+U)dfTdfr, (10.12) где Н -• фурье-~бразы соответствующих передаточных функций Я, символ «нкг» относится к некогерентному режиму работы, а «:» означает комплексно-сопряженную функцию. Из взаимно однозначной связи Янкг и Я, задаваемой соотношением (10.12), следует, что с некогерентными полями могут осуществляться те же преобразования, что и с когерентными. Таким образом, с точки зрения обработоки информации оба потока принципиально эквивалентны, хотя сложность практической реализации для этих случаев может быть очень разной. Комбинируя оптические элементы с разными импульсными откликами, можно получить многие другие виды интегральных преобразований, в частности умножение комплексных функций (волновых полей), которое в выходной плоскости (см. рис. 10.15) эквивалентно свертке: lix, у)Ф(х, y)F{u, v)Fi(u, ц) = = 1\Рг(Я l)FA-n~U,l-v)dqdt (10.13) Как известно, преобразование Фурье и свертки являются базовыми операциями, позволяющими реализовать широкий класс линейных интегральных преобразований. Таким образом, устройство, схематически показанное на рис. 10.15, представляет собой оптический аналоговый процессор или, поскольку вычисления осуществляются с волнами, волновой процессор. Его основными блоками являются: входное и выходное устройства, вычислитель, вспомогательные устройства. Если обработке подлежит оптический образ, то входное устройство состоит из объектива (масштабирование изображения и координатная привязка) и оптически управляемого транспаранта (усиление, преобразование некогерентной волны в когерентную). Лазер, обеспечивающий равномерную когерентную засветку транспаранта, в этом случае рассматривается как вспомогательный элемент. Если Hai входе действуют электрические сигналы, то они предварительно преобразуются в адекватную оптическую картину одним из двух методов: с помощью электрически управляемого транспаранта или путем непосредственной поэлементной модуляции многоэлементного излзптателя (матрица лазеров или светодиодов) . Вычислитель представляет собой набор, комбинацию оптических элементов, таких как разнообразные линзы, пластины, фотографические и голографические фильтры, а также, возможно, и управляемых транспарантов, реализующих структуры с перестраиваемым импульсным откликом. В выходном устройстве объектив фокусирует преобразованную волну на фотопластинку или на матрицу фотоприемников, обеспечивая во втором случае электрическую форму выходных сигналов. Аналоговые оптические процессоры перспективны в системах обработки изображений и пространственной фильтрации, согласованной пространственной фильтрации, распознавания образов, корреляционной обработки сигналов. Еще раз подчеркнем два основных достоинства этих устройств: параллельность ввода информации и практически мгновенную ее обработку. Эти достоинства являются определяющими, когда на вход поступают массивы информации (в особенности двухмерные) и их обработка должна проводиться в реальном времени. Вместе с тем аналоговые оптические процессоры имеют ряд недостатков, касающихся их основных определяющих характеристик. Во-первых, в отличие от цифровых ЭВМ они не универсальны, т. е. пригодны для выполнения лишь ограниченного числа операций. Во-вторых, они характеризуются низкой точностью, обусловленной различными «шумами»: аберрации оптических элементов («детерминированный шум»), спеклы лазерного излучения (стохастический шум) и др В-третьих, большинство используемых в процессоре элементов имеет узкий динамический диапазон. В-четвертых, высокая потенциальная скорость собственно вычислителя практически ограничивается возможностями устройств ввода-вывода. Эти недостатки носят принципиальный характер и обусловливают ограниченное распространение средств аналоговой оптической вычислительной техники, отсутствие ясной перспективы ее развития. Цифровые оптические вычисления. В цифровых системах получили развитие идеи картинной логики. Схематически цифровой оптический процессор, реализующий эти идеи, представляет собой набор управляемых транспарантов, объединенных в единую оптическую систему. На основе таких наборов могут выполняться стандартные для булевой алгебры операции, такие как ИЛИ, И, НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и другие, причем над двухмерными массивами двоичных данных. Эти так называемые пиктографические оптические вычислительные машины заметного распространения не получили. Они так же, как аналоговые процессоры, оказались не универсальными; в частности, практически нереализуемой является операция межразрядного переноса. Но самое основное ограничение связано с неудовлетворительностью характеристик транспарантов: низкой прозрачностью при работе «на просвет» (при оперировании с типичными 32-разрядными числами даже 5%-нов поглощение приводит к практически полной потере сигнала), значительной потребляемой мощностью, малым числом элементов разложения, низким быстродействием. Лишь для решения некоторых частных задач успешно используются цифровые процессоры на основе жидкокристаллических транспарантов - низкая скорость переключения частично компенсируется большим числом элементов разложения (до 10) и малой потребляемой мощностью. Перспективы создания оптического универсального цифрового суперкомпьютера связываются главным образом с разработками сверхбыстродействующих оптоэлектронных элементов, являющихся аналогами транзистора. В этой связи укажем на возможности связанных лазеров. В основе действия этих элементов лежат эффекты возбуждения и срыва генерации во взаимодействующих лазерных полупроводниковых структурах. Так, в устройстве на рис. 10.16 сигнал на выходе имеет место лишь при отсутствии сигнала на входе (генерация в направлении у и гашение в направлении л;) и наоборот (в этом случае дополнительная часть «просветляется»). Таким образом, получаем элемент НЕ; возможна реализация на том же принципе и других логических функций. Комбинируя- такие структуры, можно создавать различные блоки цифрового процессора. Практически описанную возможность в сколько-нибудь сложном виде реализовать не удается; основная причина этого - большая потребляемая мощность, трудность теплоотвода и сканировался Вход Выход Вход  Выход Рис. 10.16. Логический элемент НЕ на основе структуры со связанными лазерами при двух режимах работы, /дозб ~~ ток возбуждения; - оптиче- ский сигнал ВходА ВходВ Выход Рис. 10.17. Интегрально-оптическая схема И: --- распределение интенсивности поля излучения в элементах схемы прн подаче сигнала на один из входов;---то же при подаче сигналов на оба входа;---> направление распространения света 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 [113] 114 115 116 117 118 119 |