Способ оптической обработки информации

.Ф.Кулак И,Стасель етельство СССРР 3/00, 1970.етельство СССРР 3/00, 1977. вляется упрощение надежности ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) 54) СПОСОБ ОПТИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИИНФОРМАЦИИ57) Изобретение относится к голографии.Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способаоптической обработки. Для реализации цеИзобретение относится к голографии и оптической обработке информации и предназначается для построения оптических Э 8 М, осуществляющих обработку информации как параллельно, так и в последовательности, определяемой микропрограммными принципами.Целью изобретения яние реализации и повышеспособа,На фиг. 1 представлена функциональнаяблок-схема реализации способа оптической обработки информации; на фиг. 2 - пример организации 85-триггера.На фиг, 1 обозначены блок формирования когерентных пучков 1, 2, записывающих динамические голограммы, матрица 3 динамических голограмм, блок 4 формирования считывающих пучков, матрица 5 статических голограмм, усилитель 6, блок 7 формирования входных пучков, 8, 9, 10, 10 - блоки ЕТЕНИЯ .," ли в способе записывают в резонансной среде динамические голограммы, считывают их пучками той же длины волны, Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая голограмма согласована с соответствующей динамической голограммой и восстанавливает определенную комбина цию световых пучков, которые направляются на определенные элементы матрицы динамических голограмм и стирают динамические голограммы по требуемой логике, Таким образом реализуют определенную логическую функцию, 2 ил,приемников выходных пучков (приемников обработанного сигнала).Блок формирования когерентных пучков 1, 2, например система интерферометров типа Маха-Цендера, формирует и т пар СЛ когерентных световых пучков, непрерывно ,ОО записывающих в резонансной динамиче- К) ской среде, например в парах металлов или С 0 растворе органического красителя, матрицу (Д 3 пхгп динамических голограмм. Блок 4 фор- (ф мирования считывающих пучков, включающий, например, светоделители и систему отверстий в непрозрачном экране, формирует матрицу пхп) световых пучков той же длины волны, попадающих на матрицу динамических голограмм в области их записи и считывающих их. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу 5 пхгп статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая55 Олограмма матрицы статических голо рамм согласована с соответствуюцВЙ ди цамической голограммой посредством восстацовлРннОГО с последн РЙ луча, Каждая злемецтарцая статическая голограмма при попадании на цее луча, Восстановленного с лицамической голограммы, в своо очередь ,ОССТВНаВЛИВаЕт ОПрЕдЕЛЕццун. КОМбицацио световых пучков, направгГяемых Рю же ца определенные элементы матрицы динамических голограмм и стирающих динамические голограммы, записанные в этих элементах, организуя таклм образом обратную связь (на фиг, 1 стертые элементы матрицы динамических голограмм зачерчены), Сирание можно осуществить, например, при просветлеции резонансной среды. Для ого, чтобы мощность восстановленных со статических голограмм Гучков была достаточна для стирания дикамических голограмм просветления среды), на пути их распространения от статических голограмм к динамическим расположен оптический усилитель. Усилитель представляет собой, например, матрицу усиливающих элементов, каждыЙ из которых содержит инверсную среду например, инвертированный ОрГанически: краситель), Облэдэ 10 щую для длины волны, используемой для Обоаботки .нфо-.,меции, ьозможност: ю усигн вать про 1 Р.1;:з НРГО Изл, ение.Входной сигнал фон,ируется бло Гом 7 формлровэния Входных Гучков в Виде мэтр;цы г:,хгл дополнлтельных пучков, цанравляемых на матрицу динамических Гоггогра.им В Области их записи. 1 е догюлни Гел-.:;ые пучки, мощцос 1 ь которых дос гаточца для просветления резонансной среды, с, игэю Г соответснующле дичамические Голограммы. Считываощие пучки, попадающие на стертые дополнительными пучками области резонансной среды, не дифрагируют и в результате не попадают на соответствующие элементы матрицы статических голограмм, Следовательно, прекрашается воздействие дифрагированных на статических голограммах и усиленных, г,е, стирающих пучков обратной связи. на некоторые элементы матоицы динамических голограмм и возникает дифракция считывающих эти элементы пучков. Таким образом, под воздействием входного сигнала и роисходит процесс, В результате которого исчезает ряд дифрагировэнных на динамических голо- граммах пучков, появляется ранее отсутствовавшие и устанавливается новое распределение стертых и нестертых ринамических голограмм в се Ответствии с алгоритмом функционирОвания, эадаВаемым матрицей статических голограмм, осущест 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вляощей коммугацию, Обрабогаццыи сигнал регистрируется в следующих видах (одном или нескольких): матрицы дифрагированцых на динамических голограммдх считывающих пучков (например, в виде нулевых порядков дифракции на статических голограммах) блоком 9 приемников выходных пучков; матрицы недифрагировэнных на динамических голограммах считывающих пучков - блоком 8 приемников; матрицы недифрэгированных дополнительных пучков - блоком 10 приемников; матрицы дифрагированных дополнительных пучков - блоком 10 приемников. При низких значениях дифракционной эффективности динамических голограмм для регистрации обработанного сигнала целесообразнее использовать дифрагированные на них пучки дополнительные пучки могут дифрагировать на динамических голо раммах, если их мощность меньше необходимой для отпирания, а направления их распространения согласованы с контуром угловой селективности динамической голограммы).Рассмотрим процесс записи и стирания динамических голограмм в резонансной среде.Процесс записи динамических голограмм состоит в поглощении средой резонансных фотонов интерференционного светового поля и образовании разности заселенности уровней, а следовательно, и решетки коэффициента поглощения и показателя преломления среды, на которой дифрагирует считывающе излучение той же длины волны. Такой средой могут быть, например, пары щелочных металлов (Йа. К, ЯЬ, Св), обладающие высской энергетической чувствительностью к записи динамических голограмм - 10 1 О, 10 9 Дж/см 2, на линию или полосу поглощения которых настроена длина волны записывающих и считывающих пучков.Стирание основано на уменьшении глубины модуляции решетки коэффициента поглощения и показателя преломления среды под действием излучения достаточной мощности. Действие стирающей волны приводит к насыщению поглощения среды. т,е. уменьшени 1 о коэффициента поглощения в заданное числе раз в соотвтствии с форму- лой к =:к,/1+ "),насгде гсо - ненасыщенное значение коэффициента поглощения;стир - интенсивность стирающей аолны:нас - интенсивность насыщения, 1589838Уменьшение коэффициента поглощения приводит к уменьшению оптической плотности, т.е. просветлению среды, которое, в свою очередь, приводит к изменению дифракционной эффективности динамической голограммы. Начальная оптическая плотность среды выбирается таким образом, чтобы ее уменьшение приводило к уменьшению дифракционной эффективности голограммы. Уменьшение дифракционной эффективности (ДЭ) может быть оценено по формулеДЭфФР)2 е ю(1 - е О)2о . -О -О 2насгде фор - интенсивность формирующего голограмму излучения;О - оптическая плотность среды.Из этой формулы следует, что при значении начальной оптической плотности 0 = 0,3 увеличение стир от 0 до 3 нас что соответствует уменьшению к и О в четыре раза, приводит к уменьшению величины дифракционной эффективности и; слздовательно, интенсивности востановленного с динамической голограммы пучка более чем на порядок, что соответствует стиранию голограммы. Из данной оценки следует, что усилитель должен обеспечивать усиление дифрагированных на статических голограммах волн не менее, чем до 3 нас.Важнейшим параметром, влияющим на возможность реализации способа, является энергия переключения из нестертого состояния динамической голограммы в стертое. Оценка этой величины может быть дана на основе вычислений насыщенного значения плотности энергии, например, для паров металлов, Тэк, для атомарного цезия при настройке излучения в резонанс с 02 - линией (Л = 8521 А) нас = 5 10 Джейсм-1 оперекл = стир = 3 нас = 1,510 Дж/см, что более чем на восемь порядков ниже, чем в прототипе. При площади элементарной динамической голограммы 10 см, что соот-з гветствует примерно десяти минимально разрешенным элементам в парах металлов (разрешающая способность паров 30 лин/мм), абсолютное значение энергии пе.1 зреключения составляет 1,5 10 Дж.Для стирания элементарной динамической голограммы достаточно воздействия одного или нескольких попадающих на нее пучков от матрицы статических голограмм. Это равнозначно действию логической функции ИЛИ. Поскольку после стирания соответствующей элементарной динамической. голограммы прекращается дифракция на ней считывающего луча, то логическая функция ИЛИ дополняется функцией НЕ. Тэк5 10 35 40 45 50 для считывания), дифракция на ней считывающего луча формирует единицу на выходе блока 28. При подаче сигнала на В-вход блока 26 процессы стирания развиваются в обратном порядке, триггер переходи 1 в другое состояние с единицей на выходе блока 27 и нулем на выходе блока 28.Изобретение имеет преимущ;етвэ поФ 55 сравнению с прототипом, зэклкплччниеся в повышении надежности и упре гнн 1 пеэ 20 25.30 образуется множество логических элементов ИЛИ-НЕ, являющихся функционально полным базисом логических элементов. Их коммутация с помощью матрицы статических голограмм позволяет организовать любую логическую функцию, а при достаточном количестве логических элементов - цифровой процессор,На фиг, 2 приводится пример организации одного из элементов цифрового процессора - ВЯ-триггера, На фиг, 2 обозначены источник 11 когерентного излучения, частично прозрачные 12, 13 и полностью отражающие 14, 15 зеркала, блоки 16, 17 формирования пучков, записывающих динамические голограммы, блок 18 формирования считывающих пучков, элементы 19,20 матрицы динамических голограмм. элементы 21, 22 матрицы статических голограмм,элементы 23, 24 усилителя, блоки 25,26 формирования входных пучков с Я- и Я-входами, блоки 27, 28 приемников выходных пучков.В ЯЯ-триггере коммутация организована следующим образом. Дифрагированный нэ элементе 20 матрицы динамических голо- грамм луч элемента 22 матрицы статических голограмм через элемент 24 усилителя направляется в область записи элемента 19 матрицы динамических голограмм, и наоборот, луч, дифрагированный на элементе 19 матрицы динамических голограмм элемента 21 матрицы статических голограмм через элемент 23 усилителя направляется на элемент 20 матрицы динамических голограмм. При появлении на Я-входе блока 26 сигнала с уровнем мощности, достаточным для стирания динамической голограммы 20, уменьшается дифракционная эффективность динамической голограммы 20, что приводит к ослаблению ее воздействия на динамическую голограмму 19. Это приводит к увеличению дифракционной эффективности динамической голограммы 19 и усилению ее стирающего воздействия на динамическую голограмму 20 и замыканию цепи обратной связи. Динамическая голограмма 20 оказывается стертой(закрытой), считывающий луч не дифрагирует на ней, что соответствует нулю на выходе блока 27, Динамическая голограмма 19, наоборот, не стерта (открытализации. Повышение надежности достигается за счет применения голографического принципа выделения информации в виде интенсивности дифрагированного пучка вместо интерференционного. В прототипе любое случайное изменение фаз интерферирующих пучков на величину порядка л приводи к изменению вида интерференционной картины информационного и опорного пучков и появлению ложных единиц и нулей информации, В предлагаемом способе изменение фаз любого из пучков на ту же величину л; не изменяет интенсивности и направления дифрагированных лучей.Более высокая надежность достигается за счет существенно более низкой энергии переключения логических элементов, что позволяет испольэовать менее мощные световые пучки, исключающие возможность перегрева или разруаения элементов оптической схемы,Предлзгаемый способ более прост в реализации, поскольку не "требует дополнительного источника излучения, работающего на другой длине волны, второй динамической среды и ряда дихроичных оптических элементов.Использование голограф,ческих принципов организации логических элементов и схем соединений э сочета ии с короткими ременами релаксации возбуждения диназмической среды (10 - 10 с) позволяет создать мощный быстродействующий цифровой процессор с высокои степенью интеграции.Предлагаемый способ оптической обра 5 ботки информации может быть использовандля автоматизации производства и проектирования, а также в объемных устройствахотображения информации,Формула изобретения10 Способ оптической обработки информации, заключающийся в том, что входнойсигнал направляют на динамическую среду.характеристики которой изменяют пучками,восстановленными статическими голограм 15 мами, отличающийся тем,что,сцельюупрощения реализации и повышения надежности, записывают непрерывно направляемыми когерентными пучками врезонансной среде пхгп пучками той же дли 20 ны волны, направляют дифрагированные настатических голограммах пучки после ихусиления на резонансную среду в областизаписи динамических голограмм с уровнеммощности, достаточным для стирания дина 25 мических голограмм, входной сигнал в видематрицы пха дополнительных пучков такженаправляют на матрицу динамических голограмм, а обработанный сигнал наблюдают ввиде матрицы дифрагированных или/и неЗО дифрагированных на динамических голограммах дополнительных или/и считывающих пучков,.Гагарина 10 Производственно и члвльский комбинат "Патент", г. Ужгород каз 552 ТиражВНИИПИ Гасударственного комитета по11 З 035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГК 1 3 Г СССРаушская наб., 4/5