Оптические запоминающие элементы.

Оптические устройства.

 

Последние достижения в области квантовой электроники, голографической техники и техники оптических сред, обеспечившие создание оптических управляемых транспарантов (УТО) и оптических реверсивных сред, создали предпосылки для разработки и построения оптических процессоров, качественно отличающихся от электронных по своим функциональным структурам и возможностям.

В электронных вычислительных машинах носителем информации является электрический ток, а средством запоминания и обработки информации являются электрические схемы, следовательно, за время тактирования с помощью тока передается только один бит информации и через схемы реализуются строго заданные операции, т.е. в ходе использования схем нельзя изменять виды выполняемых операций. Это привело к созданию специализированных логических и функциональных схем и блоков, например, сумматор, счетчик, регистр, дешифратор и т.д.

Эти схемы и блоки являются основными элементами ЭВМ. Практически невозможно создать большое число подобных схем и блоков специального назначения. Поэтому в ЭВМ используется весьма ограниченный набор разновидных базисных операций. Под базисной операцией понимается операция, реализуемая аппаратно без программного управления. В результате этого различные операции на ЭВМ решаются с помощью последовательностей ограниченного набора базисных операций. Это приводит к неэффективному использованию имеющегося быстродействия и объёма памяти ЭВМ. Например, для отображения информации в объёме всего 20 условных динамических символов в реальном масштабе времени требуется быстродействие ЭВМ свыше операций сложения в секунду или, например, вести в реальном масштабе времени анализ и распознавание речевых сигналов на современных ЭВМ вообще невозможно, не хватает быстродействия.

В отличие от электронных, в оптическом процессоре носителем информации является пучок света, а средствами запоминания и обработки информации являются реверсивные среды и оптически управляемые транспаранты.

Поэтому в оптическом процессоре возможно:

– через один пучок света передавать информацию за время одного тактирования в объёме 10⁴÷10⁶ бит; это обеспечивается возможностью пространственной модуляции луча света;

– хранить информацию не только в виде побитового или аналогового сигнала, но и в виде голограмм;

– обрабатывать информацию параллельно в объёме 10⁴÷10⁶ бит в одном пучке света;

– изменять или образовывать путем вычисления виды выполняемых операций в ходе использования оптического процессора; такая гибкость обеспечивает эффективное решение самых разнообразных задач.

Преимуществом у оптического процессора много и прежде всего к ним следует отнести:

– простота выполнения операций объединения и пересечения в двумерном пространстве;

– устойчива защита от помех при пересечении оптических пучков (каналов) связи в воздухе;

– отсутствие проводной связи и коммутации, что исключает появление паразитных емкостей и отпадает необходимость в пайке, электрических разъемах и пр.;

– использование третьего измерения для ввода-вывода информации в оптоэлектронных чипах создает дополнительные возможности, которым у электронных соединений нет никаких аналогов;

 

– при линейных размерах изображения 1см, разрешении 3мкм и длине оптической системы порядка 30 см (давно доступные оптикам технологические нормы) можно получить в оптоэлектронном компьютере производительность порядка 10¹⁶элементарных операций в секунду, причем быстродействие может значительно превзойти эту цифру при использовании фотон – электрон – атомной(кластерной) элементной базы;

– оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно, оптическая система надежно защищена от сторонних электромагнитных наводок;

– еще одно универсальное свойство оптических систем: в прозрачной среде информация, закодированная оптическим лучом, может обрабатываться без затрат энергии. Естественно, закон сохранения энергии при этом не нарушается.

Работу оптического логического элемента поясним на следующем примере. Пусть между двумя металлическими прозрачными электродами 1 и 2 находится полупрозрачный материал 3, который пропускает свет только при наличии определенной разности потенциалов на электродах.

 

 

 

В средине пластины разместим еще один управляющий электрод 4. Электрические сигналы, подаваемые на электроды, обозначим соответственно х₁, х₂, х₄,а оптические выходные сигналы элемента обозначим y₁ и y₂. Сверху элемент освещается лучом света L. Очевидно, что для выходного сигнала y₁ среда будет прозрачной только тогда, когда один из входных сигналов х₁ или х₂ будет равен «1», а другой равен «0», т.е. можно записать:

 

Значение сигнала y₂ зависит от того, какой сигнал присутствует на управляющем электроде x₄. Если x₄ =0, то для сигнала y₂ среда будет прозрачна только в случае, когда x₁ = x₂ =1, то естьy₂=х₁ х₂.

Если же x ₄ =1, то очевидно, что .

Таким образом, рассмотренный оптический элементы выполняет логические операции сложения с инверсией, умножения и сложения по модулю 2 (неравнозначность). Из подобных элементов составляются так называемые оптические управляемые транспаранты (УТО), которые являются основой для построения оптического процессора. Структурная схема оптического процессора может быть следующей:

 

Здесь обозначено:

 

1 – память (набор УТО или голограмма);

2 – операционная пластина (УТО);

3 – коммутационная пластина (УТО);

4 – распределительная пластина (УТО);

5 – детектор (УТО, ранее использовались линзы);

6 – буферное запоминающее устройство (УТО или голограмма).

 

Как видим, на всех этапах обработки информации здесь в основном используются оптические управляемые транспаранты, а при больших объемах памяти – голограммы.

В оптических устройствах принципиально возможны два способа записи информации: побитовый и голографический. В первом случае любому элементарному участку информационного носителя (пластины УТО) соответствует один бит информации. Во втором случае вся поверхность некоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массива информации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или иной достоверностью информацию обо всем массиве сразу.

Для побитовой записи информации можно использовать любой источник излучения. Однако более предпочтительным являются источник когерентного света – лазер, плотность потока энергии и возможность фокусировки излучения которого многократно превосходят соответствующие параметры всех других источников.

Голографическая запись – это представление информации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использование когерентного источника излучения, и предъявляются определенные требования к степени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузку при голографической записи несет один из двух световых пучков, на которые делится световой поток источника излучения, - его называют сигнальным или объектным. Пространственная структура сигнального излучения, т.е. характер распределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связана с емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в нем информации. Оба пучка – информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный) – интерферируют в плоскости носителя информации.

 

 

Фотохромные материалы.

 

Информационные носители этого типа работают на основе фотохромного эффекта, который заключается в изменении окраски или прозрачности вещества (органических полимеров, неорганических стекол) под действием светового излучения (сигнала) в определенном диапазоне длин волн. Фотохромные материалы обычно темнеют при облучении коротковолновым видимым или ультрафиолетовым светом и «отбеливаются» при облучении инфракрасным светом. Соответствующие воздействия могут быть реализованы при записи, стирании и считывании информации, т.е. фотохромный эффект позволяет осуществлять многократные обращения к одному и тому же участку материала, что может быть использовано для создания оперативной и долговременной памяти, а также оптических управляемых транспарантов.

Фотохромный эффект связан со стимулированием светом переносом зарядов от одних примесных центров к другим. В результате освещения генерируются носители зарядов, которые дрейфуют или диффундируют в менее освещенные области, где захватывается ловушками. Создаваемые ими локальные поля изменяют показатель преломления кристалла. Фотохромные материалы отличаются исключительно высоким разрешением, которое определяется размерами отдельных привесных центров (молекул). Разрешающая способность органических фотохромов более 3000 линий на мм, поэтому площадь информационного бита может быть доведена до кв. мкм.

Кроме органических фотохромов применяют «мягкие» электрические кристаллы, например, барий-стронциевогониобата или фториды типа GaF₂ с присадками редкоземельных элементов. Столь же высокой разрешающей способностью обладают и аморфные полупроводники, в которых под действием излучения происходит обратимый переход от аморфной к поликристаллической фазе, в результате чего изменяются спектральные характеристики полупроводника.

 

 

МДП – структура.

Информационный носитель такого типа имеет следующую структуру:

 

 

Между двумя прозрачными электродами 1 и 2 расположены два слоя диэлектрика 3 и 4 и один слой полупроводника. Прозрачные электроды играют роль пластин конденсатора, на которые подано постоянное напряжение. В качестве записывающей световой волны используют излучение с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Поглощение фотонов приводит к рождению электронно-дырочных пар, так как часть электронов покидает валентную зону и переходит в зону проводимости. Поле конденсатора разделяет электроны и дырки: электроны устремляются к положительному электроду, а дырки – к отрицательному. В результате происходит экранировка поля в освещенных областях полупроводника, создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах, а следовательно, и электрическое поле внутри полупроводника, напряженность поля в этих областях существенно уменьшается. Для считывания записанной информации используют электрооптический эффект – зависимость показателей преломления света в полупроводнике от напряженности электрического поля. МДП – структура обладает весьма высокой чувствительностью до и достаточно высокой разрешающей способностью до 1000 линий на мм. Быстродействие определяется временем дрейфа дырок и электронов через полупроводник. При подвижности носителей тока равной , толщине слоя полупроводника 10 мкм и напряжённости поля конденсатора 100 время дрейфа оказывается равным .

Фототермопластичные пленки.

 

Это специфические прозрачные диэлектрики (например: полистирен), размягчающиеся при невысоких температурах (50⁰÷100⁰ С). Оптически сигнал фиксируется на поверхности термопластика в виде определенной картины рельефа, соответствующей распределению света в процессе записи. Фототермопластичный элемент состоит из прозрачной подложки 1 (стекло), на которую нанесен прозрачный электрод 2, выше которого расположены фотопроводящий слой полупроводника 3 и термопластичный полимерный слой 4.

 

Процесс записи оптического сигнала происходит в несколько этапов:

 

1). С помощью короткого разряда поверхность термопластика равномерно заряжается, между термопластиком 4 и общим электродом 2 возникает электрическое поле.

2). Экспонирование – на элемент направляют записывающий световой поток, несущий информацию. На освещенных участках фотопроводящего слоя 3 значительно увеличивается проводимость, и носители заряда с электрода 2 устремляются к поверхности термопластика. Расстояние между объемными зарядами уменьшается и, следовательно, напряженность электрического поля возрастает. Таким образом, распределение интенсивности света (оптическое изображение) преобразуется в распределение заряда на слое термопластика.

 

3). Проявление. Среда быстро нагревается до температуры размягчения термопластика.Электрические силы вызывают деформацию слоя термопластика. В соответствии с распределением электрических зарядов образуется определенный рельеф, который повторяет исходное оптическое изображение.

 

4).Закрепление. При охлаждении термопластика рельеф фиксируется и может сохраняться весьма длительное время.

 

Стирание информации с фототермопластичного элемента осуществляется его нагревом до температуры, соответствующей размягчению термопластика. Поверхность термопластика выравнивается за счет поверхностного натяжения, и он оказывается пригодным для повторной записи. При толщине структуры 0,2 – 0,4 мкм чувствительность к записи составляет около 10^-4 дм/см², а разрешающая способность – до 2000 линий/мм.

 

 

Оптические диски.

 

С середины 80-х годов широко внедряются в практику оптические ЗУ, носителем информации в которых является оптический диск. На поверхности оптического диска сфокусированным лучом лазера оставляются метки микронных размеров. Обычно применяется полупроводниковый лазер, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. Мощность излучения лазера выбирается при записи такой, чтобы метка образовалась за десятки наносекунд. Этим достигается высокая скорость записи и отсутствие «размазывания» метки вдоль дорожки при вращении диска.

Важнейшей частью оптического диска является оптическая среда, покрывающая его поверхность. Разработано много различных сред и методов создания на них меток. Наиболее простой и распространенный метод записи – прожигание микроотверстий в тонкой пленке металла, обычно теллура. В месте фокусировки луча лазера пленка металла локально разогревается до плавления и в ней образуется сквозное отверстие. Толщина пленки около 0,05 мкм, диаметр получаемого в ней отверстия около 0,5 мкм. Наличие или отсутствие в данное точке носителя прожженного участка эквивалентно двоичной «1» или «0». По диску-оригиналу может исполняться матрица и с ее помощью тиражируются диски-копии.

При считывании информации на диск направляется луч того же лазера, но ослабленного по мощности настолько, что она не вызывает разрушения среды. Этот луч, «ощупывая» вращающийся диск, по-разному отражается от меток и промежутка между ними. В результате отраженный луч оказывается промодулированным по амплитуде. Оптическая система направляет этот луч на фотоприемник, в котором световые «вспышки» преобразуются в электрические сигналы.

Оптические диски характеризуются высокой плотностью записи. Минимальный размер выжигаемой метки близок к длине волны l лазерного излучения. Это значит, что площадь метки не может быть меньшеl². А плотность записи определяется величиной, обратной этой площади, т.е. 1/ l², что для полупроводникового лазера дает, например,1,5 × 10⁸бит/см². Это разумеется, теоретически, а на практике плотность записи достигает 2 × 10⁷бит/см². Линейная плотность записи вдоль дорожки около 10⁴бит/см. Число дорожек велико, поперечная плотность записи достигает 650 дорожек/мм. Например, стеклянный диск с металлическим покрытием, выпускаемый фирмой «HitachiLtd» (Япония) имеет 41300 дорожек и только на одной лишь стороне можно записать 1310Мбайт информации, что примерно соответствует 700 000 страниц текста формата А4. В накопителях может одновременно использоваться до 100 оптических дисков, и емкость таких накопителей превышает 10¹³бит информации. Такая память весьма перспективна для хранения больших массивов информации и в наиболее полной мере удовлетворяет требованиям архивности. Основной недостаток таких ЗУ – большое время поиска информации на оптическом диске из-за невозможности достижения высокой скорости перемещения сравнительно массивной оптической головки для записи и считывания при большой поперечной плотности дорожек. Точность позиционирования оптической головки должна быть не менее 0,1 мкм.

Повышенный интерес вызывают у пользователей диски с возможностью перезаписи информации. Проблема реверсивности носителя, т.е. его пригодности для многократной перезаписи информации, возникла с самого начала появления оптических дисковых накопителей и остается по сей день. Применяются оптические диски, в которых при записи лазерным лучом материал из кристаллического состояния с высоким коэффициентом отражения переходит в аморфное состояние с низким коэффициентом отражения. В процессе стирания – обратный переход. Допускается до 1 млн. циклов перезаписи. Разработаны и внедряются в практику реверсивные оптические диски, в которых при записи и считывании информации используются магнитооптические явления.

 

 

Голографические устройства.

Голографическая память основывается на записи интерференционной картины образованной в результате сложения световой волны, отраженной от объекта или прошедшей через него (объектной волны), и когерентной волны, идущей непосредственно от источника света (опорной волны).Если зафиксированную картину (голограмму) затем осветить тем же опорным источником, расположенном относительно нее точно такжекак и при записи, то в результате взаимодействия опорной волны с голограммой в пространстве образуется волна, восстанавливающая изображение объекта. Для этого световые потоки обязательно должны быть когерентными (две волны называются когерентными, если разность их фаз является постоянной или они имеют одинаковую частоту). Голограмма в отличие от фотографического снимка, фиксирует не только распределение амплитуд, но и распределение фаз объектной волны относительно опорной. Информация о соотношении фаз объектной и опорной волн отражается рисунком и частотой картины, а об амплитуде - ее контрастом. При помощи голограммы, таким образом, восстанавливается амплитуд но-фазовое распределение волнового поля, т.е. создается копия объектной волны, а не только светоконтрастная характеристика объекта, как при обычном фотографировании. Этим объясняется чрезвычайно высокая информационная емкость голографического способа записи информации.

Часто голограммы регистрируют на фотопластинках. Рассмотрим наиболее простой для понимания случай записи и восстановления плоскойсветовой волны. Пусть на фотопластинку ФП под углом Өпадает плоская объектная волна S₁:

 

,где

А – амплитуда;

ω – круговая частота;

φ₁ – фаза;

t – время.

 

Колебание S₁ вызовет равномерное почернение фотопластинки, плотность которого пропорциональна интенсивности колебания, т.е. квадрату амплитуды А².Направим на фотопластинку опорную плоскую волну S₂ той же частоты с амплитудой В и фазойS₂:

Так как колебания S₁ и S₂ когерентны, то складываясь и интерферируя, они образуют результирующее колебание S с амплитудойС, которая создает в плоскости фотопластинки сложный волновой узор. Плотность почернения фото слоя в каждой точке в этом случае будет пропорциональна интенсивности результирующего колебания I≈C². Определим эту интенсивность. Очевидно что:

 

S = S₁+S₂=Acos (ωt – φ₁) + Bcos (ωt –φ₂) =

=Acosωtcosφ₁ + Asinωtsinφ₁ + Bcosωtcosφ₂ + Bsinωtsinφ₂ =

= (A sin φ₁ + B sin φ₂) sin ωt + (A cosφ₁ + B cos φ₂) cosωt.

 

Суммы в скобках представляют собой гармонические колебания, которые можно представить следующими соотношениями:

A sin φ₁ + B sin φ₂ = C sin Ө

A cos φ₁ + B cos φ₂ = C cos Ө (*)

 

Тогда уравнение результирующего колебания примет вид:

S = C∙cos (ωt – Ө)

 

Обе части соотношений (*) возведет в квадрат и сложим их почленно:

 

A² sin² φ₁ + 2AB sin φ₁ sin φ₂ + B² sin ²φ₂ =C²sin² Ө

+

A² cоs² φ₁ + 2AB cos φ₁cos φ₂+ B² cos²φ₂ =C²cos² Ө

A² + 2 AB (sin φ₁ sin₂+ cos φ₁cos φ₂) + B² = C²

 

Следовательно, интенсивность будет равна:

I ≈C² = A² + 2ABcos (φ₁ – φ₂) + B² =A² + 2ABcosᴪ+B²

где ᴪ=φ₁ – φ₂ – разность фаз складывающихся колебаний.

 

Из полученного выражения видно, что интенсивность Ι результирующего колебания максимальна при ᴪ=2 n и минимальна при ᴪ=(2n + 1) где n=0,1,2,…. Экспонируя и проявляя фотопластинку, мы фиксируем картину объектного и опорного колебаний, т.е.получаем голограмму.

Интенсивность в максимумах интерференционной картины равна:

Imax ≈(A+B)²

а в минимумах:

Imin ≈(A – B)²

Так что если амплитуда опорной волны В известна, то из соотношения

легко определить амплитуду объектной волны А. В максимумах интерференционной картины cos (l₁-l₂)=1,поэтому l₁-l₂=2Пn и если известна фаза опорной волны l*, то можно определить фазу l₁ объектной волны. Это доказывает то, что голограмма содержит всю информацию об амплитуде и фазе объектной волны.

В выражении для интенсивности два члена А² и В² описывают колебания, обуславливающие равномерное почернение всей фотопластинки, а третий член 2АВcosᴪ описывает колебание, обуславливающее почернение, которое изменяется по косинусоидальному закону (см. рис.). Таким образом, зафиксированная на фотопластинке голограмма представляет собой решетку с косинусоидальным распределением пропускания. Полосы в этой решетке ориентированы перпендикулярно плоскости рисунка.

Для восстановления изображения направим на голограмму по пути опорного колебания S₂ пучок света с плоским волновым фронтом L:

 

 

Вследствие дифракции восстанавливающей волны на записанной интерференционной картине за голограммой возникает световое поле, образуемое тремя колебаниями:

1) ослабленной восстанавливающей волной(дифракционный максимум нулевого порядка);

2) плоской волной, распространяющейся под углом Ө к горизонтальной оси Z (дифракционный максимум плюс первого порядка);

3) плоской волной, распространяющейся под углом – Ө к оси Z (максимум минус первого порядка).

Дифракционные максимумы более высоких порядков не возникают вследствие того, что пропускание голограммы изменяется по гармоническому закону.

Второе колебание (дифракционный максимум плюс первого порядка)является точной копией объектной волны, дает действительное изображения объекта.А третье колебание (дифракционный максимум минус первого порядка) дает мнимое изображение, полностью подобное объекту.

Применяемые для записи голограмм фотопластинки обычно содержат специальные серебряно-галоидные фотоэмульсии позволяющие записывать до 5000 линий/мм. Широко используются и другие материалы, например, фототермопластинки, фотохромные, магнитооптические и др. Важнейшее требование, предъявляемое к ним – высокая разрешающая способность.

Голограмма обеспечивает очень высокую плотность записи информации, что связано с малой длиной волны света λ. Лазерный луч обычно имеет гауссовское (нормальное) распределение энергии, в результате диаметрсфокусированного пятна равен:

где f – фокусное расстояние фокусирующей линзы;

D – диаметр гауссова пучка в плоскости линзы (если линза освещена полностью, тоD – диаметр линзы)

Число 1,27 относится к случаю, когда нет дифрагирования лучей.

Линзы с F = 1 (микрообъективы) позволяют получать диаметр пятна в фокальной точке к длине волны излучения. Следовательно, для волн видимого диапазона принципиальный предел плотности записи достигает величины , что дает при λ=0,63 мкм плотность 10⁸ бит/см².

Плотность записи информации может быть увеличена за счет многократного наложения голограмм. На одной пластине (друг от друга)можно записать большое число голограмм при использовании различно направленных опорных пучков. Ясно, что для считывания той или инойинформации надо лишь обеспечить соответствующую ориентацию голограммы относительно считывающего пучка.

Возможна также объемная многослойная запись. При трехмерном способе записи голограмма представляет собой не плоскую картину интерференционных полос, а объемную структуру, повторяющую пространственную картину интерференцииобъектной и опорной волн. Привосстановлении изображения объемная голограмма действует подобнотрехмерной дифракционной решетке. Отражение света от интерферекционныхслоев (брэгговское) происходит только при выполнения условия, аналогичного условию Брэгга-Вульфа:

,

гдеd – расстояние между соседними слоями;

Ө – угол между падающим светом и плоскостью слоёв.

Таким образом,трехмерная голограмма обладает спектральной избирательностью (селективностью), т.е. для восстановления изображения можно применять источники со сплошным спектром, например лампу накаливания, солнце. При этом голограмма ''выберет '' излучение той длины волны, которая использовалась при записи. Двумерные голограммы не обладают спектральной селективностью и восстанавливаемое изображение окажется размытым. Свойство трехмерных голограмм воспроизводить спектральный состав записывающего излучения позволяет значительно увеличить информационную емкость за счет записи в одной и той же области регистрирующей среди множества изображений, используя каждый раз излучение с разной длиной волны. Нужное изображение может быть считано независимо, для чего его нужно восстанавливать излучением соответствующей длины волны. Причем, при считывании трехмерная голограмма дает только одно изображение, тогда как двухмерная голограмма дает еще и мнимое изображение, что несколько усложняет считывание информации.

Объемная голографическая запись использует весь объем носителя, а не тонкий слой поверхности (как в случае обычной оптической или магнитной памяти). При этом объемная плотность записи информации может превышать величину бит/см³скорость ввода информации с голограмм – несколько Гбит/сек.

Другим важным преимуществом голограмм являются их избыточность. Поскольку при записи свет от каждой точки объекта падает на всю поверхность голограммы, каждый малый ее участок способен восстановить изображение объекта, хотя и с меньшим соотношением сигнал/шум и с потерей разрешения мелких деталей. Это делает голограмму нечувствительной к микродефектам: пятна,пылинки,царапины и т.п. Количественную характеристику, отражающую способность голограмм трансформировать волну в восстановленное изображение, называют дифракционной эффективностью и определяют как отношение мощности светового потока в восстановленном изображении к мощности светового потока в восстанавливающей волне.

Голографический принцип позволяет полностью реализовать преимущества, связанные с возможностью параллельного доступа. Информация организуется в блоки (страницы) емкостью по 10⁴ – 10⁶ бит каждый, и таким образом можно сразу осуществлять параллельную передачу целого блока, а следовательно, получить высокую скорость передачи данных. Например, при фактической скорости выборки 10⁶ страниц/сек. и емкости 10⁵ бит информации на страницу скорость передачи данных составит 10¹¹ бит/сек.

Еще одна особенность – возможность записи информации непосредственно в аналоговой форме, что отличает голографические ЗУ от всех других видов запоминающих устройств с хранением символов двоичного кода. Причем имеется возможность деформации изображения. Пусть при записи использовался луч с длиной волныλ и объект находится на расстоянииα от голограмм. Если при считывании использовать свет сдлиной волны λ', то изображение будет формироваться на расстоянии α' от голограмм, равном:

При использовании с другой длиной волны возникают продольные искажения изображения: при λ' <λоно ''вытянуто'' в направлении от голограммы к наблюдателю, а при λ' >λ – ''сжато''. Если при считывании использовать расходующуюся сферическую волну, то получим увеличенное изображение объекта. При использовании сходящейся сферической волны можно получить уменьшенное изображение объекта,однако качество восстанавливаемого изображения при этом ухудшается из-за аберраций.

В ряде случаев голограмма объекта может быть получена расчетным путем, с помощью ЭВМ. Такие искусственно синтезированные голограммы называются цифровыми. Одно из достоинств синтезированных голограмм, которые в сущности объясняет необходимость их создания вообще, состоит в том, что позволяют имитировать волны оптических объектов физически не существующих.

Быстродействия ЭВМ бывает недостаточно для расчета голограммы, полностью идентичной обычной, получаемой голографированием. В связи с этим, часто рассчитывают более простые голограммы, не содержащие информацию о полутонах объекта, и записывают их на носителях, которые физически могут приобретать только два различных состояния. Такие голограммы называют бинарными или двоичными. Двоичные голограммы весьма целесообразны при записи больших массивов данных, кроме того они позволяют получать более яркое воспроизведение объекта. Важно и то, что воспроизведение с двоичных голограмм отличается не только большой чувствительностью, но и меньше подвержено мешающему влиянию шума от рассеяния света, вызываемого неоднородностью носителя записи или его поверхности.

Голограмма совершенно неразборчива, на просвет кажется почти прозрачной, с нее можно получить контактный отпечаток-копию.

 

 

Тепловые источники света.

 

Это источники электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом за счёт повышения его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры тела. С её повышением возрастает общая энергия теплового излучения, а максимум перемещается в область меньших длин волн. Мощность излучения, испускаемого нагретым телом, равна:

 

,

где Ϭ = 5,67 ∙ 10^-8 – постоянная Стефана-Больцмана,

ξ – излучательная способность тела. У реальных тел ξ< 1, а у так называемых абсолютно чёрного тела ξ = 1.

S – площадь излучающей поверхности;

T – температуратела.

 

В качестве тепловых источников света широко используются лампы накаливания, они удобны в эксплуатации и дёшевы. Имеют широкий спектр излучения, который в основном лежит в инфракрасной области (0,4 – 4 мкм). Однако они сравнительно инерционны, не могут работать на частотах выше 20 Гц, временная стабильность параметров низкая, плохо сочетаются с транзисторами и интегральными схемами. В лампах накаливания достигаются высокие уровни освещённости, например, миниатюрная лампочка НСМ-9 при токе порядка 25 мА на расстоянии 1мм создаёт освещённость порядка 10³лк, что вполне достаточно для нормальной работы практически всех фотоприёмников.

Наряду с обычными лампами накаливания применяются специальные лампы, у которых тело накала выполнено в виде плоской ленты и имеется окно из специального (увиолевого) стекла прозрачного в ультрафиолетовой области спектра, или из сапфира, прозрачного в ближней инфракрасной области спектра. Для увеличения светоотдачи и срока службы колбы некоторых ламп накаливания заполняют парами галогенов (пары йода или различных соединений бора). Такие галогенные лампы накаливания могут работать длительное время при более высоких температурах нити накала.

 

 

Светодиоды.

 

Если приложить к p – n переходу прямое напряжение, через него начинают двигаться основные носители – электроны из n – области и дырки из p – области.

 

 

Попав в область перехода (заштрихована), эти носители становятся не основными и рекомбинируют с основными носителями. Процесс рекомбинации означает переход электронов с более высоких энергетических уровней зоны проводимости на более низкие энергетические уровни валентной зоны. Такие переходы сопровождаются выделением квантов света, т.е. фотонов.

Это явление, называемое излучательной рекомбинацией, лежит в основе работы светодиода. Энергия выделяющихся фотонов почти равна ширине запрещённой зоны ΔW, т.е.

 

подставляя в это выражение значение постояннойПланка

 

h = 6,63∙ Дж ∙ с

 

и скорость света

 

а также помня, что один электрон-вольт равен 1,6 Дж, определит ширину запрещённой зоны ΔW в электрон-вольтах, необходимую для получения излучения с длиной волны λ в микрометрах:

Из этого выражения следует, что для получения видимого излучения с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь ΔW>1,7 эВ.

Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещённой зоны слишком мала. Светодиоды изготавливаются главным образом из фосфида галлия GaP и карбида кремния SiC, а также из некоторых тройных соединений – галлия, алюминия, мышьяка и фосфора GaAlAs или галлия, мышьяка и фосфора GaAsP.

Перспективен для изготовления светодиодов нитрид галлия GaN, который имеет большую ширину запрещённой зоны (ΔW=3,4 эВ), и поэтому энергия квантов света, возник