Г. П. Катыс

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Под редакцией
академика Б. Н. ПЕТРОВА

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1973
К29

УДК 681.327.11/17:535.8

Катыс Г. П. Оптико-электронные системы обработки и ин-
формации. М. «Машиностроение», 1973, 448 с.

Книга посвящена рассмотрению методов оптико-электрон-
ной обработки информации и принципов построения соответ-
ствующих систем. В ней описаны методы голографии, методы
ассоциативности и методы оптимального поиска информации.
Изложены общие принципы голографии, рассмотрены возмож-
ности создания голографических запоминающих и распознаю-
щих систем. Проанализированы потенциальные возможности
таких систем и указаны перспективы развития. Приведены ме-
тоды ассоциативного распределения и выборки информации,
их классификация и указаны области оптимального примене-
ния. Обсуждаются возможности и перспективы использования
методов оптимального просмотра информативных пространств
и поверхностей.

В книге изложены технические основы построения оптико-
электронных информационных систем: квантово-механических
генераторов; волоконно-оптических, электролюминесцентных и
полупроводниковых элементов. Описаны принципы действия
и основные характеристики таких элементов, указаны области
применения и перечислены решаемые с их помощью функцио-
нальные задачи.

В книге уделено внимание оптико-электронным системам
обработки информации: приводятся материалы по оптическим
вычислительным машинам, оптико-электронным системам, осу-
ществляющим слежение за одиночными и комплексными объ-
ектами, оптико-электронным обзорно-поисковым системам
и т. д.

Книга предназначена для инженерно-технических работни-
ков и научных сотрудников, работающих в области оптико-
электронной обработки информации.

Табл. 1. Ил. 264. Список лит. 155 назв.

Рецензент д-р техн, наук проф. Л. П. Лазарев

3-3-13

320-73
ВВЕДЕНИЕ

В последнее время существенно возросли потоки
информации в различных областях науки и техники. Это вызы-
вает необходимость создания методов и систем обработки
информации, обладающих новыми качественными показателями
как по пропускной способности, так и по динамическим харак-
теристикам. Для решения таких задач могут быть использованы
оптико-электронные методы обработки информации. Методы
и системы оптико-электронной обработки информации приобре-
тают в связи с этим особую актуальность, поскольку они пред-
лагают наиболее радикальное решение вопросов, связанных
с преодолением трудностей дальнейшего увеличения быстро-
действия, точности и надежности таких систем. Общее развитие
области оптико-электронной обработки информации происходит
по трем направлениям: разрабатываются принципиально новые
методологические основы построения информационных систем;
технические основы построения оптико-электронных систем;
разрабатываются и создаются собственно оптико-электронные
системы обработки информации.

С достаточной уверенностью можно предполагать, что буду-
щие оптико-электронные системы в основном должны базиро-
ваться на голографических методах обработки информации, на
методах ассоциативности при распределении и выработке инфор-
маций и на методах оптимального обзора информативных
областей. Голографические методы позволяют обрабатывать
информацию, используя новые принципы. Методы голографии
решают проблему так называемого полного измерения, которое
в оптическом диапазоне волн сводится к задаче одновременной
регистрации амплитудной и фазовой информации о световой
волне, распространяющейся от предмета. На основе использова-
ния свойств голограмм могут быть созданы высоконадежные
вычислительные, запоминающие и распознающие системы, а так-
же системы трехразмерного представления информации.

Использование принципов ассоциативности позволяет созда-
вать оптико-электронные вычислительные, запоминающие и рас-
познающие системы, обладающие принципиально новыми
возможностями как по пропускной способности, так и по быстро-
действию.

Разработка методов оптимального обзора при поиске в ин-
формативном пространстве (или плоскости) объектов, обладаю-
щих заданными характеристиками, имеет большое значение для
ряда классов оптико-электронных информационных систем. За-
метим, что, используя различные стратегии осмотра информа-
тивных пространств, можно получить существенно отличные
результаты поиска, причем наилучшей результативностью будет
обладать такой процесс поиска, в котором максимально учиты-
ваются априорные сведения о просматриваемом пространстве.

В настоящее время разработан широкий ряд элементных
решений, на основе использования которых могут быть созданы
высоко эффективные оптико-электронные системы обработки
информации. К весьма перспективным элементам оптико-элек-
тронных систем могут быть отнесены квантово-механические ге-
нераторы, волоконно-оптические элементы, электролюминесцент-
ные устройства, а также полупроводниковые микроэлектронные
и интегральные схемы.

Сейчас уже очевидно, что нельзя рассчитывать на сущест-
венный прогресс в области информационной техники, если пред-
полагать применение только «традиционных» оптико-электрон-
ных элементов. Поэтому особую актуальность приобретает раз-
работка новых оптико-электронных элементов, основанных на
использовании новых физических явлений и новейшей техно-
логии.

Непрерывно происходит совершенствование оптико-электрон-
ных информационных систем, которое связано с постоянным
повышением требований к расширению диапазона функциональ-
ных возможностей таких систем, к повышению быстродействия,
надежности и т. д. В ряде случаев выполнение этих требований
не может быть обеспечено существующими методами, и тогда
ставятся задачи разработки принципиально новых решений.
В связи с этим особую актуальность приобретают исследования,
целью которых является создание новых методов и принципов
построения оптико-электронных информационных систем. По-
видимому, в ближайшем будущем не представляется возможным
создать полностью оптические информационно-вычислительные
системы, в которых световые излучения одновременно будут
являться носителями информации и будут выполнять функции
управляющих сигналов. Наиболее перспективным является путь
создания информационных систем на основе сочетания принци-
пов оптики и электроники. Существенные успехи, достигнутые
4
в области исследования квантово-механических генераторов,
электролюминесцентных, фотоэлектронных и волоконно-оптиче-
ских элементов, а также электроники, физики твердого тела
и полупроводниковой техники, создали техническую базу для
бурного развития этого направления информационной тех-
ники.

При создании оптико-электронных информационных систем
всесторонне используются новейшие методические приемы обра-
ботки информации, разработанные в отрасли науки, которую
сейчас принято называть «информатикой». В принципах построе-
ния таких систем используются новейшие методы многорежим-
ного поиска с переключением траекторий, методы рационального
и в ряде случаев оптимального просмотра пространства при
сборе информации, принципы ассоциативности, принципы голо-
графической обработки информации и др.

Таким образом, основной базой при создании оптико-элек-
тронных информационных систем являются, во-первых, новейшие
методические приемы и принципы оптимальной переработки
потоков информации и, во-вторых, новейшие технические сред-
ства, позволяющие осуществить эти принципы. Только обобщен-
ное, единое рассмотрение этих двух составляющих позволяет
создавать оригинальные и перспективные решения.

В последнее время оптико-электронные методы обработки
информации получают признание. Имеется ряд областей обра-
ботки информации, в которых методы эти обладают полной мо-
нополией. Это — оптимальный поиск информации в двумерном
и трехмерном пространстве, обработка визуальной информации
при ее дистанционной передаче из труднодоступных пространств,
слежение за объектами, обход знаков по контуру при счи-
тывании, различные двумерные преобразования изображения
и др.

Во многих областях оптико-электронные методы обработки
информации могут быть использованы наравне со старыми —
«классическими» методами, но при этом они обладают опреде-
ленными преимуществами. С уверенностью можно утверждать,
что с усовершенствованием технологии изготовления оптико-
электронных элементов новые методы в ряде конкретных случаев
найдут широкое применение, например, в оптико-электронных
запоминающих и распознающих системах, в оптико-электронных
системах, предназначенных для контроля ряда технологических
и физических параметров (скоростей, уровней, расстояний
и т. д.), а также в некоторых оптико-электронных вычислитель-
ных системах и устройствах.

Основное преимущество оптико-электронных информацион-
ных систем перед системами других классов заключается в том,
что световдй луч в отличие от потока электронов может нести
информацию как об амплитуде, так и о фазе, кроме того, свето-
вой луч является двумерным.
Перспективность использования оптико-электронных принци-
пов в вычислительной технике определяется также тем обстоя-
тельством, что связь между отдельными элементами в этих
системах осуществляется с помощью потоков фотонов. Этим
достигается большая эффективность развязки отдельных элемен-
тов схемы.

Необходимо отметить, что в основе работы квантово-механи-
ческих логических и запоминающих элементов лежит свойство
дискретности, вытекающее из законов квантовой механики. Для
представления информации в двоичной системе исчисления
могут быть использованы основной (0) и возбужденный (1)
энергетические уровни квантовой системы. При этом запись
и считывание информации, требующие перехода частиц из одного
состояния в другое, могут осуществляться с помощью внешнего
электромагнитного возбуждения. В области физики полупровод-
ников существует немало квантовомеханических явлений и эф-
фектов, пригодных для построения логических запоминающих
и распознающих устройств. К таким эффектам может быть
отнесен, например, эффект окрашивания кристаллов, используе-
мый в оптико-электронных запоминающих системах.

Развитию оптико-электронной вычислительной техники
существенно способствовала интенсивная разработка средств
управления оптическим излучением. В настоящее время создан
арсенал разнообразных устройств, предназначенных для модуля-
ции световых потоков, управления пространственным положени-
ем, генерации и усиления оптических сигналов, а также логи-
ческой обработки.

Большую группу среди оптико-электронных информационных
систем занимают следящие системы (время-импульсные, час-
тотные, фазовые и амплитудные). Оптические следящие системы
в последнее время получают все большее распространение
в различных областях техники: при вводе данных в ЭВМ, при
управлении различными объектами и аппаратами, при обработке
результатов научных экспериментов, при автоматизации многих
технологических процессов и т. д.

Для получения информации о положении излучающего
объекта в поле зрения оптической следящей системы приме-
няются разнообразные устройства: от наиболее простых, содер-
жащих несколько расположенных рядом фотоприемников,
разноеть засветки которых позволяет судить о смещении источ-
ника излучения, до достаточно сложных устройств, использую-
щих сканирующую технику и модуляционную обработку прини-
маемого сигнала.

При разработке позиционно-чувствительных устройств ис-
пользуются новые физические явления и эффекты, например,
продольный и магнитоконцентрационный эффекты в прлупровод-
нике, фотоэффект на границе полупроводниковых монокристал-
лов и др.
В течение длительного времени автором исследовались воз-
можные методы осуществления оптико-электронного слежения
за одиночными объектами, за групповыми объектами, а также
методы слежения за контуром объекта (знака). На основе раз-
работанных принципов был предложен и разработан ряд ориги-
нальных оптико-электронных следящих устройств, построенных
на базе полупроводниковой технологии, фотоэлектронных эле-
ментов и различных электронно-оптических эффектов.

Разнообразные задачи по обработке визуальной информации
решаются с помощью оптико-электронных обзорно-поисковых
систем и систем дистанционной передачи изображений. Для
обзора Пространства и анализа изображения используются раз-
нообразные методы, обладающие различными информацион-
ными возможностями. Вопрос выбора рационального метода
анализа изображения является весьма важным, так как он
в значительной степени определяет информационные возмож-
ности всей оптико-электронной системы. Весьма перспективными
являются новые методы и средства функционального преобразо-
вания информации, содержащейся в двумерном изображении.
Эти методы позволяют выделять наиболее существенную инфор-
мацию с ее классификацией и распознаванием.

При анализе и дистанционной передаче изображения часто
только часть элементов изображения заключает в себе всю
полезную информацию. В этом случае (если речь идет о системе
передачи изображения) не имеет смысла загружать канал связи
передачей заведомо ненужной информации. При анализе уже
полученного изображения, если требуется его классифицировать
или распознать, также необходимо провести такое преобразова-
ние изображения, которое отфильтрует всю ненужную инфор-
мацию.

Для осуществления этих операций разработан ряд методов
функционального преобразования изображения. Разработаны
следующие типы функциональных преобразований: выделение
изопараметрических линий, выделение зон изображения, пара-
метр в которых превышает заданный уровень, выделение зон
максимальной динамичности изменения параметра и др. Наибо-
лее сложным преобразованием изображения является приведе-
ние его к какому-то символу, соответствующему данному изо-
бражению в принятой классификации. Очевидно, что такое
преобразование приближается к операции распознавания
изображения.

Как известно, обзорно-поисковые оптико-электронные систе-
мы предназначены для поиска объектов в контролируемом
пространстве с определением их координат, и других характе-
ристик.

Необходимо отметить, что большинство обзорно-поис-
ковых оптико-электронных систем основано на использова-
нии сканирования. Поэтому весьма актуальными являются
исследования по определению оптимальных стратегий сканиро-
вания при поиске, обзоре и распознавании объектов, исходя из
их статистических и других свойств.

На основе использования специальных диссекторов, волокон-
ной оптики и полупроводниковой техники разработан ряд новых
информационных устройств, осуществляющих различные виды
нерегулярных (оптимальных) просмотров пространства. Исполь-
зование таких систем позволяет осуществлять поиск объектов,
расположенных на контролируемом поле, за меньший промежу-
ток времени и с большей вероятностью обнаружения, чем в слу-
чае регулярного просмотра, например, построчного.
Часть I

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РЕАЛИЗАЦИИ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМ

Раздел 1. Принципы построения систем оптико-электронной
обработки информации

Глава 1. Получение, обработка и представление информации в оптико*
электронных системах

Глава 2 Голографическая обработка информации

Глава 3. Ассоциативная выборка информации

Глава 4. Способы двумерного сканирования

Раздел 2. Технические основы построения оптико-электронных
систем

Глава 1. Оптические квантовые генераторы

Глава 2. Волоконная и интегральная оптика

Глава 3. Электролюминесцентные устройства

Глава 4. Полупроводниковые оптико-электронные устройства
Раздел 1

Принципы построения
систем
оптико-электронной
обработки информации

Глава 1. ПОЛУЧЕНИЕ, ОБРАБОТКА

И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
В ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

В последние годы на стыке оптики и электроники
возникло новое направление в области средств обработки инфор-
мации— оптоэлектроника. Оптоэлектроникой называют раздел
радиоэлектроники, основанный на комплексном применении
оптических и электрических средств обработки информации.
Основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования
электрических сигналов в световые и световых сигналов в элек-
трические. Интенсивное развитие оптоэлектроники началось
после создания когерентных источников излучения, ряда высоко-
качественных фотоприемников (диодов на арсениде галия, крем-
ниевых фотодиодов и фототриодов), электролюминесцентных
и волоконных преобразователей и других элементов.

Оптоэлектроника обладает двумя специфическими свойства-
ми, которые обусловливают ее широкие возможности. Так,
в отличие от электрического сигнала световой сигнал обладает
двумя пространственными измерениями и поэтому может быть
промодулирован не только во времени, но и в пространстве.
Вследствие этого оптический луч представляет собой в информа-
ционном отношении систему, состоящую из большого числа взаи-
мосвязанных параллельных каналов.

Другим специфическим свойством оптоэлектроники является
бесконтактность оптических связей. Это свойство обеспечивает
ряд преимуществ оптико-электронным системам, так как бескон-
тактная оптическая связь обеспечивает эффективную электриче-
скую развязку, не требует механических контактов, не вносит
частотных ограничений и тем самым не препятствует дальнейшей
микроминиатюризации аппаратуры,
ю
В оптико-электронных информационных системах использу-
ются как некогерентные, так и когерентные световые потоки.

О некогерентном излучении известны только некоторые
статистические характеристики: энергия, или яркость, поляриза-
ция, спектральный состав. В произвольно выбранной плоскости
сечения оптического тракта можно увидеть лишь расплывчатое
пятно с почти равномерным распределением освещенности. Лин-
за способна «отсортировать» эти перемешивающиеся друг с дру-
гом световые волны и воссоздать изображение объекта, по
крайней мере, в одной плоскости.

О когерентном излучении известны все основные физические
характеристики. Временная фаза в оптической области спектра
неизвестна, так как она не поддается измерению, однако можно
определить относительную фазу волн. Это позволяет восстано-
вить по любому поперечному сечению оптического тракта полную
картину волн и подвергнуть ее преобразованиям, неосуществи-
мым в случае некогерентного света.

Широкое распространение начинают получать такие классы
оптико-электронных систем, как вычислительные, обзорно-поис-
ковые, следящие, навигационные и ориентационные системы;
распознающие и запоминающие, а также системы отображения
и передачи информации.

Кратко рассмотрим возможности и перспективы развития пе-
речисленных классов оптико-электронных систем. Как уже было
отмечено, принципы оптоэлектроники находят применение в раз-
личных вычислительных устройствах и системах. Предложено
большое число вычислительных устройств различных принципов
действия, основанных на использовании оптико-электронных
элементов.

В оптоэлектронике существует несколько направлений, важ-
ных с точки зрения создания оптико-электронных вычислитель-
ных устройств и систем. К ним относятся:

а)	оптические методы обработки и хранения информации,
использующие активные лазерные волокна с оптической накач-
кой, явления переключения света в световодах, взаимодействие
лазеров волоконных световодов и др.;

б)	оптоэлектронные явления, т. е. использование для целей
обработки информации преобразования электрических сигналов
в оптические и обратно;

в)	акустоэлектронные явления, т. е. преобразование электри-
ческих сигналов в акустические и обратно, в ряде случаев с уси-
лением и с полезной задержкой во времени; сюда же следует
включить акустооптоэлектронные явления, поскольку звуковые
сигналы могут эффективно преобразовываться в оптические
сигналы;

г)	магнитооптические явления, т. е. влияние магнитного поля
на оптические сигналы, что используется, в частности, в системах
памяти.
При использовании оптических методов обработки информа-
ции в вычислительных устройствах возникает ряд существенных
преимуществ.

Относительно большая функциональная нагрузка световых
пучков: для передачи информации могут использоваться изме-
нения спектрального состава, направления распространения,
интенсивности поляризации, фазы.

Одностороннее распространение сигналов (от источника света
к приемнику), наличие отражений световых пучков во многих
случаях несущественно.

Логические функции могут выполняться при минимальном
числе вспомогательных элементов. При этом имеется возмож-
ность создания большого числа схемных конфигураций.

Высокая частота колебаний световых волн, широкая полоса
пропускания, высокая скорость передачи сигналов.

Каждый канал связи можно использовать для передачи мно-
гих сигналов, и каналы можно изолировать друг от друга.

Возможность создания систем, в которых практически пол-
ностью отсутствуют электрические цепи и свободные носители
тока.

Возможность осуществления высокой гибкости перестройки
логических функций устройства.

Возможность гальванической развязки электрических цепей
с помощью световых пучков при сохранении функциональной
связи цепей.

Увеличение надежности за счет сокращения числа межсоеди-
нений (световые пучки вместо электрических контактов).

Чисто оптические методы создания вычислительных устройств
могут основываться на использовании квантовых «нейристорных»
активных линий с оптической накачкой на стекловолокне с при-
месью активных ионов. Другие направления являются комплекс-
ными и могут быть названы оптоэлектронными, поскольку
наряду со световыми пучками используются также электронные
явления. На основе таких направлений могут быть созданы сле-
дующие устройства:

1)	устройства, содержащие полупроводниковые инжекцион-
ные лазеры на основе р — n-переходов в GaAs, GaP, GaP — InP
в качестве источников света. Использование явления гашения
лазера светом другого лазера создает возможность построения
оптических триггеров — основной двоичной логической ячейки.

2)	устройство типа «электролюминесценция — фотопроводи-
мость», основанные на некогерентном излучении. На основе си-
стем этого типа создано большое число логических и других
схем, убедительно демонстрирующих преимущества принципов
оптоэлектроники.

3)	устройства, основанные на управлении световыми пучка-
ми, создаваемыми специальными (когерентными или некоге-
рентными) источниками света.
Рис. 1. Методы управления свето-
выми пучками:

1 — электрооптические эффекты; 2 —
эффект Франца — Келдыша, 3 — по-
глощение света на свободных носите-
лях тока; 4 — ультразвуковые методы;
5 — методы отклонения и переключе-
ние световых пучков; 6 — индуциро-
ванные фазовые переходы в сегнето-
электриках; 7 — электроотражение
света; 8 — интерференционные методы;

9 — магнитооптические эффекты; 10 —
эффект Гена; // - температурные
методы

Остановимся несколько более подробно на рассмотрении по-
следнего направления.

Возможность управления световыми пучками с помощью
электрических и магнитных полей (эффекты Керра, Поккельса,
Фарадея), а также с помощью звуковых волн известна давно.
Однако только сравнительно недавно они стали использоваться
в информационных устройствах.

Необходимо отметить, что с точки зрения задач оптоэлектро-
ники важно существенно повысить эффективность управления
световыми пучками. Анализ показывает, что представляется воз-
можным, во-первых, повысить эффективность вышеуказанных
классических эффектов, а во-вторых, использовать для управле-
ния светом целый ряд новых физических явлений и новых
приемов.

На рис. 1 представлены различные методы управления свето-
выми пучками. Кратко рассмотрим эти методы [35].

К электрооптическим эффектам могут быть отнесены извест-
ные фазополяризационные эффекты Керра (квадратичный эф-
фект) и Поккельса (линейный эффект). Поперечный эффект
Поккельса проявляется на р — ^-переходах в полупроводнико-
вых кристаллах GaP и GaAs.

К значительному усилению эффекта приводит использование
сегнетоэлектриков. Например, в случае поперечного эффекта
Керра для BaTiO3 при Т Ткюри для получения 100%-ной мо-
дуляции света требуются напряжения порядка 100 в. Если на
кристалл наложить постоянное смещение,. то необходимые зна-
чения напряжений можно уменьшить до десятков вольт.

По-видимому, перспективным является сочетание электрооп-
тического эффекта с полным внутренним отражением. В этом
<случае под действием поля изменяется коэффициент преломле-
ния внешней среды и, следовательно, изменяется критический
угол полного внутреннего отражения.

Как известно, эффект Франца — Келдыша заключается в сдви-
ге края основного поглощения в сторону длинных волн при нало-
жении электрического поля. Существенный интерес представляет
глубокая модуляция света на р — n-переходах в кристаллах
GeP, GaAs, в том числе «затягивание» светового пучка в область
р — n-перехода. Интересен также этот эффект, возникающий
в пленочных системах (например, на пленках аморфного селена).

Методы отклонения и переключения световых пучков играют
существенную роль в оптико-электронных информационных си-
стемах. Значительного развития достигли методы дискретного
отклонения луча, использующие электрический эффект в комби-
нации с естественным двулучепреломлением. На этом принципе
возможна разработка различных логических элементов, по-
скольку возможны только два строго фиксированных положения
светового пучка независимо от величины входного сигнала.

Из устройств непрерывного отклонения можно отметить
устройства, основанные на значительном изменении показателя
преломления в условиях эффекта Франца — Келдыша. Откло-
нение пучка может быть реализовано в системах, сочетающих
электрооптический эффект и полное внутреннее отражение.

Переключение световых пучков может быть также реализо-
вано в специальной волоконной системе. При длинах волн света,
сравнимых с диаметром световода, и расположении световодов
на расстоянии X энергия при соблюдении определенных условий
может периодически перекачиваться из одного световода в дру-
гой. Для регулирования пространственного периода перекачки
света достаточно небольшого изменения показателя преломления
промежуточной среды.

Ультразвуковые методы модуляции и дифракции света широ-
ко используют в различных оптико-электронных устройствах.
В устройствах для модуляции сочетаются материалы с высокой
пьезоконстантой для эффективного преобразования электриче-
ского сигнала в звуковой и материалы с высокой фотоупругостью
для эффективного преобразования звука в свет.

Эффект электроотражения света наряду с эффектом электро-
поглощения можно использовать в оптико-электронных системах
обработки информации. Электроотражение света от полупровод-
ников (Ge, Si, GaAs) внутри полосы поглощения выражается
в виде ряда узких спектральных пиков отражения, амплитуда
которых, а в некоторых случаях и длина волны изменяются при
наложении на полупроводник электрического поля. Существен-
ный интерес представляет эффект электроотражения от полупро-
водниковых сегнетоэлектриков, сопровождающийся спектраль-
ным сдвигом пиков отраженного света [35].

Эффект индуцирования фазовых переходов в сегнетоэлектри-
ках можно использовать для модуляции световых потоков. При
14
фазовых переходах меняются оптические константы сегнетоэлек-
триков, поэтому, индуцируя фазовый переход, например,
электрическим полем, можно осуществлять модуляцию света.
Для изменения оптических свойств можно также использовать
перестройку доменов во внешнем поле.

Эффект поглощения света на свободных носителях тока мож-
но использовать для высокоэффективной модуляции света.
Инжекция или экстракция носителей в р — ^-переходах также
позволяет осуществить модуляцию инфракрасных излучений.

Интерференционные методы достаточно широко используют
в системах оптико-электронной обработки информации. Чув-
ствительные интерференционные системы позволяют в принципе
усиливать различные оптико-электронные эффекты (электроопти-
ческий эффект, эффект Франца — Келдыша, фотоупругость
и др.). Многослойные интерференционные пленочные системы
обладают возможностью резкого изменения фазы отраженного
от них света при крайне малом изменении оптических парамет-
ров пленок (например, изменение толщины порядка 1 А приводит
к изменению фазы на 120—180°). Очевидно, что интерференци-
онные элементы снижают полосу пропускания оптцко-электрон-
ных систем.

На основе всевозможных оптико-электронных эффектов раз-
работан ряд оптронных элементов, позволяющих осуществлять
различные операции переработки.

Как известно, простейшим оптроном, или оптронной парой,
называют систему из светоизлучателя и фотоприемника, свя-
занных между собой оптически и электрически. Наличие в таких
устройствах не только электрических, но и оптических связей
значительно расширяет их функциональные возможности. Это
относится как к простейшему одноэлементному, так и к много-
элементным оптронам.

В качестве излучателей в оптронах используются электролю-
минесцентные ячейки, инжекционные светодиоды и лазеры.
Фотоприемниками служат фоторезисторы, фотодиоды, фототри-
оды и другие элементы. Передача оптических сигналов может
осуществляться по световодам, при этом характер и последова-
тельность межкомпонентных связей в оптронных элементах мо-
гут быть весьма разнообразными.

С появлением когерентных излучателей значительно расши-
рились возможности построения вычислительных систем этого
класса. Создан арсенал оптико-электронных логических уст-
ройств, позволяющих выполнять различные логические и вычис-
лительные операции с большей скоростью и точностью, чем это
осуществляется с помощью электронных средств.

На основе оптико-электронных эффектов разработаны раз-
личные запоминающие устройства с произвольным порядком
выборки массивов информации. Одним из явлений, положенных
в основу работы таких устройств, является магнитооптический
эффект Фарадея, заключающийся во вращении плоскости поля-
ризации излучения при прохождении его через оптическую среду
при наличии магнитного поля. Скорость, разрешающая способ-
ность и устойчивость подобной записи зависят от свойств
материала и характеристик используемого лазерною луча.

Широкие возможности для запоминания больших объемов
оптической информации открывает голография. Как известно,
голограмма представляет собой фотографическую запись про-
странственного преобразования Фурье изображения объекта при
наличии когерентной дополнительной подсветки. В запоминаю-
щих устройствах этого класса путем запоминания голографиче-
ских изображений объектов удается получить весьма высокую
плотность записи данных.

Весьма важной операцией является считывание графической
информации и ее ввод в ЭВМ. Эта операция выполняется
с помощью различных считывающих оптико-электронных уст-
ройств, которые в ряде случаев осуществляют также некоторые
функции распознавания. В последнее время интенсивно разра-
батываются считывающие устройства, основанные на использо-
вании различных новых полупроводниковых элементов, а также
новых типов электронно-лучевых трубок.

Среди оптико-электронных систем отдельный класс состав-
ляют так называемые распознающие (и читающие) системы.
Здесь необходимо отметить, что проблема распознавания опти-
ческих образов является одной из актуальнейших проблем
информационной техники и наилучшим образом она решается
с помощью оптико-электронных систем.

Следует напомнить, что задачи распознавания возникают
в различных областях техники и научных исследований, в том
числе при считывании графической информации, чтении текста,
распознавании формы, текстуры и цвета объектов.

Разработан ряд методов выделения и распознавания инфор-
мативных признаков, используемых в оптико-электронных рас-
познающих системах. Некоторые из этих методов основаны на
поиске информативных фрагментов изображения. Необходимо
отметить, что во многих случаях процесс распознавания орга-
нически связан с процессом осмотра распознаваемого объекта,
причем выбранная последовательность осмотра изображения
и подробность осмотра различных его участков в значительной
степени определяет общее время, требуемое на распознавание,
а также надежность распознавания и другие характеристики.

Как правило, значительная часть изображения объекта не
несет в себе существенных отличительных признаков и поэтому
может не приниматься во внимание при распознавании. В то же
время некоторые участки изображения объектов являются ин-
формационноемкими — имеют большую концентрацию отличи-
тельных признаков, имеющих определяющее значение при
16
распознавании. Отсюда следует, что участки изображения
первого типа можно просматривать бегло (или вообще не про-
сматривать), а участки изображения второго типа нужно про-
сматривать с максимально возможной подробностью. Такое
исполнение распознающей системы позволит значительно упро-
стить процесс распознавания, потому что в распознающий блок
будет поступать информация о наиболее существенных отличи-
тельных признаках. Это позволяет применить более простые
и более надежные аппаратурные решения.

Предпринимаются попытки создания распознающих уст-
ройств, осуществляющих оптимальную последовательность
просмотра распознаваемых образов. Так, в США разработано
оптико-электронное устройство ввода информации в вычисли-
тельную машину, осуществляющее многоэтапный просмотр изо-
бражения. В устройстве используется передающая трубка, по-
добная диссектору. Входные данные попадают в машину в ре-
зультате непосредственного обзора соответствующего материала.
С помощью самоустанавливающейся развертки устройство оты-
скивает какую-либо существенную часть изображения, фиксиру-
ет на ней внимание, а затем по командам ЭВМ перемещается
на другие участки изображения.

Использование в этой области голографических способов
обработки информации позволяет создавать новые высокоинфор-
мативные системы, предназначенные как для распознавания
образов, так и для различного преобразования и кодирования
информации. Информационная емкость высокоразрешающих
эмульсий, используемых в голографии, столь велика, что в пре-
делах небольшой пластинки (например, размером 50 X 50 мм)
может поместиться много тысяч голограмм, соответствующих
буквам алфавита в разнообразных вариантах их начертания.
Надежность распознавания можно существенно повысить, если
изготовить и включить в систему не только голограммы самих
букв, но и голограммы-дискриминаторы, т. е. растры, формирую-
щие (в комбинации с соответствующей логической схемой)
решения типа X или У, X, а не У и т. д.

Голографические методы могут использоваться также для
опознания заданного образа в составе сложной фоновой кар-
тины. Если такой образ окажется где-то в пределах анализируе-
мой картины, то в плоскости изображения появится четкое мар-
керное пятно. Единственным недостатком этого метода является
его инвариантность лишь к сдвигу, но не к размерам и угловому
смещению, и поэтому нужна довольно длительная процедура
поиска, если интересующий нас образ имеет произвольную ори-
ентацию или если величина его отличается от ожидаемой.

Обширный класс читающих и распознающих систем основан
на применении следящих разверток для анализа контуров изо-
бражений. В таких системах используются различные типы
следящих устройств, осуществляющих отслеживание контуров

2 Заказ 375	17
объектов и определяющих направление последовательности уча-
стков контура. Это позволяет получить комплексную информа-
цию, достаточную для опознавания объекта.

Большое распространение получили оптико-электронные сле-
дящие устройства и системы, фиксирующие смещение источника
излучения относительно оптической оси устройства. Такие систе-
мы выполняют различные функциональные задачи и применяют-
ся для слежения за одиночными объектами в системах наведения,
самонаведения и сопровождения; слежения за положением ком-
плекса взаимосвязанных объектов в системах ориентации и на-
вигации; для ввода графической информации в вычислительные
машины; слежения за контуром объекта и для других целей.

В ряде следящих устройств выделение сигнала рассогласова-
ния осуществляется с помощью специальных перемещений опти-
ческого изображения источника относительно оптической оси
следящей системы. Для определения этого сигнала используются
различные типы отслеживающих разверток в комплексе с раз-
личными формами сканирующего пятна. В связи с широкой
областью применения оптических следящих систем к элементам
таких систем предъявляются разнообразные требования.

В последнее время предложен и разработан богатый арсенал
следящих устройств различных классов: оптико-механических,
фотоэлектронных, полупроводниковых, электрооптических и пр.
Наиболее перспективными из всех перечисленных классов яв-
ляются фотоэлектронные и полупроводниковые.

В качестве чувствительных элементов следящих систем
большое распространение получили различного рода передаю-
щие телевизионные трубки и, в частности, диссекторы. Интерес
к использованию диссекторов в следящих устройствах объясня-
ется сравнительной легкостью формирования различных раз-
верток, а также тем, что сканирующее отверстие в диафрагме
диссектора может быть выполнено произвольной формы, что по-
зволяет во многих случаях создавать весьма простые системы
слежения. Разработан ряд следящих систем, имеющих различ-
ные траектории сканирования и различную форму и размер
отверстия в диафрагме диссектора.

К фотоэлектронным позиционно-чувствительным устройствам,
обладающим высокими техническими характеристиками, отно-
сится также квадрантный фотоумножитель, т. е. фотоумножи-
тель, фотокатод которого разделен на четыре сектора и имеет
четыре канала умножения фотоэлектронов. Величина сигналов
от каждой из секций такого фотоумножителя зависит от поло-
жения светового пятна относительно центра фотокатода.

Большой интерес представляют полупроводниковые позици-
онно-чувствительные элементы. Отличительной особенностью
этого класса элементов является их малая энергоемкость, малые
габариты, высокая крутизна пеленгационной характеристики.
Разработан квадрантный фотодиод, устройство которого подобно
18
устройству рассмотренного выше квадрантного фотоумножителя.
Интересные возможности создания позиционно-чувствительных
элементов открываются при использовании бикристаллических
полупроводниковых элементов, полупроводниковых триодов и
полупроводниковых элементов с несколькими выпрямляющими
контактами.

Весьма перспективно использование в следящих устройствах
эффекта бокового фототока в полупроводниках, который позво-
ляет определять величину и направление смещения светового
пятна относительно оптической оси системы. Разновидностью
позиционно-чувствительных полупроводниковых элементов яв-
ляется устройство,. использующее магнитоконцентрационный
эффект в полупроводниках.

Оптико-электронные устройства, осуществляющие автомати-
ческий обзор и поиск в оптическом диапазоне с целью получе-
ния информации о расположенных в пространстве объектах
и происходящих в нем событиях, представляют существенный
интерес для ряда областей промышленности и новой техники.
Системы этого класса могут быть разделены на две группы:
обзорные системы, основной из функций которых является пере-
дача изображения просматриваемой поверхности, и поисковые,
системы, назначением которых является поиск объектов (целей)
на поле, имеющем достаточно малый фон. В таких системах
в отличие от систем, предназначенных для передачи изображе-
ния, может осуществляться как регулярный (последовательный)
просмотр поля, так и любой тип нерегулярного (непоследователь-
ного) просмотра, включая дискретный и случайный, а также про-
смотр по самоустанавливающейся программе [49—52].

В обзорных системах могут применяться методы непосред-
ственного получения видеосигнала при осмотре изображения
и методы, основанные на запоминании изображения с последую-
щим его считыванием. К последним относятся, например, фото-
телевизионные системы.

Рассмотрим подробнее методы непосредственной передачи
видеосигнала. К ним относятся:

1)	бескадровый непрерывно-построчный метод, при котором
в качестве одного из движений просмотра используется движение
контролируемого поля относительно информационной системы
или наоборот, а построчный просмотр осуществляется в перпен-
дикулярном направлении;

2)	покадровый метод, при котором осуществляется много-
кратный просмотр одного и того же участка поверхности или
пространства, расположенного внутри кадра, по какой-либо
регулярной траектории, причем дополнительного перемещения
системы не требуется;

3)	автономный метод, при котором сканирующее пятно может
совершать любые перемещения непрерывные или дискретные по
контролируемой поверхности (с ограничением по кадру или без
2*	19
такого ограничения). В этом случае возможна любая последо-
вательность и подробность просмотра различных участков
поверхности.

Оптимальный режим поиска представляет собой обзор про-
странства или плоскости в определенной последовательности
и с заданной подробностью осмотра. Оптимальные режимы про-
смотра при поиске объектов могут определяться на основе
статистических и других свойств полей. В ряде работ получены
закономерности, позволяющие определять оптимальное распре-
деление ограниченного количества поисковых усилий, исходя из
минимизации (или максимизации) заранее выбранных крите-
риев. В качестве критериев оптимальности, например, могут
использоваться минимум времени обнаружения объекта, мини-
мум общих затрат на поиск объектов, максимум вероятности
обнаружения объекта и др. Часто при этом накладываются ог-
раничения на габаритные размеры, вес, потребление энергии
и другие параметры систем.

Возможность создания систем этого класса с оптимальными
характеристиками в значительной степени зависит от априорных
сведений о контролируемом пространстве. Использование апри-
орных сведений позволяет найти наилучшее в определенном
смысле распределение усилий осмотра по сканируемой поверх-
ности. При этом выбор оптимального распределения усилий
осмотра (или поисковых усилий) должен решаться с учетом воз-
можности его аппаратурной реализации на основе существующих
технических средств.

В тех случаях, когда предварительных сведений о контроли-
руемом поле недостаточно для того, чтобы определить оптималь-
ный режим просмотра, может быть использован метод автомати-
ческой подстройки параметров системы, при которой восприятие
информации является наилучшим в определенном смысле. На ос-
нове подобных принципов могут быть созданы самонастраиваю-
щиеся и адаптивные обзорно-поисковые системы.

Как уже было отмечено, системы обзора пространства
в большинстве случаев действуют с воспроизведением изобра-
жения. При этом они могут трансформировать спектральный
диапазон контролируемого изображения, выделять контуры,
усиливать контрастность, увеличивать или уменьшать масштабы
просматриваемого участка изображения, а также осуществлять
любой тип функционального преобразования изображения.

Наряду с такими системами существует также класс обзор-
ных систем, осуществляющих анализ «визуальной» информации,
заключенной в изображении, без воспроизведения последнего.
Такие обзорные системы характеризуются автоматической обра-
боткой сигнала, в результате которой из него извлекаются наи-
более существенные признаки и свойства и изображение уже не
восстанавливается в первоначальной форме. Системы этого
класса можно разделить на две группы: а) системы, которые
20
используются для автоматического измерения координат объек-
тов, для измерения распределения различных физических вели-
чин в пространстве, а также для счета каких-либо частиц и дета-
лей; б) системы, входящие в состав аппаратуры, осуществляю-
щей автоматическое распознавание изображений. Такие системы
производят выделение тех или иных характерных признаков,
знание которых позволяет электронно-вычислительным устрой-
ствам решать задачу автоматического определения типа
объекта.

Развертка изображения во временную последовательность
электрических сигналов (в видеосигнал) широко применяется
также в системах промышленной автоматики, при вводе инфор-
мации в ЭВМ, при исследовании явлений, непосредственное на-
блюдение которых невозможно или затруднено.

Для развертки изображения используются, как правило,
вакуумные передающие трубки. Из-за ряда существенных недо-
статков они ставят предел комплексной миниатюризации радио-
электронной аппаратуры. В связи с этим к настоящему времени
появился ряд поисковых работ в области создания твердотельных
фотоэлектрических преобразователей изображения в видеосиг-
нал. Разработка таких преобразователей идет по пути создания
сложных микросхем интегрального и функционального типов,
в которых твердотельное сканирование заменяет электронно-
лучевое считывание потенциального рельефа изображения. Уже
разработаны твердотельные датчики видеосигнала с одностроч-
ным разложением (сканисторы) и растровые преобразователи
матричного типа. Разработано и предложено большое число
устройств разложения как с совмещенными записью и считыва-
нием, так и с промежуточным хранением информации.

Однако широкое применение твердотельных фотоэлектриче-
ских преобразователей изображения сдерживается тем, что пока
не выявлены предельные возможности таких преобразователей
и нет оценки достижимых параметров разложения изображения.
Это в значительной мере сдерживает развитие микроминиатюри-
зации радиоэлектронной аппаратуры преобразования и передачи
оптических изображений, расширение областей применения
твердотельных способов развертки и оставляет открытой про-
блему выбора рациональных путей создания твердотельных
датчиков видеосигнала при решении конкретных технических
задач.

В твердотельных датчиках видеосигнала для развертки изо-
бражения используется проводящий канал, формируемый с по-
мощью физических явлений в полупроводниках и диэлектриках.

Для формирования проводящего сканирующего канала ис-
пользуются следующие физические явления:

1.	Фотопроводимость под действием сканирующего оптиче-
ского луча при образовании потенциального рельефа изображе-
ния в фотопроводящем слое и в слое фотоэлектрета.
2.	Эффект поля в тонкопленочных полевых триодах под дей-
ствием электрических тактовых импульсов.

3.	Изменение концентрации носителей заряда в полупровод-
никах под действием давления в упругом импульсе.

4.	Отрицательное сопротивление в полупроводниках, приво-
дящее к распространению нейристорного импульса в полупровод-
никовой модели нервного волокна.

Рельеф зарядов, возникающий в процессе преобразования
и отражающий распределение светового потока изображения,
может сохраняться и при отсутствии напряжения питания, если
будет создана устойчивая внутренняя поляризация. Для хране-
ния информации при этом используется рельеф сегнетоэлектри-
ческой поляризации и фотоэлектретной поляризации.

Наиболее широко ведутся разработки по созданию твердо-
тельных фотоэлектронных преобразователей изображения мат-
ричного типа как на основе пленочных фотосопротивлений, так
и на основе интегральных фотодиодов и фототриодов.

Основу действия твердотельных преобразователей изображе-
ний составляет коммутация элементов разложения изображения,
заключающаяся в создании сканирующего проводящего канала
с помощью физических явлений в твердом теле. Преобразование
изображения в видеосигнал с помощью таких устройств можно
разделить на четыре этапа:

1.	Образование рельефа проводимости, отражающего рас-
пределение светового потока в преобразуемом изображении.

2.	Доком мутационное усилие (формирование потенциального
рельефа изображения).

3.	Процесс коммутации.

4.	Детектирование.

Длительность процесса формирования рельефа проводимости
определяется инерционностью фотопроводимости приемника изо-
бражения.

В процессе докоммутационного усиления заряды стекают
с емкостей элементов преобразователя под действием локальной
освещенности. В результате вдоль фотопроводящего слоя обра-
зуется рельеф зарядов (потенциальный рельеф изображения).
В отличие от вакуумных трубок в таких устройствах фотопрово-
дящий слой (приемник изображения) контактирует не с ваку-
умом, а с полупроводниковым коммутационным слоем (как
правило, более высокоомным). Поэтому при формировании по-
тенциального рельефа стекание зарядов с емкости элемента
фотопроводящего приемника изображения происходит не только
через его внутреннее сопротивление, но и через сопротивление
коммутационного слоя. Поэтому на оптимальное время форми-
рования рельефа влияет емкость прилегающего коммутацион-
ного слоя.

При коммутации происходит формирование проводящего
канала в полупроводнике с помощью физического явления, по-
22
ложенного в основу твердотельного сканирования. Через этот
канал протекает ток заряда емкости приемного фотопроводящего
слоя, который на нагрузочном сопротивлении резистора выделяет
напряжение видеосигнала.

Необходимо отметить, что при разработке матричных фото-
электрических преобразователей информации могут быть широ-
ко использованы методы микроэлектроники, а также методы
разработки интегральных электронных схем и методы так назы-
ваемой интегральной оптики.

Микроминиатюризация является естественной и единственной
возможностью создания эффективно действующей электронной
аппаратуры, содержащей очень большое число элементов. Быст-
родействие сложных информационных систем также тесно связа-
но с микроминиатюризацией. Уменьшение размеров, с одной
стороны, увеличивает быстродействие за счет уменьшения вре-
мени распространения сигналов, но, с другой стороны, быстро-
действие может снижаться вследствие необходимого уменьшения
уровня потребляемой мощности и ухудшения рабочих характе-
ристик элементов. Однако высокого быстродействия можно до-
стигнуть при параллельной работе большого числа систем.

Микроэлектроника и, в частности, оптическая микроэлектро-
ника становится одним из важных разделов оптоэлектроники
и основным средством создания сложных систем оптико-элек-
тронной обработки информации. К настоящему времени в инте-
гральной электронике наметились два технологических направ-
ления: полупроводниковые интегральные схемы и пленочные
интегральные схемы. Между этими двумя направлениями рас-
полагаются некоторые гибридные модификации.

Создание интегральных схем на одной монокристаллической
полупроводниковой пластине является естественным развитием
хорошо разработанных технологических принципов создания
полупроводниковых приборов. В этом главное преимущество
первого направления.

Функциональные возможности полупроводниковых интеграль-
ных схем достаточно широки: кроме усилителей (планарных
диффузионных транзисторов или МОП — транзисторов), на
пластине могут быть созданы фотосопротивления, емкости, фо-
тодиоды, многослойные элементы и структуры. Второе направ-
ление основывается на наращивании тонкопленочных компонент
интегральной схемы на изолирующей подложке.

Рост твердой фазы одного вещества на подложке из друго-
го — очень сложный процесс, зависящий от большого числа
параметров. На процесс роста пленки оказывают влияние струк-
турные свойства подложки (монокристалл, поликристаллическая
керамика, аморфное вещество), ее температура, состояние ее
поверхности; свойства осаждаемого вещества; метод осаждения;
скорость потока осаждаемого материала и др. Однако пленочная
интегральная технология позволяет в ряде случаев получать
большее, сравнительно с полупроводниковой схемой, число
элементов на одной интегральной плате.

При этом открываются возможности создания многослойных
оптико-электронных интегральных схем.

Разработка различных матричных анализаторов и преобразо-
вателей изображения на основе методов интегральной элек-
троники и интегральной оптики открывает новые перспективы
в области создания оптико-электронных систем обработки боль-
ших информационных потоков.

Существует ряд задач, при решении которых необходимо пе-
редавать визуальную информацию с обзорно-поисковых систем
по телеметрическим каналам. В этих случаях важную роль иг-
рает совершенство систем обработки, передачи, хранения и ин-
дикации собранной информации. При отсутствии достаточной
гибкости и оперативности перечисленных систем все усилия по
получению информации с помощью рассмотренных обзорно-
поисковых систем могут оказаться малорезультативными.

Основные исследования в области обзорно-поисковых теле-
метрических систем ведутся в направлении увеличения точности,
уменьшения полосы частот, требуемой для передачи данных,
снижения габаритных размеров и веса аппаратуры, увеличения
ее информационной емкости, выходной мощности передатчика и
надежности всей аппаратуры.

Разработаны методы снижения избыточности информации за
счет сжатия спектра сообщения, основанные на использовании
особенностей графической информации. Один из этих методов
позволяет снизить величину произведения времени передачи на
полосу частот, требуемую для передачи информации, представ-
ляющей собой графические рисунки различной сложности (от
простого штрихового чертежа до высококачественной фотогра-
фии). Сканирующее устройство, размещенное на входе передат-
чика, преобразует оригинал, подлежащий передаче, в видеосиг-
нал, обрабатываемый шифратором. Последний снижает избыточ-
ность видеосигнала, соответствующего передаваемому изобра-
жению, используя специальную методику. Шифратор определяет
резкие и постепенные изменения яркости оригинала. В тех слу-
чаях, когда яркость всех элементов площадки изображения,
состоящего из 5 X 5 элементов, примерно одинакова, значение
яркости такой площадки передается по линии передачи данных
как один элемент. При этом величина произведения времени
передачи на полосу частот сокращается в десятки раз.

Передача только существенной информации снижает требо-
вание к телеметрической системе, а также облегчает последую-
щую обработку и индикацию данных.

Необходимо отметить, что весьма важным процессом в ис-
пользовании информации, полученной с помощью обзорно-
поисковых систем, является рациональная организация систем
регистрации и представления информации.
Большое внимание уделяется созданию высокоэффективных
оптико-электронных систем отображения информации о состоя-
нии сложных комплексов. Такие системы используются в каче-
стве средств, обеспечивающих оператору необходимую визуаль-
ную информацию для принятия правильных решений. Современ-
ные системы этого класса представляют собой достаточно слож-
ные устройства, воспроизводящие в динамике разнообразные
визуальные ситуации как промышленно-экономического, так
и научно-технического содержания.

Потребность в таких системах постоянно возрастает и круг
их применений непрерывно расширяется, так как по мере раз-
вития техники продолжают усложняться условия, влияющие на
рациональность принятия тех или иных ответственных решений.
Это приводит к необходимости обеспечивания все более деталь-
ного контроля и анализа складывающейся обстановки и соответ-
ственно к детальному визуальному представлению результатов
такого анализа. В таких системах часть потока информации, не
представляющая особой ценности, поступает на информационное
табло в ограниченном объеме, а остальной поток предварительно
обрабатывается и затем в преобразованном виде представляется
с помощью оптико-электронных систем.

Системы отображения информации строятся на основе
использования различных типов и классов воспроизводящих
электроннолучевых трубок, электролюминесцентных, фотохром-
ных и других панелей. При этом используются как двумерные,
так и трехмерные индикационные системы с различными оптико-
электронными запоминающими устройствами.

Запись оптической информации может быть осуществлена
различными способами. Одни из них: фото- и киносъемка, опти-
ческая запись и запись видеосигнала на магнитную ленту — уже
эффективно используются, другие: запись информации на термо-
пластическую ленту, электростатическая регистрация изображе-
ния — находятся в стадии экспериментальной доработки. Каж-
дый из этих способов имеет свои положительные стороны
и недостатки.

Среди разнообразных методов запоминания видеоинформа-
ции наибольшее распространение получил подробно описанный
в литературе метод записи изображений на ферромагнитную
ленту.

Основная трудность, связанная с записью и воспроизве-
дением видеоинформации, возникает из-за широкого спектра
частот, занимаемого телевизионным сигналом, что требует
большой скорости протягивания ленты. Для уменьшения скоро-
сти перемещения в некоторых случаях сигналы изображения
записывают вдоль ленты на параллельные дорожки, для чего
используют несколько записывающих головок; иногда применяют
несколько вращающихся головок; ведут запись по ширине (по-
перек) ленты.
Кратко рассмотрим особенности записи информации на
термопластическую ленту. Для записи в большинстве случаев
используют электронный луч, который обегает поверхность
пленки в соответствии с принятым порядком развертки изобра-
жения и создает на пленке потенциальный рельеф, величина
которого пропорциональна величине поступающих сигналов изо-
бражения. Таким образом, под действием электронного луча на
поверхности пленки происходит перераспределение зарядов,
соответствующее характеру записываемой информации.

После облучения электронным лучом пленка подвергается
нагреву. При дальнейшем движении ленты деформированный
жидкий (проявленный) участок пленки охлаждается, затверде-
вает и деформированная поверхность пленки оказывается как бы
замороженной. Процесс проявления, включающий создание
и закрепление деформации, занимает не более 0,01 сек. При раз-
вертке всего кадра изображения на поверхности пленки обра-
зуется ряд канавок, их глубина определяется уровнем записан-
ных сигналов.

Воспроизведение записи осуществляется с помощью специаль-
ной оптической системы. Стирание записи выполняется нагрева-
нием ленты до температуры, превышающей температуру
плавления термопластика.

Наряду с черно-белым изображением на термопластической
ленте могут быть также записаны сигналы цветного изображе-
ния, а также информация в цифровой форме. Аналоговые и циф-
ровые данные могут записываться на термопластической ленте
с высокой плотностью.

Г л а в а 2. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГОЛОГРАФИИ

Методы голографии начинают широко приме-
няться при обработке информации в оптико-электронных систе-
мах. Среди возможных применений голографии можно отметить
следующие: запоминание информации; распознавание образов;
представление информации в трехмерном виде; измерение раз-
личных физических параметров и др. (30, 66, 71, 76, 94].

В голографии в основном используются безлинзовые способы
получения изображений предметов. Если классическая фото-
графия дает изображение предмета непосредственно, то голо-
графия является двухэтапным процессом. В голографии на
первом этапе регистрируется волна света, распространяющаяся
от предмета и несущая информацию о предмете. На втором этапе
волна рассеянного света восстанавливается, и это дает возмож-
26
ность увидеть подробное изображение предмета. В голографии
удается одновременно и в то же время раздельно зарегистриро-
вать как амплитудную, так и фазовую информацию, содержа-
щуюся в рассеянной волне света.

Весьма большой интерес представляют два основных свой-
ства голографии. Во-первых, голография решает проблему так
называемого полного измерения, которая в оптике сводится
к задаче одновременной регистрации амплитудной и фазовой
информации о световой волне, распространяющейся от предмета.
Во-вторых, двухэтапный характер голографии открывает воз-
можность апостериорной обработки информации, содержащейся
в рассеянной волне. Под этим подразумевается возможность
фокусировки, фильтрации, спектрального отбора, исправления
аберрации, используемой оптической системы и изменения точки
наблюдения.

Голографическая запись представляет собой регистрацию
распределения стоячих волн, возникающих при рассеянии излу-
чения данным объектом.

Получение голограммы можно рассматривать как модуляци-
онный процесс, в котором референтный (опорный) поток являет-
ся несущей волной, а отраженный от объекта (или прошедший
сквозь него) световой поток — модулирующим сигналом (рис. 2).
Можно рассматривать формирование голограммы как процесс,
осуществляющий запись амплитуды и фазы световой волны с по-
мощью референтной волны (127—141].

Отсутствие линз при голографировании позволяет избежать
формирования изображения и превращения его из объемного
в плоскую фотографию. В отличие от обычной фотографии на
голограмме записывается не двумерный вариант трехмерного
изображения, а оптическим кодом фиксируются волны отражен-
ного (или прошедшего) света.
Голограмма и изображение, которое на ней зафиксировано,
не имеют никакого сходства с объектом. Она получается в ре-
зультате интерференции излучения лазера, рассеянного объек-
том, и прямого излучения лазерного источника. При восстанов-
лении «записанного» изображения голограмма подсвечивается
тем же лазером, и в результате возникают два видимых изо-
бражения (действительное и мнимое) первоначального объекта.
При этом голограмма дает объемное изображение объекта, ко-
торое можно рассматривать под различными углами. Наблюде-
ние этих изображений эквивалентно наблюдению самого объекта.

Прежде чем переходить к анализу особенностей этих изобра-
жений, отметим одно из основных свойств самой голограммы.
Каждый участок голограммы содержит информацию о всем
объекте. Голограмму можно разделить на несколько участков
и каждый из них позволит воссоздать полное изображение
объекта. При этом ухудшается лишь качество изображения.
Таким образом, при голографировании информация о каждой
точке объекта распределяется по всей поверхности фоточувстви-
тельного слоя, в то время как при обычном фотографировании
она фиксируется на небольшом участке слоя. Этим определяется
высокая надежность хранения информации, записанной в виде
голограммы. Это свойство голограммы приводит к пренебрежи-
мо малым потерям информации в случае возникновения дефектов
и повреждений на голограммах.

Следует отметить, что в голографическом процессе негатив
в прямом понимании этого слова отсутствует. Если с проявленной
голограммы отпечатать позитив (например, контактным спосо-
бом), то с него можно получить такое же изображение, как
и с негатива. Объясняется это тем, что информация об объекте
в голограмме заключена в интервале между полосами и контра-
стах между ними, а в позитиве и негативе эти параметры оста-
ются неизменными.

Остановимся на некоторых особенностях получения гологра-
фических изображений. Рассмотрим голографирование простей-
шего объекта, представляющего собой четыре точки (рис. 3).
Интерференционная картина, которая фиксируется в этом случае,
содержит информацию о всех четырех точках. Если теперь
просветить голограмму опорным лучом, появятся два совер-
шенно идентичных изображения — мнимое и действительное,
причем они будут восприниматься наблюдателем как трехмер-
ные. При этом действительное изображение как бы «висит»
в воздухе перед голограммой, а мнимое изображение можно
видеть за голограммой, смотря в нее, как в окно (рис. 4).

Рассмотрим сначала мнимое изображение. Зрительное вос-
приятие этого изображения ничем не отличается от восприятия
исходного объекта. Например, при переносе взгляда с точки 2
на ♦точку 3 наблюдатель должен менять фокусировку глаз. Если
наблюдатель переменит место расположения, то меняется пер-
28
спектива изображения. Если сфотографировать мнимое изобра-
жение, то можно все особенности объекта зафиксировать на
снимке, который ничем не будет отличаться от снимка исходного
предмета.

Действительное изображение также трехмерное и обладает
всеми упомянутыми свойствами. Однако это изображение как
бы вывернуто по отношению к исходному предмету, т. е. точка 4
видна перед точкой 2, в то время как в действительности точка 4
находится за точкой 2. Действительное изображение также мож-
но сфотографировать или наблюдать на экране. Действительное
изображение отличается от любого изображения, которое может
быть получено с помощью линз и зеркал, тем, что на нем наблю-
дается инверсия размеров изображения в направлении, перпен-
дикулярном плоскости голограммы. Таким образом, можно
наблюдать, например, освещенную поверхность объекта как бы
изнутри.

Для визуальных наблюдений предпочтительнее мнимое изо-
бражение, что объясняется физиологической особенностью зре-
ния. При наблюдении действительного изображения возникают
некоторые трудности с координацией зрения, которые, однако,
вполне преодолимы.

Следует отметить, что как действительное, так и мнимое
изображения полностью свободны от аберраций только в том
случае, если опорный световой поток параллелен и падает на
голографическую пластину перпендикулярно ее плоскости.

Голограммы обладают интересным свойством — возможно-
стью съемки и наблюдения на разных длинах волн. При про-
свечивании голограммы можно изменить частоту опорной волны.
В этом случае также наблюдаются два изображения (действи-
тельное и мнимое) на разном расстоянии от голограммы.

Таким способом можно получить голограмму с помощью,
например, очень коротковолнового излучения (рентгеновского),
а наблюдать изображение в видимом свете. Это очень важно
в ряде технических применений. Большой практический интерес
представляет также случай, когда изображение объекта записы-
вается с помощью более длинноволнового излучения (в радио
или инфракрасном диапазонах), а просматривается в видимом
свете [127].

Следует иметь в виду, что во всех случаях, когда волны,
используемые при записи и воспроизведении изображений, раз-
личны, возникают искажения. При этом существенно будут
проявляться продольные искажения. Например, если гологра^мму
осветить излучением, длина волны которого заметно меньше, чем
длина волны излучений, используемых при съемке голограммы,
то изображение объекта «вытянется» в направлении от голограм-
мы к наблюдателю. Если длина волны излучения при наблюдении
изображения больше, чем при съемке, наблюдатель увидит
предмет несколько сжатым в указанном направлении.

Если голограмму освещать последовательно излучениями
различных длин волн видимого диапазона, то наблюдаемые
изображения будут иметь разные цвета. Однако эти изображения
будут расположены на различных расстояниях от голограммы
и поэтому изображения, воспроизводимые в разных спектрах, не
будут совмещены.

Цветное изображение предмета можно получить, если при
изготовлении голограммы использовать три монохроматических
лазера с излучениями разной длины волны. В этом случае голо-
грамма по внешнему виду не будет отличаться от обычной
черно-белой. Для восстановления изображения голограмма дол-
жна быть облучена теми же тремя лазерами. При этом возникает
девять мнимых и столько же действительных изображений,
поскольку каждый пучок будет взаимодействовать со всеми тре-
30
мя компонентами. Три изображения совпадут, воспроизводя
прежнюю многоцветную сцену. Остальные изображения (образо-
ванные, например, красным лучом на синей компоненте) будут
расположены под другим углом и в другом месте, не создавая
взаимных помех. Таким образом, с плоской черно-белой голо-
граммы можно получить объемное цветное изображение.

При просмотре голограмм можно изменять волновой фронт
опорной волны. Освещая, например, голограмму расходящей
сферической волной, можно наблюдать увеличенное изображение
предмета, расположенного на некотором расстоянии от голо-
граммы. Очевидно, что в случае применения сходящихся сфери-
ческих волн можно осуществлять уменьшение изображения
предметов.

Необходимо отметить, что на качество изображений, воспро-
изводимых по голограммам, существенно влияют как характе-
ристики применяемых оптических квантовых генераторов, так
и характеристики используемых фотоматериалов, на которых
формируются голограммы.

Важнейшими характеристиками квантовых генераторов (ла-
зеров) являются их временная и пространственная когерент-
ность. Временная когерентность излучения лазера определяется
шириной частотной генерации. Если спектр излучения широкий,
то на голограмме каждой длине волны будет соответствовать
свой интерференционный узор. При наложении узоров они соль-
ются, образуя однородный фон. Если спектр излучения лазера
узкий, то интерференционная картина получается четкой.

Когерентность ограничивает глубину снимаемой сцены. По-
этому для получения голограммы с большой глубиной изображе-
ния необходимо использовать лазеры с узким спектром
излучения.

Как правило, спектры излучения лазеров весьма сложны. Это
связано с тем, что геометрические размеры лазеров значительно
превышают длину волны, вследствие чего обычно генерируется
большое число линий, соответствующих различным резонансным
частотам лазера. Улучшение временной когерентности достигает-
ся выделением одного типа колебаний. Однако подавление
высших колебаний с целью выделения одного основного колеба-
ния является достаточно сложной проблемой. Селекция колеба-
ний осуществляется, как правило, введением дополнительных
элементов в резонатор, которые снижают его энергию излу-
чения.

Достигнуты некоторые успехи в направлении создания газо-
вых лазеров, излучающих один тип колебаний, что обеспечивает
высокую степень временной когерентности.

Вторая характеристика лазера — пространственная когерент-
ность— оценивается по интерференции между лучами света,
исходящими из различных участков волнового фронта. Про-
странственно-когерентное излучение — это излучение, волновые
фронты которого на всех частотах в пределах спектра излучения
совпадают между собой.

Пространственная когерентность излучения лазера ограни-
чивается возбуждением поперечных колебаний. Такие колебания
излучаются в нескольких направлениях, вследствие этого свето-
вой пучок расширяется, т. е. ухудшается направленность
излучения. В этом случае на фоточувствительном слое будут
фиксироваться интерференционные картины, создаваемые каж-
дой из поперечных волн, причем они будут смещены друг отно-
сительно друга. Создание лазеров, генерирующих излучение
с высокой пространственной когерентностью, является для голо-
графии особенно важной задачей.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к фотону в-
ствительным материалам, используемым при голографиро-
вании.

Качество интерференционной картины, возникающей при
взаимодействии волны, рассеянной объектом с опорной волной,
существенно зависит от свойств фоточувствительного слоя. При
этом естественно, что свойства фоточувствительного слоя будут
оказывать значительное воздействие и на качество изображений,
получаемых при просвечивании голограммы. Главным парамет-
ром фотоматериалов, определяющим яркость и четкость гологра-
фического изображения, является частотно-контрастная харак-
теристика. Эта характеристика определяет разрешающую спо-
собность, т. е. число интерференционных линий, которое можно
записать на единице длины. При голографировании объекта
желательно записать большое число интерференционных линий,
так как при этом качество изображения будет лучше.

Другим важным параметром фотоматериалов является
чувствительность, определяющая плотность световой энергии на
поверхности фоточувствительного слоя, которая необходима для
получения голограммы. Для получения голограммы можно ис-
пользовать пленку любой контрастности. Даже с высококонтраст-
ной пленки, пригодной лишь для репродуцирования чертежей,
можно воспроизвести все тона начального объекта, хотя голо-
грамму образуют лишь черно-белые пятна. Отсутствие серых
тонов влияет лишь на изображения второго порядка и выше и
почти не сказывается на изображениях первого порядка.

Для получения голограмм в подавляющем большинстве слу-
чаев используются фотоэмульсии. Однако использование их
связано с двумя отрицательными явлениями. Первое из них за-
ключается в зернистости структуры фотоэмульсий. Такая
структура фотоэмульсий приводит к тому, что на голограмме за-
писывается не непрерывное распределение яркости интерферен-
ционной картины, а лишь ее «отрывки». Кроме того, в процессе
съемки голограммы зерна эмульсии рассеивают часть падающего
на них света, в результате чего возрастает освещенность зерен,
находящихся в темных участках интерферограммы.
Зернистая структура оказывает существенное влияние на
качество изображения при просвечивании голограммы. Проходя
сквозь голограмму, свет рассеивается на проявленных зернах
и возникает световой фон, на котором наблюдается изображение.

Второй недостаток фотоэмульсий заключается в том, что
фотоэмульсии не допускают многократного применения и поэто-
му они не пригодны для целого ряда практических задач, когда
требуется стирать записанную информацию, производить пере-
запись и другие операции.

Среди материалов, которые допускают многократное приме-
нение, следует отметить термопластики и фототермопластики.
В этих материалах используются явления, связанные с появлени-
ем электрической проводимости материала при действии на него
лазерного луча и с образованием потенциального рельефа на
термопластическом слое, который может быть обнаружен при
нагреве. Указанные материалы не имеют зернистой структуры,
однако чувствительность и разрешающая способность их пока
невелики.

Перспективными материалами являются магнитные пленки
с мелкодоменной структурой. Исследования показали возмож-
ность создания светочувствительных слоев для голограмм на
основе магнитных пленок. Допуская быструю и многократную
перезапись, они пригодны для оперативной голографии.

Большой интерес для голографии представляют фотохромные
материалы, допускающие многократную запись и воспроизведе-
ние голограмм. Фотохромные материалы чувствительны к лазер-
ному излучению в ультрафиолетовом и в видимом диапазонах.
Записанную голограмму легко стереть инфракрасным облуче-
нием, после чего возможна запись новой голограммы. Эти
материалы не имеют дискретной структуры и обладают высокой
разрешающей способностью, однако чувствительность их пока
низкая.

СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГОЛОГРАММ

Разработано большое число различных схем получения голо-
грамм. Наиболее разработанными являются схемы получения
голограмм для диффузно рассеивающих объектов.

Уже отмечалось, что при гддографировании опорный луч
может быть параллельным, расходящимся или сходящимся.
Голограмма, получаемая в параллельном луче, когда расстояние
до объекта достаточно мало, называется голограммой Френеля.
Каждая точка объекта в этом случае отображается на голограм-
ме в виде сигнала переменной пространственной частоты,
которая определяется углом между опорной и сигнальной
волнами.

Одна из схем, предназначенных для получения голограмм
Френеля, представлена на рис. 5.

3 Заказ 375	33
В качестве делителя лазерного луча использовано много-
слойное диэлектрическое зеркало 2, коэффициент отражения
которого изменяется в широких пределах при изменении угла
падения луча. Необходимое соотношение между энергиями
опорного и сигнального лучей устанавливается поворотом свето-
делителя. Это позволяет избежать потерь, которые имеют место
при использовании ослабителей излучения.

Существуют еще два типа голограмм: голограмма Фраунго-
фера и голограмма Фурье.

В голографии Фурье к фотослою могут предъявляться мень-
шие требования по разрешающей способности. При этом опор-
ная волна имеет сферический фронт и создается точечным источ-
ником, который располагается перед светочувствительным слоем
на таком же расстоянии, что и объект. Здесь уже каждая точка
объекта отображается на голограмме в виде сигнала с постоян-
ной пространственной частотой, которая тем ниже, чем меньше
ее расстояние до источника опорной волны. В этом случае про-
межуток между интерференционными полосами для каждой
точки объекта не меняется в плоскости голограммы.

Указанная особенность голдграфии Фурье позволяет полу-
чить голограммы с фотоэмульсиями, имеющими сравнительно
невысокую разрешающую способность. Особенно удобен этот
метод для съемки небольших предметов, так как по мере уве-
личения расстояния между объектом и источником опорной вол-
ны увеличивается пространственная частота, а яркость изобра-
жения падает. Особенность процесса восстановления изображе-
ния заключается в том, что оба изображения (мнимое и действи-
тельное) располагаются в одной плоскости и наблюдаются
вместе с опорным лучом, который находится между ними. Эти
34
изображения одинаковы, но повернуты друг относительно друга
на 180°.

Если радиус кривизны сферического фронта опорной волны
постепенно увеличивать, т. е. приближать к случаю плоской
опорной волны, то одно из восстановленных изображений посте-
пенно становится менее четким (вследствие расфокусировки),
что соответствует переходу от голографии Фурье к голографии
Френеля.

В ряде случаев необходимо получать голограммы прозрачных
объектов, которые пропускают излучение лазера и не производят
его диффузного рассеивания. Подобные задачи, в частности, воз-
никают при записи информации с транспарантов. Такая запись
заключается в том, что луч лазера разделяется на два луча, как
показано на рис. 6, и на пути одного из лучей устанавливается
транспарант. Голограммы, полученные таким образом, а также
изображения объектов, полученные с помощью этих голограмм,
обладают рядом особенностей.

Следует отметить, что свет, проходящий сквозь транспарант,
распространяется по законам геометрической оптики и форми-
рует на голограмме изображение, близкое к теневому. В этом
случае при наблюдении восстановленного изображения необ-
ходимо смотреть строго вдоль луча, освещающего транспарант
при съемке голограммы, так как в противном случае яркость
изображения резко падает. Другая особенность заключается
в том, что в данном случае не наблюдается равномерного рас-
пределения рассеянного от объекта света по всей голограмме.
Вследствие этого удаление какого-либо участка голограммы
приводит к исчезновению соответствующего участка изображе-
ния, тогда как любой участок голограммы, построенной при
диффузно рассеивающем свете от объекта, может быть исполь-
зован для восстановления изображения всего объекта.

Для устранения этого недостатка в схеме, представленной
на рис. 6, между источником излучения и транспарантом уста-

35

З1
новлено матовое стекло. При этом расстояние между матовым
стеклом и транспарантом выбрано небольшим, так как после
матового стекла пучок света становится расходящимся и осве-
щенность транспаранта падает с увеличением этого расстояния.

Размещение матового стекла между источником света и голо-
графируемым объектом приводит к тому, что пучок теряет про-
странственную когерентность. Другими словами, направление
волнового вектора подчиняется случайному закону. Однако при
неподвижном матовом стекле пучок не теряет временной коге-
рентности. В отличие от некогерентного освещения в каждой
точке амплитуда и фаза всех приходящих волн не зависят от
времени. Таким образом, возможность интерференции сохра-
няется.

Для голограмм при диффузной подсветке характерно также
отсутствие какой-либо видимой глазу «грубой» структуры.
Дифракционные кольца и полосы почти неразличимы. Видна
лишь однородная зернистая структура, подобная зернам эмуль-
сионного слоя фотопленки. Внешне все голограммы похожи,
какие бы объекты ни были на них записаны.

На одну фотоэмульсию можно записать несколько различных
голограмм, а затем поочередно воспроизвести их. Наложение
изображений достигается двумя способами. Можно расположить
объекты в различных местах перед голограммой и одновременно
голографировать их одним опорным пучком того же лазера,
который освещает объекты. Этот метод назван когерентным
наложением, так как свет, рассеянный двумя объектами, коге-
рентен и может интерферировать.

Второй метод основан на использовании многократной экспо-
зиции. Объекты экспонируются по очереди, причем каждый раз
необходимо менять либо положение объекта в пространстве,
либо наклон опорного пучка, либо поворачивать саму голограм-
му. Тогда при воспроизведении изображения этих объектов
удается получать раздельно. Этот метод называется некоге-
рентным наложением. Эксперименты показали удовлетворитель-
ное качество изображений как при первом, так и при втором
методе. Восстановленные изображения не имеют никаких следов
перекрестной модуляции.

Как уже отмечалось, глубина объема предметов при гологра-
фировании определяется временной когерентностью излучений.
Существующие лазеры имеют такую временную когерентность,
что глубина объема предметов должна составлять несколько
десятков сантиметров. В тех случаях, когда требуется получить
голограмму сразу нескольких объектов, расположенных друг за
другом на большом расстоянии, необходимо использовать спе-
циальные схемы. В таких схемах сигнальный луч делится
с помощью системы полупрозрачных зеркал, и каждый из полу-
ченных лучей используется для освещения своей группы
объектов.
Ряд практических приложений голографии связан с необхо-
димостью проведения многократных операций с голограммами:
многократной повторной записью на один и тот же слой, считы-
ванием, стиранием, перезаписью и др. В этих случаях в качестве
материалов для голограмм могут использоваться фотохромные
материалы, термопластики, фототермопластики и магнитные
пленки мелкодоменной структуры.

Схемы голографирования, в которых используются такие
материалы, имеют дополнительные узлы, обеспечивающие осу-
ществление оперативного голографирования. Рассмотрим про-
цесс получения голограмм на фотохромной пленке (рис. 7). Луч
лазера делится, как обычно, но сигнальная волна проходит через
систему линз, которая вначале расширяет ее (это позволяет
осветить предмет, например, диапозитив больших размеров), а
затем фокусирует прошедший через диапозитив свет на фото-
хромной пленке. В установке есть источник ультрафиолетового
излучения, под действием которого фотохромная пленка предва-
рительно засвечивается (становится темной). При съемке голо-
граммы под действием лазерного излучения фотохромный мате-
риал отбеливается и появляется изображение.

Процесс голографирования и просмотра голограмм сводится
к следующему. Когда изображение достигает достаточной ярко-
сти, сигнальную волну перекрывают. При этом для наблюдения
изображения опорная волна продолжает «просвечивать» голо-
грамму, в результате этого яркость изображения непрерывно
изменяется. Для записи новой голограммы осуществляют
«стирание» фотохромной пластины.

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ И СЧИТЫВАНИЕ
ИНФОРМАЦИИ

Рассмотрим некоторые голографические системы записи и
хранения информации, которые позволяют резко повысить плот-
ность записи информации по сравнению с существующей в на-
стоящее время.
В связи с усложнением задач, решаемых вычислительными
машинами, задача увеличения объема запоминаемой информа-
ции становится чрезвычайно важной.

Как известно, в простейшей схеме оптической записи луч
лазера проходит через дефлектор и модулятор, а затем фокуси-
руется на поверхность светочувствительного материала. Инфор-
мация, которую необходимо записать, подается на модулятор
в виде управляющего напряжения и меняет степень ослабления
лазерного луча. Если запись ведется в двоичном коде, то моду-
лятор работает как выключатель и либо отпирает, либо запирает
лазерный канал. При открытом модуляторе на светочувствитель-
ном слое засвечивается небольшое пятно, диаметр которого
составляет несколько микрометров. Это позволяет получить
плотность записи около 107 — 108 двоичных единиц информации
на 1 см2 поверхности. Недостатком рассмотренных систем яв-
ляется не очень высокая надежность. Каждый элемент, содер-
жащий информацию, имеет площадь порядка нескольких квад-
ратных микрометров, причем увеличение плотности записи свя-
зано с уменьшением надежности хранения записанной информа-
ции. Вторым недостатком является отсутствие многоканальности,
что не позволяет увеличить быстродействие.

Указанные недостатки отсутствуют в рассматриваемых ниже
голографических запоминающих устройствах (ЗУ). В случае
использования голографии повышение плотности записи не
связано с уменьшением площади, занимаемой каждым элемен-
том памяти. Кроме того, поскольку каждый участок голограммы
содержит информацию о всем объекте, при голографическом ме-
тоде записи осуществляется своеобразное резервирование эле-
ментов. Такое резервирование является постоянным, т. е. не
требует никаких переключений при выходе из строя отдельных
элементов памяти и одновременно обладает преимуществами
скользящего резервирования: избыточность, содержащаяся в го-
лограмме, может быть использована для автоматического
замещения любых (не обязательна однотипных) элементов,
выходящих из строя в любом порядке.

При голографическом резервировании функции выходящих
из строя элементов памяти выполняются остающимися элемен-
тами, поэтому в течение определенного промежутка времени обе-
спечивается практически абсолютно надежное хранение инфор-
мации.

Большим достоинством голографического метода записи
является также многоканальность и возможность параллельного
осмотра всех ячеек памяти с целью поиска необходимой инфор-
мации.

Голографические принципы записи информации могут быть
использованы для создания двух типов ЗУ. В устройствах перво-
го типа выполняется последовательная запись всех запоминае-
мых чисел на одну и ту же голограмму. В устройствах второго
38
Рис. 9. Схема считывания инфор-
мации, запомненной на голо-
грамме:

/ — лазер; 2 — отклоняющая систе-
ма; 3 — голограмма; 4 — вход адреса;

5	— выходной сигнал

типа информация записывается сразу большими массивами чи-
сел на отдельные голограммы.

В схеме ЗУ с последовательной записью информации
используется возможность съемки на одну и ту же голограмму
большого числа изображений, которые восстанавливаются неза-
висимо друг от друга, если при записи их использовались опор-
ные волны, различающиеся между собой. Каждое из вводимых
в ЗУ разрядных чисел с помощью многоканального модулятора
преобразуется в комбинацию светящихся точек, которая и запи-
сывается на голограмму со своим опорным лучом.

В наипростейшем случае это может быть достигнуто измене-
нием угла падения опорной волны на светочувствительный слой
(рис. 8). При этом луч лазера делится на два: опорный и сиг-
нальный. Опорный луч проходит через отклоняющую систему,
которая устанавливает направление опорного луча в соответ-
ствии с введенным в нее адресом. Каждому адресу ЗУ соответ-
ствует свое направление опорного луча. Сигнальный луч, в свою
очередь, делится на п каналов в соответствии с числом разрядов
записываемых чисел.
В каждом из этих каналов есть модулятор М, работающий
в режиме оптического затвора. При наличии управляющего на-
пряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напря-
жения он становится непрозрачным.

При записи информации в отклоняющую систему вводится
код адреса записываемого числа, что определяет направление
опорного луча. Одновременно на сигнальный вход подается код
записываемого числа, причем каждый разряд этого числа подво-
дится к своему модулятору.

Для считывания информации используется схема, приведен-
ная на рис. 9. В соответствии с заданным адресом отклоняющая
система меняет угол падения считывающего луча на Голограмму.
Взаимное расположение голограммы и отклоняющей системы
при записи и считывании одинаково. Поэтому при включении
опорного луча, соответствующего заданному адресу, голограмма
формирует изображение в виде системы светящихся точек, число
и расположение которых определяется комбинацией включенных
модуляторов при записи. Это изображение проектируется на
систему фотоприемников Ф/7, сигналы на выходе которых дают
код числа, хранящегося в данной ячейке памяти. Фотоприемни-
ки могут представлять собой матрицу, например из фотодиодов,
число которых должно быть равно числу разрядов ЗУ, т. е. числу
каналов сигнального луча при записи.

Рассмотрим случай, когда на голограмму записано число
только по одному адресу. При восстановлении изображения
выберем такое же положение считывающего луча, как и при за-
писи. Так как в плоскости восстановленного с голограммы
изображения расположен ряд фотоприемников, в которой каж-
дая восстановленная точка попадает на свой фотоприемник, то
на выходе фотоприемников появится комбинация электрических
сигналов, соответствующая записанному по данному адресу
числу. Если теперь изменить адрес, вводимый в отклоняющее
устройство, то угол падения считывающего луча на голограмму
изменится и вместе с ним изменится положение восстановлен-
ного изображения. В результате изображение сместится с фо-
топриемников и сигналы на выходе исчезнут.

Таким образом, число, записанное по данному адресу,
появляется на выходе фотоприемников только в том случае,
когда номера адресов при записи информации и при считывании
совпадают. В соответствии.с этим, если записана информация по
всем адресам, то в восстановленном изображении содержится
вся информация, однако в фотоприемники попадает лишь та ее
часть, которая соответствует адресу, введенному в отклоняющую
систему запоминающего устройства. В таких голографических
запоминающих устройствах в качестве отклоняющих систем для
управления направлением опорного лазерного луча наиболее
пригодны дискретные отклоняющие системы, основанные на
использовании электрооптических кристаллов (рис. 10).
Рис. 10. Дискретное голографическое запоминающее
устройство:

1 — лазер; 2 — кристаллы КДР; 3 — кристаллы кальцита; 4 —
прямой луч; 5 — отклоненный луч; 6 — голографическая пла-
стина, 7 — решетка фотодиодов; 8 — ЭВМ; 9 — блок управ-
ления

После прохождения через голографическую пластину луч
лазера, испытавший дифракцию, регистрируется на решетке
фотодиодов. При этом используется решетка, разработанная на
основе твердотельной технологии и представляющая собой крем-
ниевую интегральную схему с биполярными элементами (см.
ч. II, гл. 4, п. 5). Такая решетка может содержать 50 X 50 диодов
и столько же усилителей и обеспечивает считывание набора дан-
ных, накопленных на каждой голограмме. Другой способ считы-
вания заключается в использовании меньшего числа усилителей,
но при этом требуется осуществлять сканирование решетки. При
таком способе электронное оборудование дешевле, но скорость
считывания уменьшается.

Рассмотренные схемы допускают построение как постоянных,
так и оперативных ЗУ. Основное их отличие заключается в при-
меняемых фотоматериалах.

Помимо описанной схемы ЗУ, принцип де’йствия которой
заключается в том, что каждому адресу соответствует свое на-
правление опорного луча, существуют схемы, основанные на
различии опорных лучей по частоте, поляризации и форме волно-
вого фронта.

Рассмотрим еще один метод неискаженного восстановления
изображения с голограммы. Считывающий луч должен иметь
такую же форму волнового фронта, как и опорный луч, приме-
ненный при записи. Поэтому любое изменение формы волнового
фронта опорного луча может быть использовано для разделения
адресов ЗУ. Схема, основанная на таком принципе, должна быть
Рис. 11. Схема записи и считывания информации массива:

1 — лазер; 2, 4, 7, 11 — линзы; 3 — устройство двухкоординатного отклонения луча;

5 — полупрозрачное зеркало; 6 — матрица-транспарант; 8, 9, 12 — отражающие зер-
кала; 10 — фотопластина голограммы

построена так, чтобы канал формирования опорного луча был
аналогичен каналу формирования сигнальных лучей. Опорный
луч представляет собой комбинацию из нескольких лучей, падаю-
щих на голограмму под разными углами. Каждому адресу соот-
ветствует определенная комбинация включенных и выключенных
модуляторов в канале формирования опорного луча. Число
адресов определяется числом комбинаций из включенных
и выключенных модуляторов. Недостатком схемы является то,
что опорные лучи, соответствующие разным адресам, не будут
полностью независимыми. Это может привести к возникновению
паразитных сигналов.

Рассмотрим схему голографического запоминающего устрой-
ства, в котором информация на фотопластинку записывается
большими массивами чисел (рис. 11). Вводимый в запоминаю-
щее устройство ‘массив преобразуется в матрицу-транспарант 6.
Каждая матрица записывается на отдельную голограмму, на фо-
топластинке 10 располагается большое число голограмм. После-
довательное переключение луча с одной голограммы на другую
обеспечивается устройством 3 двухкоординатного отклонения
луча. Длиннофокусная линза 2 превращает луч лазера в слабо-
сходящийся с фокусом за отклоняющей системой, а полупрозрач-
ное зеркало 5 делит его на два луча одинаковой интенсивности.
Линза 4 дает возможность использовать одну матрицу фотодио-
дов для считывания информации с любой из записанных голо-
грамм. Линзы 7 и 11 предназначены для преобразования расхо-
42
дящихся опорного и сигнального лучей в сходящиеся и вырав-
нивания их поперечных размеров на голограмме 10. Отражаю-
щие зеркала S, 9 и 12 обеспечивают совмещение на голограмме
опорного и сигнального лучей при любых углах отклонения.

При считывании информации голограмма освещается одним
опорным лучом. При этом восстанавливается записанное на
голограмме изображение матрицы, которое состоит из ярких
и темных точек. Это изображение попадает на мозаику (матри-
цу) фотодиодов, представленную на рис. 12. Каждое число,
записанное на голограмме, проектируется на соответствующий
вертикальный ряд фотодиодов; в горизонтальном ряду располо-
жены фотодиоды, соответствующие одному и тому же разряду
записанных чисел. Нижние выводы фотодиодов, расположенных
в горизонтальном ряду, соединены между собой и передают
сигнал на выход схемы. Верхние выводы фотодиодов, располо-
женных по вертикали, соединяются между собой и подключаются
к схеме коммутации, производящей выбор нужного числа. Если
на один из фотодиодов попал свет от голограммы, то на нем
накапливаются заряды. При считывании информации с фото-
диодов схема коммутации замыкает цепь питания вертикального
ряда фотодиодов и на определенных горизонтальных шинах
появляется комбинация электрических сигналов, соответствую-
щая выбранному числу.

Необходимо отметить, что при большом числе световых пятен
(свыше 100) для их цифрового кодирования наиболее рацио-
нально использовать интегральную матрицу фотодиодов.
Технология производства интегральных схем позволяет в настоя-
щее время размещать на пластинке кремния помимо диодной

л иммуширу/иш, ес
устройство

Рис. 12. Схема включения фотодиодов в матрице считы-
вания информации
матрицы также и предварительные усилители и выходные пере-
ключающие схемы (см. ч. II, гл. 4, п. 5).

Если число возможных положений лазерного луча составляет
104 (матрица 100 X 100), то полная емкость ЗУ будет 108 бит.
Эту величину, по-видимому, можно увеличить, допустив некото-
рое снижение быстродействия устройства: если использовать
большие по размерам фотодиодные матрицы с меньшим уровнем
светового потока, приходящимся на каждый диод, или если
применять более мощные системы отклонения с увеличенными
временами переключения луча.

Точность действия такой системы зависит от точности совпа-
дения восстановленных изображений голограмм с решеткой
фототранзисторов. Поскольку система должна быть экономичной
и надежной, необходимо обеспечить точность за счет высокой
абсолютной стабильности и хорошей юстировки и стремиться
к минимальному применению автоматических регулировок.

Рассмотренные системы чувствительны к изменению углов
и сравнительно малочувствительны к параллельным перемеще-
ниям. Если неверен адрес (например, сбита частота генератора),
то опорный луч при восстановлении определенной голограммы
будет несколько смещен относительно правильного положения.
Однако если при этом он не совсем сойдет с нужной голограм-
мы, то восстановленное изображение станет на свое место, хотя
и потеряет часть разрешающей способности.

Таким образом, имеется возможность создания голографи-
ческих полупостоянных ЗУ емкостью 108 бит с произвольной вы-
боркой длительностью порядка 1 мксек. Информация хранится
в компактной форме на фотографической пластинке, которую
устанавливают в ЗУ без высокоточной настройки. Простота
и надежность таких устройств наряду с низкой стоимостью по-
зволяет рассчитывать на их широкое применение в различных
вычислительных системах.

В последнее время разработано оперативное голографическое
запоминающее устройство большой емкости, в котором функции
решетки модуляторов и матрицы фотодетекторов объединены
в одном устройстве, так называемой латрице1 (140]. Работа
устройства базируется на комбинированной системе обращения,
голографическом запоминании в среде, допускающей стирание
информации, и применении внутренней матричной памяти, уп-
равляемой электрическими и световыми сигналами.

Как известно, голографические среды для оперативного ЗУ
большой емкости должны обладать следующими свойствами.
Голограмма должна продолжительное время храниться в запо-
минающей среде и обеспечивать многократные циклы записи —
стирания без изменения характеристик. Этим требованиям удов- 1

1 Происхождение слова латрица соответствует английскому LATRIX —
Light Accessible Transistor Matrix.
летворяет марганцевый висмут MnBi, обладающий магнитоопти-
ческими эффектами Фарадея и Керра. Запись магнитных голо-
грамм в этом материале происходит при интерференции световых
пучков на намагниченной до насыщения тонкой магнитной плен-
ке. Свет поглощается пленкой, что вызывает соответствующее
изменение температуры, которое (при способе записи в точке
Кюри) изменяет намагниченность.

Голограммы, записанные на магнитной пленке, восстанавли-
ваются, если используется эффект Фарадея в проходящем свете
или поляризационный эффект Керра — в отраженном свеге. При
использовании эффекта Фарадея пропорционально намагничен-
ности в каждой точке изменяется фаза света, проходящего через
пленку. При использовании эффекта Керра происходит про-
странственная модуляция отраженного от пленки света, пропор-
циональная намагниченности в каждой точке.

Стирание записанной информации осуществляется с помо-
щью электромагнитного поля {134].

В латрице применяются пластинки кремния, на которых
одним из существующих способов интегральной технологии изго-
товляются транзисторный триггер, электронная цепь выборки
и чувствительные элементы — фотодиоды или фототриоды.
На мозаику, образованную из таких пластинок с интегральными
схемами, наносится слой мелкоструктурного жидкого кристалла,
который заставляет падающий свет либо зеркально отражаться,
либо рассеиваться. Набор голографических линз, входящих
в оптическую систему ЗУ, позволяет освещать всю латрицу под
углами, определяемыми отклоняющим устройством. Матрица
голографических линз в этой системе играет роль расщепителя,
который отделяет часть лазерного луча для использования его
в качестве предметного пучка при постраничной записи
голограммы.

Каждая страница информации записывается в виде отдельной
голограммы в определенном месте запоминающей среды. Чтобы
осуществить запись страницы информации в выбранном месте
этой среды, матрицу двоичных оптических ключей устанавливают
в некоторое состояние, изменяющее отражающийся от нее или
проходящий через нее свет. Оптическая выборка любого места
среды осуществляется как при считывании, так и при записи
путем отклонения луча с помощью сигналов от ЦВМ. Инфор-
мация, записанная в виде голограммы в среде, считывается
путем восстановления волнового фронта. При этом действи-
тельное изображение страницы информации проектируется на
решетку фотоприемников, преобразующих световые сигналы
в электрические, которые запоминаются в полупроводниковой
памяти небольшой емкости [149].

При записи в запоминающую среду пучок, несущий инфор-
мацию о предмете, формируется при отражении луча, прошед-
шего через голографическую линзу от матрицы оптических кла-
Рис. 13. Схема оптической системы при записи голограммы в выбран-
ную область запоминающей среды:

1 — лазер; 2 — поляроид; 3 — дифлектор; 4 — путь лучей после отклоняющего
устройства; 5 — вектор поляризации, перпендикулярный плоскости рисунка,
6 — голографические линзы, 7 — дифрагированный пучок; 8 — недифрагиро-
ванный пучок; 9 — плоское зеркало; 10 — поляризатор; 11 — матрица; 12 —
линза, 13 — уголковое зеркало; 14 — опорный пучок; 15 — информационный
пучок, 16 — запоминающая среда

панов. Таким образом, получается изображение страницы ин-
формации, которая записывается в запоминающую среду голо-
графическим способом.

Для нормального функционирования латрицы действительное
изображение при считывании необходимо проектировать на нее
так, чтобы информация попадала на те же оптические клапаны,
с которых она переписывалась в запоминающую среду, посколь-
ку технологически клапан совмещен с фотоприемником.

На рис. 13 представлена принципиальная схема оптической
системы ЗУ, иллюстрирующая запись голограмм (внешние
электронные устройства, управляющие лазером, системой откло-
нения луча и латрицей, не показаны). Выходящий из отклоняю-
щего устройства луч света нормируется по диаметру так, чтобы
освещать только одну голограмму в наборе голографических
линз. При этом во всех случаях луч падает нормально к плоско-
сти голографической линзы.

При записи вектор поляризации луча, прошедшего систему
отклонения, направлен перпендикулярно плоскости чертежа, как
это указано на рис. 13. Недифрагированный пучок, прошедший
через голографическую линзу, отклоняется на 90° плоским
зеркалом, а затем еще на 90° уголковым зеркалом (двумя зер-
калами, расположенными под углом 90°).
В этом случае недифрагированный пучок всегда падает нор-
мально к плоскости запоминающей среды и служит опорным
пучком при записи голограммы. Уголковое зеркало позволяет
перемещать плоскость, в которой лежит опорный пучок, вверх
и вниз параллельно плоскости чертежа в зависимости от вы-
бранной голографической линзы.

Дифрагированный пучок от выбранной голографической лин-
зы проходит через обычную линзу и поляризатор и освещает
систему оптических клапанов латрицы. Клапаны, которые нахо-
дятся в состоянии «включено» (что соответствует записи ъ них
двоичных единиц), зеркально отражают свет, а клапаны, нахо-
дящиеся в состоянии «выключено», рассеивают свет. Свет, отра-
женный от оптических клапанов, вторично проходит через
поляризатор и линзу и попадает в выбранную область запоми-
нающей среды, куда и записывается в виде интерференционной
картины. Процессы записи и считывания взаимно обратимы
в результате применения зеркальной системы, которая направ-
ляет опорный и информационный пучки в любую заранее выбран-
ную область запоминающей среды.

При считывании голограмм в отраженном свете действитель-
ное изображение проектируется на латрицу, а запоминающая
среда освещается считывающим пучком, который идет по тому
же пути, что и опорный пучок при записи. Опорный пучок падает
нормально к плоскости запоминающей среды, поэтому при счи-
тывании и записи нет необходимости применять разные пучки.
Однако при считывании используется тот же луч, который идет
от отклоняющего устройства, но с вектором поляризации, по-
вернутым на 90°, т. е. лежащим в плоскости рисунка. Следова-
тельно, дифрагированный пучок, получающийся при освещении
голографической линзы, не проходит на латрицу из-за установ-
ленного перед ней поляризатора, в то время как недифрагиро-
ванный луч освещает в запоминающей среде выбранную голо-
грамму. При восстановлении волнового фронта вследствие
эффекта Керра дифрагированный пучок света, идущий от голо-
граммы, поляризуется по отношению к фронту падающей волны
ортогонально и проходит по пути информационного пучка
в обратном направлении. Таким образом, восстановленное
изображение после прохождения через поляризатор проекти-
руется на поверхность латрицы. В фотоприемнике возбуждается
сигнал, пропорциональный интенсивности освещения элемента
латрицы, который поступает на триггер, входящий в состав
полупроводникового ЗУ.

Рассмотрим несколько более подробно устройство одного из
основных элементов системы — латрицы, включающей оптиче-
ский клапан, фотоприемник и элемент транзисторной памяти.
На рис. 14 изображено поперечное сечение двух элементов
латрицы. Между прозрачным проводящим слоем, нанесенным на
стекло, и кремниевой пластинкой, содержащей интегральные
Рис. 14. Поперечное сече-
ние двух элементов лат-
рицы:

1 — элемент, рассеивающий
свет; 2 — элемент, зеркаль-
но отражающий свет; 3 —
стекло; 4 — жидкий кри-
сталл; 5 — фотоприемник и
управляющий электрод жид-
кого кристалла; 6 — триг-
гер и управляющие цепи;

7 — кремневая пластина с
интегральными схемами,
8 — прозрачный проводник

цепи, заключен слой мелкоструктурного жидкого кристалла.
Верхний слой каждого фотодиода примыкает к слою жидкого
кристалла и служит одновременно зеркальной поверхностью,
отражающей часть светового пучка, и управляющим электродом
оптического клапана на жидком кристалле. При считывании слой
жидкого кристалла находится в таком • состоянии, когда свет
пропускается. При этом между фотодиодом и прозрачным слоем
напряжение не приложено, поэтому свет от изображения, несу-
щего информацию, проходит на фотодиоды. При записи на жид-
кий кристалл подается разность потенциалов от схемы управ-
ления. Возбужденный жидкий кристалл (в местах, находящихся
под напряжением) рассеивает падающий свет по большой части
поверхности запоминающей среды. При этом освещенность от
возбужденного элемента в выбранной области запоминающей
среды может превышать освещенность от невозбужденных эле-
ментов более, чем в 40 раз.

В качестве обратимого носителя информации можно исполь-
зовать термопластическую пленку, что делает голографическую
оптическую память со страничной организацией считывания,
записи и стирания информации вполне осуществимой [131].
На прозрачной термопластической пленке голограмма регистри-
руется в виде пространственной модуляции ее толщины в соот-
ветствии с распределением интенсивности света в записываемой
интерференционной картине. Обычно основой термопластика
служит нечувствительная к свету смола. Для того чтобы на
термопластике можно было регистрировать световое изображе-
ние, его объединяют с фотопроводником в пленочную структуру.
Возможны два основных типа структуры: однослойная, когда
48
фотопроводник растворен, или диспергирован в слое термопла-
стика, и с разделенными слоями, когда термопластик нанесен на
слой фотопроводника. Независимо от структуры подложкой для
термопластической пленки служит стеклянная пластинка, покры-
тая тонким прозрачным электропроводящим слоем.

Последовательность полного цикла записи (перезаписи) голо-
грамм сводится к следующему. На первой стадии поверхность
термопластика, чтобы сделать ее фоточувствительной, заряжают
до определенного потенциала (порядка нескольких сотен вольт).
На второй стадии осуществляют экспонирование, при котором
фотопроводник реагирует на распределение интенсивносги света
в интерференционной- картине, возникающей при интерференции
объектного и референтного лучей. В освещенных местах фото-
проводник становится проводящим, что приводит к изменению
потенциала, но величина электрического поля, прикладываемого
к термопластику, остается постоянной, так как она пропорцио-
нальна поверхностной плотности распределения заряда до
экспонирования.

На третьей стадии выполняется вторичная электрическая
сенсибилизация (процедура, аналогичная первой стадии) — рас-
пределение заряда опять всюду восстанавливается до первона-
чального значения. При этом величина электрического поля,
в местах которые были освещены, увеличивается, хотя распреде-
ление’потенциала на поверхности остается постоянным.

На четвертой стадии осуществляется проявление — с помо-
щью быстрого нагрева термопластика до температуры, близкой
к точке его размягчения или плавления (обычно эта температура
находится в пределах 60—100° С). При такой температуре
термопластик деформируется в соответствии с величиной ло-
кального электрического поля, причем он становится тоньше
в местах с большой электрической напряженностью, т. е. в засве-
ченных областях, а в других местах — толще. Если термопластик
быстро охладить до комнатной температуры, то такая дефор-
мация сохраняется и, следовательно, голограмма оказывается
зафиксированной в виде неравномерностей толщины термопла-
стика. При комнатной температуре записанный рельеф остается
неизменным, если его преднамеренно не стирать.

Пятый этап — стирание. Термопластик снова нагревается,
причем до температуры, превышающей температуру при прояв-
лении, и выдерживается при этой температуре более длительное,
чем при проявлении, время. При повышенной температуре
поверхностное натяжение выравнивает неровности поверхности
размягченного или расплавленного термопластика и, следова-
тельно, голограмма стирается. Повышенная электропроводность
фотопроводника и термопластика во время стирания приводит
к полной нейтрализации электростатических зарядов.

Рассмотрим принцип построения оптической памяти со стра-
ничной организацией считывания, записи и стирания информа-
4 Заказ 375	49
ния информации:

1 — информационная маска;
2 — сигнальный луч; 3 — вос-
станавливающий луч, 4 — мат-
рица голограмм; 5 — плоскость
считывания (фотоприемник),
6 — опорный луч

ции, использующей матрицу термопластических голограмм [131].
Подложкой матрицы служит стеклянная пластина, на которой
нанесением проводящего подслоя создается мозаика из малень-
ких площадок. На каждую из этих площадок записана голограм-
ма. При этом каждая площадка с прозрачным проводником
служит не только электростатическим экраном для электроста-
тического заряда, но также и для электрического нагрева термо-
пластика при проявлении голограммы и при стирании информа-
ции с нее. Последнее достигается включением электрического
тока вдоль поверхности полупроводника, подводимого с помощью
двух электродов, расположенных на противоположных сторонах
площадки.

Термопластическое устройство записи матрицы голограмм
в оптической памяти не отличается от аналогичного устройства
в рассмотренной выше полупостоянной памяти. Однако оптиче-
ские свойства голограмм на термопластике дают возможность
считывать информацию другим методом, позволяющим удобно
отделить плоскость ввода информации (плоскость расположения
маски с записываемой информацией) от плоскости считывания
(плоскости расположения матрицы фотоприемников) без пере-
мещения луча и использования оптики.

Термопластические голограммы по своим свойствам близки
к идеально тонким голограммам. Поэтому как действительное,
так и мнимое изображения могут быть получены восстановлени-
ем голограммы с помощью лучей, падающих на голограмму
с одной стороны, но под равными углами. На рис. 15 показан
опорный луч (6), используемый при регистрации информации
50
голограммой (запись), восстанавливающий (считывающий) луч
(3). Оба эти луча одинаково сколлимированы и, как видно из
рисунка, направлены симметрично относительно сигнального
луча, падающего нормально к плоскости голограммы. При таком
расположении коллимированных опорного и считывающего лучей
свободное от аберраций действительное изображение информа-
ционной маски формируется с противоположной стороны голо-
граммы без увеличения.

Голограммная матрица экспериментальной модели состояла
только из трех рядов по три голограммы в каждом. Размер
каждой голограммы составлял 6X6 мм. Матрица была выпол-
нена на стекле, покрытом тонкой оксидной пленкой.

Фотопроводник был выполнен из полимерного материала.
Слой термопластика толщиной 1 мкм наносился поверх слоя фо-
топроводника толщиной 2,5 мкм. В качестве термопластика
использовалась натуральная древесная смола (канифоль). Для
нагрева термопластика к площадке прикладывалось переменное
напряжение частотой 60 гц в течение 150 мсек. Для проявления
величина напряжения составляла 9 в, а для стирания 14 в.

Устройство рассмотренной термопластической голографиче-
, ской памяти обладает следующими положительными свой-
ствами:

а)	на одной стеклянной подложке может быть создано мно-
жество голографических элементов. Термическая изоляция голо-
грамм одна от другой достаточна, чтобы процессы термического
проявления и стирания не воздействовали друг на друга;

б)	число циклов запись — стирание на каждой голограмме
может быть не менее 100. Стирание осуществляется полностью
без гистерезисных эффектов;

в)	поведение термопластических голограмм близко к пове-
дению идеально тонких голограмм. Следовательно, входная
система может быть разделена от выхода расположением колли-
мированных считывающего и исходного опорного лучей симмет-
рично относительно нормали к плоскости голограмм.

Следует отметить, что на термопластике можно записать
только некоторую полосу пространственных частот. На рис. 16
показана типичная частотно-контрастная характеристика термо-
пластических голограмм. Центральная пространственная частота
и ширина полосы пропускания термопластика должны быть
увязаны с шириной диапазона пространственных частот, исполь-
зуемых при формировании матрицы голограмм. Максимальное
значение центральной пространственной частоты в настоящее
время немного больше 1000 строк)мм. Как центральная частота,
так и ширина полосы этой характеристики являются функцией
многих параметров, например толщины термопластика и элек-
тростатического потенциала, до которого заряжается пленка.
Увеличение как центральной пространственной частоты, так
и ширины полосы может быть достигнуто улучшением техноло-
4*	51
гии изготовления прозрачного проводника, электродов, фотопро-
водника и слоя термопластика.

Технология нанесения прозрачного проводника, электродов,
фотопроводника и термопластика для тысяч голограмм оптиче-
ской памяти достаточно сложна. Однако можно надеяться, что
хорошо отработанная технология изготовления тонких пленок
для электронных схем поможет решить и эту проблему.

В заключение отметим основные положительные качества,
общие для всех голографических запоминающих устройств.

Существенным достоинством голографической записи инфор-
мации является ее высокая надежность. Выход из строя отдель-
ных участков голограммы не приводит к значительному ухудше-
нию качества считываемой информации.

Голографические принципы позволяют производить запись
и считывание информации большими массивами чисел, поэтому
можно реализовать ЗУ с очень высокой емкостью.

Голограмма допускает последовательную запись большого
числа изображений на один и тот же участок фоточувствитель-
ного слоя. Эти изображения можно восстановить раздельно, если
при их записи форма фронта опорной волны была различной.

Голография позволяет реализовать высокую плотность записи
информации в двумерных и в трехмерных средах.

Таким образом, запоминающие устройства, основанные на
использовании голографических эффектов, обладают большой
емкостью и высокой надежностью, позволяют выполнять опера-
ции над большими массивами чисел, и поэтому открывают новые
перспективы развития вычислительной техники. Разработка голо-
графических ЗУ с большей емкостью (109— 1012 бит) и высоким
быстродействием записи — считывания связана с необходимо-
52
стью проведения широкого комплекса исследований в области
создания материалов для регистрации голограмм с необходимы-
ми характеристиками. К числу наиболее перспективных гологра-
фических материалов, допускающих перезапись, относятся
сегнетоэлектрические кристаллы, ферромагнитные и термопла-
стические материалы. При этом наибольший интерес в настоящее
время проявляется к ферромагнитным пленкам. Сегнетоэлектри-
ческие кристаллы представляются перспективными материалами
для голографических ЗУ. Предполагается, что в будущем могут
быть созданы комплексные голографические ЗУ с плотностью
записи до 1012 бит! см3 при времени записи — считывания не бо-
лее 5 нсек и выборке «словами» в « 1000 бит [131].

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСПОЗНАВАНИЯ,
ОБРАБОТКИ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Теперь рассмотрим некоторые аспекты применения гологра-
фических методов в оптико-электронных системах, предназначен-
ных для поиска, распознавания и кодирования информации.

Интенсивно исследуются возможности использования прин-
ципов голографии для создания логических вычислительных
и других устройств, в которых выполняются математические или
иные операции над информацией, записанной в виде голограммы.
Наибольшее внимание среди них уделяется созданию устройств
для поиска заданной информации и опознавания образов.

Распознавание образов основано на свойстве голограмм
восстанавливать изображение объекта только в том случае,
когда считывающий пучок света совпадает по основным парамет-
рам с опорным лучом, который использовался при записи. Пусть,
например, имеется голограмма, на которой записана интерферен-
ция между световым лучом точечного источника и лучом света,
прошедшего через транспарант с буквой Т (рис. 17). Если эту
голограмму освещать светом, проходящим через транспарант, на
котором записаны разные буквы, то только в случае прохожде-
ния света через букву Т будет видна яркая точка в плоскости
изображения. Такая голограмма является своеобразным филь-
тром, с помощью которого можно, например, установить наличие
буквы Т в каком-либо сложном тексте и быстро определить число
этих букв. Для изготовления голограммы-фильтра обычно ис-
пользуется голография Фурье.

Распознавание букв и символов с однозначным кодированием
полученного сигнала можно осуществить следующим образом.
Необходимая для распознавания голограмма формируется путем
одновременного освещения фотопластинки светом от символа
и от стандартного набора точечных источников, легко распозна-
ваемого машиной. Если полученную таким способом голограмму
осветить лучом от распознаваемого символа, то будет воссоздан
Рис. 17. Схема голографического распознающего устрой-
ства:

1 — объект в виде текста: 2 — голограмма (фильтр буквы Г);

3 — изображение ярких точек в плоскости опознавания

стандартный источник, который после кодировки системой фото-
датчиков явится информацией о символе.

На одну фотопластинку можно наложить несколько голо-
грамм, полученных для различных вариантов написания каждой
буквы алфавита. При этом разным буквам должны соответ-
ствовать различные наборы точечных источников, воспроизводи-
мые при распознавании букв. Схема устройства, действующего на
основе этого метода, представлена на рис. 18. Из точки S выхо-
дит луч лазера. Проходя через полупрозрачное зеркало /, этот
луч разделяется на два. Один из них используется для освещения
символа, а другой для формирования набора точечных источ-
ников.

Луч, отраженный от зеркала 2, проходит через линзу 3
и падает на осветительную пластинку 4, которая представляет
собой черный экран, в который вставлены 120 двояковыпуклых
линз, действующих как точечные источники. После прохождения
через маску 5 осветителя лучи от этих точечных источников па-
дают на линзу 6, удаленную от них на фокусное расстояние.
Таким образом, проходя через линзу 6, 120 лучей становятся па-
раллельными. Эти параллельные лучи попадают в окно, в кото-
ром установлен диапозитив 7 с изображением буквы. Линза 8
установлена на фокусном расстоянии от фотопластинки 9.
С помощью этой линзы каждым из 120 лучей на различных час-
тях пластинки формируются изображения, соответствующие
преобразованиям Фурье от анализируемого символа.

При этом по 4 раза используются 30 вариантов одной буквы
алфавита. Для каждого варианта маска 5 открывает четыре
54
источника, расположенных на максимально возможном удалении
друг от друга. Эти источники освещают вариант буквы и обра-
зуют на фотопластинке четыре изображения преобразования
Фурье. Перед фотопластинкой также помещается маска 10, бла-
годаря которой светочувствительный слой экспонируется лишь
в необходимых участках.

Луч, отраженный от полупрозрачного зеркала /, проходит
через линзу 13 и падает на кодирующую пластинку 12, закрытую
маской 11. Пластинка 12 также используется для имитации
точечных источников. Маска 11 устроена таким образом, что
каждый из 35 символов кодируется не менее, чем семью источ-
никами.

После экспонирования фотопластинки 30 вариантами одной
буквы, что дает 120 элементарных голограмм, вся процедура
повторяется для всех вариантов следующей буквы (при другом
коде, заданном маской 11) и т. д., пока не будут обработаны все
буквы алфавита. После проявления пластинка содержит
120 участков, каждый из которых экспонирован 35 раз. Таким
образом, фотопластинка содержит 120 X 35 элементарных
голограмм.

При распознавании маска осветителя удаляется, так что все
120 лучей одновременно проходят через окно с анализируемой
буквой. При этом кодирующая пластинка целиком закрывается
черным экраном. В результате прохождения лучей через прояв-
ленную фотопластинку будет восстановлен световой код поме-
щенной в окне буквы. Этот код считывается фотодатчиками
и направляется в ЭВМ.

Качество распознавания зависит от степени совпадения вол-
нового фронта от анализируемого символа с одним из волновых
фронтов, образуемых 30 стандартными вариантами, так как вол-
новой фронт восстанавливает необходимый набор источников
света.

Разрабатываются также голографические системы, предназ-
наченные для поиска определенного слова в тексте. В этом слу-
чае сначала изготовляют голограмму данного слова. Пленка
с голограммой проявляется и устанавливается на транспаранте.
Затем текст помещают на место, до того занимаемое искомым
словом, и подсвечивают лазером. Голограмма слова служит при
этом своего рода фильтром, пропускающим свет лишь от тех мест
в тексте, в которых расположено слово. На экране, поставленном
в области изображения третьего порядка, в соответствующих
местах возникнут светлые точки. Если применить сканирование
текста, то можно вести одновременный поиск более 100 различ-
ных объектов. Описанный способ применим и для опознавания
различных сложных символов, например, отпечатков пальцев.

С применением голографии для распознавания образов тесно
связано использование ее для кодирования информации. Если
опорный луч при съемке голограммы имеет сложную форму вол-
нового фронта, созданную с помощью специальной маски, уста-
новленной в канале опорного луча, то для восстановления
изображения необходимо иметь точную копию этой маски. Так
как форма маски может быть сложной, то для воспроизведения
объекта подобрать ее практически невозможно.

Чрезвычайно высокая степень кодирования голографических
систем связана с тем, что опорный луч, прошедший через диф-
фузное стекло, превращается в протяженный (не точечный)
источник, который можно рассматривать как набор большого
числа когерентных точечных излучателей, имеющих определенное
соотношение амплитуд и фаз. Для восстановления изображения
при просвечивании голограммы необходимо создать ту же самую
комбинацию точечных источников.

Необходимо также отметить, что применение голографических
методов открывает принципиальную возможность создания
объемного телевидения. Голограмму передаваемой сцены можно
зафиксировать на светочувствительной поверхности передающей
телевизионной трубки, а затем передавать ее по радиоканалу
[88]. На приемнике голограмма может быть воспроизведена пу-
тем записи на светочувствительной пленке или на фотохромном
материале. Затем по полученной по телевизионному тракту
голограмме восстанавливается трехмерное изображение пере-
даваемой сцены.
Для передачи голограммы по телевизионному каналу прежде
всего необходимо обеспечить освещение передаваемой сцены
сильными световыми импульсами от когерентного источника. По
всей вероятности, для этой цели придется применить несколько
строго синфазных мощных лазеров, так как один лазер вряд ли
обеспечит необходимую освещенность. Импульсная засветка
является принципиально необходимой для получения четкой
информационной картины, которая может быть получена только
в том случае, если объект съемки за время экспозиции переме-
стится не более чем на 'Д длины световой волны. Для удовлет-
ворительной передачи движущихся со средней скоростью объек-
тов длительность импульсов засветки не должна превышать
10 нсек.

Вторым необходимым условием получения удовлетворитель-
ной голограммы для объемного телевидения является сохранение
фазовых соотношений в лазерном луче на всей глубине переда-
ваемой сцены, т. е. лазерный луч должен иметь большую коге-
рентную длину.

Для передачи черно-белой голограммы может быть приме-
нена обычная телевизионная камера при условии успешного
решения проблемы передачи плотных голограмм, освещаемых
опорным лучом со стороны, противоположной стороне записи.
Подсчитано, что для качественной передачи голограммы по ка-
налу связи полоса этого канала должна быть примерно в 30 тыс.
раз больше полосы, необходимой для передачи обычного телеви-
зионного изображения. Поскольку передачу с такой полосой
невозможно осуществить даже в канале связи миллиметрового
диапазона, для сужения необходимой для передачи полосы час-
тот до обычной величины предложен ряд масочных и линзово-
масочных устройств, действие которых основано на известном
свойстве голограммы — сохранении информации обо всем изо-
бражении на любом небольшом участке голограммы.

Для получения стереоизображения на приемном конце
системы необходимо воспроизвести голограмму и осветить ее
когерентным светом. Создание пучка когерентного света доста-
точных размеров и яркости не вызывает трудностей. Для воспро-
изведения голограммы предполагается применить либо систему,
предложенную для проекции телевизионных изображений на
большой экран, в которой изображение создается путем изме-
нения прозрачности тонкой масляной пленки под действием
электронного луча, либо использовать фотохромный эффект
в стекле.

В последнем случае голограмма может быть воспроизведена
путем сканирования пластины из такого стекла достаточно
узким световым лучом, модулированным по плотности видео-
сигналом. Однако все существующие в настоящее время фото-
хромные стекла обладают повышенной инерционностью и по-
этому не применимы для этих целей.
Как уже было отмечено, с помощью голограмм можно
воспроизводить трехмерные изображения различных объектов.
Предложен способ воспроизведения трехмерных изображений по
синтезированным голограммам. При использовании электронно-
вычислительных машин для синтезирования голограмм становит-
ся возможным получать объемные изображения реально не су-
ществующих объектов. Таким образом могут быть воспроизведе-
ны трехмерные графики, сложные пространственные поверхности,
а также макеты различных машин, зданий и т. д.

Голографические методы обработки информации использу-
ются и при голографической записи электрических сигналов
(105].

Голографическую технику можно применять для записи
широкополосных импульсных радиолокационных сигналов с вы-
сокочастотным заполнением, а также в технике связи и других
областях. Этот способ записи сигналов можно применять для
получения комплексных пространственных согласованных филь-
тров, требуемых для корреляторов, работающих в реальном
масштабе времени.

При таком способе записи электрический входной сигнал
преобразуется в одномерную пространственную функцию пропу-
скания с помощью ультразвукового модулятора света (УЗМС).

Опорный пучок может быть скомпенсирован таким образом,
чтобы обеспечить возможность записи в течение относительно
длительного времени экспозиции голограмм Фурье электрических
сигналов, распространяющихся в УЗМС. Изображение электри-
ческого сигнала восстанавливается путем преобразования Фурье
голографической записи в когерентном оптическом анализаторе
спектра.

Устройство голографической записи сигналов может быть
использовано для записи последовательности импульсных высо-
кочастотных сигналов путем регистрации их друг за другом на
фотопленке, которая перемещается в интервалах между импуль-
сами. Работа такого устройства возможна в реальном масштабе
времени при условии использования новейших сред для записи
таких, как фотохромные материалы и материалы, содержащие
свободные радикалы.

Еще одной областью использования голографических методов
обработки информации является неразрушающий контроль
различных изделий и объектов. Высокоточные методы неразру-
шающего контроля, основанные на принципах голографической
интерфереметрии, могут применяться прежде всего при испыта-
нии элементов, деталей, узлов, машин, подвергающихся большим
силовым нагрузкам при эксплуатации, например, шины, само-
летные тормозные диски и др.

Голографическая интерферометрия, представляющая собой
комбинацию трехмерной лазерной голографии и лазерной интер-
ферометрии, может использоваться также для дефектоскопиче-
58
ского анализа и для исследования деформаций, напряжений
и вибраций. Суть такого контроля состояния объектов заклю-
чается в следующем. Если две голограммы одного объекта
записаны на одной фотопластинке и при этом между экспониро-
ваниями объект подвергался деформациям, то в процессе вос-
становления одновременно будут восстановлены оба волновых
фронта. При этом пространственная частота интерференцион-
ных полос будет характеризовать величину деформации объекта.

Использование техники когерентной оптики обусловливает
ряд преимуществ при измерении деформации по сравнению
с существующими методами. Прежде всего эти методы бескон-
тактные и они могут применяться в любых условиях. Кроме того,
они отличаются высокой чувствительностью. Все эти методы
обеспечивают определение градиента деформации в статических
и динамических условиях.

Среди технических применений голографических методов
обработки информации необходимо также отметить голографи-
ческий метод цветной шлирен-фотографии, голографические
методы определения размеров частиц и другие методы.

Г л а в а 3. АССОЦИАТИВНАЯ ВЫБОРКА
ИНФОРМАЦИИ

ПРИНЦИП АССОЦИАТИВНОСТИ

В оптико-электронных системах обработки ин-
формации в особенности в запоминающих и распознающих
устройствах находит применение принцип ассоциативности. Этот
принцип позволяет осуществлять построение запоминающих уст-
ройств с большим объемом накапливаемой информации с произ-
вольной выборкой информации и малым временем поиска
нужной информации.

Интересно отметить, что человеческая память функционирует
по принципу «ассоциации идей» с помощью некоторой словарно-
адресной системы. При необходимости выборки информации до-
статочно вспомнить одну идею, как память человека воспроизво-
дит цепь связанных с ней других идей и понятий. При этом, если
назвать одну идею из этой цепи, то в воображении возникает
и первая упомянутая идея и некоторое «дерево» идей, логически
связанных с ней.

Основное отличие ассоциативных запоминающих устройств
от обычных запоминающих устройств и заключается в способе
выборки информации. В этих устройствах выборка информации
выполняется не по адресу, а по некоторому признаку самой
информации. На вход ассоциативного запоминающего устрой-
ства достаточно подать лишь некоторые признаки искомого объ-
екта информации, и тогда на выходе можно получить всю ин-
формацию об объекте, обладающем данными признаками. В ка-
честве признака в простейшем случае может выступать совокуп-
ность известных элементов искомого объекта информации.

В этом случае содержание каждого объекта информации
записывается в закодированном виде и представляет собой
конечный набор символов некоторого алфавита (например,,
двоичного). Такой набор символов называется словом.

На основании сравнения признаков дается ответ — хранится
или нет в ассоциативном запоминающем устройстве информация
с такими именно признаками. При положительном ответе тре-
буемая информация может быть извлечена из устройства памяти.
В большинстве таких устройств перечисленные операции выпол-
няются одновременно для всего массива информации.

В обычной табличной машинной памяти можно записать ряд
слов уь у2,...»Ут в ячейки с номерами х\, х2,..., хт и по заданному
адресу Xi извлечь соответствующее уг*. Однако значительно слож-
нее решить обратную задачу: осуществить нахождение х> по Уг.
Для этого потребуется перебрать в запоминающем устройстве
все значения слов у, пока не произойдет совпадения одного из
них с заданным у^ Это положение существенно усложняется,
когда в памяти зафиксирована взаимосвязь не двух, а многих
величин. В этом случае возникает вопрос о рациональной орга-
низации структуры запоминающего устройства, которое могло
бы по заданному сочетанию нескольких величин хь х2,..., хп
найти соответствующее значение у. Так как работа таких запо-
минающих устройств должна напоминать выборку информации
по принципу ассоциации идей, они условно названы ассоциатив-
ными [60].

В большинстве ассоциативных запоминающих устройств слово
состоит из двух частей. Первая часть слова, предназначенная
специально для отыскания его среди других слов, называется
ассоциативным признаком. Вторая часть слова содержит соб-
ственно интересующую нас информацию, и ее принято называть
основной информацией. Ассоциативный признак слова служит
лишь характеристикой основной информации и самостоятельного
интереса не представляет.

В процессе поиска информации в ассоциативном запоминаю-
щем устройстве участвуют лишь ассоциативные признаки слов
и извлекаются те слова, ассоциативные признаки которых совпа-
дают с заданными. В ряде устройств в качестве ассоциативного
признака слова можно использовать любой его разряд, причем
остальные разряды составляют основную информацию.

Ассоциативное запоминающее устройство, как правило, имеет
в своем составе устройство для задания признаков и собственно
устройство хранения информации. Известные признаки инфор-
мации, по которым осуществляется поиск, образуют признак
опроса, который размещается в регистре опроса. Накопитель
60
ассоциативного устройства состоит из двух частей: устройства
хранения ассоциативных признаков слов и устройства хранения
основной информации, которые связаны между собой через
индикаторы совпадения. Индикаторы совпадения служат для
выявления тех слов, у которых ассоциативные признаки совпали
с заданным признаком опроса.

Основная информация может иметь несколько признаков.
Поиск обычно восполняется не по всем ассоциативным призна-
кам, и часть разрядов не участвует в процессе поиска. Основная
информация не участвует в процессе поиска, поэтому для ее
хранения можно использовать обычное запоминающее устрой-
ство с произвольной выборкой, адресная система которого управ-
ляется от индикаторов совпадений.

Процесс поиска состоит в сравнении каждого разряда при-
знака опроса с каждым одноименным разрядом всех ассоциатив-
ных признаков слов. При этом операцию сравнения можно
выполнять для одного разряда ассоциативных признаков всех
-слов одновременно.

Поиск нужного слова, т. е. операция просмотра, сравнения
и выявления слова, ассоциативные признаки которого совпали
с признаком опроса, завершается определением нескольких слов
с одинаковым ассоциативным признаком. Следующим этапом
работы ассоциативного запоминающего устройства при положи-
тельном результате поиска является извлечение основной
информации.

Таким образом, в ассоциативном запоминающем устройстве
возможно получение многозначного ответа, что никогда не про-
исходит в обычном запоминающем устройстве.

Необходимо отметить, что в ассоциативном запоминающем
устройстве запись информации может выполняться в одну из
свободных ячеек без указания адреса. Выбор информации осу-
ществляется путем ассоциативного поиска в соответствии
с заданным признаком опроса.

Для осуществления поиска запоминающие элементы,
в которых хранятся ассоциативные признаки, кроме фиксации
информации, должны обеспечить ее логическое сравнение и не-
разрушающее считывание. Поэтому накопитель ассоциативного
запоминающего устройства должен быть выполнен из элементов,
позволяющих осуществлять такие действия.

При одинаковом объеме основной информации емкость
накопителя ассоциативного запоминающего устройства должна
быть больше, чем у обычного запоминающего устройства, за счет
увеличения длины ячеек и хранения дополнительных разрядов
.ассоциативных признаков слов.

В современных ассоциативных запоминающих устройствах
используются различные способы осуществления поиска инфор-
мации, опроса, выборки многозначного ответа, записи инфор-
мации и т. д. Различаются ассоциативные запоминающие
устройства также по структуре, схемным особенностям и типу
применяемых запоминающих элементов.

По способу поиска ассоциативные устройства могут быть,
разделены на устройства с простым и сложным поиском.
В устройствах с простым поиском нахождение информации
осуществляется по полному совпадению разрядов признака оп-
роса и ассоциативного признака. В устройствах со сложным
поиском информации выбор слова может быть выполнен по
частичному совпадению признака опроса и ассоциативного
признака. Примерами такого поиска является поиск слов с мак-
симальным или минимальным значением ассоциативного призна-
ка и поиск слов, значение ассоциативных признаков которых
больше или меньше заданного признака опроса.

Процесс многократной выборки из ассоциативного запоми-
нающего устройства максимального или минимального слова
(с исключением его из дальнейшего поиска) представляет собой
по существу упорядоченную выборку. Элементом упорядоченной
выборки является также поиск информации, ближайшей (боль-
шей или меньшей) к заданному признаку. К этому же виду по-
иска может быть отнесена выборка всех слов, значение признака
которых больше или меньше заданного или которые находятся
внутри или вне заданных пределов.

Наиболее распространенной задачей сложного поиска инфор-
мации по ассоциативным признакам является упорядоченная
выборка. Можно считать, что упорядоченная выборка состоит из
циклически повторяющихся двух основных операций: поиск
слова с максимальным (или минимальным) численным значени-
ем ассоциативного признака, а затем либо повторение той же
операции, либо поиск слова с ближайшим меньшим (или боль-
шим) по величине значением ассоциативного признака.

Методы упорядоченной выборки разделяются на алгоритми-
ческие и аппаратурные. Алгоритмические методы упорядоченной
выборки заключаются в том, что выборка всех слов, предназна-
ченных для упорядочения, выполняется за серию опросов, причем
каждый признак опроса вырабатывается в зависимости от
результата предыдущего опроса. Эти методы алгоритмической
выборки называются также выборкой с переменным признаком
опроса. Аппаратурные методы упорядоченной выборки отли-
чаются тем, что при выработке серии опросов не учитываются
результаты предыдущих опросов.

С созданием лазерных источников излучения и разработкой
принципов голографии возникла возможность построения
оптико-электронных ассоциативных запоминающих устройств.

Использование в ассоциативной памяти методов голографии
обусловливает потенциальную возможность получения высокой
плотности хранения и большого объема накапливаемой инфор-
мации при высоком качестве ее считывания. Кроме того, только
при использовании методов голографии могут быть осуществле-
62
ны практически мгновенное ассоциативное считывание инфор-
мации по классифицирующим признакам и пространственное
выполнение логических операций.

В качестве примера оптико-электронных запоминающих
устройств рассмотрим устройство, предложенное Ван Хирденом
[150]. Это устройство может работать как ассоциативное запоми-
нающее устройство.

В основе описываемого запоминающего устройства лежит
свойство щелочногалоидных кристаллов — обесцвечиваться под
действием ярких источников света Ч Два пучка лучей когерент-
ного света одной длины волны, направленные под углом друг
к другу, образуют интерференционную область (рис. 19). Если
в эту область поместить кристалл, то он будет обесцвечиваться
в соответствии с интерференционной картиной, причем состояние
обесцвечивания сохраняется в течение некоторого промежутка
времени после прекращения освещения кристалла.

Информация, предназначенная для записи в кристалл 2, за-
кодирована на транспаранте 1 в виде последовательности черных
и прозрачных точек. Этот транспарант размещают в плоскости
объектов О и освещают световым пучком Lo, сходящимся в точ-
ке Fi, где этот пучок блокируется. Дифрагированный свет,
несущий информацию в черно-белом коде, освещает кристалл.
Одновременно кристалл освещают вторым сходящимся лучом
света когерентным с Lo. Луч света Lj фокусируется в точке F2,

1 К щелочногалоидным кристаллам относятся кристаллы обычной пова-
ренной соли.
Рис. 20. Упрощенное ассоци-
ативное запоминающее уст-
ройство, подверженное по-
мехам

Рис. 21. Голографическое преобразование:
а — запись; б — восстановление

расположенной непосредственно над транспарантом 3, разделен-
ным на п квадратов, в каждом из которых записана одна
команда Предположим теперь, что фиксируются все ситуации
Sj, причем каждой соответствует собственный источник света
освещающий транспарант 3. Если теперь поместить в плоскости
объектов О некоторую произвольную ситуацию Sj, то возникнет
фантомное изображение Lj.

Возникающая при подсветке транспаранта лучом Lq интер-
ференционная картина зависит от вида записываемой информа-
ции. При смене диапозитива меняется квадрат вспомогательного
транспаранта 3, на который фокусируется луч. Таким образом,
в рассмотренном устройстве основная информация записывается
на вспомогательном транспаранте 3, а ее признаки с помощью
диапозитивов 1 записываются в кристалле.

Считывание информации осуществляется за счет возникно-
вения прозрачного фантомного изображения при освещении
кристалла одним лучом света Ло благодаря его дифракции. Это
фантомное изображение с помощью луча Lj освещает один из
квадратиков вспомогательного транспаранта, с которого может
быть считана информация. Какой из квадратиков вспомогатель-
ного транспаранта будет освещен за счет фантомного изобра-
жения — зависит от вида диапозитива, посредством которого
производится опрос.

В кристалле может быть произведена запись с помощью света
с различными длинами волн. Емкость запоминающего устройства
64
при объеме кристалла 1 см3 оценивается величиной 1015 бит [150].

Возможно создание более простого устройства, в котором
Sili фиксируются одновременно в плоскости 1 (рис. 20). Если
затем при поиске поместить Sj в плоскость объектов /, то
команда Ij возникает в виде фантомного изображения. В этом
случае в кристалле 2 хранятся как ассоциативные признаки слов,
так и основная информация. Опрос выполняется по любой из-
вестной части искомой информации с помощью луча света Sj.
Однако подобное устройство обладает недостатком, который
проявляется в том случае, когда две различные ситуации Sj и SK
имеют идентичные части. Тогда при проявлении ситуации Sj
в плоскости 0 в плоскости 3 возникнут одновременно фантомные
изображения Ij и /к, что может привести к ошибкам. Поэтому
желательно иметь в оптическом ассоциативном запоминающем
устройстве две накопительные области.

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ АССОЦИАТИВНАЯ ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ

Предложено также голографическое ассоциативное запоми-
нающее устройство, принцип действия которого основан на из-
вестном свойстве голограмм, позволяющем восстанавливать
полное изображение по имеющемуся фрагменту [118]. Для этого
предлагается динамическая модель, включающая последова-
тельность узкополосных фильтров с регулируемыми коэффици-
ентами передачи, так что каждый из этих коэффициентов на-
страивается пропорционально энергии в соответствующей полосе
частот. При возбуждении такого последовательного фильтра
одним из фрагментов последовательности частот фильтр авто-
матически продолжает всю последовательность.

Такое устройство действительно является временным анало-
гом голографии, которому, однако, присущи некоторые ограни-
чения. Голография позволяет не только восстанавливать исход-
ное изображение по фрагменту, но также восстанавливать
и другое, связанное с ним изображение. Это свойство приводит
к постановке более общей задачи: нахождение двойного преоб-
разования, которое может имитировать основные черты последо-
вательности записи-восстановления голограмм. Очевидно, что
существует бесчисленное множество таких парных преобразова-
ний, и среди них следует отыскать одну пару, отличающуюся
наибольшей простотой.

Рассмотрим сначала полное преобразование в голографии
от процесса записи до восстановления.

На рис. 21, а показана плоскость х, у, на которой как-то
распределены фазы и амплитуды двух комплексных волн
а(х, у) и Ь(х, у). Запись их осуществляется на фотографической
пластинке, размещенной в плоскости щ v9 в которой образуется
суммарная комплексная волна А (и, v) + В (щ v). Положим рас-
5 Заказ 375	65
стояние между этими плоскостями, равным L. Если между пло-
скостями расположена оптическая система, то нужно заменить
расстояние L на радиус кривизны R сферической волны, исхо-
дящей из точки, расположенной на плоскости х, у.

Амплитуда А (и, v) выражается с помощью дифракционного
интеграла Френеля — Кирхгоффа. После отбрасывания несу-
щественных множителей получим

A(u, v) = ехр[ш(и2 + v2)/kL JJ а'(х, у)]ехр[—2ni(xu + yv)/KL]dx dyr

(1>

где

а'(х, у) = а(х, y)exp[m(x2 + y2)/XL].

(2>

Таким же образом можно получить значение для В(и, и).
Приведенное выражение для А является преобразованием Фре-
неля от а(х, у) и отличается от преобразования Фурье только
наличием двух множителей Гаусса.

При образовании голограммы записывается величина
|А + В|2 и коэффициент прозрачности фотопластинки содержит
интерференционный член АВ + АВ. Первый сомножитель соот-
ветствует двойниковой волне и здесь не представляет интереса.
Второй сомножитель при освещении волной А восстановит пер-
воначальную волну

ААВ = ехр [ш(и2 + v2)/kL] J j а' ехр [—2ш(хи + yv^L] dxdy х

X [ J а' ехр [2ш (xu + yv^L} dxdy J J b' exp x

X [— 2nf(xu + yv)/KL]dxdy.	(3)

Первых два интегральных множителя можно привести
к преобразованию Фурье от автокоррелограммы. После преобра-
зований имеем [118]

j	ехр( — 2niux\lKL)dy\ =

= J |\a'©a')* 6'jexp( — 2лшт]/Л£)^т].	(4)

Теперь общий результат ААВ можно интерпретировать как.
преобразование Френеля от свертки 6(х, у) и автокоррелограм-
мы я'(х, у), т. е. можно заключить, что восстановленное с голо-
граммы 2 изображение 6(х, у) (рис. 21,6) отличается от Ь(х, у)
тем, что оно получено не с помощью дельта-функции, а с по-
мощью функции рассеяния (функция распределения облучен-
ности в изображении идеального точечного источника)—т. е.
автокоррелограммы не опорной волны а(х, у), а ее модифика-
ции я'(х, у).

Пренебрегая различием между а и д', можно видеть, что
в результате полного голографического преобразования обра-
зуется свертка ассоциированного сигнала b с автокоррелограм-
мой ключевой волны а:

Ь==Ь*(а©а).	(5)

Если ключевая волна или ключевой рисунок имеют автокор-
реляционную функцию с острым пиком, то Ь будет мало отли-
чаться от Ь. Такой случай имеет место для всех «шумоподобных»
функций без постоянной составляющей и рисунков, образованных
тонкими линиями. Поскольку написанные от руки и печатные
буквы как раз образуются из тонких линий, то указанное свой-
ство является основным для их голографического опознавания.

Более того, поскольку даже небольшая часть таких сложных
рисунков образует при свертке с исходным целым рисунком
корреляционную функцию с острым пиком, то именно по этой
причине в голографии оказывается возможным по части восста-
новить целое.

В качестве первого примера двухстепенного преобразования
рассмотрим последовательность двух сверток (118]. Для записи
образуем свертку ключевой функции А с В. Для того чтобы вос-
становить В, образуем свертку с А' (фрагментом Л).

Пусть рассматриваемая последовательность задана от t = О
до t = Т или содержится в этом интервале. Используем пере-
крестную корреляционную функцию

т

<р(/') = J В(%—t')dx.	(6)

о

Пределы интеграла не имеют большого значения, так как
А (х— Г) =0 при х < /', а В(х) =0 при х > Т. Поэтому эти
пределы можно расширить.

При вспоминании символов образуют функцию взаимной
корреляции между ключевыми сигналом А' и записью (6):

/?(/)=	(7)

о

Пределы интеграла можно опять расширить, поскольку сиг-
нал А' возникает только после t > t', a <p(f) исчезает при
t'>T.

Подставляя значение <р(Г) из выражения (6) в равенство (7),
расширяя пределы интегрирования и вводя новые переменные

l = t — X, х =
получим

R(t)= JJ В(т)Л(т—t')A'(t—t')dxdx' =

= J	A(x-l)A'(x)dx]dl = B*(A ©Л')	(8)
— свертку В с функцией взаимной корреляции между А и А'.
Если A'(t) = A(t + /о), т. е. является исходным ключевым сиг-
налом, сдвинутым на </0, то корреляция (Аф А') по форме при-
ближается к дельта-функции. При этом условии вспомненная
функция почти точно воспроизведет B(t + /0).

Запись сигнала согласно выражению (7) и вспоминание по
равенству (7) можно выполнить с помощью любой системы,
способной осуществить операции сдвига, умножения и суммиро-
вания. Поэтому для этой цели можно использовать цифровую
вычислительную машину.

Простейшим типом сигнала является двоичная последова-
тельность знаков +1 и —1 с одинаковой в среднем вероятностью
появления. Такие сигналы легко различаются и восстанавливают-
ся путем коррелирования. Удобно, но не необходимо иметь
нулевой уровень, чтобы в паузах сигнала функция корреляции
равнялась нулю.

В оптической модели, работающей с некогерентным светом
и диффузным источником с широким лучом, необходимо переда-
вать положительные и отрицательные части сигнала по двум
различным оптическим трактам. Оба кода—двоичный (±)
троичный (± и 0) —для ассоциированных сигналов А и В могут
быть реализованы с помощью черно-белой пленки или с помощью
перфорированной ленты [118].

Предложено также голографическое ассоциативное запоми-
нающее устройство, основанное на несколько отличном принципе
действия [146]. Основными операциями и в ассоциативной памяти
являются операция поиска, выявляющая местонахождение необ-
ходимой информации, и операция считывания найденной инфор-
мации. При поиске местонахождение информации, ассоциатив-
ный признак которой не совпадает с признаком опроса, опреде-
ляется по появлению сигнала на выходе логической схемы ИЛИ,
которая объединяет выходы сигналов всех логических схем
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, включенных между каждым разрядом
ассоцииативного признака хранимой информации и разрядами
признака опроса. Одно из основных свойств голограмм — свой-
ство ассоциативного преобразования — идеальным образом
подходит для выполнения описанной выше операции поиска.
Голограмма является такой запоминающей структурой, которая
одновременно отыскивает и считывает информацию, соответ-
ствующую входной информации, т. е. признаку опроса.

Предложенный принцип действия голографического запоми-
нающего устройства позволяет осуществлять его на основе как
тонких, так и толстых голограмм [146].

В голографической ассоциативной памяти на тонких голо-
граммах в качестве запоминающей матрицы используется фото-
графическая пластинка, на которой записаны двумерные картины
интерференции двух когерентных световых пучков, модулиро-
ванных сигналами признака опроса и сигналами информацион-
68
Рис. 22. Схема получения ассоциативной запоминающей матрицы
голограмм:

а — параллельный когерентный световой пучок А(х, у) модулируется сиг-
налом ассоциативного признака; б — расходящийся световой пучок
В(х, у) модулируется сигналом основной информации; в — картины ин-
терференции пучков А(х, у) и В(х, у) регистрируются на соответствующих
участки слоев фотографической пластинки; п — расположение разрядов;
N — расположение слов

них данных. Схема, иллюстрирующая получение голографиче-
ской ассоциативной запоминающей матрицы, показана на рис. 22.

Световые пучки Л(х, у) и В(х, у) несут информацию А =
= (Ль Л2, Л3,..., Лп) и В = (Bi, В2, В3,..., Вт) соответственно.
Для удобства выполнения логических операций оптическими ме-
тодами световой пучок Л (х, у) составляет из 2п параллельных
лучей аь аь а2, а2, 0з, 0з,__•••, 0п, 0п, а световой пучок В(х, у) из 2т
расходящихся лучей 6Ь 6Ь 62, Ь2,	Ь3, ..., Ьт, Ьт. В пучке Л (х, у)

i-й двоичный знак Лг- слова Л кодируется двумя лучами в прямом
(истинном) щ и обратном аг- коде. Аналогично два луча 6;, 6г-
представляют разряд Вг. В зависимости от того, 1 или 0 содержит
данный разряд, зажигается когерентный источник прямого или
обратного кода. Например, если код слова (Ль Л2, Л3, Л4) имеет
значения (1, 0, 1, 0), а код слова (Вь В2, В3, В4) —значения (0,
0, 1, 1), то пучок Л(х, у) состоит из лучей ait а2, az, а4, а пучок
В(х, у) из лучей 61, 62, &з, Ь4.

В голограмме, формируемой пучками Л(х, у), информация Л
регистрируется в виде последовательности пятен а2,... на уча-
стке, занимаемом словом, в то время как каждое из пятен
содержит всю информацию В. При записи массива информации
каждый раз, когда регистрируется новое слово, световые пучки
и фотопластинка взаимно сдвигаются.

На рис. 23 приведена схема поиска и считывания информа-
ции. Поиск осуществляется по принципу выявления полного
несовпадения. Когерентный опрашивающий пучок С(х, у), мо-
дулированный обратным кодом признака опроса С' = (Сь С2,...,
Сп), освещает запоминающую матрицую голограмм. Пучок
Рис. 23. Схема поиска и считы-
вания информации:

1 — детектор пучка, 2 — запоми-

нающая матрица; 3 — линза для
формирования действительного изо-
бражения; 4 — решетка фотоприем-
ников для считывания информа-
ционных сигналов; 5 — решетка
фотоприемников для обнаружения
совпадающих по признаку слов;
6 — разряды; 7 — слово; 8 — оп-

С(х, у) также состоит из совокупности истинных и дополнитель-
ных лучей Сь Ci, С2, С2, С3, С3,Сп, Сп\ здесь Ci или Сг пред-
ставляют собой когерентные световые лучи, которые одновремен-
но освещают соответствующие разряды щ (или аг) всех подле-
жащих опросу слов Поскольку пучок С(х, у) модулирован
обратным кодом признака опроса, никакого изображения инфор-
мационных сигналов не возникает от участков, на которых
записаны слова с ассоциативным признаком, полностью совпа-
дающим с признаком опроса.

В рассмотренном примере А = (1, 0, 1, 0) и В = ((\ 0, 1, 1)
интерференционные картины записаны в позициях а2, «з,
причем каждая из них содержит всю информацию В. Если сигнал
опроса (Ср С.', С', С4) имеет код (/, X, X, 0), где символом X
обозначены «безразличные» разряды, то соответствующий опра-
шивающий пучок С(х, у) будет состоять из_двух параллельных
лучей, выходящих из позиций с\ и с4. Так как сх и с4 не совпадают
с положением пятен на интерференционной картине, то никакого
изображения информационного сигнала В не возникает. Таким
образом, найти, что признак опроса С' = (/, X, X, 0) совпадает
с ассоциативным признаком А = (1, 0, 1, 0), связанным с инфор-
мацией В = (0, 0, 1, 1).

1 Некоторые из разрядов могут быть «безразличными», т. е. не участво-
вать в процессе поиска.
При одновременном освещении опрашивающим пучком всех
слов возникающее изображение информационных сигналов счи-
тывается с помощью решетки фотоприемников с числом элемен-
тов, равным числу опрашиваемых слов. Как уже отмечалось,
восстановленные изображения возникают только от тех слов,
у которых интерференционные пятна не совпадают с опрашиваю-
щим сигналом, в то время как от слов, для которых интерферен-
ционные пятна совпадают с опрашивающим сигналом, изображе-
ния не возникают. При поиске информации с заданным призна-
ком возможны следующие три ситуации: несовпадение,
однозначное совпадение и многозначное совпадение. В последнем
случае прежде чем приступить к считыванию информационных
данных, многозначное совпадение должно быть сведено к одно-
значному с помощью методов упорядоченной выборки. После
отыскания местонахождения совпадающих по ассоциативному
признаку слов необходимая информация В может быть считана
путем освещения когерентным лучом участков запоминающей
матрицы, содержащих эту информацию.

С точки зрения практической реализации рассмотренной
голографической ассоциативной памяти важными элементами
являются дефлектор светового луча и решетка модуляторов
света. При поиске информации с заданным признаком когерент-
ные световые лучи, модулированные в соответствии с обратным
кодом сигнала опроса, должны быть разведены так, чтобы они
одновременно освещали все слова. Это можно выполнить сле-
дующим образом. Входной когерентный световой пучок дел_ится
на 2п параллельных лучей, соответствующих сигналам
сп, сп с помощью системы расщепителей. Затем 2п параллельных
лучей модулируются в соответствии с заданным признаком опро-
са решеткой из 2п электрооптических модуляторов света. После
прохождения через модуляторы параллельные световые лучи
разделяются дефлектором по всем направлениям слов.

Восстановленное изображение найденной информации считы-
вается решеткой 1 фотоприемников, имеющих форму узких длин-
ных полосок.

Теперь рассмотрим принципы построения ассоциативной
памяти на толстых голограммах [146]. В случае отбеленных голо-
грамм на толстых фотоэмульсиях, содержащих трехмерные
картины интерференции двух когерентных световых пучков а и
b (рис. 24), дифракция света наблюдается в определенном на-
правлении только при определенном угле падения светового пуч-
ка на голограмму. Распределение интенсивности дифрагирован-
ного света описывается выражением

Ц = /0 sin* 1 2 [л/п2/Х(п2—sin2 0)1/2] sin ел/ sin 0 cos 0/X(n2 — sin2 0)1/2 X

 X [ел/ sin 0 cos 0/%(n2 — sin2 0)1/2]“2,

1 В конструктивном отношении такая решетка проще, чем фотоприемни-

ки матричного типа.
где /о — интенсивность падающего света; п — показатель
преломления фотоэмульсии; t — толщина фотоэмульсии; 20—
угол между когерентными пучками а и Ь\ г — отклонение от угла
Брэгга.

При 8 — 0

Ix ~ sin2 [л/п2/Л(п2—sin2 0)1/2].

В том случае, когда

в2 >(Х2//2)(п2—sine 0)/sin2 0 cos2 0,

величина пренебрежимо мала. Если кроме интерференционной
картины лучей ах и Ьх на фотоэмульсии зарегистрирована интер-
ференционная картина двух других лучей а2 и Ь2 и угол между
когерентными лучами ах и az удовлетворяет условию

т2 ^(Х2Д2)(п2—sin2 0)/sin2 0 cos2 0,

то когерентный луч ах восстанавливает только изображение коге-
рентного луча Ьх. Отсюда легко понять ассоциативно преобразую-
щую функцию толстой голограммы.

Схема получения ассоциативной запоминающей матрицы
в случае толстых голограмм изображена на рис. 25. Световой
пучок А (х, z/), несущий информацию А = (Ль Л2, Лп), состоит
из совокупности 2п когерентных сферических лучей, которые
излучаются решеткой из 2п точечных источников ах, аь а2, a2i
аПу ап. Аналогично световой пучок В(х, у), несущий информацию
В = (Вь В2,..., Вт), состоит из 2т когерентных расходящихся
лучей, излучаемых точечными источниками bx, bXt b2i b2,..., bm, bm.
Угол та между любыми точечными источниками ах, alf..., ап, ап
и угол тв между любыми точечными источниками Ьх, ..., Ьт>
Ьт выбраны такими, чтобы выполнялось условие

т2 = т2в	(№/12) (п2—sin2 0)/sin2 0 cos2 0.

Рис. 24. Интерференционная кар-
тина, регистрируемая в толстых
эмульсиях:

1 — пучок когерентного света; 2 —
пучок когерентного света Ь; 3 — ин-
терференция картины; 4 — фронт вол-
ны; 5 — слой фотоэмульсии
Кроме пучков А и В, для освещения небольшого участка фото-
эмульсии используется отклоняемый дефлектором когерентный
световой пучок 2, Трехмерная картина интерференции расхо-
дящихся световых пучков А и В и отклоняемого светового пучка 2
регистрируется на небольшом участке эмульсии в виде голо-
граммы слова. Интерференционные картины других комбинаций
сигналов регистрируются точно таким же образом, однако каж-
дый раз при записи новой информации когерентный пучок 2 и
ограничивающая диафрагма смещаются в соседнее положение.
Таким образом последовательность слов подлежащего записи
массива информации регистрируется в виде множества объемных
интерференционных картин (голограмм), отличающихся углами
наклона интерференционных линий к плоскости эмульсионного
слоя.

На рис. 26 представлена схема поиска информации по
заданному признаку с помощью пространственной логической
функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Если информация А является
предъявляемым к опросу признаком, то при поиске информации
решетка точечных источников аь.. излучает совокупность
сферических волн, отображающих обратный код признака опроса
и освещающих всю поверхность запоминающей матрицы. Запо-
минающая матрица располагается к источникам когерентного
Рис. 26. Схема, иллю-
стрирующая выполне-
ние операции поиска
информации толстых
голограмм:

1 — точечные источники
А(х, у)\ 2 — пучок ко-
герентного света; 3 —
дефлектор; 4 — точечные
источники В(х, у); 5 —
отклоненный пучок све-
та; 6 — запоминающая
матрица; 7 — фотопри-
емник В, 8 — матрица
фотоприемников для об-
наружения совпадающих
по признаку слов; 9 —
фотоприемник Л

света обратной стороной, чтобы при восстановлении голограмм
получить действительные изображения.

Если точечные световые источники, излучающие при поиске
информации когерентные расходящиеся пучки, окажутся теми
же источниками, которые использовались при записи, то восста-
новятся изображения отклоняемого пучка и информации В.
Если такого совпадения не будет ни для одного из опрашиваю-
щих пучков, то никакое изображение не восстановится. Следова-
тельно, можно определить местонахождение нужной информации
по отсутствию изображений отклоняемого пучка.

Считывание найденной информации В осуществляется путем
освещения голограммы, содержащей эту информацию, тонким
когерентным пучком, направляемым на нее дефлектором. Свето-
вые сигналы А(х, у) и В(х, у) формируются одинаковыми опти-
ческими системами, поэтому поиск информации по признаку В
может быть осуществлен аналогично. Следовательно, рассмот-
ренное голографическое ассоциативное запоминающее устрой-
ство на толстых голограммах обладает свойством взаимного
преобразования различной информации.

Метод ассоциативной выборки информации используется так-
же при решении некоторых задач опознавания образов. Одним
из важных этапов решения задачи опознавания образов часто
является сравнение кода образа, предъявленного для опознава-
ния объекта, с кодами эталонных образов, хранящихся в запо-
минающем устройстве опознающей оптико-электронной системы.
Одним из способов решения этой задачи является запись в ассо-
циативном запоминающем устройстве кодов запомненных обра-
74
зов и последующий ассоциативный поиск эталонных образов по
вводимым в опознающее устройство признакам опознаваемого
объекта. Например, ассоциативный принцип используется
в счетном анализаторе биологических структур. В этом устрой-
стве используется электронно-оптическая система построчной
развертки изображения микрообъектов с последующей классифи-
кацией с помощью ассоциативной адресной системы. Первым
признаком может служить цвет; вторым признаком — связан-
ность структуры по двум направлениям. Следующим признаком
может служить, например, характер кривизны внешнего контура
объекта. В результате анализа сочетаний всех признаков можно
определить общие свойства анализируемого объекта. По резуль-
татам анализа на выходе устройства можно построить большое
число кривых статистического распределения исследуемых эле-
ментов, соответствующих различным задаваемым параметрам.

Метод ассоциативной выборки информации используется так-
же в оптико-электронных устройствах автоматического чтения
текста. Для повышения скорости и помехоустойчивости процесса
автоматического чтения текста можно использовать способ, ос-
нованный на принципе перезаписи точек развертки в запоминаю-
щие элементы оперативного запоминающего устройства с после-
дующим параллельным считыванием сигналов, соответствующих
характерным признакам фигур, которые опознаются затем в ас-
социативном запоминающем устройстве.

Одна из возможных схем распознающей системы такого
класса представлена на рис. 27. Генератор синхронизирующих
импульсов Г со счетчиком Сг управляет разверткой изображения
и процессом записи сигналов в оперативном запоминающем
устройстве. Запись выполняется через схемы вертикального В
и горизонтального Г управления. При этом луч электроннолуче-
вой трубки перемещается скачкообразно по поверхности носителя
информации Н и модулированный печатными знаками световой
поток улавливается фотоэлементом. При этом на выходе усили-
теля У формируются сигналы в виде электрических импульсов,
которые можно в зависимости от уровня обозначить 1 или 0.
Эти импульсы поступают в систему записи оперативного запоми-
нающего устройства ОЗУ одновременно с сигналами адресной
системы этого устройства, которая определяет место записи ука-
занных единиц и нулей. По окончании записи срабатывает ключ,
который открывает цепь для протекания тока считывания по
шине Ш. В обмотках возникают сигналы ш, величина которых
пропорциональна числу возбужденных сердечников. Эти сигналы
сопоставляются в диодных схемах Д с некоторыми опорными
напряжениями. При этом если сигнал от обмотки больше опор-
ного напряжения, то он обозначается 1, а если меньше, то обо-
значается 0. Вследствие этого на выходе всех диодных схем
сравнения получается некоторый двоичный код. Напряжения,
соответствующие этому коду, поступают для расшифровки
в ассоциативное запоминающее устройство АЗУ. Полученная
информация из ассоциативного запоминающего устройства
выдается через регистр Р.

В такой системе при наличии ассоциативного запоминающего
устройства можно вводить большое число сигналов (по числу
признаков), причем если некоторые из признаков почему-либо-
будут отсутствовать, то можно опознать фигуру по остальным
признакам.

В заключение отметим, что использование методов ассоциа-
тивной выборки информации при технической реализации
оптико-электронных устройств поиска объектов в больших мас-
сивах информации, а также при решении задач опознавания
визуальных образов весьма перспективно.

Использование достижений голографии, интегральной техни-
ки и микроэлектроники, по-видимому, позволит в ближайшее
время создать высокоэффективные ассоциативные запоминаю-
щие устройства.

Г л а в а 4. СПОСОБЫ ДВУМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

В разработке теории, методов и принципов по-
строения обзорно-поисковых оптико-электронных систем достиг-
нуты значительные успехи. Разработаны принципы построения
обзорно-поисковых систем с параллельным, параллельно-после-
довательным и последовательным съемом информации. Предло-
жены новые идеи построения регулярных обзорно-поисковых
процедур, основанных на новых принципах сканирования (не
поэлементных) [51]. При этом метод последовательного поэле-
ментного сканирования также существенно усовершенствован,
предложены его разновидности, в частности, метод автономного
покадрового сканирования [52].

В этом разделе рассмотрен ряд вопросов, возникающих при
разработке систем, осуществляющих параллельный, параллель-
но-последовательный и последовательный съем информации
с контролируемой поверхности или пространства.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ СЪЕМ ИНФОРМАЦИИ

В тех случаях, когда не требуется высокое пространственное
разрешение, но необходимо высокое разрешение во времени
рационально использовать поисковые системы, осуществляющие
одновременное определение обеих координат объекта. Успехи
волоконной техники создали предпосылки для интенсивной
разработки систем параллельного съема информации. В таких
системах часто используются волоконно-оптические преобразо-
ватели с различными схемами раскладки световодов, позволяю-
щими производить цифровую кодировку координат объектов.

В качестве примера рассмотрим устройство, мгновенно опре-
деляющее две координаты точечного объекта на исследуемом
поле. Такое устройство может быть использовано для визуальной
цифровой индикации двух координат искомого объекта в деся-
тичном коде. Это устройство за короткий промежуток времени
определяет положение одиночного светящегося объекта и выдает
и его координаты в цифровой форме (рис. 28).

Для повышения быстродействия и точности концы световодов
матрицы расположены в двоичном коде, причем каждый из
светопроводящих жгутов на выходном торце устройства разделен
на несколько пучков волокон (по числу единиц двоичного числа,
соответствующего номеру данного жгута). На входном торце
жгуты уложены вплотную друг к другу в прямоугольный растр,
так что каждый жгут соответствует одному из элементов изобра-
жения контролируемого поля. На выходном торце жгута пучки
волокон этих жгутов распределены по фотодатчикам разрядов
двоичного кода, соответствующих единицам двоичного числа,
равного номеру данного элемента изображения. При перемеще-
нии одинрчной цели, засвечивающей в каждый момент времени
один из элементов входного торца оптического устройства, дат-
чик мгновенно выдает информацию о положении объекта в зако-
дированной форме.

Рассмотрим еще одно волоконно-оптическое устройство, осу-
ществляющее параллельный съем информации [52] (рис. 29).
Изображение объекта проецируется на волоконно-оптический
преобразователь 3, волокна которого на входном торце уложены
в виде прямоугольной матрицы. Размеры элементов матрицы
Рис. 28. Волоконно-оптическое

устройство с цифровым выход-
ным сигналом:

1 — светящийся объект; 2 — объек-
тив; 3 — волоконно-оптический
преобразователь; 4 — фотоприем-
ннки; 5 — растр

зависят от выбранного шага квантования просматриваемого поля
по координатам х и у. Выходные торцы световодных жгутов раз-
делены на m + п пучков, где тип — число цифр в координатах
хну соответственно. Каждое ветвление выводится на соответ-
ствующий фотоприемник. Выходные пучки разделены в соответ-
ствии с цифрами декартовых координат в десятичном коде.

Сигналы с фотоприемников подаются на электроды индика-
торного устройства 5, причем одной цифре каждого числового
разряда соответствует один фотоприемник, а каждому разряду
соответствует один цифровой индикатор.

На рис. 30 приведено распределение волокон в оптическом
преобразователе изображения.

Рассмотрим устройство волоконного преобразователя по
координате х (по координате у устройство аналогично). Если
х < 10, то первые выводы всех элементов вертикального ряда
объединяются вместе и направляются на один фотоприемник.
Если х > 10, то каждые два выходных конца волокон, идущие
от элементов одной вертикали, объединяются в два ряда, один из
которых идет на элемент, соответствующий единицам, а вто-
рой— десяткам. При этом выводы всех элементов вертикали,
соответствующих высшему знаку разряда в диапазонах:
10 > х > 20; 20 > х > 30, 30 > х > 40 и т. д., могут быть
объединены в каждом диапазоне одним общим жгутом, идущим
к своему фотоприемнику.

Таким образом, при определении положения объекта на поле,
состоящем из 9801 ячейки (99 X 99), максимальное число ветвле-
ний одного волокна п = 2, т = 2. При этом датчик содержит
36 фотоприемников и четыре индикаторные лампы.

Существуют такие варианты рассмотренного устройства,
в которых автоматически определяются две координаты только
движущегося объекта на фоне неподвижных. Это достигается
использованием в схеме обработки дополнительных дифферен-
цирующих звеньев.

С некоторым допущением к группе обзорно-поисковых систем,
осуществляющих параллельный съем информации, могут быть
отнесены растровые системы. Такие системы позволяют одно-
временно определять обе текущие координаты подвижных
точечных светящихся объектов на фоне неподвижных. Основны-
ми элементами таких систем являются растровые решетки, кото-
рые, модулируя излучения подвижных светящихся объектов,

Рис. 29. Двухкоординатный датчик положения:

1 — искомый объект- 2 — объектив; 3 — волоконно-оптический пре-
образователь, 4 — фотоприемники; 5 — индикаторные устройства
Рис. 30. Распределение волокон в волоконно-оптическом
преобразователе

позволяют определять координаты объектов и выполнять филь-
трацию фона. В последнее время разработан ряд новых коорди-
наторов с линейными плоскими растрами, которые обладают
повышенными точностными характеристиками.

В таких устройствах просматриваемое пространство обычно
проектируется через растровые решетки на фотоприемники двух
координатных каналов. При этом штрихи растра, размещенного
в канале у, перпендикулярны оси у. Каждый из растров может
быть выполнен, например, таким образом, что в одну сторону
от его центра предусмотрено увеличение ширины непрозрачных
80
штрихов при неизменном расстоянии между ними, а в другую
сторону — увеличение расстояния между непрозрачными штри-
хами при неизменной их ширине. При появлении в поле зрения
устройства подвижного точечного объекта к сигналам, поступаю-
щим с фотоприемников от неподвижных излучающих объектов,
добавляются импульсные составляющие. В зависимости от поло-
жения объекта по отношению к штрихам растров имеет место
либо постоянная длительность импульсов при переменном рас-
стоянии между ними, либо изменение длительности импульсов
при постоянном расстоянии между ними. Определение текущих
координат подвижных объектов по полученным сигналам может
осуществляться с помощью различных электронных схем.

Для рассмотренной группы обзорно-поисковых 'устройств
характерным является использование различных оптических или
электронно-оптических элементов, позволяющих выполнять одно-
временно параллельное и независимое определение двух коорди-
нат объектов, находящихся в покое или в движении.

ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СЪЕМ
ИНФОРМАЦИИ

Принципы построения систем параллельного съема информа-
ции, как правило, обеспечивают невысокую пространственную
разрешающую способность. Поэтому если требуется одновремен-
но осуществлять достаточно высокое разрешение во времени
и пространстве, приходится применять принципы параллельно-
последовательного сканирования, которые по быстродействию
обладают преимуществами параллельного съема информации,
а по пространственному разрешению — преимуществами после-
довательного съема информации.

Разработаны следующие принципы параллельно-последова-
тельного съема информации: принцип параллельно-зонального
сканирования (рис. 31, а); принцип зонально-поэлементного ска-
нирования (рис. 31, б) и принцип последовательно-зонального
сканирования (рис. 31, в).

Принцип параллельно-зонального сканирования осущест-
вляется с помощью двух сканирующих щелей, перемещающихся
во взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковой час-
тотой (рис. 31, а). При пересечении изображения объекта каждой
щелью осуществляется формирование координатных импульсов
обнаружения, причем у каждой сканирующей щели есть, как
правило, свой отдельный чувствительный элемент и свой канал
передачи информации. Использование этого принципа позволяет
существенно сократить время обнаружения объекта по сравне-
нию с принципом последовательного сканирования, так как в
этом случае ведется одновременное определение двух координат
объекта. Изменение наклона сканирующих щелей позволяет
выделять объекты, ориентированные определенным образом

6 Заказ 375	81
относительно осей координат, и тем самым выполнять простран-
ственную фильтрацию изображения. На основе этого принципа
могут быть созданы различные варианты обзорно-поисковых
систем, осуществляющие различные процедуры поиска.

Принцип зонально-поэлементного сканирования осущест-
вляется в два этапа (рис. 31,6). Сначала выполняется сканиро-
вание контролируемого пространства по зонам до того момента,
пока не выяснится, в какой зоне расположено изображение
объекта, а затем поэлементное сканирование выбранной зоны
для выяснения элемента, в котором расположен объект. В этом
случае время поиска несколько увеличивается по сравнению с
вышеизложенным принципом (так как поиск ведется последова-
тельно по двум координатам).

Принцип последовательно-зонального сканирования осущест-
вляется с помощью двух сканирующих щелей, перемещающихся
по контролируемому полю, в простейшем случае — во взаимно
перпендикулярных направлениях с различной частотой (рис. 31,
в). При этом на чувствительный элемент попадают излучения
82
лишь с того участка поля, на котором находится пересечение
двух сканирующих щелей.

Ширина каждой сканирующей щели и форма ее профиля
могут изменяться в зависимости от поставленной задачи. При
этом могут быть определены некоторые специфические характе-
ристики поля, например, выделены объекты, имеющие опреде-
ленную ориентацию и т. п. Угол взаимного наклона двух щелей
в процессе работы различных систем также может изменяться
определенным образом.

На основе этого принципа сканирования могут быть созданы
как обзорно поисковые системы, которые могут осуществлять
различную пространственно-временную фильтрацию изображе-
ний, так и системы передачи изображений с различными видами
разложения. В частности, используя этот принцип, при взаимно
перпендикулярном движении двух сканирующих щелей одинако-
вой ширины может быть осуществлена построчная развертка
изображения.

Использование перечисленных принципов сканирования по-
зволяет при решении некоторых обзорно-поисковых задач полу-
чать лучшие результаты, чем в случае использования принципа
последовательного сканирования полного кадра. Создание ряда
новых оптико-электронных элементов позволяет реализовать
принципиально новые подходы к построению обзорно-поисковых
устройств и систем. Еще десять лет назад единственными оптико-
электронными обзорно-поисковыми устройствами являлись раз-
личные разновидности передающих телевизионных трубок, спо-
собных осуществлять лишь последовательный поэлементный
поиск в основном с регулярной траекторией сканирования. В на-
стоящее время создание таких оптико-электронных элементов,
как полупроводниковые лазеры, различные волоконно-оптиче-
ские трансформаторы изображения, диссекторы с переменной
апертурой и др., позволяют реализовать значительно более
рациональные обзорно-поисковые процедуры, приводящие в ряде
случаев к существенному повышению информационных харак-
теристик сканирующих систем. Это иногда позволяет получать
такие результаты поиска (по затраченному времени и достигну-
той вероятности обнаружения), которые ранее казались не
осуществимыми.

Перечисленные выше принципы параллельно-последователь-
ного сканирования положены в основу ряда схемных решений
в оптико-электрическом, полупроводниковом, фотоэлектронном
и волоконно-оптическом исполнении. Например, разработана
система, основанная на параллельно-зональном принципе скани-
рования, осуществленная на основе специального волоконно-
оптического преобразователя. Это устройство может быть исполь-
зовано для случая, когда на поле разыскивается (и находится)
только один объект. Использование параллельно-зонального
метода дает возможность сократить время просмотра контроли-
6*	83
a 5 6 г deg)

Рис. 32. Волоконно-оптическое устройство параллельно-
зонального сканирования: а — общая схема устройства;

б — раскладка световодных волокон в оптическом транс-
форматоре изображения и вид сигналов обнаружения;

1 — оптическая система; 2 — волоконно-оптический трансфор-
матор изображения; 3 — диссекторы с круговым сканированием

руемого поля в десятки раз по сравнению с обычным последова-
тельным сканированием [50]. Устройство состоит из следующих
основных узлов (рис. 32): оптической системы /, фокусирующей
изображение контролируемого поля на прямоугольный торец
волоконного преобразователя 2, предназначенного для разделе-
84
ния изображения на элементы и зоны, и двух диссекторов 3.
Для изготовления волоконного преобразователя используются
жгуты стеклянных волокон, имеющих нерегулярную укладку,
причем каждый жгут разделяется на два световодных канала.
Со стороны приемного экрана жгуты укладываются регулярно
в общий световод с квадратным сечением, имеющим, например,
10 жгутов по вертикали и 10 по горизонтали (при общем числе
жгутов, равном 100).

Вторые концы волоконных жгутов обрабатываются следую-
щим образом. В один общий жгут объединяются все первые
половины раздвоенных концов жгутов горизонтальной строки.
Таким же образом объединяются все первые половины свето-
проводов последующих горизонтальных строк. Вторые концы
первого вертикального ряда приемного экрана также объеди-
няются в один жгут. Аналогично объединяются все вторые поло-
вины светопроводов, идущие от каждого вертикального ряда при-
емного экрана. Таким образом на выходе волоконного преобра-
зователя получается 10 жгутов от горизонтальных строк и 10 от
вертикальных рядов. Торцы 10 жгутов, идущих от горизонталь-
ных строк, располагаются по окружности в одной плоскости
вплотную друг к другу. Аналогично располагаются торцы жгу-
тов, идущих от вертикальных рядов.

Диссекторы предназначены для фотоэлектронной коммутации
световых сигналов выходных жгутов. Электронное изображение
вращается относительно оси диссектора таким образом, что
любая его точка описывает окружность. Если по периферии
входного экрана диссектора кольцом расположены выходные
торцы светопроводных жгутов волоконного трансформатора, то
при вращении электронного изображения в отверстие диафрагмы
диссектора будут последовательно попадать электроны с участ-
ков фотокатода, расположенных против каждого из выходных
торцов жгутов. В тот момент времени, когда на анод диссектора
попадут фотоэлектроны с той горизонтальной строки приемного
экрана волоконного трансформатора, на которой расположено
изображение объекта, с диссектора снимется импульсный сигнал.

Аналогично устроен и работает узел коммутации светопро-
водов, соответствующих вертикальным рядам приемного экрана
волоконного преобразователя.

Сравнивая полученные с двух диссекторов импульсные сиг-
налы с опорными сигналами, подаваемыми на развертывающие
системы, можно непрерывно определять координаты искомого
объекта. При этом необходимо отметить, что сканирование вы-
полняется обоими диссекторами одновременно, и поэтому оба
сигнала, несущие информацию о координатах объекта, форми-
руются также одновременно.

Рассмотренное сканирующее устройство может быть также
выполнено с двумя волоконными преобразователями, на которые
с помощью полупрозрачного зеркала одновременно подаются
85
излучения от контролируемого участка поля. При этом строки
входных экранов каждого преобразователя на его выходе соеди-
няются в жгуты, располагающиеся на кольцевой поверхности.
Преобразователи должны быть установлены таким образом,
чтобы строки одного входного экрана были перпендикулярны
строкам второго. Это позволяет при одновременном сканирова-
нии выходных торцов преобразователей осуществлять поиск
объекта на контролируемом поле.

Принцип параллельно-зонального сканирования может быть
также осуществлен с помощью двух диссекторов, имеющих
щелевые диафрагмы. В этом случае световой поток от контро-
лируемого поля разделяется с помощью полупрозрачного зерка-
ла и направляется на два диссектора, щели в диафрагмах кото-
рых расположены под прямым углом. Оба диссектора своими
щелями одновременно сканируют поле в двух взаимно перпенди-
кулярных направлениях, и при этом одновременно определяются
обе координаты объекта.

На рис. 33 представлена обзорно-поисковая система, рабо-
тающая на основе параллельно-зонального принципа, в которой
использованы два электронно-оптических преобразователя
(ЭОП) изображения 3 с одномерной разверткой изображения
с помощью генератора 7. В этом устройстве изображение кон-
86
тролируемого поля с помощью объектива / и полупрозрачного
зеркала 2 подается на фотокатоды двух ЭОП. За выходными
люминесцентными экранами 4 преобразователей установлены
диафрагмы со щелями 5 и фотоприемники 6, При этом направ-
ление разверток двух ЭОП и прорези щелевых диафрагм ориен-
тированы перпендикулярно друг к другу. Это позволяет раз-
дельно определять координаты объекта вдоль осей х и у. После
обнаружения светящегося точечного объекта сигналы с фотопри-
емников подаются в блок 8 выделения координат.

Как известно, принцип зонально-поэлементного сканирования
позволяет осуществлять процедуру поиска в два этапа. На пер-
вом этапе выполняется общий осмотр всего пространства боль-
шим сканирующим пятном, а на втором этапе осуществляется
сканирование только той зоны нахождения объекта, которая
была определена на первом этапе. В настоящее время разрабо-
тан ряд аппаратурных реализаций зонально-поэлементного
принципа сканирования. Например, разработана фотоэлектрон-
ная поисковая система, реализующая этот принцип. В этом
устройстве использован двухапертурный диссектор и сначала
выполняется развертка большой апертурой по малому числу
строк (или витков спирали), а затем выделенные зоны, в которых
предполагается наличие объекта, сканируются малой апертурой
по большому числу строк. Двухстадийный поиск с соответствую-
щим переключением апертур диссектора автоматически осу-
ществляется с помощью электронной схемы. Это поисковое
устройство обладает значительно более высоким быстродействи-
ем, чем устройства, осуществляющие равномерный просмотр
всего пространства пятном малой апертуры.

Успехи в области разработки элементов волоконной оптики
позволяют создавать волоконно-оптические преобразователи,
осуществляющие сложное разделение и преобразование свето-
вых потоков. На основе использования оригинального волоконно-
оптического преобразователя разработана одна из реализаций
зонально-поэлементного принципа сканирования [52]. В этом
устройстве осуществляется двухстадийный поиск, причем иссле-
дуемое поле расчленяется на области с помощью волоконно-
оптического преобразователя таким образом, что обе стадии
поиска представляют собой равномерный последовательный
просмотр двух взаимно перпендикулярных линий. Каждый вход-
ной жгут преобразователя, соответствующий одной ячейке поля,
разделен на два пучка (рис. 34). Первые пучки укладываются
на выходе преобразователя в том же порядке, что и на входе,
а вторые пучки каждого столбца объединяются в один выходной
жгут, который укладывается внизу данного столбца. Таким
образом, выходной торец преобразователя имеет одну допол-
нительную строку, уложенную внизу и составленную из жгутов,
объединяющих вторые пучки, идущие от каждой ячейки данного
столбца.
В этом устройстве осуществляется следующая процедура
поиска объектов (рис. 35). Сначала равномерно сканируется
нижняя строка волоконно-оптического преобразователя до
момента обнаружения ячейки с объектом. Таким образом опре-
деляется координата х места расположения объекта. Затем
выполняется сканирование выделенного вертикального столбца
и определяется координата у объекта. При этом сканирование
столбца ведется до конца с целью обнаружения других объектов,
расположенных на данной координате х. Далее сканируется
нижний ряд ячеек до момента обнаружения ячейки с объектом
и так до завершения сканирования всего кадра. Такая процедура
сканирования позволяет значительно сократить общее время
поиска объектов.

В фотоэлектронной поисковой системе, осуществляющей
зонально-поэлементную процедуру сканирования, в качестве
сканирующего элемента использован двухапертурный диссектор,
одна из апертур которого является квадратной, а другая вы-

Рис. 34. Распределение волокон в преобразова-
теле:

1 — входной торец преобразователя, 2 — выходной
торец преобразователя
Рис. 35. Траектория сканирова-
ния выходного торца:

1 — область поля, в которой начи-
нается поиск; 2 — область поля,
в которой находится искомый
объект; 3 — ячейка с объектом

полнена в виде узкой прямоугольной щели, ширина которой
равна стороне квадратной апертуры. На первом этапе поиска
в диссекторе работает большая апертура, осуществляющая
сканирование вдоль кадра. В тот момент, когда в поле зрения
большой апертуры попадает светящийся объект, на выходе дис-
сектора появляется сигнал, приводящий к перестройке режима
работы поисковой системы. При этом запоминается одна коор-
дината объекта и начинается второй этап поиска, при котором
отключается большая апертура и включается малая апертура.
Далее малая апертура начинает осуществлять сканирование
вдоль щели. После обнаружения второй координаты объекта
система переключается опять на первый режим поиска и т. д.,
пока не будет просмотрена вся контролируемая область.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СЪЕМ ИНФОРМАЦИИ

Существуют задачи поиска, при решении которых наиболее
рационально использовать последовательные методы сканиро-
вания. Эти методы подвергнуты всестороннему исследованию:
дана общая классификация методов (покадровой, траекторный,
автономно-покадровый и автономный методы сканирования),
проанализированы различные варианты последовательных мето-
дов сканирования, исследованы их характеристики и рассмотре-
ны пути аппаратурной реализации [54].

При покадровом методе выполняется многократное регуляр-
ное сканирование анализирующим пятном одного и того же уча-
стка поля, ограниченного кадром развертки.

При траекторном сканировании в качестве одного из
сканирующих перемещений используется относительное переме-
щение исследуемой поверхности сканирующей системы, причем
построчное сканирование выполняется в направлении, перпен-
дикулярном этому перемещению.

При автономно-покадровом методе сканирования осущест-
вляется сканирование ограниченного кадра по регулярной
траектории, причем сам кадр автономно перемещается по
исследуемой поверхности. Эти перемещения кадра могут носить
как регулярный, так и нерегулярный характер. В последнем
-случае можно достичь высокой разрешающей способности при
просмотре больших территорий. Автономно-покадровый метод
может осуществлять сложные поисковые процедуры, когда ищет-
ся не простой точечный объект, а определенная смысловая кар-
тина с необходимостью ее распознавания и классификации.
В случае использования этого метода для поиска групповых
точечных целей на больших территориях его можно осуществить
не только на основе принципа поэлементного сканирования.
Возможны варианты автономно-покадрового метода, при кото-
рых внутрикадровое сканирование осуществляется на основе
последовательно-зонального, параллельно-зонального, зонально-
поэлементного принципов.

При автономном методе сканирующее пятно может непре-
рывно или дискретно перемещаться в любой участок просматри-
ваемого пространства при произвольном изменении его размера
м формы. Такой метод сканирования используется в системах,
выбор оптимальных траекторий в которых осуществляется в за-
висимости от априорных свойств поля, а также в самонастраи-
вающихся и адаптирующихся сканирующих системах.

Быстрый поиск информации на контролируемой поверхности
о максимальным использованием априорных сведений является
одной из важнейших задач, решаемых с помощью поэлементных
оптико-электронных сканирующих систем. При этом возникает
ряд вопросов, требующих разностороннего теоретического иссле-
дования. Это, во-первых, вопросы, связанные с оптимизацией
съема информации с контролируемого поля событий. К ним
относятся вопросы выбора оптимальных траекторий сканирова-
ния, выбора оптимальных размеров анализирующего пятна,
скорости сканирования, т. е. вопросы оптимального распределе-
ния поисковых усилий по полю. Под поисковым усилием здесь
подразумевается количество затраченного времени и средств
просмотра, отнесенных на элементарный участок поля. В зави-
симости от поставленной задачи поиска (от статистических
свойств поля и принятого критерия оптимальности) в общем
случае должно быть определено оптимальное распределение
какого-либо запаса поисковых усилий по контролируемой
поверхности.

При отсутствии каких-либо априорных сведений о контроли-
руемом поле наилучшим способом его анализа является
•сканирование по траектории, обеспечивающей равноплотный
просмотр, например, построчный. При этом каждая точка поверх-
90
ности просматривается с одинаковой подробностью, так как
ничего неизвестно о возможном распределении информации по
этой поверхности. Однако в тех случаях, когда заранее известны
некоторые сведения о возможности протекания событий на про-
сматриваемом поле, можно распределить оптимально имеющийся
в нашем распоряжении «ресурс», например, общее время про-
смотра. При этом некоторые участки поверхности будут про-
сматриваться многократно и в течение достаточно длительного
промежутка времени, а остальные участки почти не будут про-
сматриваться. Таким образом достигается оптимальное
использование временного и энергетического ресурса сканирую-
щей системы.

Математическую формулировку задачи построения оптималь-
ного обзора можно рассматривать как задачу определения
программы обзора, при которой достигается максимум выбран-
ной величины, характеризующей эффективность процесса
сканирования. При этом часто накладываются ограничения на
габаритные размеры, вес, потребление энергии и другие пара-
метры.

Необходимо отметить, что условиями, требующими нерав-
номерного распределения «усилий поиска», являются не только
различия априорных сведений о положении обнаруживаемых
•объектов, но также различия уровней помех в разных направле-
ниях. Во многих случаях контроль поля происходит в условиях
действия случайных помех, сравнимых с рабочими сигналами,
что может приводить к неверным решениям. Выбор режима
работы сканирующей системы в этих условиях должен выпол-
няться так, чтобы вероятности неверных решений были мини-
мальными или не превосходили заданных значений.

В общем случае обычно задана область X возможных поло-
жений искомого объекта. Очевидно, что процесс поиска в этой
области сопровождается некоторыми затратами поисковых
усилий Ф (времени просмотра, расходуемой энергии и т. д.).
Распределение усилий по обследуемой области описывается
функцией ф(х). При этом известна эффективность расходования
поисковых усилий (X, У(х))*. Просмотр пространства должен
происходить таким образом, чтобы при существующих ограничи-
вающих условиях его результативность была наилучшей.

Наличие априорных сведений о предполагаемом местоположе-
нии искомого объекта позволяет найти функцию У(х), обеспечи-
вающую оптимальность поиска. Обычно априорные сведения
носят вероятностный характер, в частности, это может быть
распределение плотности вероятности появления объекта в раз-
личных точках исследуемой области X. Обозначим такое рас-
пределение g(x). Тогда оптимизацию можно провести по одному
из двух взаимосвязанных критериев.

Эту функцию иногда называют функцией выигрыша.
Первый критерий. Суммарное число поисковых усилий
задано заранее, и их необходимо расходовать таким образом,
чтобы вероятность обнаружения искомого объекта была наи-
большей, т. е. надо найти функцию У(х), максимизирующую
значение функционала:

R = J g(x)F[x, q(x)]dx

X

при условии, что

J <р(х)о!х<Ф.

X

Такие задачи возникают, например, когда объект, подлежа-
щий обнаружению, может существовать на контролируемом,
поле ограниченное время, величина которого зависит от свойств
объекта и известна заранее.

Второй критерий. В процессе поиска усилия должны расходо-
ваться таким образом, чтобы суммарное их количество

Ф = q(x)dx

х

было минимальным и при этом обеспечивало достижение заранее
заданных показателей обнаружения R, т. е. должно выполняться
условие

J g(x)F [х, <р (х)] dx R.
X

Функция Дх, ф(х)] определяется свойствами искомого*
объекта; фоном, на котором он расположен, и, что наиболее
важно, тем правилом, по которому принимается решение о нали-
чии объекта в конкретных точках пространства, т. е. технологией
переработки получаемой информации. В это понятие включается
преобразование лучистая энергия — напряжения, а также усред-
нение, интегрирование или корреляционная обработка сигнала.

Оптимизация сканирования при наличии априорных сведений
о поле излучений может сводиться либо к определению наиболее
перспективного участка поля и к равномерному безразличному
просмотру этого участка (остальные участки поля при этом
совершенно не просматриваются), либо к определению обшей
оптимальной программы просмотра, при которой осуществляется
оптимальное распределение поискового усилия по всей контро-
лируемой поверхности. Возможны также промежуточные реше-
ния этой задачи.

Второй подход к решению этой задачи заключается в сле-
дующем [54]. Определяются характеристики, позволяющие
сравнивать различные траектории сканирования по информаци-
онным показателям, и выбирается критерий оптимальности
92
восприятия информации сканирующей системой. Разработан
метод, позволяющий выбирать оптимальную траекторию скани-
рования осесимметричного поля с точки зрения получения
максимума общей вероятности обнаружения зоны поля, имеющей
заданный уровень параметра. При этом рассматриваются лишь
центросимметричные траектории (спиральные, розеточные и др.),
предназначенные для сканирования круглых центросимметрич-
ных полей.

Каждый из рассмотренных типов траекторий движения скани-
рующего пятна может быть охарактеризован определенным
образом с точки зрения оптимальности его применения для
обзора центросимметричного поля, статистические свойства
которого известны. При этом применена разработанная для
этой цели методика определения интегрально-временных харак-
теристик, использование которых существенно упрощает графо-
аналитический способ определения оптимальной траектории
сканирования [54].

Необходимо отметить, что даже при отсутствии априорных
сведений некоторая оптимизация поисковой процедуры может
осуществляться за счет использования текущей информации,
получаемой в процессе работы поисковой системы. Такой подход
целесообразно также использовать при недостаточной полноте
априорной информации или если заранее известные данные не
обновляются и теряют свою достоверность со временем. В этих
случаях текущая информация извлекается в результате самого
процесса поиска и используется для подстройки и коррекции
поисковой процедуры таким образом, чтобы конечный результат
поиска был наилучшим.

В самонастраивающихся поисковых системах на первой ста-
дии все контролируемое пространство просматривается равно-
мерно, причем так, что уровень поисковых усилий, приходящихся
на одну ячейку, недостаточен для обнаружения объекта с задан-
ной достоверностью, но позволяет сделать некоторое заключение
о вероятности наличия или отсутствия объекта в заданной
ячейке. По результатам равномерного просмотра отбираются
ячейки, сигнал с которых превышает выбранный порог. На второй
стадии просматриваются только отобранные ячейки и среди них
выявляются те, в которых сигнал превысил некоторый другой
порог и т. д. Возможны различные варианты этой процедуры,
обусловленные особенностями решаемой задачи, однако во всех
вариантах каждая последующая стадия поиска строится по
результатам предыдущей.

Характерным признаком самонастраивающихся поисковых
систем является то, что среди таких параметров системы, как,
например, тип траектории сканирования, размер и форма апер-
туры, энергетическая и спектральная чувствительность каналов,
имеется хотя бы один, изменение функционирования которого
вызывается исключительно текущей информацией. Введение
самонастройки часто требует выполнения вычислительных и ло-
гических операций, поэтому выигрыш, получаемый от введения
самонастройки, влечет за собой усложнение поисковой системы
за счет введения блоков, осуществляющих дополнительную обра-
ботку информации, и блоков, управляющих параметрами кана-
лов и траекторий сканирования.

В большинстве реальных систем использование текущей
информации позволяет организовать не оптимальную поисковую
процедуру, а какую-то процедуру поиска, лучшую, чем равно-
мерный безразличный просмотр. Однако получаемый при этом
выигрыш часто убеждает в целесообразности некоторого услож-
нения поисковых систем.

Разработка новых средств оптоэлектроники создала возмож-
ность для технической реализации процедур оптимального
осмотра пространства. На основе использования специальных
диссекторов, волоконной оптики и полупроводниковой техники
разработаны новые сканирующие устройства, осуществляющие
различные виды оптимальных просмотров пространства по раз-
личным типам переключаемых траекторий сканирования. Ис-
пользование таких систем позволяет осуществлять поиск объек-
тов, расположенных на контролируемом поле, за меньший
промежуток времени и с большей вероятностью обнаружения>
чем при равномерном сканировании (например, построчном).

Разработана система с использованием специального воло-
конно-оптического преобразователя, в котором заложен опти-
мальный закон сканирования [52]. Этот преобразователь
расположен на входе системы и состоит из ветвящихся жгутов
оптических волокон. Каждый такой жгут имеет один вход и мо-
жет иметь несколько раздельных выходов. Волокна уложены
так, что входной торец полностью перекрывает изображение
контролируемой области поля. Элемент изображения, попадаю-
щий на один из жгутов входного торца, за счет ветвления
жгутов может быть получен в нескольких точках выходного
торца с различными координатами. Выходной торец преобразо-
вателя сканируется с помощью передающей телевизионной
трубки, например^ построчно. При этом элементарные участки
исследуемой области, спроектированные на входной торец преоб-
разователя, будут сканироваться за время периода кадра Т
различное число раз и в разной последовательности. В этом
случае число просмотров элементарного участка и последователь-
ность просмотров определяются числом ветвлений жгута, на
который проектируется данный элементарный участок, и спосо-
бом укладки ветвлений жгутов в выходном торце преобразова-
теля. Положение искомого объекта может определяться как
в координатах выходного торца преобразователя, так и в коор-
динатах входного торца. В последнем случае поисковая система
должна быть снабжена блоком пересчета координат. Функцио-
нирование такого блока основано на однозначном соответст-
94
вии ветвлении выходного торца конкретного жгуту входного»
торца.

Поисковые устройства могут решать задачу, которая сводится
к обнаружению искомого объекта и последующему его отслежи-
ванию. При этом если обе эти функции выполняет одно
устройство, то эта задача решается путем многократного
просмотра контролируемой области и выдачи координат объекта
в дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга в сред-
нем на время полного просмотра кадра. Использование текущей
информации позволяет уменьшить дискретность отсчета времени,
а также значительно повысить помехозащищенность устройства
за счет просмотра после обнаружения объекта не всей области,
а только небольшой зоны, содержащей объект. Разработаны
устройства, реализующие такую процедуру поиска [52]. В таких
устройствах используется передающая телевизионная трубка,
которая осуществляет сканирование контролируемой области по
специальной траектории. При отсутствии объекта в поле зрения
устройство будет осуществлять многократное сканирование всей
области. Если сканирующее пятно попадает на объект, то
происходит такое переключение режима работы системы, при
котором центр спиральной траектории переносится на объект
и затем выполняется отслеживающее сканирование с небольшой
амплитудой расхождения и схождения спирали. При этом при
пересечении сканирующим пятном изображения объекта центр>
спирали каждый раз переносится на объект.

Необходимо отметить, что разработке поисковых систем,
основанных на использовании априорной и текущей информации,
должен предшествовать сравнительный анализ различных алго-
ритмов и структур их реализующих. При этом необходимо
проводить сопоставление в каждом конкретном случае резуль-
татов, получаемых с использованием такой информации и без
нее. Это обусловлено тем, что системы, реализующие различные
алгоритмы поиска, и, следовательно, имеющие структуры, раз-
личные по аппаратурной сложности, могут давать результаты,
несущественно отличающиеся друг от друга.

Техническая реализация поисковых систем с оптимальным
законом сканирования часто приводит к значительному услож-
нению системы. Поэтому в каждом случае необходимо проводить
сравнение выигрыша, получаемого с помощью оптимальной
процедуры поиска, с потерями, возникающими вследствие услож-
нения и удорожания сканирующей системы.
Раздел 2

Технические средства
построения
оптико-электронных
систем

В этой части рассмотрены основные направления
развития технических средств оптоэлектроники, изложены прин-
ципы действия, характеристики и области применения соответ-
ствующих устройств. Основное внимание уделено оптическим
квантовым генераторам, волоконно-оптическим устройствам и
электролюминесцентным устройствам, которые находят все
большее применение в информационных системах. Подробно рас-
смотрены также полупроводниковые средства обработки, выде-
ления и воспроизведения информации в оптическом диапазоне.
Электронно-вакуумные и фоточувствительные устройства в дан-
ной работе не рассматриваются. Их свойства и характеристики
рассмотрены в работе [52]. Здесь не рассмотрены устройства
модуляции и отклонения световых потоков, подробные сведения
по которым приведены в работе [53].

Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

Одним из основных элементов в оптико-элек-
тронных системах становится источник когерентного излучения—
оптический квантовый генератор (лазер). Известно, что лазер
представляет собой резонатор, в который помещено активное
вещество, содержащее атомы в возбужденном состоянии. Если
отдельные возбужденные атомы переходят на более низкие
энергетические уровни самопроизвольно и независимо друг от
друга, то такой процесс называется спонтанным и сопровождаю-
щее его излучение имеет широкий спектр и является некогерент-
ным. В лазере переход с одного энергетического уровня на другой
совершается не спонтанно, а упорядоченно. Упорядоченность
обусловливается индуцированным (вынужденным) испусканием
излучений и наличием резонатора. Когда переход возбужденного
атома на более низкий уровень индуцируется квантом света, то
такой атом излучает фотон той же частоты и фазы, что и инду-
цирующий фотон. Таким образом, возникает лавина фотонов,
образующая мощное когерентное излучение высокой степени
монохроматичности. Для успешной работы лазера необходимо,
чтобы число индуцированных переходов с испусканием фотонов
было больше числа переходов с поглощением фотонов той же
частоты.

Так как вероятности индуцированного излучения и погло-
щения равны, то для получения явления излучения необходимо,
помимо прочих условий, чтобы число атомов на верхних уровнях
было бы больше числа атомов на нижних уровнях. Для
соблюдения указанного условия необходимо применить методы,
обеспечивающие перевод на верхние уровни большого числа
частиц. Для перевода атомов в возбужденное состояние в си-
стему вводится электромагнитная энергия на длине волны, от-
личной от длины индуцирующего излучения. Этот процесс
называется «накачкой».

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Исторически первыми появились лазеры на твердом теле
с оптической накачкой. В таких генераторах в качестве активной
среды чаще всего используется рубин, вещества с присадками
неодима (вольфрамит кальция, иттриево-алюминиевый гранат
и др.), а также фтористый кальций с присадками диспрозия.

Большинство лазеров с оптической накачкой работает
в одном из двух импульсных режимов: режиме обычного длинно-
го импульса или в режиме с модуляцией добротности. В обычном
режиме импульс излучения лазера имеет длительность около
1 мсек. Соответствующая энергия в импульсе для лазера на
рубине или на неодиевом стекле превышает 1 кдж [72].

В режиме с модуляцией добротности энергия сначала запа-
сается в кристалле лазера, а затем освобождается с помощью
быстродействующего затвора. При этом лазер может отдавать
импульсную мощность порядка 1 Гвт.

С помощью твердотельных лазеров с оптической накачкой
было получено также непрерывное излучение мощностью не-
сколько ватт.

Рассмотрим принцип действия и основные характеристики
оптических квантовых генераторов, в которых активным телом
является стекло [103]. Существует ряд стекол, имеющих широкий
диапазон условий работы с множеством ионов примесных уров-
ней, на которых возможна генерация. В приборах, предназначен-
ных для получения больших энергий, мощностей и яркостей,
ОКГ на стеклах работают лучше, чем кристаллические ОКГ.

7 Заказ 375	97
Наибольшие к. п. д. импульсных твердотельных ОКГ были по-
лучены именно на стеклах.

Хотя теплопроводность стекол значительно меньше тепло-
проводности лазерных кристаллов, используя соответствующую
конструкцию системы, при частотах повторения до 10 гц можно
получить характеристики» сравнимые с характеристиками кри-
сталлических ОКГ.

При высоких скоростях следования импульсов или при ра-
боте в непрерывном режиме более эффективны кристалличе-
ские ОКГ.

Стекла обладают свойствами, которые делают их идеальным
лазерным материалом. Для получения генерации в стеклах
могут быть использованы многие редкоземельные элементы.

Как известно, источником энергии накачки большинства су-
ществующих ОКГ является импульсная лампа, преобразующая
в излучение (в интервале 300—1000 нм) 30—50% электрической
энергии. Поскольку излучение лампы по спектральному составу
близко к излучению черного тела, в качестве активной среды
желательно использовать стекла с наиболее интенсивными и ши-
рокими полосами поглощения. Из числа редкоземельных акти-
ваторов этому условию в наибольшей степени соответствует
неодим — основной активатор промышленных стекол для ОКГ
(рис. 36). Следует, однако, учитывать, что в случае разработки
селективных методов накачки преимущества неодима перед
другими активаторами перестанут быть столь очевидными, так
как у лучших типов стекол абсолютный квантовый выход люми-
несценции в полосе 1,06 мкм составляет всего ~15%.

Предельный к. п. д. для стекол, активированных неодином
(стержни с / ~ 2000 мм и 0~ 60—80 мм), с учетом перекры-
тия его спектра поглощения спектром излучения лампы накачки
составляет 6—8% при оптимизации всех элементов системы
накачки и минимуме неактивного поглощения стекла на длине
волны генерации 0,001 см-1.

Зависимость выходной энергии генерации от энергии накачки
носит нелинейный характер. В области малых превышений энер-
гии над пороговой энергией генерации коэффициент полезного
действия ОКГ растет. При большой величине превышения поро-
говой энергии коэффициент полезного действия ц перестает за-
висеть от нее; в этой области зависимость энергии генерации
накачки имеет линейный характер (без учета суперлюминесцен-
ции) (рис. 37).

Для получения к. п. д. ОКГ более 6—8% при существующих
системах накачки возможен единственный путь: введение в стек-
ло сенсибилизаторов люминесценции, повышающих коэффици-
ент использования энергии излучения ламп накачки вследствие
расширения спектра поглощения активного стеклянного эле-
мента. Сенсибилизаторы, дающие полосы поглощения неодима
580 и 740 нм, помогли бы довести к. п. д. до 10—12% (121].
Рис. 36. Спектры:

Z ОПШ.ед. 1 — излучение ксеноновой лампы; 2 —

Рис. 37. Зависимость т]
ОКГ на стекле, активиро-
ванном неодимом, от
энергии накачки по дан-
ным работы [123]

। ।______1...1__

1S 20 ZS J0
EQb(x накачки кдж

ОКГ на стеклах могут быть изготовлены любой формы и раз-
меров с различными оптическими свойствами. Варьируя состав
стекол, можно добиться изменения показателя преломления
в пределах от 1,5 до 2. Специальным подбором состава стекла
можно получить термостабилизированный лазерный резонатор,
стойкий к температурным изменениям.

Лазерные стекла имеют два основных отличия от лазерных
кристаллов. Во-первых, теплопроводность стекла значительно
меньше теплопроводности большинства кристаллических основ.
Поэтому при работе с большой частотой следования импульсов,
по крайней мере, один из размеров лазера на стекле должен
быть достаточно малым, чтобы обеспечить быстрый отвод тепла.
Во-вторых, ионам в стекле присущи широкие линии поглощения
и испускания. Это может привести к порогу генерации, так как
требуется большая инверсная населенность для обеспечения
такого же усиления в центре линии. Однако широкие линии
обеспечивают более эффективное поглощение излучения накачки,
увеличение запасенной в образце энергии и уменьшают вероят-
ность ее спонтанного высвечивания.

Генерация в стеклах получена на ионах Nd3+, Yb3*, Er3+, Но3+
и Tm3+. Наиболее важным из этих ионов является трехвалентный
неодим, поскольку с ним можно работать при комнатных темпе-
ратурах с довольно высоким к. п. д. Большой интерес представ-
ляет также излучающая на волне 1,06 мкм система Nd3+ — Yb3+.
7*	99
Совокупность рассмотренных свойств показывает, что стекло
как материал для активных элементов ОКГ имеет преимущества
по сравнению с кристаллами: к. п. д.— 6,5%, угол расхождения
излучения — 10—15", широкий диапазон конфигураций и разме-
ров изделий.

Дальнейшие работы по созданию ОКГ на стеклах проводятся
как по пути усовершенствования существующих стекол, так
и в направлении поиска новых составов, улучшения технологии
их варки и конструкций элементов ОКГ.

Для усовершенствования существующих стекол проводятся
исследования по снижению неактивного поглощения на длине
волны генерации до величины <0,001 см~\ повышению живуче-
сти активных элементов ОКГ путем полного устранения метал-
лических включений в стекле, широкому применению новых
способов формования изделий разной конфигурации, способ-
ствующих их упрочнению.

Совершенствуются составы фосфатных, щелочноборосили-
катных и щелочносиликатных стекол, используемых в различных
режимах генерации, с целью улучшения их технологических
свойств без ухудшения параметров генерации.

Используя некоторые эффекты, имеющие место в стеклянных
волоконных лазерах, можно создать ряд оптических логических
элементов, которые будут выполнять логические операции в ре-
зультате взаимодействия световых лучей [125]. В качестве одного
из таких эффектов может быть использован эффект гашения
в стеклянном волоконном лазере. Этот эффект заключается во
взаимодействии двух осцилляторов, в результате которого излу-
чение, по крайней мере, одного из них становится прерывистым
либо модулированным биением.

На основе аналогичных явлений возможно создание биста-
бильных оптических элементов (с двумя устойчивыми состоя-
ниями), которые являются неотъемлемой частью цифровых си-
стем обработки информации.

Бистабильное оптическое устройство можно создать и с по-
мощью лазера с насыщенным поглотителем, обладающим
достаточно большим временем существования поглощающего
состояния. Насыщаемый поглотитель в этом случае размещается
внутри лазерного резонатора и генерация лазера возможна
только в том случае, если поглотитель насыщен. Бистабильное
устройство включается внешним сигналом, который насыщает
поглотитель, создавая тем самым необходимое условие для на-
чала генерации лазера, излучение которого в дальнейшем само
поддерживается в насыщенном состоянии.

Устройство включается путем подачи в лазер гасящего сиг-
нала, в результате чего поглотитель получает возможность
возвратиться в исходное поглощающее состояние.

При использовании бистабильного стекловолоконного лазера
на одном из торцов волокна делается скос под таким углом, что
юо
генерация становится возможной только для лучей, входящих
под большими углами. Такие лучи не претерпевают полного
отражения на первой поверхности раздела. Следовательно, они
должны проникать во внутреннюю оболочку, представляющую
собой насыщенный поглотитель: в этой оболочке лучи полностью
отражаются на второй поверхности раздела. Для включения
устройства в один из торцов стекловолокна вводится под боль-
шим углом управляющий сигнал. Он проникает во внутреннюю
оболочку и насыщает поглотитель. Для включения устройства
в сердечник стекловолокна сигнал вводится под малым углом;
этот сигнал гасит генерацию и позволяет, таким образом, насы-
щаемому поглотителю возвратиться в исходное (поглощающее)
состояние. Для применения в таких устройствах насыщаемый
поглотитель должен обладать достаточно большим временем
жизни в насыщенном состоянии. Важно также подобрать пара-
метры системы так, чтобы присутствие насыщаемого поглоти-
теля не приводило к нестабильности системы или к возникнове-
нию релаксационных колебаний.

ЖИДКОСТНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Жидкостные лазеры по своим свойствам во многих отноше-
ниях являются более перспективными по сравнению с импульс-
ными лазерами на кристаллах в стекле. Одним из основных
положительных свойств таких генераторов является возможность
перестройки частоты излучений в достаточно широких пределах.
Это может быть сравнительно просто достигнуто, например, для
лазера с продольной накачкой путем изменения длины кюветы.
При увеличении длины резонансного объема генератора усиле-
ние и энергия на выходе изменяются. При этом изменяется
и частота излучения. Оптическая длина кюветы может плавно
изменяться, в частности, за счет перемещения одного из окон
кюветы под действием гидростатического давления, создавае-
мого поршнем в дополнительном резервуаре, связанном с кю-
ветой.

Активные исследования проводятся в области создания
жидкостных ОКГ на органических соединениях (92, 116]. Обычно
активной средой ОКГ на органических соединениях является
разбавленный раствор органического красителя в воде или
спирте, представляющий собой однокомпонентное соединение,
молекулярный вес которого равен молекулярному весу раствори-
теля. В таких ОКГ используется несколько типов органических
красителей, которые дают возможность использовать оптическую
накачку для возбуждения молекул красителя. При этом наличие
цвета не является определяющим фактором при выборе актив-
ной среды, так как при таком типе возбуждения могут приме-
няться вещества, не имеющие поглощения в видимой области
спектра. Лазерная генерация может быть получена с помощью
трех видов соединений: ксантеновых красителей, полиметиновых
соединений и производных кумарина.

С помощью растворов различных красителей можно получить
лазерное излучение, перекрывающее диапазон спектра от ближ-
ней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной областей. Но
в видимом диапазоне, особенно с коротковолновой стороны,
существуют области спектра, в которых нет лазеров на краси-
телях. Это не связано с какими-либо существенными ограниче-
ниями, а скорее указывает на отсутствие исследовательских
работ в этих областях спектра. Из-за дискретности частот
лазерной накачки в диапазоне от 345 до 380 км стимулирован-
ного излучения в органических соединениях получено не
было.

Недостающую область в спектре излучения лазеров можно
перекрыть с помощью накачки растворов органических соеди-
нений импульсными лампами. Растворы органических соеди-
нений при прямом возбуждении импульсными лампами могут
давать когерентное излучение и в ультрафиолетовой области
[116]. Скорости накачки и крутизна фронта и среза, которые
в настоящее время можно достичь с помощью импульсных ламп,
сравнимы с соответствующими величинами при накачке мощ-
ными лазерами.

Жидкостные ОКГ, по-видимому, могут найти применение
в таких информационных системах, в которых необходимо осу-
ществлять плавную перестройку частоты.

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Значительный по объему класс составляют газовые ОКГ, ко-
торые генерируют в непрерывном режиме. Коэффициент полез-
ного действия газовых лазеров низок, он обычно не превышает
нескольких сотых долей процента при генерации на какой-либо
одной частоте и менее 0,1% при одновременной генерации на
ряде частот. В газовых лазерах достигнута исключительно высо-
кая когерентность, характеризуемая полоской нескольких герц
на частоте около 4-1014 гц.

В отличие от других существующих типов лазеров газовый
лазер генерирует в широком диапазоне видимого спектра. Излу-
чение, генерируемое газовыми лазерами, перекрывает диапазон
длин волн от 0,3 до 100 мкм. В газовом лазере наиболее простого
типа используется смесь гелия с неоном, хотя почти все газы
(включая воздух и водяные пары) могут быть использованы
в качестве активной среды генератора.

Высокая когерентность газовых ОКГ и стабильность частоты
позволяет использовать их для когерентного детектирования,
для осуществления супергетероидного приема и в оптических
доплеровских локаторах.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ [4, 5]

Перейдем к рассмотрению полупроводниковых лазеров [4, 5].
Прежде всего отметим преимущества, которыми они обладают
по сравнению с лазерами других типов. Одно из преимуществ
заключается в том, что электрическая энергия источника питания
может преобразовываться в некоторых полупроводниковых лазе-
рах в излучение без участия источника оптической накачки.
Излучение полупроводниковых лазеров можно модулировать
непосредственно сигналами с широким спектром частот, прости-
рающимися вплоть до СВЧ диапазона. Охлаждение активного
вещества с помощью криогенных устройств позволяет получить
относительно высокий к. п. д. полупроводниковых лазеров. Кроме
того, такие лазеры компактны и могут работать при низких
напряжениях источника питания. Компактность полупроводни-
ковых лазеров и простота метода модуляции позволяет непо-
средственно использовать их в аппаратуре связи, в оптической
локации и в вычислительной технике.

В настоящее время разрабатываются полупроводниковые
лазеры двух типов. В лазерах первого типа инверсная населен-
ность создается путем инжекции неосновных носителей заряда
с помощью р — n-перехода (диодные лазеры), в лазерах второго
типа путем воздействия на материал электронным (или оптиче-
ским) лучом.

Наибольшее развитие и применение среди полупроводнико-
вых квантовых генераторов получили генераторы на р — и-пере-
ходах. На основе ряда соединений созданы инжекционные
генераторы с длиной волны излучения от 0,65 до 8 мкм. Наилуч-
шим материалом для инжекционных генераторов пока остается
арсенид галлия.

Впервые полупроводниковые лазеры были созданы на
р — n-переходе в арсениде галлия. Конструкция излучателя
одного из таких лазеров показана на рис. 38. Кристалл арсенида
галлия 6 с р — n-переходом помещается (зажимается или впаи-
вается) между двумя массивными металлическими дисками 1 и
2, изготовленными из молибдена или меди и служащими для
отвода тепла и одновременно для подведения к кристаллу элек-
трического тока от источника накачки. Между дисками устанав-
ливается изолирующая прокладка 3 из арсенида галлия. Приле-.
гающие к кристаллу поверхности дисков тщательно отполиро-
ваны для улучшения теплового и электрического контактов
с кристаллом. Контактирующие поверхности самого кристалла
покрываются для уменьшения контактного сопротивления спе-
циальным сплавом на основе индия. Излучение 4 наблюдается
в плоскости р — n-перехода со стороны взаимно параллельных
торцов кристалла 5 (один из которых показан на рис. 38). Торцы
кристалла тщательно отполированы и представляют собой
поверхности резонатора Фабри-Перо.
Другие четыре плоскости кристалла делают шероховатыми,
чтобы исключить возникновение паразитных колебаний в нерабо-
чих направлениях и уменьшить потери в области кристалла,
поглощающих излучение.

Лазер, показанный на рис. 38, позволил получить когерентное
инфракрасное излучение мощностью до 6 вт при работе в непре-
рывном режиме при температуре кристалла от 4 до 20° К. Его
к. п. д. в этом режиме достигает 50%.

Механизм возникновения излучения одинаков как для коге-
рентного, так и для некогерентного излучения. Однако когерент-
ное излучение есть результат стимулированного испускания
фотонов возбужденными носителями при их взаимодействии
с уже имеющимися фотонами той же частоты [5]. В результате
такого взаимодействия все фотоны испускаются в фазе, а излу-
чение получается монохроматичным.

Условия для сильного взаимодействия испускаемых фотонов
с возбужденными электронами создаются только при достаточно
большом числе электронов, способных к рекомбинации. Приме-
нительно к полупроводниковому лазеру это означает, что для его
работы в когерентном режиме должен быть обеспечен достаточно
высокий уровень накачки — такой уровень накачки, при котором
происходит резкое сужение ширины спектра излучения и излуче-
ние становится когерентным.

Вследствие роста пороговой плотности тока с увеличением
температуры и большого значения этой плотности при комнатной
температуре работа лазера в непрерывном режиме возможна
лишь при температуре ниже комнатной. Наименьшая пороговая
плотность тока при комнатной температуре наблюдается у дио-
дов, изготовленных методом наращивания из жидкой фазы, а
затем подвергнутых тепловой обработке. При низких температу-
рах наименьшую пороговую плотность тока имеют диоды,
изготовленные методом диффузии.

При комнатной температуре к. п. д. диодных лазеров состав-
ляет примерно 1%, а при 77° К он достигает 30%. Это значение
к. п. д. является наивысшим для всех типов оптических генерато-
ров. Импульсная мощность излучения таких лазеров при комнат-
ной температуре составляет примерно 10 вт, а средняя мощность
около 1 мет.

Диодные лазеры, которые из-за большой плотности порогово-
го тока не могут работать при комнатной температуре в непре-
рывном режиме, подвержены старению, т. е. их выходная
мощность со временем падает. При этом наблюдаются две
разновидности старения. В том случае, когда лазер работает
с большими уровнями излучаемой мощности, спад последней во
времени часто происходит очень быстро. Этот вид старения
называют «катастрофическим». Он является результатом меха-
нических повреждений полированных торцов кристаллов лазера.
Эти повреждения, как полагают, связаны с большой плотностью
светового потока. Если лазер работает с низкой плотностью
излучаемого потока, то наблюдается постепенное уменьшение
выходной мощности. Объяснение постепенного спада выходной
мощности в диодном лазере аналогично объяснению процесса
старения туннельного диода.

Полупроводниковые лазеры обладают широкими спектраль-
ными возможностями. В зависимости от применяемого материала
излучение этих лазеров осуществляется в УФ, видимой или ИК
областях спектра. На рис. 39* приведены полупроводниковые

* Знаком * отмечены те материалы, из которых изготовлены диодные
лазеры.
материалы, используемые для получения когерентного излуче-
ния, и показаны соответствующие длины волн излучения.

В последнее время разработан новый класс полупроводнико-
вых диодных лазеров, которые могут работать в непрерывном
режиме при комнатной температуре. Эти лазеры получили
название гетероструктурных полупроводниковых ОКГ [136]. Со-
здание низкопороговых лазеров, работающих непрерывно при
комнатной температуре, связано с использованием модифициро-
ванных структур, в которых и свет, и электроны удерживались
бы в активной области малых размеров. Для изготовления таких
структур были использованы кристаллы, которые имеют область
из чистого арсенида галлия и примыкающую к ней область,
в которой часть из атомов галлия замещены атомами алюминия.
Переход между двумя областями называется гетеропереходом.

Наиболее простым лазером, использующим идеальные свой-
ства гетероструктур, является лазер на одинарной гетерострук-
туре. Эта структура приготовляется путем выращивания слоя
арсенида алюминия — галлия на подложке арсенида галлия
n-типа при одновременной диффузии цинка из раствора на не-
большое расстояние в глубь подложки. Цинк является для
арсенида галлия акцепторной примесью, и при достаточном его
количестве материал n-типа может превратиться в материал
p-типа. Кроме этого, атомы цинка при достаточно высокой тем-
пературе могут легко проникать в решетку арсенида галлия из
парообразной, жидкой или твердой фазы. В результате получают
подложку, состоящую в основном из материала n-типа, имею-
щую тонкий слой p-типа, обусловленный диффузией цинка.
На поверхности слоя p-типа имеется слой арсенида алюминия
галлия p-типа (с примесью цинка). Вторую границу называют
р — р-гетеропереходом. Плоскости р — n-перехода и р — р-ге-
тероперехода параллельны между собой. Структура имеет один
гетеропереход, откуда и следует название «лазер на одинарной
гетероструктуре».

При подаче достаточного смещения электроны инжектируют-
ся в арсенид галлия p-типа и останавливаются (отражаются)
перед потенциальным барьером, образованным изгибом зоны
проводимости в гетеропереходе. При этом они не могут свободно
диффундировать в больший объем, как это происходит в гомо-
структурных полупроводниковых лазерах. Кроме этого, из-за
уменьшения показателя преломления гетеропереход препятству-
ет также проникновению света. Таким образом, как свет, так
и электроны удерживаются вблизи гетероперехода в области
меньших размеров по сравнению с рассмотренными гомострук-
турными лазерами, что способствует созданию необходимых
концентраций и уменьшает порог генерации.

Дальнейшее существенное снижение пороговой плотности
тока удается достичь при создании вблизи р — n-перехода еще
одного гетероперехода. Такой р — п-гетеропереход получают
106
Рис. 40. Полупроводниковый
лазер с двойной гетеро-
структурой:

путем выращивания на подложке из арсенида галлия трехслой-
ной структуры L Наиболее существенной частью этой многослой-
ной структуры является сэндвич из арсенида алюминия — галлия
n-типа, арсенида галлия p-типа и арсенида алюминия — галлия
p-типа. Между первыми двумя слоями имеется п — р-гетеропе-
реход, а между вторыми двумя р — р-гетеропереход. Заключен-
ная между этими двумя гетеропереходами область арсенида
галлия p-типа является активной областью. Такие структуры
называются двойными гетероструктурами.

Хотя получение низких порогов генерации значительно
приблизило возможность создания непрерывного лазера, рабо-
тающего при комнатной температуре, основная проблема тепло-
отвода все же остается. Эта проблема связана с тем, что почти
все выделяемое в активной области тепло необходимо отводить
через, по крайней мере, один слой арсенида алюминия — галлия,
который обладает сравнительно плохой теплопроводностью. Для
устранения этого недостатка необходимо, чтобы один из двух
слоев арсенида алюминия — галлия был по возможности очень
тонким. При наличии хорошего теплового резервуара и при тол-
щине одного из слоев примерно 1 мкм непрерывная генерация
при комнатной температуре возможна. Поэтому необходимо
дальнейшее совершенствование методики многослойного выра-
щивания с целью получения требуемой толщины слоя.

Хороший теплоотвод обеспечивается путем спаивания метал-
лического контакта на поверхности p-типа с луженым алмазом.
Таким способом удалось получить лазер, работающий при ком-
натной температуре и выше. Схематически структура этого
лазера показана на рис. 40. Лазер имеет улучшенный теплоотвод,

1 На самом деле выращивают четыре слоя, четвертый вспомогательный
слой служит для обеспечения хорошего электрического контакта.
Рис. 41. Полупроводниковый кван-
товый генератор с накачкой элек-
тронным лучом:

1 — электронный луч; 2 — когерентное
излучение; 3 — отражающие поверхно-
сти; 4 — полупроводник; 5 — под-
ложка

поскольку ток протекает лишь в небольшой части плоскости
гетероперехода, и тепло отводится как в вертикальном, так
и в горизонтальном направлениях. Лазеры такой структуры
с алмазным тепловым резервуаром могут работать непрерывно
при температурах до 100° С.

Результаты исследований по использованию инжекционных
генераторов в качестве быстродействующих переключающих эле-
ментов и источников коротких световых импульсов с частотой
повторения до 10й гц позволяют по-новому подойти к конструи-
рованию оптических вычислительных машин. С помощью лазера
на р — n-переходе могут быть осуществлены основные операции
в вычислительных машинах: переключение, запоминание, преоб-
разование и т. д. Первоочередной задачей в этой области являет-
ся снижение пороговых токов и разработка систем эффективного
охлаждения для обеспечения работы в непрерывном режиме.

Как уже отмечалось, полупроводниковые лазеры второго типа
работают с электронной или оптической накачкой.

Метод накачки полупроводникового лазера электронным
лучом схематически представлен на рис. 41. Пучок электронов
с высокой энергией (20 кв или больше) направляется на плоскую
грань полупроводникового элемента. Электроны проникают
в глубь материала и теряют основную часть своей энергии на
создание большого числа электронно-дырочных пар с низкой
энергией. При этом один электрон создает приблизительно
104 электронов и дырок. Они располагаются соответственно по
краям зоны проводимости и валентной зоны, что и является
условием генерации излучения, которое наблюдается в плоскости,
перпендикулярной падающему лучу.

Накачка электронным пучком применяется обычно на таких
полупроводниках, на которых в настоящее время по тем или
иным причинам нельзя осуществить р — n-переход. К таким
108
полупроводникам относятся те, которые излучают видимое или
УФ излучение.

Полупроводниковые квантовые генераторы с электронным
возбуждением достигли значительного совершенства как по
диапазону генерируемых длин волн (от 0,3 до 8 мкм), так и по
основным характеристикам — импульсной и средней мощности
излучения, к. п. д. и др. Своеобразие полупроводниковых гене-
раторов с электронным возбуждением заключается в возможно-
сти использования широкого класса полупроводниковых соеди-
нений (как чистых, так и легированных) и диэлектриков.
В отличие от генераторов на р — n-переходе в этих лазерах
толщина активной области не лимитируется малой диффузион-
ной длиной, а зависит от энергии электронного пучка. К. п. д.
таких лазеров составляет 35%, что в 10 раз превосходит к. п. д.
генераторов на рубине и неодимовом стекле.

Перспективными конструкциями полупроводниковых генера-
торов с электронным возбуждением являются конструкции типа
«излучающих зеркал» и многоэлементные системы [5].

В полупроводниковом лазере типа «излучающего зеркала»
(рис. 42) при возбуждении электронным пучком тонкая монокри-

Рис. 42. Схема «излучающего
зеркала»:

/ — полупроводниковый кристалл;

2 — подложка; 3 — хладопровод;

4 — когерентное излучение; 5 —
пучок электронов

S

/	2	2 J	ОКГ с накачкой электронным лучом:

1 — полупроводник; 2 — зеркало; 3 —
хладопровод; 4 — когерентное излучение;

5 — пучок электронов
1 — электронная пушка; 2 — полупроводниковый квантовый гене-
ратор типа «излучающее зеркало»; 3 — проекционная система;

4 — экран

сталлическая пленка полупроводника /, выращенная или нане-
сенная на отводящую тепло и отражающую свет подложку 2*
генерирует излучение с большой внешней поверхности. Для
предотвращения уменьшения инверсной населенности при усиле-
нии света, распространяющегося вдоль слоя, необходимо всю
пленку разбить на отдельные оптические изолированные ячейки
с линейными размерами, не превышающими величины, обратной
коэффициенту усиления (Несколько сотен микрон). С 1 см2
поверхности «излучающего зеркала» из арсенида галлия можно
получить импульсную мощность до 200 Мет при средней мощно-
сти до 10 кет.

В случае многоэлементной ступенчатой структуры (рис. 43)
фактически суммируется излучение большого числа отдельных
элементов. С элемента площадью 10“4 Ьи2 в^ожно получить им-
пульсную мощность 350 вт при средней мощности 0,5 вт.

Полупроводниковый квантовый генератор с электронным
возбуждением целесообразно использовать в проекционном
телевидении, поскольку высокая интенсивность излучения полу-
проводникового «излучающего зеркала» позволяет спроектиро-
вать картину на большой экран (рис. 44).

Полупроводниковые квантовые генераторы с оптической на-
качкой позволяют получать высокие импульсные и средние
мощности генерации с единицы поверхности полупроводника,,
а также осуществлять эффективное преобразование длинновол-
нового излучения в когерентное коротковолновое путем двухфо-
тонного возбуждения.

НО
При осуществлении оптической накачки полупроводник
возбуждался излучением с энергией фотонов, превышающей
ширину запрещенной зоны. Так, для возбуждения InSb и InAs
применялся инжекционный лазер на GaAs. Оптической накачке
присущ недостаток, который заключается в том, что свет накачки
поглощается на очень малом расстоянии от поверхности полу-
проводника. Этот эффект ограничивает полезную мощность.
Кроме того, характеристики лазера становятся весьма чувстви-
тельными к свойствам поверхности.

Для накачки полупроводникового лазера может применяться
двухфотонное оптическое возбуждение ионным твердотельным
лазером. Так, лазер на GaAs возбуждается излучением лазера на
неодимовом стекле, а лазер на GdS — излучением рубинового
лазера. При этом поглощение мало, и может быть возбужден
большой объем резонатора.

Г л а в а 2. ВОЛОКОННАЯ И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

Волоконной оптикой называют гибкие или жест-
кие конструкции из волокон, которые предназначены для пере-
дачи световой энергии путем многократных отражений.

Существует много задач, решаемых с помощью элементов
волоконной оптики. Одной из основных задач является трансфор-
мация оптического изображения в форму, наиболее удобную для
осуществления оптической обработки информации наипростей-
шими средствами. Разработано большое число волоконно-опти-
ческих преобразователей различных модификаций для решения
разнообразных информационных задач. В общем случае волокон-
ная оптика позволяет применять новые конструктивные принци-
пы, такие, как обращение изображения, разбивка по заданному
закону, изменение размеров и формата изображения, расщеп-
ление изображений, кодирование и декодирование изображений
[51, 52].

Эффективная передача излучения через волокна зависит от
его длины волны. Для применения в видимой области спектра
пригодны оптические стекла. Для дальней инфракрасной области
до 12 мкм используются волокна из трехсернистого мышьяка
(AS2S3). Другие материалы (например, увиолевые стекла, кварц,
окись магния, германий, кремний, пластмассы) применяются как
для инфракрасной, так и для ультрафиолетовой областей
спектра [67, 128].

Стеклянные волокна выпускаются весьма широкого диапазо-
на диаметров и длин. Волокна нечувствительны к химически
активным средам и могут работать при высоких температурах.
Волокна имеют покрытие с низким коэффициентом преломления,
на которое наносится слой смазочного материала, предохраняю-
щего поверхность покрытия от абразивного повреждения в про-
цессе крепления и изгиба.

Одно из наиболее эффективных применений жестких
волоконных пучков — использование их для преобразования
изображений. Например, часто желательно иметь в плоскости
первичного изображения линейную или крестообразную площад-
ку приемника излучения. Однако приемники некоторых типов
нельзя изготовить с чувствительными площадками такой формы.
Их можно сделать лишь круглыми или квадратными. Для этого
случая разработаны волоконные преобразователи изображения,
в которых концы волокон на входной стороне располагаются
в виде кружков, соответствующих форме чувствительной пло-
щадки приемника.

При изготовлении волоконно-оптических элементов жесткой
конструкции пучок регулярно уложенных волокон нагревается
до размягчения, обжимается и спекается в монолитный вакуум-
но-плотный блок. Форма сечения отдельных волокон такого блока
зависит от термических свойств их сердцевины и оболочки.
Круглые волокна после сплавления принимают многогранную
форму, а оболочка заполняет незанятое пространство, образуя
соты. В горячем состоянии склеенные жгуты можно вытянуть
в блоки конической формы. Спроектированное на широкий торец
такого блока изображение передается уменьшенным, причем
освещенность в плоскости узкого торца существенно увеличива-
ется. В обратном направлении подобный блок работает как
увеличительная система.

Работа элементов волоконной оптики основана на следующих
положениях: свет передается по отдельному волокну вследствие
полного внутреннего отражения; собранные в жгут волокна
передают световые лучи независимо друг от друга.

Распространяясь вдоль волокна, световой луч претерпевает
большое число отражений. В результате этого эффективность
светопередачи существенно зависит от качества изготовления
волокон, от объемных неоднородностей и йеровностей поверхно-
сти волокон. Кроме того, материал должен обладать очень ма-
лым коэффициентом поглощения, так как абсорбционные потери
ограничивают длину световодов.

Весьма трудные проблемы возникают при сближении свето-
водов на расстояния, сравнимые с длиной волны передаваемого
света. При малом диаметре и близком расположении волокон
эффективная площадь их соприкосновения оказывается значи-
тельной и взаимные утечки представляют серьезную проблему.

Задача уменьшения взаимного просачивания света успешно
решается за счет нанесения на поверхность волокон специальных
покрытий (металлических и диэлектрических). Широко исполь-
зуются стеклянные волокна, заключенные в оболочку из стекла
112
с более низким показателем преломления. Толщина оболочки
должна быть примерно равна длине волны передаваемого излу-
чения. Дальнейшее увеличение толщины нецелесообразно, так
как оно сопровождается снижением разрешающей способности
системы.

Однако эти оболочки все же не устраняют отрицательного
влияния рассеянного света, который возникает из-за того, что
часть лучей падает на входной торец волокон под малыми угла-
ми. Если угол падения меньше критического, то условие полного
внутреннего отражения нарушается и луч частично проходит
в соседнее волокно, затем в следующее и т. д., пока не достигнет
наружной поверхности жгута или же не выйдет в противополож-
ном торце другого волокна. Этим объясняется наличие светового
фона в плоскости переданного изображения.

Необходимо отметить, что эффект прохождения света между
соприкасающимися световодами используется при разработке
различных оптико-электронных логических элементов.

При распространении излучения вдоль волокон, размеры
которых сравнимы с длиной световой волны, существенное значе-
ние начинают оказывать дифракционные явления [16]. Волокно
при этом следует рассматривать как диэлектрический волновод,
в котором существуют лишь вполне определенные пространствен-
но-временные распределения электромагнитного поля (моды).
Они зависят от параметров волокна, окружающей среды (обо-
лочки) и частоты падающей световой волны. Каждая мода
удовлетворяет уравнениям Максвелла и некоторым граничным
условиям, определяемым геометрией и оптическими характери-
стиками волокна.

Каждое волокно передает информацию только о величине
суммарного светового потока, попавшего на входной торец.
В результате многократных отражений внутри волокна на его
выходном торце получается равномерная освещенность, пропор-
циональная общей интенсивности света, падающего на входной
торец. Поэтому все детали передаваемого изображения в преде-
лах диаметра волокна безвозвратно теряются. Исчезают также
детали изображения, попадающие на нерабочие участки жгута —
пустоты и оболочки волокон.

Основными оптическими характеристиками световода с регу-
лярной укладкой волокон являются светопропускание, числовая
апертура, разрешающая способность и контраст передаваемого
изображения. Светопропускание определяется поглощательной
способностью материала волокон и качеством их изготовления.
Числовая апертура регулярного пучка волокон (характеризуемая
максимальным углом падения проходящего света) определяется
числовой апертурой отдельных его элементов и зависит от соотно-
шения показателей преломления сердцевины и оболочки.

Разрешающая способность является функцией диаметра во-
локон, толщины оболочек и способа укладки. При идеально

8 Заказ 375	113
параллельной укладке пучок способен различать два штриха
изображения, удаленные друг от друга на расстояние, несколько
большее диаметра волокна. Если разрешающую способность
выражать числом линий на 1 мм, то она приблизительно равна
половине числа волокон, уложенных в ряд на 1 мм. Поэтому
для повышения разрешающей способности необходимо не только
уменьшать диаметр волокна до допустимого минимального зна-
чения, но и сводить к минимуму толщину прослойки между
волокнами. Эффективность передачи изображения снижается
пропорционально увеличению относительной площади поперечно-
го сечения, занятой оболочками и незаполненными промежут-
ками. В зависимости от способа укладки волокон относительное
уменьшение эффективной площади сечения жгута колеблется
в пределах 6—10%.

Таким образом, плотность передаваемой информации и разре-
шающая способность жгута определяются в основном диаметром
волокон. Уменьшение диаметра волокон ограничивается дифрак-
цией, в результате которой происходит интенсивная утечка
излучения через стенки. Дифракция особенно вредна при малых
диаметрах, сравнимых с длиной волны используемого света.
Экспериментально установлено, что пучки, сформированные из
волокон диаметром 5 мкм, имеют еще достаточно высокую раз-
решающую способность, но при дальнейшем уменьшении диа-
метра волокна качество передаваемого изображения ухудшается.
Для видимой области спектра уменьшение диаметра до 1 мкм
является нерациональным.

Контраст переданного изображения зависит от качества
изготовления отдельных волокон и их упаковки. Если они
расположены на расстоянии, равном или меньшем удвоенной
длине волны, то свет из одного волокна просачивается в другое^
вследствие чего повышается яркость фона и в связи с этим
понижается контраст.

При малом диаметре волокон просачивание света становится
серьезной проблемой. Поэтому в каждом конкретном случае
требования к величине контраста являются исходными для выбо-
ра диаметра волокон и толщины прослоек между ними. Есте-
ственно, при этом учитываются и другие характеристики волокон-
ного световода, в частности разрешающая способность.

В некоторых схемах изображение трансформируется двумя
или большим числом последовательно расположенных волокон-
но-оптических элементов. Это приводит к снижению разрешаю-
щей способности. Например, для двух находящихся в контакте
волоконно-оптических элементов с одинаковой разрешающей
способностью результирующая статическая разрешающая спо-
собность уменьшается до 0,707 от первоначальной. При трех
идентичных элементах она падает до 0,578 и т. д. Снижение
разрешающей способности связано с отсутствием одинаковой
ориентации всех элементов друг относительно друга. В резуль-
114
тате свет, выходящий из определенного волокна первого элемен-
та, может попасть частично на нерабочую часть входного торца
следующего элемента или разделиться на две части, распростра-
няющиеся по двум волокнам этого элемента. Поэтому если
первоначальное волокно несло информацию об одном элементе
изображения, то во втором пункте эту информации будут
передавать уже два волокна, вследствие чего разрешающая
способность уменьшается.

Одним из основных достоинств волоконных элементов
является передача излучений по криволинейному пути. Поэтому
важное значение имеет прочность стеклянных волокон при их
изгибе. Так как светопропускание волокна на криволинейных
участках остается практически неизменным при увеличении
радиуса изгиба до величин, превышающих радиус волокна при-
мерно в 20 раз, то именно хрупкость волокон определяет воз-
можности их применения в устройствах, где оптическое изобра-
жение передается по пути сложной конфигурации и значитель-
ной кривизны.

Способность волоконной оптики осуществлять ряд преобра-
зований изображений обусловливает ее успешное применение
в различных оптико-электронных системах обработки информа-
ции. Волоконная оптика используется в оптических вычислитель-
ных системах, в обзорно-поисковых системах, в распознающих,
запоминающих и следящих устройствах и т. д. Волоконно-опти-
ческие элементы широко применяются также и для коррекции
изображений в оптических и электронно-оптических устрой-
ствах.

Разработаны разнообразные электроннолучевые трубки
(ЭЛТ) с экранами из оптических волокон. Такие ЭЛТ обладают
рядом преимуществ по сравнению с обычными трубками. Полу-
чаемое с их помощью изображение свободно от паралакса, отли-
чается большой яркостью и высокой разрешающей способностью.
Кроме того, оптические волокна дают возможность формировать
плоское изображение, что значительно упрощает систему съема
информации, обеспечивает контактную печать и т. д.

Яркость изображения на экране ЭЛТ с волоконными элемен-
тами более чем в 40 раз превышает яркость обычных экранов.
Излучение наружной поверхности обычного экрана составляет не
более 5—6% от общего излучения люминофора, тогда как в во-
локонных ЭЛТ оно достигает 85—90%.

Экран из оптических волокон позволяет не только получить
изображение достаточно большой яркости, но й значительно
уменьшить ускоряющее напряжение и плотность электронного
пучка. При уменьшении плотности электронного пучка облегча-
ется фокусировка и тем самым улучшается качество изображе-
ния. Изображение на волоконном экране отличается большим
контрастом и разрешающей способностью по сравнению с изо-
бражением на обычном экране.

8*	115
Рис. 45. Устройство экрана
приемной телевизионной
трубки, выполненного из ко-
нических волокон:

а — вид спереди; б — вид сбо-
ку; / — проекционный кине-
скоп; 2 — выходной торец —
зрительный экран; 3 — вход-
ной торец конического пучка

Для изготовления экранов обычно применяются волокна
диаметром 10—20 мкм. Экран, выполненный из волокон диамет-
ром 10 мкм, способен разрешить более 50 светящихся точек на
1 мм. Поэтому общая разрешающая способность описываемых
ЭЛТ определяется главным образом диаметром светового пятна
на люминофоре, который в современных приборах удается умень-
шить до 8 мкм. Благодаря волоконным элементам облегчается
режим работы проекционных трубок и более эффективно ре-
шается проблема увеличения экрана, так как с этой целью
можно использовать конические волокна (рис. 45).

Волоконные пластины применяются также и в качестве
входных окон для передающих телевизионных трубок, что дает
возможность использовать падающую световую энергию с мень-
шими потерями, не прибегая к каким-либо изменениям в проек-
ционной оптической системе. Так, например, видикон с волокон-
ным окном может передавать изображение. при освещенности
торцовой поверхности порядка 5 лк, а суперортиконы нормально
работают при освещенности 0,2 лк.

Большим преимуществом любой передающей телевизионной
трубки с входным окном из оптических волокон является то, что
его легко можно сочленить с приемной ЭЛТ, электронно-оптиче-
ским преобразователем или усилителем яркости, экраны которых
тоже выполнены из оптических волокон. В этом случае входное
окно приводится в непосредственный контакт с люминесцентным
экраном • соответствующего электронно-оптического прибора.
Разрешающая способность системы в целом несколько ухуд-
шается, однако при использовании волокон достаточно малого
диаметра она может быть вполне приемлемой для передачи рас-
тра телевизионных строк.

Таким образом, можно отметить, что в общем случае, приме-
няя оптические волокна, можно существенно упростить систему
совмещения изображений и увеличить вместе с тем эффектив-
ность использования излучения люминофора.
Использование волоконно-оптических элементов также по-
зволяет значительно увеличить скорость съема и записи инфор-
мации с выхода ЭВМ. Поскольку счетно-решающее устройство
может выдать информацию в виде букв или цифр на экране элек-
троннолучевой трубки, то, применяя волоконные элементы, мож-
но считывать информацию с большой скоростью обычным
контактным способом.

Информацию можно записывать на светочувствительный слой
или бумагу, покрытую фотопроводящим слоем. В обоих случаях
скорость записи может составлять порядка 20 тыс. знаков
в секунду.

Как известно, одна из главных особенностей волоконной
оптики заключается в возможности преобразовывать вполне
определенную форму исходного изображения в любую другую
форму. Выбор формы экрана передающих и приемных телеви-
зионных трубок зависит от электронно-оптической системы.
Оптимальные условия для сканирования электронным лучом
достигаются при квадратной форме растра, которую можно при-
нять в качестве исходной. В настоящее время созданы различные
волоконно-оптические преобразователи изображения, которые
позволяют преобразовывать квадратный растр в длинную линию
(рис. 46), в окружность (рис. 47), в крест, в розетки и т. д. Такие
волоконно-оптические преобразователи позволяют решать ряд
специальных задач, связанных с функциональным преобразова-
нием изображения с его анализом, распознаванием, слежением,
за некоторыми участками и т. д. [50, 52].

Рис. 46. Волоконно-оптический преобразователь квадратного
растра в линию
1 — волоконно-оптический пре-
образователь; 2 — вращающий-
ся диск со щелью; 3 — линза,
4 — фотоприемник

Свойства волокон передавать информацию только об одном
элементе изображения успешно используются для кодирования
документов и их передачи по открытым каналам связи. Для
этого изготовляется волоконно-оптический жгут, в средней части
которого волокна располагаются в хаотическом порядке, а на
обоих торцах волокна расположены регулярно и в аналогичном
порядке. После фиксации положения волокон жгут разрезается
на две равные части. Если перед входным торцом одного из них
(кодирующий жгут) поместить, например, какой-либо документ
или чертеж, то на выходном торце получается хаотическое рас-
положение темных и светлых точек, соответствующее расположе-
нию волокон. Такое изображение может передаваться по обыч-
ным телевизионным каналам. Расшифровать полученное
изображение можно путем его пропускания через вторую часть
жгута в обратном направлении (так чтобы входным торцом слу-
жило сечение разреза, в котором волокна расположены не регу-
лярно). Другим способом раскодировать полученное изображе-
ние невозможно.

Способность волоконно-оптических преобразователей изме-
нять форму изображения открывает возможность их применения
в различных сканирующих устройствах. Используя волоконно-
оптические элементы в оптико-механических сканирующих систе-
мах, можно существенно увеличить скорость сканирования
и расширить границы практического применения таких систем.
Оптико-механические сканирующие системы с волоконной опти-
кой отличаются рядом положительных характеристик. К таким
характеристикам относятся: простота, стабильность в работе,
большой срок службы, небольшие габариты, отсутствие сложных
электронных схем управления, высокая разрешающая способ-
118
ность, возможность преобразования любого формата изображе-
ния в формат, наиболее удобный для сканирования.

Известно, что время одного цикла сканирования является
одной из основных характеристик сканирующего устройства.
В обычных системах поиска оно определяется временем последо-
вательного просмотра всех точек поля. Используя элементы во-
локонной оптики, можно в десятки раз уменьшить время оты-
скания предмета на сканируемом поле. При квадратичной форме
экрана это достигается одновременным сканированием в двух
взаимно перпендикулярных направлениях.

Применяя элементы волоконной оптики в оптической системе
слежения и сопровождения, можно упростить конструкцию
поворотных оптических головок. Используя сферические полиро-
ванные волоконные элементы со специальной кинематикой
перемещения, можно создать высокоэффективные следящие
устройства.

Хорошо известными элементами волоконной оптики являются
фиберскопы, т. е. гибкие жгуты, предназначенные для наблюде-
ния и передачи изображения по криволинейному пути. Фибер-
скоп представляет собой жгут регулярно уложенных волокон,
укрепленных только на торцах. В средней части волокна свобод-
ны, поэтому жгут достаточно эластичен. Так как светопропуска-
ние волокон не ухудшается даже при значительных изгибах,
качество переданного изображения будет удовлетворительным.
Для предохранения волокон от механических повреждений весь
жгут помещается в защитную оболочку, представляющую собой
эластичный кожух в виде пружины из нержавеющей стали или
пластического материала. Используя такие волоконно-оптические
элементы, можно подавать соответствующим образом ориентиро-
ванное изображение контролируемого поля на вход вычисли-
тельной системы. Большой интерес представляют волоконные
элементы, работающие в режиме квантово-механических генера-
торов. Многие вещества, используемые в лазерной технике
в качестве активных сред, очень трудно вытягивать в волокна.
Поэтому наиболее перспективными материалами для этих целей
являются стекла и пластмассы с присадкой редкоземельных
элементов.

Стимулированное излучение было получено на стеклянных
волокнах с примесью неодима. Жгут состоял из 2000 волокон
диаметром 20 мкм при расстоянии между ними 40 мкм. Длина
волны стимулированного излучения составляла 1,06 мкм. При
этом каждое волокно представляло собой диэлектрический вол-
новод, диаметр которого почти в 20 раз превышал длину излу-
чаемой волны. Генерация наблюдалась при энергии накачки
40 дж и больше [125].

Стимулированное излучение также было получено в пласт-
массовых волокнах, выполненных из полиметилметакрилата,
активированного молекулами, содержащими атомы трехвалент-
119
ного европия. Волокна имели длину 50 см и диаметр 1 мм. При
температуре жидкого азота они давали монохроматичное излу-
чение с длиной волны 6130 А. Накачка осуществляется импуль-
сами ультрафиолетового света (Л = 3400 А) длительность
250 мксек.

Так как в таких устройствах каждое волокно генерирует неза-
висимо, то волоконные квантово-механические генераторы,
по-видимому, целесообразно использовать не для генерации
когерентного излучения, а для усиления света. Подобные усили-
тели уже созданы. Активной средой в них является стеклянное
волокно с присадкой неодима, покрытое оболочкой с показателем
преломления меньшим, чем у стеклянного волокна.

Вследствие быстрого развития микроэлектроники и увеличе-
ния числа элементов в единице объема возникла проблема
устранения паразитных связей между интегральными схемами
и отдельными элементами. Эффективное решение этой задачи
дает волоконная оптика. Оптическая связь между интегральны-
ми схемами возможна благодаря р — n-переходам, преобразую-
щим энергию электрического тока в рекомбинационное излуче-
ние, а также в результате обратного преобразования излучения
в электрический сигнал. В простейшем случае связь осуществля-
ется применением двух р — n-переходов, один из которых излу-
чает, а другой принимает распространяющееся по световоду
излучение. Эффективность связи определяется в основном усло-
виями преобразования электрического тока в излучение и эф-
фективностью передачи света волокнами.

Наиболее перспективным способом увеличения пропускной
способности является применение оптических волокон с большим
показателем преломления. Из имеющихся в настоящее время
материалов наиболее пригодным для этих целей является трех-
сернистый мышьяк, показатель преломления которого при длине
волны Л = 1 мкм равен 2,47. Из такого материала легко вытя-
гивать волокна с исключительно гладкой поверхностью, вслед-
ствие этого эффективность внутренних отражений оказывается
предельно большой.

В результате успехов, достигнутых в области волоконной
оптики и лазерной техники, открываются перспективы создания
оптических вычислительных машин. Как известно, основным
препятствием к повышению быстродействия счетно-решающих
устройств являются ограничения, связанные с временем переклю-
чения активных элементов и временем распространения сигнала
между ними.

Скорость распространения сигнала в оптическом волокне
составляет 2-Ю10 см!сек, т. е. близка к скорости распространения
электрических сигналов в коаксиальном кабеле. Поэтому опти-
ческие волокна являются хорошим средством для соединения
электрических схем. К тому же, в данном случае весьма просто
120
исключается взаимное влияние активных элементов. Светопро-
пускание волокон обычно велико, но если даже передаваемый
сигнал затухает, этот недостаток можно устранить с помощью
волоконных лазеров, которые могут выполнять роль усилителей.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА

На базе использования оптических световодов, имеющих
малые сечения (так называемых диэлектрических волноводов),
возникло новое направление информационной техники, которое
получило название интегральной оптики. Интегральные оптиче-
ские устройства выполняются не из отдельных оптических узлов,
а в виде объединенной структуры с помощью единых технологи-
ческих процессов. Информационные устройства, построенные по
принципу интегральной оптики, должны иметь во много раз
меньший вес и объем и должны быть менее подвержены темпера-
турным, механическим и электрическим внешним воздейст-
виям (120].

Диэлектрические волноводы, используемые в устройствах
интегральной оптики, отличаются меньшими сечениями по срав-
нению с обычными световодными волокнами. Сечение оптических
волокон, как правило, составляют несколько десятков длин волн
используемого излучения, а сечение диэлектрических волново-
дов — доли длины волны света.

Диэлектрические волноводы сводят к минимуму искажения
передаваемых сигналов, если они имеют равномерную частотную
ич линейную фазовую характеристики. Эти требования проще
всего удовлетворяются при работе волновода на одном типе
колебаний.

Система близко расположенных диэлектрических волноводов
обладает распределенной связью. При этом для создания
распределенной связи не нужно никаких конструктивных эле-
ментов. Требуется лишь сблизить волноводы на достаточно ма-
лое расстояние, чтобы поля их перекрывались. Распределенная
связь является непрерывной. Легко осуществить плавное изме-
нение связи по длине участка, если изогнуть волноводы или
расположить их непараллельно. С одним волноводом можно
связать несколько других, расположив их на разных участках
по длине или на одном с разных сторон.

Применение в оптико-электронных узлах распределенной свя-
зи волноводов придает им следующие ценные качества:

1) конструктивное выполнение узлов и схем с их использо-
ванием весьма несложно; 2) распределенность связи в сочетании
с плавными законами изменения связи по длине позволяет
получать чрезвычайно высокую направленность действия и ма-
лые отражения со стороны всех лучей волноводного узла; 3) про-
стота осуществления различных законов изменения связи по
длине участка дает возможность придавать параметрам узла те
или иные желаемые свойства, например, различную зависимость
от частоты; 4) возможность связи одного волновода с несколь-
кими другими позволяет легко создавать сложные узлы с боль-
шим числом волноводных лучей.

С использованием диэлектрических волноводов могуг быть
выполнены всевозможные многолучевые волноводные узлы.
Благодаря наличию внешних полей достаточно просто сблизить
волноводы, чтобы волны в них стали взаимодействовать.

Известно также, что на отрезке волновода из стекла с при-
месью активного вещества может быть выполнен оптический
квантовый генератор, а на участке из материала с нелинейными
свойствами можно осуществить умножение, смещение и другие
нелинейные преобразования. Благодаря уменьшению рабочего
объема вещества такие генераторы и преобразователи могут
работать при очень малых мощностях сигналов.

И таким образом принципиально возможно выполнение на
диэлектрических волноводах целых оптических систем, вклю-
чающих активные нелинейные устройства и пассивные узлы.

Однако при реализации устройства на волноводах оптиче-
ского диапазона возникают серьезные трудности, связанные
в основном с исключительно малыми размерами их поперечного
сечения. Волноводы, поперечные размеры которых составляют
единицы и доли микрометра, трудно выполнить с соблюдением
необходимых допусков. При этом контроль размеров также
представляет собой сложную задачу.

Необходимо отметить, что на изогнутых участках диэлектри-
ческих волноводов неизбежно возникает излучение, увеличиваю-
щее потери при передаче и вызывающее нежелательное взаимо-
действие между различными узлами устройств.

Чтобы уменьшить нежелательные эффекты, радиусы изгибов
волноводов следует брать достаточно большими. Допустимые
значения радиусов, при которых излучение пренебрежимо мало,
например, в сравнении с потерями теплового происхождения,
существенно зависят от формы и размеров сечения волноводов,
коэффициентов преломления материалов и длины волны.

Размеры оптических волноводов для облегчения производ-
ства желательно выбирать большими по сравнению с длиной вол-
ны. При этом, чтобы обеспечить одноволновой режим, следует
выбирать близкие коэффициенты преломления материала волно-
вода и окружающей среды. Но с уменьшением разности коэф-
фициентов преломления направляющее действие волновода
уменьшается. Это приводит к увеличению допустимых радиусов
изгиба, что ограничивает возможности применения таких
волноводов.

Весьма существенной является проблема эффективного ввода
световой энергии в пленочный волновод. Для возбуждения опти-
ческих волноводов применяются различные способы: возбужде-
ние в торец, возбуждение через поверхность, возбуждение
122
с помощью дифракционной решетки, возбуждение с помощью
тонкопленочного полупроводникового лазера и др.

Для оптических волноводов возбуждение с торца малоэф-
фективно, так как в этом случае требуются весьма длиннофокус-
ные фокусирующие устройства и очень тщательное совмещение
фокального пятна с торцом пленки. Существуют трудности и при
оптической полировке торцов столь малых толщин, что неизбеж-
ны дополнительные потери на рассеяние.

При возбуждении оптического микроволновода через его
поверхность в качестве возбуждающего устройства используют
призмы с большим показателем преломления, которые с по-
мощью иммерсионной жидкости или оптического контакта уста-
навливались непосредственно на поверхности несущего слоя.
Угол падения возбуждающего пучка в призме выбирается на-
столько близким к критическому углу полного внутреннего
отражения у поверхности раздела призма — несущий слой, что
прошедший луч последовательно претерпевает полное внутрен-
нее отражение на границах, распространяясь вдоль волновода.

Для возбуждения оптических микроволноводов используются
также дифракционные решетки. Этот метод предполагает воз-
буждение пленочных оптических микроволноводов на протяжен-
ном участке через поверхность несущего слоя. Устройством для
возбуждения в этом случае служит дифракционная решетка,
выполненная непосредственно на поверхности пленки. Увеличе-
ние интенсивности отраженного пучка при резонансных углах
падения возбуждающего луча происходит из-за обратного пере-
излучения волноводной волны. Выбирая оптимальным соотно-
шение между диаметром падающего пучка и длиной дифракци-
онной решетки, это отражение можно уменьшить и тем самым
увеличить эффективность преобразования энергии падающего на
решетку излучения в энергию, распространяющуюся в волно-
воде.

Исследовались также возбуждения пленочных оптических
микроволноводов с помощью объемной диэлектрической решет-
ки, выполненной непосредственно на поверхности волноводной
пленки голографическими методами. Лазерный луч в этом
случае падает на решетку под углом, близким к углу Брэгга, что
позволяет избавиться от нежелательных дифракционных явлений
и тем самым увеличить эффективность возбуждения.

Возбуждение поверхностной волны в волноводе из тонкой
полупроводниковой пленки с помощью тонкопленочного полупро-
водникового лазера представляет особый интерес. Полупроводни-
ковые лазеры обладают преимуществами перед лазерами других
типов, благодаря своим малым размерам, большому к. п. д., бы-
стродействию и возможности изготовления их по интегральной
технологии. Однако такие лазеры имеют большой угол расходи-
мости светового пучка (до 30° в плоскости, перпендикулярной
р—	что затрудняет их использование без дополнн-
тельных устройств, формирующих диаграмму направленности
излучения.

Рассмотрим применение некоторых элементов интегральной
оптики в информационных устройствах. Создание оптических,
интегральных схем — сложная задача, пока не решенная, но эле-
менты таких схем начинают разрабатываться уже сейчас. В на-
стоящее время предложен и разработан ряд устройств интеграль-
ной оптики таких, как интегральный лазер, различные модуля-
торы, частотноизбирательные фильтры и различные гибридные
соединения и т. д. (120].

Рассмотрим устройство интегрального резонатора. Линия
передачи, показанная на рис. 48, а, будет резонатором, если на ее
концах расположить отражающие зеркала или ряд поперечных,
частично отражающих слоев, размещенных на расстоянии нечет-
ного числа четвертей длины волны друг от друга, так что отра-
жения от них на резонансной частоте складываются (рис. 48,6).
Такие отражатели аналогичны слоистым диэлектрическим зерка-
лам и имеют достаточно большие поперечные размеры, чтобы
перехватить большую часть энергии распространяющейся волны.
Их роль могут выполнять области с увеличенным коэффициентом
преломления «з металлизированные или пустые канавки.

При добавлении небольшого числа ионов неодима и обеспе-
чении соответствующей накачки такой резонатор становится
лазером. На рис. 49 показаны два возможных способа осущест-
вления накачки. В способе, представленном на рис. 49, а, актив-

Рис. 48. Устройство интегрального резонатора:

а — прямоугольный диэлектрический волновод; б — интегральный ла-
зер; ль п2, п3 — соответственно коэффициенты преломления диэлек-
трического световода, подложки и зеркала
Рис. 49. Поперечное сечение возможных конструкций лазера на
основе прямоугольного диэлектрического волновода:

а — накачка осуществляется извне; б — источник накачки распределен
в подложке; пх и п2 — коэффициенты преломления соответствующих
веществ гц > п2; 1 — отражатель накалки; 2 — электрод из SnO2; 3 —
контакт; 4 — электролюминесцентный материал

ный материал (например, неодим) может быть введен только в
непосредственной близости от стержня диэлектрического волно-
вода (например, нанесением на поверхность под пленку S11O2).
Сферический отражатель концентрирует энергию накачки вблизи
волновода, где поле резонансного колебания максимально.
Электролюминесцентный материал, например, слой сульфида
цинка, выбирается так, чтобы обеспечить возбуждение соответ-
ствующих переходов в активных материалах. В способе, пока-
занном на рис. 49, б, электролюминесцентный материал распре-
делен в стеклянной подложке, а его возбуждение для создания
накачки осуществляется переменным током с частотой порядка
несколько килогерц.

Описанным способом могут быть получены лазерные источни-
ки только относительно небольшой мощности (до 0,1 вт). Однако
и такая мощность вполне достаточна для многих применений
в информационных системах.

На основе элементов интегральной оптики могут быть созданы
также различные направленные ответвители оптических излуче-
ний. Простой направленный ответвитель можно создать с помо-
щью связи v-образного и прямолинейного отрезков волноводов.
Этот направленный осветитель принципиально совершенно ана-
логичен соответствующим приборам миллиметрового и санти-
метрового диапазонов. Схематическое изображение его приведе-
но на рис. 50. а. Связь между двумя волноводными секциями
обусловлена экспоненциально затухающими полями обеих волно-
водных секций в подложке. Расчет показывает, что связь между
волноводными секциями такова, что размеры реальных направ-
ленных ответвителей не превышают нескольких миллиметров.
+

Рис. 50. Гибридные соединения ди-
электрических волноводов:

а — с использованием распределен-
ной связи; б — с частично отражаю-
щим зеркалом; п2, п3 — соответ-
ственно коэффициенты преломления ди-
электрического световода, подложки и
полупрозрачного зеркала

I Лазерный
пучок

Рис. 51. Фазовый мо-

дулятор

На рис. 50, б показано гибридное соединение, использующее
частично отражающее зеркало. Оно может представлять собой
узкую металлизированную либо пустую канавку, либо область
повышенного коэффициента преломления, образованную с по-
мощью диффузии или ионнообменного процесса через защитную
маску.

С использованием методов интегральной оптики могут быть
созданы различные модуляторы световых потоков. Все типы
модуляторов (амплитудные, фазовые, частотные) могут быть
сконструированы на основе одномодового волновода, если для
несущего слоя или обрамляющей среды использовать электро-
оптический материал. В основе работы подобных модуляторов
могут лежать те же зависимости показателя преломления от
внешних воздействий, что и в обычных модуляторах.

Важным преимуществом модулятора, выполненного на базе
одномодового оптического волновода, является возможность
уменьшения поперечного сечения модулируемого луча. Умень-
шение объема области модуляции позволяет значительно снизить
потребляемую мощность и напряжение. Амплитудная модуляция
может осуществляться за счет изменения условий распростране-
ния излучений. Если показатель преломления несущего слоя
превышает показатель преломления окружающей среды, то по
волноводу передается максимальный сигнал. Если это условие
не выполняется, то сигнал затухает. Такой модулятор способен
126
обеспечить 100%-ную модуляцию при очень малом изменении
показателя преломления электрооптического материала.

Фазовый модулятор может быть создан на базе полоскового
диэлектрического волновода, если подложка, нанесенная на
поверхность полоски, выполнена из электрооптического мате-
риала.

На рис. 51 изображена возможная конструкция фазового
модулятора. Лазерный пучок направляется диэлектрическим вол-
новодом. Электрооптический материал может служить подлож-
кой или наноситься в виде тонкого слоя, размещенного рядом со
стержнем волновода. Расстояние между металлическими элек-
тродами, нанесенными посредством фотолитографической тех-
ники, может составлять около 25 мкм. При этом управляющее
напряжение Uy составляет несколько вольт и создает достаточно
большие модулирующие поля.

На основе методов интегральной оптики могут быть разрабо-
таны также различные оптические фильтры.

В обычных оптических интерференционных фильтра\ при
заданной частоте сигнала пропускание изменяется в зависимости
от угла падения. Поэтому существует максимальный раствор
углов, в пределах которого фильтр может работать, причем узко-
полосные фильтры действуют только при малом поле зрения.

Это ограничение можно устранить, если использовать опти-
ческие фильтры, в основу конструкций которых положены одно-
модовые оптические волноводы. Такие фильтры обладают
уникальным свойством: их угловые и частотные характеристики
являются независимыми. На рис. 52 схематично показан один из
вариантов оптического волноводного фильтра. Два полупрозрач-
ных зеркала, расположенные в плоскости, перпендикулярной
несущему слою волновода, образуют резонатор Фабри-Перо.
Фильтрация осуществляется, как и в обычных фильтрах, за счет
интерференции. Но для волноводного фильтра фазовая скорость
целиком определяется параметрами волновода и не зависит от
угла возбуждения. Поэтому центральная частота такого филь-
тра не изменяется при изменении угла падения, вследствие
этого полоса пропускания может быть сделана такой узкой, как
это необходимо.

Комбинируя гибридные соединения и резонаторы на волно-
водах, можно создать фильтры для многоканальных систем связи
с частотным разделением. На рис. 53 показана конструкция тако-
го фильтра. Проходные резонаторы служат для отделения сигна-
ла с частотой fa от сигналов с частотами fe и fc. В гибридных
соединениях разделение и сложение сигналов осуществляется
так, что входное сопротивление фильтра остается неизменным.
Вместо резонаторов можно применить многоэлементные решетки,
служащие отражателями только для частоты fa.

На рис. 54 представлена схема частотноизбирательного филь-
тра, в котором используются два параллельных полосковых
Полупрозрачные зеркала

Выходной

Рис, 52, Оптический вол-
новодный фильтр

'7777/.

сигнал

и шумы

Рис. 53. Фильтр с частотным
разделением

микроволновода 1 и кольцевой резонатор 2, расположенный
между ними. Частотные свойства такого фильтра определяются
диаметром резонатора. Подобный фильтр можно использовать
в ряде систем переработки информации. Одна из таких систем —
оптический ретранслятор с частотным разделением каналов —
показана на рис. 55. Входящий лазерный пучок разделяется по
частотам /ь /2 и /з с помощью частотноизбирательных фильтров.
Затем из каждого оптического сигнала с помощью детектора на
лавинном фотодиоде выделяется модулирующий сигнал, который
усиливается, и форма импульсов восстанавливается регенерато-
ром. Эти импульсы подаются в модулирующую цепь лазерного
диода. Выходные импульсы различных частот, излучаемые лазе-
рами, затем вновь суммируются и поступают в общую линию
передачи.

С помощью устройств интегральной оптики можно осущест-
влять некоторые нелинейные преобразования в оптическом
диапазоне. Существует возможность обеспечения в оптическом
диапазоне синхронного взаимодействия волн разных частот.
Речь идет о применении оптических волноводов, где дисперсия
определяется не только естественной дисперсией материала, но
и геометрией волновода. Для достижения синхронного взаимо-
действия имеются широкие возможности, основанные на соот-
ветствующем выборе формы и разменов поперечного сечения
волновода и типа колебаний для каждой из взаимодействующих
волн. В оптических волноводах возможна концентрация энергии
128
источника в очень малом поперечном сечении порядка длины
волны. Это обстоятельство позволяет получить при использова-
нии непрерывных газовых лазеров такую же плотность мощно-
сти, какая достигается в несфокусированных пучках твердотель-
ных импульсных лазеров.

Рассматривая достижения интегральной оптики, необходимо
хотя бы кратко перечислить основные вопросы технологии изго-
товления таких элементов.

Рис. 55, Оптический ретран-
слятор с частотным разде-
лением каналов:

1 — кольцевой резонатор; 2 —
ответвитель; 3 — детектор; 4 —
усилитель регенератор; 5 — ла-
зерный диод, модулирующий
спектр световых частот
Как уже отмечалось, методы создания интегральных оптиче-
ских схем во многих отношениях являются прямым распростра-
нением методов, используемых при создании интегральных схем
на полупроводниках. Следствием этого должно явиться повыше-
ние экономичности оптических систем, аналогичное тому, которое
произошло в результате внедрения полупроводниковых инте-
гральных схем.

Плоская интегральная схема оптического диапазона может
представлять собой слой диэлектрического материала, нанесен-
ного или напыленного на подложку из другого диэлектрического
материала. Она может представлять собой также слой, погру-
женный в толщу другого диэлектрического материала.

Принцип конструирования диэлектрических волноводов иллю-
стрируется рис. 48, на котором изображена тонкая пленка ди-
электрического материала, погруженная в прозрачную полиро-
ванную подложку. Для удержания светового луча в пределах
пленки величина показателя преломления материала ее должна
быть выбрана большей, чем величина показателя преломления
материала подложки. В таком случае на границах пленки проис-
ходит полное внутреннее отражение. Технология травления
интегральной оптической схемы аналогична той, которая исполь-
зуется при изготовлении полупроводниковых интегральных схем,
но разрешающая способность должна быть выше, поскольку
ширина отдельных волноводов равна всего лишь нескольким
микрометрам, а толщина — нескольким долям микрометра.
После травления схему покрывают пленкой, выполненной из
материала подложки. Таким образом обеспечивается изоляция
схемы от окружающей среды [120].

При изготовлении оптических схем требуется жесткий кон-
троль, цель которого заключается в обеспечении возбуждения
единственной моды, малой величины потерь, устойчивости по
отношению к механическим и тепловым воздействиям. Потери
обусловлены как поглощением материала пленки, так и рассея-
нием, причинами которого являются неоднородности пленки
и шероховатость ее поверхности. При использовании достаточно
совершенных методов изготовления интегральных схем величина
коэффициента потерь находится в допустимых пределах.

Однако современные методы изготовления тонких пленок
таковы, что структура пленки может существенно отличаться от
структуры материала, из которого она изготовлена. Вследствие
кристаллизации материала при изготовлении пленки в последней
могут возникать центры рассеивания, отсутствовавшие в исход-
ном материале. Это явление может быть причиной возникновения
дополнительных потерь. Неоднородности стенок волновода также
являются причиной излучения энергии во внешнее пространство.
При условии возбуждения единственной моды, если значения
показателя преломления материала пленки и подложки отлича-
ются на 1%, а величина коэффициента потерь не должна пре-
130
восходить 0,5 дб/см, шероховатость поверхности стенки волно-
вода должна быть не более нескольких сот ангстрем.

В настоящее время разрабатываются методы обеспечения
указанной степени гладкости поверхности волновода, толщина
которого равна всего 0,5 мкм. При этом основное внимание
уделяется исследованию методов, основанных на использовании
облучения пучком ионов, ионного обмена и ВЧ-распыления.
Исследуются также методы, основанные на использовании испа-
рения, пиролитического осаждения и эпитаксиального выращи-
вания.

При облучении кварцевого стекла пучком ионов с высокими
энергиями в стекле возникают области с повышенными значе-
ниями показателя преломления. При этом происходит образо-
вание последовательности слоев, погруженных в подложку, до
тех пор, тока толщина пленки не достигнет требуемого значения.
Глубина проникновения потока ионов в стекло зависит от энер-
гии ионов, поэтому путем непрерывного изменения энергии
после образования данного слоя (т. е. с помощью изменения
глубины проникновения) можно изготовить «погруженный»
волновод. Используя запрограммированный соответствующим
образом сканирующий ионный луч (аналогично используемому
методу обработки материалов программированным электронным
лучом), можно изготовлять «погруженные» схемы с заданной
конфигурацией.

Поверхностный слой, показатель преломления которого
отличен от показателя преломления материала подложки, можно
создать, также используя метод ионного обмена. При погружении
стеклянной подложки в раствор расплавленной соли на
поверхности подложки может произойти замена иона одного типа
ионом другого типа, поступившем из раствора. Следствием этого
процесса является образование слоя с более высоким значением
показателя преломления. При использовании метода ионного
обмена величина показателя преломления изменяется по сече-
нию пленки более плавно, чем при использовании метода облу-
чения ионным лучом.

Если при использовании метода ионного обмена происходит
изменение свойств поверхностного слоя подложки, в результате
чего величина показателя преломления этого слоя увеличивается,
то при использовании метода распыления на подложку наносится
слой вещества с высоким показателем преломления. Этот метод
представляется весьма перспективным методом изготовления
оптических волноводов с величиной коэффициента потерь мень-
ше 1 дб{см.

Все методы, используемые при изготовлении полупроводни-
ковых интегральных схем, нуждаются в модификации с целью
уменьшения шероховатости стенок волноводов и соответствую-
щего снижения потерь. Например, если «вычерчивание» схемы
выполняется с помощью ионного или светового лучей, то требо-
9*	131
вания контроля параметров лучей должны быть выше тех, кото-
рые предъявляются при изготовлении стандартных полупровод-
никовых интегральных схем, поскольку величина разрешающей
способности в данном случае должна быть не хуже Х/30. Другим
методам присущи свои трудности. Например, при химическом
травлении стеклянных пленок происходит снижение их про-
зрачности. Поэтому применение химического травления может
быть нецелесообразным. Применение фотолитографических
методов, когда для изготовления масок используются фоторези-
стивные материалы, не позволяют обеспечить нужной разрешаю-
щей способности. Перспективным методом решения проблемы
является воздействие на фоторезисторный материал сканируемо-
го электронного луча с последующим удалением части пленки
путем распыления.

В заключение необходимо отметить следующее: применение
оптических функциональных микроволноводов в принципе
позволяет решить широкий круг вопросов когерентной оптики, но
их практическое использование в настоящее время затрудняется
из-за отсутствия совершенной технологии производства. Те мето-
ды, которые были разработаны для изготовления полупроводни-
ковых интегральных схем, являлись удовлетворительными лишь
на первом этапе развития этого нового направления. Дальнейшее
развитие оптической волноводной техники требует создания
новых специальных методов, основные направления которых
уже наметились. К таким методам относятся высокочастотное
катодное напыление, ионное облучение и ионный обмен. Соот-
ветствующим образом усовершенствованные методы термическо-
го испарения в вакууме, микрофотолитографии, диффузии
и эпитаксии также могут быть использованы для изготовления
оптических микроволноводов.

Необходимо также отметить, что быстрое развитие полупро-
водниковой и лазерной техники, а также большие успехи,
достигнутые в области волоконной и интегральной оптики,
являются достаточными условиями для практической реализации
в ближайшем будущем оптических вычислительных машин.

Г л а в а 3. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ
УСТРОЙСТВА

Электролюминесценция представляет собой
один из видов люминесценции — холодного инерционного свече-
ния тел, возникающего под влиянием внешнего электрического
возбуждения вещества. В процессе электролюминесценции
происходит непосредственное преобразование энергии электриче-
ского поля в световую энергию. Электролюминесценция известна
у кристаллов германия и кремния, алмаза, карбида кремния,
132
соединений элементов третьей и пятой групп периодической
системы, у некоторых окислов, сегнетоэлектриков, многих солей
и даже некоторых органических кристаллов. Спектры электро-
люминесценции этих веществ перекрывают широкий интервал
длин волн от инфракрасной до ультрафиолетовой области.
Особо необходимо отметить цинксульфидные электролюминофо-
ры, которые при напряженностях электрического поля порядка
104 — 105 в/см могут давать свечение яркостью до сотен нит.
Технология изготовления этих люминофоров хорошо разработа-
на, и некоторые из них выпускаются промышленностью серийно.

Электролюминесцентные источники света на основе цинк-
сульфидных порошковых фосфоров и сублимированных пленок
обычно выполняются в виде плоских, равномерно светящихся по
всей поверхности панелей, имеющих требуемые размеры и форму.
Для практических целей предложено множество различных кон-
струкций таких панелей. В качестве связующего вещества для
порошкового электролюминофора используют, например, эпок-
сидные смолы, полистирол, поливинилхлорид и другие прозрач-
ные диэлектрики.

Физические процессы, сопровождающие явление электролю-
минесценции, подробно рассмотрены в работе [31]. Здесь оста-
новимся лишь на наиболее важных применениях электролюми-
несцентных элементов в оптико-электронных информационных
системах.

Электролюминесцентные устройства открывают большие
перспективы для разработки новых средств знаковой индикации.
Разнообразные электролюминесцентные знаковые индикаторы
(ЭЛЗИ) уже широко применяются в различных областях тех-
ники.

ЭЛЗИ, изготовленные на основе цинксульфидных порош-
ковых фосфоров и сублимированных пленок, представляют собой
плоские панели с металлическими электродами, выполненными
в виде отдельных, не зависимых друг от друга участков. Конфи-
гурация этих участков подбирается с таким расчетом, чтобы на
знаковом индикаторе можно было высветить любой из заранее
заданного набора символов.

Знаковые индикаторы могут быть созданы также на основе
диодных излучателей, выполненных, например, из карбида
кремния. Структура их подобна структуре электролюминесцент-
ных диодов, но область p-типа при этом выполняется не сплош-
ной, а в виде мезаструктуры с конфигурацией, аналогичной
конфигурации сегментов порошковых ЭЛЗИ. Это достигается
путем фотолитографии, эпитаксиального наращивания p-слоя на
подложку n-типа через графитовую маску или другими мето-
дами.

Электролюминесцентные знаковые индикаторы широко
применяются в цифровых работах, при выводе данных из
вычислительных машин, передаче цифровой и буквенной инфор-
мации в системах телеуправления и контроля для отображения
различных данных на табло всевозможных размеров и назначе-
ния и т. д.

Основные преимущества электролюминесцентных знаковых
индикаторов: относительно малое потребление мощности при
достаточно высокой яркости; компактность плоской конструкции
и небольшой вес; вполне удовлетворительная механическая
прочность и виброустойчивость; хорошее качество отображаемых
знаков даже при наблюдении под большими углами; высокая
надежность и долговечность; большая скорость переключения;
сравнительно низкая стоимость.

Электролюминесцентные элементы находят широкое приме-
нение в мнемосхемах. Структура электролюминесцентных
мнемосхем, предназначенных для наглядного обзора хода про-
изводственных процессов, текущего состояния управляемых си-
стем и других контролируемых операций, аналогична структуре
ЭЛЗИ. Но, помимо сегментов для воспроизведения цифр и букв,
в мнемосхемах формируют еще и металлические электроды
в виде разнообразных геометрических фигур и схематических
рисунков. Каждый рисунок или фигура соответствуют определен-
ному состоянию или процессу в отображаемой системе и может
возбуждаться независимо от других.

Наличие достаточно эффективных электролюминофоров со
всеми основными цветами свечения от красного до синего позво-
ляет создавать многоцветные индикаторные панели, в которых
одни и те же участки поверхности могут светиться разным
цветом. Такая многоцветная индикация позволяет заметно улуч-
шить качество и значительно увеличить количество отображае-
мой информации.

Известны три основных варианта многоцветных панелей.
В одном из них электролюминесцентный слой выполняется из
смеси фосфоров с различным цветом свечения или в простейшем
случае из фосфора, содержащего несколько разных типов цент-
ров люминесценции. Спектр излучения такого электролюминес-
центного слоя может изменяться в зависимости от параметров
возбуждающего напряжения и прежде всего от частоты.

В другом варианте электролюминесцентная панель выполня-
ется многослойной. Слои электролюминофора с различным
цветом свечения располагаются друг за другом и могут возбуж-
даться независимо.

Третий вариант отличается тем, что электролюминесцентный
слой изготовляют в виде черезстрочного растра, причем соседние
строки (полоски) выполняют из фосфоров с различным цветом
свечения.

В настоящее время большое распространение получили
матричные и мозаичные экраны. Простейший электролюминес-
центный матричный экран (рис. 56) представляет собой слой
электролюминофора, помещенный между двумя взаимно перпен-
134
Рис. 56. Структура простого
электролюминесцентного
матричного экрана:

1 — стеклянная пластина; 2 —
горизонтальная шина; 3	—

электролюминофор; 4 — верти-
кальная шина; 5 — выбранный
элемент

3

U
2

2

1

И
2

дикулярными системами узких параллельных шин электродов,
одна из которых изготовляется прозрачной. В местах пересечения
электродов образуются миниатюрные электролюминесцентные
конденсаторы, составляющие в совокупности прямоугольный
растр из элементарных ячеек. Поперечные и продольные шины
могут быть получены фотолитографией, путем вакуумного напы-
ления электродов через трафарет, методом электрографировки
и т. д.

Возбуждение необходимой ячейки матричного экрана осу-
ществляется подачей напряжения на электроды, между кото-
рыми она расположена. Остальные шины экрана отсоединены от
источника питания, и напряжения на них устанавливаются
в соответствии со связями, имеющимися между элементами.

Простые матричные экраны с порошковым электролюминес-
ценным слоем имеют сравнительно высокую избирательность
возбуждения. Для улучшения ее приходится идти по пути
усложнения конструкции устройства. Одним из наиболее из-
вестных вариантов является матричный экран с дополнительным
слоем нелинейного сопротивления (81]. В простейшем случае
этот слой делают сплошным и наносят последовательно с элек-
тролюминесцентным слоем. Каждая ячейка такого экрана
представляет собой последовательную цепь, состоящую из
емкости электролюминесцентного конденсатора и импеданса
соответствующего участка нелинейного слоя. Характеристики
нелинейного элемента подбираются с таким расчетом, чтобы при
малом возбуждающем напряжении сопротивление слоя было
-очень большим и почти все приложенное напряжение падало на
нелинейном элементе. При увеличении напряжения сопротивле-
ние нелинейного слоя должно резко уменьшаться, для того чтобы
значительная часть напряжения воздействовала на электролюми-
несцентный конденсатор.

Разработаны также матричные экраны с дополнительным
слоем фотопроводника (рис. 57). В этих экранах вместо нели-
135
Рис. 57. Конструкция электролюминесцентного фотопроводниково-
го матричного экрана:

1 — стеклянное основание; 2 — система продольных прозрачных шин;

3 — основной электролюминесцентный слой; 4 — слой фотопроводника;

5 — сплошной полупрозрачный электрод; 6 — вспомогательный электро-
люминесцентный слой; 7 — система поперечных шин; 8 — светонепрони-
цаемая прослойка

нейного сопротивления, расположенного последовательно со
слоем фосфора, наносится дополнительный слой фотопроводника,,
например, сернистого кадмия, обладающего не только высокой
фоточувствительностью, но и нелинейной зависимостью тока от
напряжения. При этом дополнительный слой фотопроводника
обеспечивает повышение избирательности возбуждения уже
в статическом режиме.

Темновой импеданс фотопроводящего слоя подбирается так,
чтобы подаваемое на шины экрана полное возбуждающее напря-
жение было достаточным для зажигания электролюминесцентной
ячейки в выбранном элементе, но чтобы «половинное» напряже-
ние на элементах «креста», возникающего в точке пересечения
двух шин, не могло возбудить свечения. Загоревшаяся электро-
люминесцентная ячейка в выбранном элементе экрана благодаря
оптической обратной связи освещает соответствующий ей уча-
сток слоя фотопроводника, еще более уменьшая его импеданс.
В результате к электролюминесцентной ячейке оказывается
приложенным еще большее напряжение, и она еще отчетливее
выделяется на общем фоне. Наличие обратной оптической связи
в таком экране позволяет получить значительный эффект
136
и в динамическом режиме, когда последовательно сканируются
все элементы. В этом случае увеличивается не только контраст-
ность, но и яркость воспроизводимых на экране изображений.

Различные типы матричных экранов широко используются
для построения запоминающих устройств. Значительное повы-
шение быстродействия электролюминесцентного запоминающего
устройства может быть достигнуто при переходе к матричным
экранам из электролюминесцирующих диодов. Так как время
послесвечения таких диодов составляет 10-7— 10-8 сек и меньше,
частота считывания определяется в основном быстродействием
импульсных электронных цепей и может достигать нескольких
десятков и сотен мегагерц. Такое быстродействие при информа-
ционной емкости порядка миллионов двоичных единиц вполне
удовлетворяет высоким требованиям, предъявляемым к посто-
янной памяти современных быстродействующих вычислительных
машин.

На основе использования электролюминесцентных панелей
разработаны объемные электролюминесцентные устройства
представления информации. Многие области современной техни-
ки нуждаются в создании трехмерных индикаторных устройств,
на которых можно отображать ситуации или процессы. Про-
стейший объемный индикатор может быть изготовлен на основе
электролюминесцентного матричного экрана. Для этого исполь-
зуется вращение матричного экрана вокруг вертикальной оси со
скоростью, достаточной для слияния мельканий. Если во время
вращения в определенные моменты времени на соответствую-
щие шины экрана подавать возбуждающие импульсы напряже-
ния, то в объеме индикатора возникают светящиеся пятна,
которые кажутся висящими в темном пространстве, создавая
впечатление объемного изображения.

Управление матричными экранами осуществляется с помо-
щью специальных управляющих систем. Функции и структура
управляющей системы определяются в основном назначением
экрана и режимом его работы. Если, например, матричный экран
предназначен для считывания информации в пассивном запоми-
нающем устройстве, то для высвечивания отдельных его ячеек
необходимы два дешифратора на каждом из его выходов. Число
этих выходов равно числу горизонтальных и вертикальных шин
в экране. Каждый дешифратор должен обеспечивать подачу на
выбранную шину прямоугольных импульсов напряжения опре-
деленной величины и полярности.

Основная сложность устройств управления матричными
экранами заключается в том, что они состоят из большого числа
отдельных элементов. Для построения одних лишь дешифрато-
ров, например, требуются сотни диодов. Столь же велико и число
требуемых управляющих элементов и число разрядов в двоичных
регистрах. Поэтому большое значение приобретает задача мини-
атюризации системы управления, решению которой в значитель-
ной мере препятствуют высокие рабочие напряжения матричных
экранов с порошковым электролюминофором.

Весьма перспективны с точки зрения технологии изготовления
электролюминесцентные мозаичные экраны с сегнетоэлектриче-
скими управляющими элементами. Возможность использования
сегнетоэлектрических конденсаторов в качестве управляющих
элементов основана на том, что их емкость и, следовательно,
сопротивление переменному току существенно зависят от накоп-
ленного на обкладках заряда. Поэтому, например, если включить
сегнетоэлектрический конденсатор в цепь переменного тока
последовательно с электролюминесцентной ячейкой, то перемен-
ное возбуждающее напряжение, действующее на ячейку, будет
изменяться в зависимости от постоянного управляющего потен-
циала на сегнетоэлектрическом конденсаторе. Таким образом,
регулируя управляющий потенциал, можно устанавливать тре-
буемую яркость электролюминесцентной ячейки. Кроме того,
из-за чрезвычайно низкой активной проводимости сегнетоэлек-
трика накопленный на нем управляющий заряд сохраняется
в течение длительного времени, поэтому сегнетоэлектрический
конденсатор может одновременно выполнять и функцию
запоминания.

Для управления мозаичными электролюминесцентными эк-
ранами могут быть использованы не только сегнетоэлектрические
конденсаторы, но и другие управляющие элементы с запомина-
нием информации, например, индуктивные трехстабильные пара-
метроны, динамические триггеры на малых ферритовых сердеч-
никах и т. д.

Несмотря на приемлемые светотехнические характеристики,
существующие электролюминесцентные мозаичные экраны еще
не могут конкурировать с электроннолучевыми трубками. Однако
во многих случаях, когда требуются плоские отображающие
экраны большой площади, допускающие селективное запомина-
ние и стирание информации, преимущество электролюминесцент-
ных мозаичных экранов бесспорно.

Дальнейшее развитие электролюминесцентных мозаичных
экранов связано с созданием экранов из инжекционных электро-
люминесцентных ячеек, управляемых с помощью интегральных
полупроводниковых или пленочных микросхем.

В последнее время создан класс электролюминесцентных
экранов с пьезоэлектрическим управлением. Устройство таких
экранов (рис. 58) сводится к следующему. На одной стороне
пьезоэлектрической пластины вблизи краев расположены два
узких полосовых электрода 2. На другию сторону пластины на-
несен сплошной базовый электрод 4. На торцы пластины нара-
щивается материал, хорошо поглощающий акустические волны,
который препятствует образованию отраженных волн. Если
к одному из полосовых электродов приложить пилообразное
напряжение с резко нарастающим передним, но медленно спа-
138
Рис. 58. Схематическое изображе-
ние электролюминесцентного экра-
на с пьезоэлектрическим распреде-
лением информации:
а — общий вид экрана; б — вид эк-
рана в разрезе; 1 — акустический вы-
вод; 2 — полосовой электрод; 3 — пье-
зоэлектрическая пластина; 4 — базо-
вый электрод; 5 — слой с нелинейным
сопротивлением; 6 — электролюмино-
фор; 7 — прозрачное токопроводящее
покрытие

дающим задним фронтом, то в период действия переднего фрон-
та напряжения участок пластины под этим электродом резко
сожмется по толщине и растянется вдоль поверхности. Резкая
деформация создает в пластине значительную акустическую
волну, представляющую собой две узкие зоны давления, распро-
страняющиеся от электрода в обоих направлениях со скоростью
звука. Одна из них поглощается близлежащим акустическим
выводом 1, а другая пробегает через всю пластину к проти-
воположному концу. Ширина зоны давления пропорциональна
крутизне фронта напряжения. В области зоны давления пьезо-
электрическая пластина оказывается сжатой в направлении,
перпендикулярном плоскости пластины, вследствие чего между
верхней поверхностью пластины в зоне давления и базовым
электродом возникает значительная разность потенциалов.
Медленно спадающий задний фронт напряжения не приводит
к появлению сколько-нибудь значительной волны и может не
учитываться.

Если импульсы напряжения приложены к двум полосовым
электродам, то по пластине будут перемещаться две волны, рас-
пространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях.
В точках встречи этих волн пластина испытывает удвоенной ве-
личины деформацию и, в результате, в этих*точках возникают
напряжения с удвоенной амплитудой. Если импульсы напряже-
ния приложены к обоим полосовым электродам одновременно,
то точка пересечения волн, в которой действует импульс напря-
жения двойной амплитуды, будет перемещаться под углом 45°
вдоль диагонали пластины. При неодновременной подаче
импульсов напряжения на полосовые электроды точка пересече-
ния волн сойдет с главной диагонали и будет перемещаться
параллельно ей на некотором расстоянии. Постепенно изменяя
временный сдвиг между импульсами, подаваемыми на два поло-
совых электрода, можно заставить точку пересечения волн осу-
ществить полную телевизионную развертку всей поверхности
пластины.

Электролюминесцентный экран с пьезоэлектрическим рас-
пределением информации по эффективной яркости и контраст-
ности уступает матричному экрану. Однако первым экранам
присущи простота и легкость распределения информации, срав-
нимые с легкостью управления положением электронного луча
в обычной электроннолучевой трубке. Возможно, комбинация
этих двух решений, при которой импульсы напряжения, возни-
кающие на различных участках поверхности пьезоэлектрической
пластины, будут использоваться не для непосредственного
возбуждения электролюминесцентного слоя, а лишь для уста-
новления нужных состояний в управляющих элементах мозаич-
ного экрана, могут послужить основой для создания экономично-
го плоского электролюминесцентного отображающего экрана.

Перейдем к рассмотрению электролюминесцентных элемен-
тов, применяемых в системах, предназначенных для преобразо-
вания и запоминания изображений. Электролюминесцентные
преобразователи 'изображений, которые часто называют усили-
телями света на твердом теле, находят широкое применение.
Эти устройства позволяют усиливать яркость и улучшать кон-
трастность очень слабых и бледных изображений, преобразовы-
вать изображение из одной спектральной области в другую,
обращать изображения, т. е. преобразовывать позитивное изобра-
жение в негативное, и наоборот,— выделять контуры изображе-
ний в области перехода темных участков в светлые, накапливать,
запоминать и длительное время хранить изображения, изменять
размеры изображений и т. п.

В общем случае электролюминесцентный преобразователь
изображений должен включать в себя элементы, излучающие
свет, предназначенный для воспроизведения изображений, а так-
же элементы, чувствительные к входному излучению и предназ-
наченные для восприятия преобразуемого изображения (19].

Благодаря тому, что существуют электролюминофоры с раз-
личным цветом свечения, на выходе преобразователя можно
получать многоцветные изображения. Это достигается путем
использования электролюминесцентных слоев, изготовленных
в виде чередующихся полос из фосфоров с различным цветом
свечения (рис. 59). Для управления цветом свечения прозрачный
электрод 2, прилегающий к электролюминесцентному слою,
разделяют на электрически изолированные друг от друга шины,
расположенные под каждой полоской электролюминофора.
Шины, соответствующие фосфору с одним цветом свечения,
соединяются между собой. При этом образуются системы шин
с независимым питанием.
Рис. 59. Простейшая структура много-
цветного электролюминесцентного
преобразователя изображения:

1 и 9 — стеклянные пластины; 2 — сплош-
ной прозрачный электрод; 3 — слой фото-
проводника; 4 — светонепроницаемая про-
слойка; 5, 6 и 7 — полосы электролюми-
несцентного слоя соответственно с крас-
ным, зеленым и синим цветами свечения;

8 — прозрачные токопроводящие шины

Многоцветный преобразователь изображений описанного
типа можно использовать, например, для преобразования черно-
белого телевизионного изображения в цветное. С этой целью на
экране черно-белого кинескопа последовательно воспроизводятся
частичные изображения, соответствующие красной, зеленой
и синей составляющим передаваемой картины. Изображения
проектируются на вход многоцветного преобразователя, в ко-
тором при воспроизведении зеленой составляющей изображения
возбуждающее напряжение подводится только к полоскам фос-
фора с зеленым цветом свечения, при воспроизведении красной
•составляющей — к полоскам с красным цветом свечения и т. д.
В результате на выходе преобразователя получается цветная
картина.

Разработаны также преобразователи изображений с управ-
ляющей сеткой. В таких системах внутрь фотопроводящего слоя
вводится дополнительный управляющий электрод в виде мелко-
структурной металлической сетки, который позволяет изменять
-характеристики преобразователя и расширяет возможности его
применения. Изменяя напряжения на электродах и на сетке
такого преобразователя, можно заставить его работать в режи-
мах позитивного, негативного и смешанного (позитивно-негатив-
ного) воспроизведения. Разрешающая способность в направле-
нии, перпендикулярном к проволокам управляющей сетки,
•определяется шагом сетки и составляет 20—40 линий на 1 см.
Разрешающая способность вдоль проволок значительно выше
и достигает 100 линий на 1 см.

Большой интерес представляют преобразователи изображе-
ний с сегнетоэлектрическими элементами. В описанных выше
конструкциях фотоприемники непосредственно управляют пере-
менным током через электролюминесцентные ячейки. С этим
связан ряд нежелательных явлений. Во-первых, при переменном
напряжении существенную роль играет собственная емкость
фотопроводника. Во-вторых, чувствительность фотоприемника
при работе на переменном токе оказывается значительно меньше,
чем при работе на постоянном токе. В-третьих, при включении
фотоприемника в цепь переменного тока последовательно с элек-
тролюминесцентной ячейкой, сопротивление которой быстро
падает с ростом частоты, практически исключается возможность
работы преобразователя при повышенных частотах возбуждаю-
щего напряжения (f = 104 гц), так как для этого требуется
значительное увеличение плотности тока через фотопроводник.
В случае использования дополнительных сегнетоэлектрических
элементов можно более полно использовать возможности фото-
приемника и электролюминесцентной ячейки.

Электролюминесцентные элементы находят также широкое
применение в запоминающих панелях. При разработке электро-
люминесцентных запоминающих панелей, помимо трудностей,
возникающих при создании обычных преобразователей изобра-
жений, появляются дополнительные трудности, связанные с не-
обходимостью получения достаточно сильной обратной связи.
При этом наличие обратной связи внутри отдельных элементов,
панели должно сочетаться с полным отсутствием оптической*
связи между соседними элементами, а также с возможностью
эффективного возбуждения фотоприемника входным излучением.

Существующие конструкции запоминающих панелей так же,
как и описанные выше обычные преобразователи изображений,
различаются способом достижения нужного соотношения между
емкостями фотоприемника и электролюминесцентной ячейки
при одновременном обеспечении эффективного возбуждения
фотоприемника входным излучением и светом обратной связи.

Запоминающие панели, у которых фотоприемник имеет гре-
бенчатую форму, а также запоминающие панели мозаичного
типа обладают тем недостатком, что из-за неудачного геометри-
ческого расположения фотоприемника эффективность действия
входного света и света обратной связи оказывается относительно
малой. Коэффициент обратной связи уменьшается здесь также
в результате потерь света в токорассеивающем слое и обычно не
превышает 0,02—0,04. Из-за трудностей согласования в таких
панелях импедансов фотоприемника и электролюминесцентной
ячейки при большой частоте возбуждающего напряжения эти
панели могут работать обычно лишь при низкочастотном воз-
буждающем напряжении. Это является причиной их сравнитель-
но низкой выходной яркости.

Значительное увеличение коэффициента обратной связи
и эффективности возбуждения фотоприемника входным светом
может быть достигнуто в запоминающих панелях, в которых
используется тонкий слой полупроводника и поперечная фото-
проводимость.

В заключение необходимо отметить, что создание миниатюр-
ных, быстродействующих и легко управляемых электрическими
142
сигналами электролюминесцентных источников света привело
к интенсивному развитию полупроводниковой оптоэлектроники.

Первые полупроводниковые оптико-электронные схемы были
созданы на основе комбинации полупроводников, изготовленных
из сульфида или селенида кадмия^ и обычных электролюминес-
центных ячеек с фосфорами типа ZnS. В настоящее время для
этих целей применяется значительно более широкий набор
материалов, совместное использование электролюминесцентных
ячеек и фотопроводников позволяет реализовать в оптико-элек-
тронном исполнении такие широко применяемые в автоматике
и вычислительной технике устройства, как преобразователи сиг-
налов, дешифраторы, регистры и т. д.

В литературе описаны различные многоразрядные оптико-
электронные регистры, выполненные путем простого объедине-
ния нескольких оптронов или нескольких оптико-электронных
триггеров. Для получения сдвиговых регистров между оптронами
или триггерами устанавливают оптические и электрические связи.

Если в каждом разряде сдвигающего регистра использовать
не одну, а две вспомогательные передающие цепочки, то можно
осуществлять сдвиг информации не в одном, а в двух направле-
ниях. Двумерные сдвигающие регистры, по-видимому, найдут
применение в вычислительной технике при параллельной обра-
ботке данных, когда одновременно выполняются операции
с целыми массивами информации. При компактном исполнении
таких регистров их можно использовать также для воспроизве-
дения и обработки изображений.

Основным недостатком описанных выше оптико-электронных
схем является их сравнительно малое быстродействие, обуслов-
ленное инерционностью обычно используемых фотоприемников,
изготовленных на основе CdSe и CdS. Поэтому такие схемы
применяются лишь в устройствах, от которых не требуется
высокого быстродействия.

Значительно менее инерционные поликристаллические фото-
приемники созданы на основе карбида кремния с добавками
CdS и других примесей. Такие фотоприемники/ изготовляемые
путем вакуумного напыления, имеют время нарастания и спада
менее 50 мк!сек. Максимум спектральной чувствительности их
находится в области 4100 А (с помощью специальных активато-
ров он может быть сдвинут до 6500 А).

Еще более быстродействующие схемы можно получить при
использовании малоинерционной инжекционной электролюми-
несценции в сочетании с быстродействующими полупроводнико-
выми фотодиодами или фототриодами. Одной из наиболее пер-
спективных комбинаций является сочетание электролюминес-
центных диодов, выполненных из арсенида галлия, и кремниевых
фотодиодов или фототриодов. Для такой пары вполне доступны
частоты переключений порядка сотен и даже тысяч мегагерц.
К сожалению, коэффициент передачи в такой цепочке,
определяемый как отношение тока в цепи приемника к току
в цепи излучателя, оказывается сравнительно малым. Это связа-
но с пониженной эффективностью излучения электролюминес-
центного диода при комнатных температурах и с большими
потерями света по пути от светящегося р — n-перехода к фото-
приемнику. Указанные потери обусловлены высоким показателем
преломления используемых полупроводников, в результате чего
большая часть излучения не может выйти из электролюминес-
центного диода наружу.

Путем подбора геометрической формы излучающего диода
можно значительно улучшить оптическую связь между элемен-
тами схемы. Пространственно удаленные источник излучения
и фотодиод для устранения потерь света могут быть оптически
связаны между собой с помощью световода из пучка тонких
оптических волокон. Однако даже при этом в реальных схемах,
использующих фотодиоды, обычно не удается получить коэффи-
циент передачи, превышающий 0,01. В то же время для построе-
ния информационных систем на основе большого числа оптико-
электронных схем коэффициент передачи оптически связанной
цепочки должен быть не меньше единицы. Поэтому ток, возни-
кающий в освещенном фотодиоде, необходимо усиливать. Для
этой цели можно использовать кремниевые транзисторы, изго-
товленные на той же полупроводниковой пластине, что и фото-
диод. Коэффициент передачи равный или превышающий единицу,
можно получить также в оптико-электронной цепочке, состоящей
из электролюминесцентного диода и кремниевого фотогриода.
На основе таких цепочек можно выполнять различные логические
операции.

Г л а в а 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Весьма перспективным является создание прин-
ципиально новых полупроводниковых оптико-электронных
устройств съема и первичной обработки информации, основанных
на применении новых (или до настоящего времени не использо-
вавшихся) явлений и эффектов физики твердого тела. При этом
представляется возможным значительно улучшить основные
характеристики таких устройств по сравнению с существую-
щими, а также расширить класс задач, решаемых с их помощью.
Существуют три класса оптико-электронных полупроводни-
ковых устройств, различающихся по функциональным признакам.

1.	Позиционно-чувствительные устройства, осуществляющие
слежение за точечными источниками излучения. В выходном
сигнале такого устройства содержится информация о смещении
144
источника излучений относительно нулевого положения или ин-
формация о координатах взаимного расположения нескольких
источников.

2.	Твердотельные аналоги передающих телевизионных тру-
бок. Эти устройства предназначены для разложения и передачи
оптических изображений.

3.	Устройства анализа изображений и первичной обработки
заключающейся в них информации.

По принципам действия, положенным в основу работы пере-
численных классов оптико-электронных устройств, они могут
быть разделены на следующие группы:

а.	Устройства, работающие на основе свойства р — п-пере-
ходов или эффектов, обусловленных наличием р — и-переходов,
причем р — n-переход в таких устройствах может иметь разно-
образную форму и площадь. Здесь необходимо также отметить,
что именно р — n-переход в этой группе устройств является ос-
новным элементом преобразования излучения в информационный
сигнал.

б.	Устройства, в основе работы которых лежат свойства
дрейфа носителей тока в полупроводнике под действием элек-
трических или магнитных полей. В таких устройствах исполь-
зуются эффекты физики твердого тела: фотомагнитный, эффект
«фокусировки», эффект Суля и др. В этом случае процесс преоб-
разования излучения в информационный сигнал происходит во
время дрейфа неосновных носителей тока от точки генерации до
токосъемов. Здесь р — n-переход уже не является принципиаль-
но необходимым элементом и он выполняет лишь функции
токосъема.

в.	«Гибридные» устройства, в которых в процессе преобразо-
вания р — n-переход и дрейф носителей тока играют одинаково
важную роль.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПОЗИЦИОННО-
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В оптико-электронных устройствах этого класса используется
эффект фокусировки, заключающийся в перегруппировке неос-
новных носителей тока в продольном магнитном поле. В одном
из устройств этого типа на плоской пластине полупроводникового
материала, имеющего достаточно большую длину диффузионного
смещения носителей, установлены две пары токосъемов, осущест-
вляющих контроль смещения источника излучения по двум
взаимно перпендикулярным направлениям х и у. Пластина по-
мещена в переменное магнитное поле. Если изображение точеч-
ного источника спроектировано в центральную точку устройства,
то генерируемые светом носители тока будут с частотой магнит-
ного поля изменять закон своего распределения, переходя от
сферического распределения к эллипсоидальному. При этом

Ю Заказ 375	145
коллекторы будут находиться в зонах равных концентраций носи-
телей и их потенциалы будут равны. При смещении изображения
точечного источника излучений из центра устройства коллекторы
окажутся в зонах разных концентраций носителей тока, что
создает разность потенциалов между ними, пропорциональную
смещению изображения источника излучений.

Тот факт, что неосновные носители тока дрейфуют в электри-
ческом поле как заряженные частицы и при этом не создают
объемного заряда, может быть использован для построения
позиционно-чувствительных устройств. На таком принципе раз-
работано следящее устройство с радиальным электрическим
полем. В этом устройстве на полупроводниковой пластине на
расстояниях, не превышающих двойной диффузионной длины,,
симметрично установлены две пары омических контактов. На
этой же стороне пластины нанесен кольцевой электрод, к кото-
рому подается синусоидальное напряжение относительно точеч-
ного модулирующего электрода, расположенного в центре коль-
цевого электрода на противоположной стороне пластины. Пере-
менное напряжение создает радиальное электрическое поле для
носителей и осуществляет модуляцию выходного сигнала. При
этом в случае расположения точечного светового пятна в центре
пластины потенциалы на соответствующих токосъемах изменяют-
ся одинаково и выходные сигналы равны нулю. При смещении
светового пятна относительно центра устройства токосъемы
оказываются в зонах разных концентраций носителей тока,,
и возникающий сигнал будет пропорционален величине сме-
щения,

В таком устройстве существуют два режима работы: режим
малых смещений, когда смещение не превышает половины
диаметра светового пятна и оно не смещается с центрального
модулирующего электрода, и режим больших смещений, когда
пятно полностью смещается с центрального модулирующего
электрода. В этом случае носители, достигающие дальнего от
точки генерации токосъема, за* время дрейфа проходят области
тянущего и сжимающего полей.

Разработаны также позиционно-чувствительные оптико-
электронные устройства, в которых комплексно использованы
радиальное электрическое поле и транзисторные структуры.
В этом устройстве вместо токосъемов использованы транзистор-
ные структуры, что позволяет на 1,5—2 порядка увеличить его
позиционную чувствительность по сравнению с рассмотренным
выше устройством.

Рассмотренные оптико-электронные устройства являются
амплитудными позиционно-чувствительными устройствами. Их
выходной сигнал зависит как от координаты точечного источника,,
так и от его интенсивности. Для выделения сигнала, зависящего
только от координаты источника, необходимо вводить коррекцию
по мощности излучения, что в большинстве случаев усложняет
146
систему. Использование в устройствах этого класса время-им-
пульсного метода позволяет получать сигнал, величина которого
не зависит от интенсивности излучения источника. Принцип дей-
ствия одного из таких устройств основан на том, что время дрей-
фа носителей тока от точки инъекции до токосъемов зависит от
местоположения проекции источника излучения. При этом
параметры полупроводникового элемента выбираются таким
образом, чтобы время, необходимое для достижения коллектор-
ных электродов, было меньше, чем время жизни носителей тока.
В таком устройстве к пластине полупроводника прикладывается
управляющее переменное напряжение. Фазовый сдвиг сигнала,
получающегося при этом на коллекторных пластинах, однозначно
зависит от величины смещения изображения источника излу-
чения относительно центра пластины.

На этом принципе создан также ряд время-импульсных
полупроводниковых позиционно-чувствительных устройств, пред-
назначенных для слежения за источниками модулированного
излучения.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА,
ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ АНАЛИЗА
И ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

На основе твердотельных полупроводниковых элементов
разработан ряд устройств, предназначенных для анализа и пере-
дачи изображений. Такие устройства, являющиеся аналогами
передающих телевизионных трубок, имеют различные принципы
действия и работают на основе различных физических эффектов.

Эти устройства открывают возможности микроминиатюриза-
ции оптико-электронной аппаратуры контроля, управления
и передачи оптической информации. При этом твердотельные
датчики видеосигнала приобретают характер сложных микро-
схем с высокой степенью интеграции. Одновременно с этим
появляются перспективы повышения срока службы, экономично-
сти, быстродействия, разрешающей способности и чувствитель-
ности аппаратуры.

Работы этого направления идут широким фронтом и уже
создан ряд моделей таких устройств, использующих различные
физические механизмы разложения изображения. Различные
физические принципы действия таких устройств определяют
разнообразие применяемых в них параметров разложения изо-
бражения.

Преобразование изображения во временную последователь-
ность электрических сигналов в твердотельных датчиках осу-
ществляется путем коммутации фотоэлектрического рельефа,
возникающего в преобразователе изображения. В этом случае
преобразователь изображения может быть разделен на ряд
приемников лучистой энергии и применено коммутирующее
10*	147
устройство, осуществляющее коммутацию выходов элементов
приемника изображения в цепь нагрузочного сопротивления.
Преобразование энергии светового потока изображения в элек-
трическую энергию в твердотельных преобразователях выпол-
няется с помощью внутреннего фотоэффекта. Главной задачей
при создании таких устройств является поиск безвакуумных
способов коммутации.

В многоэлементных устройствах за время коммутации одного
элемента может устанавливаться омический ток через этот эле-
мент или может происходить зарядка емкости элемента. В первом
случае ток, протекающий через резистор нагрузки, отражает
интенсивность освещения элемента в момент коммутации. Такие
преобразователи носят название устройств мгновенного действия
и работают без накопления заряда.

Во втором случае за время между последовательными комму-
тациями происходит разрядка емкости фотоэлемента под дей-
ствием светового потока, изменяющего сопротивление элемента.
В процессе коммутации происходит восстановление зарядов на
емкости элемента. Ток зарядки отражает интегральную осве-
щенность элемента за время развертки кадра изображения. При
протекании через резистор нагрузки тока выделяется сигнал.
Таким образом осуществляется принцип накопления заряда. Так
как время аккумулирования энергии светового потока от изобра-
жения в таком преобразователе в N раз больше (Л/ — число
элементов разложения), чем в преобразователе мгновенного
действия, соответственно увеличивается чувствительность уст-
ройства.

Способ разложения изображения без накопления заряда мо-
жет быть осуществлен как с помощью неподвижной апертуры,
так и с помощью перемещающейся апертуры. В устройствах
с неподвижной апертурой в процессе разложения изображения
выходы приемников соединяются с выходом устройства с по-
мощью линий тока неравновесных носителей заряда. При этом
для осуществления коммутации отклонение линий тока выпол-
няется с помощью скрещенных магнитных и электрических по-
лей (эффект Суля), скрещенных электрических полей и вытяги-
вания (дрейфа) рельефа неосновных неравновесных носителей
заряда.

В полупроводниковых развертывающих устройствах, дей-
ствующих без накопления заряда, для формирования переме-
щающейся апертуры используются следующие физические
явления: баланс встречных (распределенного и рассредоточен-
ного) напряжений и разложение границей нулевого напряжения
в триодной структуре (сканисторы); движение доменов сильного
поля в полупроводниках; возникновение фото-э. д. с. под дей-
ствием оптического сканирующего луча.

В устройствах этого класса развертка изображения с накоп-
лением заряда выполняется только с помощью перемещающейся
148
апертуры. Для этой цели используются следующие физические
явления в твердом теле:

а)	фотопроводимость, возникающая под действием оптиче-
ского сканирующего луча. При оптической коммутации для
формирования потенциального рельефа изображения исполь-
зуется либо фотопроводимость, либо фотоэлектретные свойства
полупроводников;

б)	увеличение концентрации неосновных носителей заряда
под действием давления в упругом импульсе, т. е. развертка
упругим импульсом;

в)	продвижение под действием тактовых импульсов электри-
ческого импульса в сдвигающем регистре или другой логической
схеме, т. е. коммутация тактовыми импульсами;

г)	формирование движущегося участка поперечного тока
в полупроводниковой модели нервного волокна.

При преобразовании изображений с промежуточным хране-
нием информации коммутация осуществляется с помощью фото-
проводимости под действием оптического сканирующего луча.
Для хранения информации в этом случае можно использовать
рельеф сегнетоэлектрической или фотоэлектретной поляризации.

Необходимо отметить, что в полупроводниковых устройствах
разложения (в отличие от вакуумных передающих трубок)
коммутирующий участок в процессе сканирования заново
формируется в каждом новом положении. Вследствие этого
весьма важное значение приобретает время его образования,
зависящее от характеристик физических явлений, на которых
основано действие твердотельной коммутации.

Функциональные возможности способа твердотельного скани-
рования определяются размером и временем формирования
коммутирующего участка. Время формирования видеосигнала
может определяться также емкостными процессами в цепи фор-
мирования тока видеосигнала. При формировании сигнала без
накопления заряда время емкостных процессов цепи коммутации
должно быть существенно меньше времени преобразования
элемента изображения.

В связи с большими успехами в области технологии микро-
электронники особый интерес представляют полупроводниковые
анализаторы изображения матричного типа. Здесь достигнут
существенный процесс, который относится как к системам,
выполненным на основе кремниевой планарной технологии, так
и к системам, выполненным на основе совместной тонкопленочной
технологии. Основные усилия были сосредоточены на первых
системах, что, по-видимому, объясняется большими средствами
и возможностями обработки полупроводников по сравнению
с технологией изготовления активных тонкопленочных приборов.
Если подходить к этому вопросу с точки зрения создания полно-
стью монолитных систем, то тонкопленочная технология были бы,
вероятно, наиболее перспективной, так как не имеет ограничений
по размеру активной площади. Однако невозможность получения
воспроизводимых высокостабильных активных приборов, несом-
ненно, сужает относительно неограниченную область применения
тонких пленок [132].

При современном уровне технологии можно создать устрой-
ства полностью на твердом теле, обладающие относительно
небольшой разрешающей способностью, но приемлемые по стои-
мости и качеству для различных применений. Такие системы
имеют относительно невысокую стоимость и применяются в слу-
чаях, когда требуются большой срок службы и работа при низких
напряжениях.

Для развития систем передачи изображений с высокой разре-
шающей способностью, по-видимому, потребуется еще значитель-
ное совершенствование существующих технологических процес-
сов обработки твердого тела и тонких пленок.

Все существующие матричные методы решения проблемы
передачи изображений с помощью твердого тела используют
решетки диодные, диодно-диодные, диодно-транзисторные, пол-
ностью транзисторные или гибридные (смешанные) структуры,
состоящие из тонкопленочных фотопроводников и диодов или
транзисторов.

Преимущества простых диодных структур заключаются
прежде всего в легкости изготовления диодных решеток, в высо-
кой плотности монтажа и в относительной равномерности рас-
пределения всех элементов. Так как изоляция в линейной
решетке достигается с помощью только одной диффузии, то веро-
ятность технологического брака в этих структурах снижается,
в результате чего улучшаются их рабочие характеристики. Чтобы
из диодных решеток получить двумерные системы, требуются
дополнительные технологические операции по изоляции элемен-
тов решетки.

Необходимость введения дополнительной изоляции снижает
плотность монтажа, вносит перекрестные искажения и по суще-
ству в структуре создается паразитный элемент, а также услож-
няется технологическая обработка.

Если двумерная решетка состоит из прилегающих друг к дру-
гу линейных решеток, ‘межэлементное соединение которых
осуществляется в одной плоскости, то возникают две проблемы.
Во-первых, если все неподключенные горизонтальные ряды и вер-
тикальные колонки не нагружены на нулевой импеданс, то
возникают перекрестные искажения, которые распространяются
по фотопроводящим путям в различных рядах и колонках. Од-
нако и при наличии оконченных нулевых импедансов возникает
проблема фотоэлектрических перекрестных искажений. Такие
мозаики могли бы найти применение в некоторых особых слу-
чаях, например, в лазерном устройстве для слежения за объек-
том, в котором фоновое излучение эффективно исключено
благодаря применению оптического фильтра.
Во-вторых, последовательно считываемая диодная мозаика
неспособна работать в режиме интегрирования светового по-
тока.

Отсюда следует, что простые диодные решетки как твердо-
тельные системы в настоящее время представляют незначитель-
ный интерес, за исключением случая передачи точечных изо-
бражений. Однако следует отметить, что диодные мозаики,
коммутируемые электронным лучом, свободны от этих двух
недостатков, и при их применении были достигнуты значительные
успехи.

Другой простейшей структурой является диодно-диодная
структура, обладающая рядом преимуществ перед простой
диодной решеткой. Эта структура состоит из одной диодной
решетки, выполняющей коммутирующую функцию, и из второй
согласованной решетки, изготовленной на общей базе, которая
выполняет роль чувствительного элемента. Поскольку каждый
светочувствительный элемент изолирован от соединительной
шины обратно смещенным диодом в течение всего времени, за
исключением периода считывания, перекрестные искажения
(помехи) существенно снижены.

Если в качестве светочувствительного элемента применяется
обратно смещенный фотодиод, интегрирование светового потока
можно осуществлять с помощью накопления заряда.

В таких устройствах, помимо внутренних трудностей, связан-
ных с разрядом паразитных емкостей, существуют трудности,
относящиеся к селективным переключателям, используемым для
коммутации считываемой точки. Если используются переключа-
тели на полевых или транзисторах типа МОП, то процесс вклю-
чения может приводить или к добавлению заряда к считываю-
щей шине, или к удалению заряда в зависимости от полярности
коммутирующего импульса, поданного на затвор транзистора.
Это характерно не только для диодно-диодной структуры, хотя
в общем случае указанные недостатки более серьезны для малых
величин заряда, присущих такой мозаике.

Кратко рассмотрим характеристики фототранзисторной мо-
заики, которую можно считать разновидностью диодно-диодной
структуры, изготовленной таким образом, что имеющиеся в ней
переходы выполняют функции транзистора. По существу эта
структура выглядит аналогично диодно-диодной структуре, и
применяемый способ считывания в общих чертах аналогичен.
Полосковая коллекторная мозаика имеет специфическую кон-
фигурацию, причем ряды транзисторных элементов имеют общую
коллекторную полоску с низким импедансом и эмиттеры тран-
зисторов в колонке соединены металлизированной полоской.
Коммутация осуществляется подачей импульса на определенный
коллекторный ряд и последовательной выборкой каждой эмит-
терной шины вдоль ряда. Для мозаики такого типа требуются m
коллекторных задающих импульсов и п селекторных переключа-
телей эмиттерных шин. Эти переключатели могут находиться
как внутри самой мозаики, так и вне ее.

Если с мозаикой из фототранзисторов типа п — р — п в каче-
стве селекторного переключателя используется полевой транзи-
стор с р-каналом, то включение происходит, когда напряжение
на затворе уменьшается от какого-то положительного значения,
что приводит к переносу заряда от мозаики и суммирующего
усилителя в цепь затвора с результирующей потерей заряда, обу-
словливающего сигнал в считывающей системе. В зависимости
от входного импеданса усилителя этот заряд может переноситься
или из мозаики, или из усилителя, но в обоих случаях происходит
ухудшение характеристики. Перенос заряда от усилителя приво-
дит к переходному процессу, который уменьшает выходной сиг-
нал так, как если бы он снимался непосредственно с эмиттерной
шины мозаики. Поскольку величина амплитуды коммутирующего
импульса влияет на параметры переходного процесса, то изме-
нения уровня между коммутирующими импульсами будут вно-
сить нечто вроде шума на изображении.

Теперь перейдем к рассмотрению характеристик матрицы на
диодах и полевых транзисторах (ПТ), которые одновременно
служат изолирующими элементами. Этот тип структуры может
иметь две модификации. Диод может соединяться последователь-
но с источником напряжения и затвором ПТ, который служит
усилителем с высоким входным импедансом. В этом случае диод
работает по существу как стационарный светочувствительный
датчик и коммутация элемента осуществляется подачей смеще-
ния на определенный ряд соединенных между собой истоков
и выборкой различных стоков вдоль ряда. Однородность и вос-
производимость такого светочувствительного элемента хорошая.
Учитывая степень однородности, которую можно достичь при
использовании ПТ, следует ожидать, что при создании крупных
мозаик возникнут серьезные проблемы, связанные с однород-
ностью.

В мозаике второго типа диод и транзистор используются как
светочувствительный элемент, а связанный с ними ПТ как
коммутирующий прибор. В общем случае диод или транзистор
имеют один общий с подложкой вывод, который может служить
выходом. Другой вывод чувствительного элемента соединяется
с истоком ПТ. Затворы всех ПТ соединяются параллельно в од-
ном направлении, а стоки — в другом, поэтому выборка элемента
может осуществляться коммутацией шин затвора или стока.
При такой конфигурации коммутируемые элементы могут рабо-
тать в режиме интегрирования света.

Преимущество этой структуры заключается в том, что сумми-
рование сигнала происходит в одной точке, а выборка эле-
мента — в другой. Кроме того, чувствительные элементы
изолированы от соединительных шин включенными переключа-
телями, поэтому один из источников взаимодействия, имеющийся
152
в ранее описанной транзисторной мозаике, здесь отсутствует.
Преимуществами использования диодных чувствительных эле-
ментов являются большая однородность и простота обработки,
а при использовании транзисторов — более высокие уровни
выходных сигналов.

Может оказаться, что в больших мозаиках при нормальных
частотах смены кадра после устранения одного источника взаимо-
действия (перекрестные искажения в эмиттерной шине) возни-
кают два новых: паразитная связь коммутирующих импульсов
в выходной цепи с емкостями подложки через соединительные
шины и изменения характеристик селекторных переключателей.
Если еще учесть повышенную сложность изготовления мозаики
из транзисторов и ПТ, то возможность создания высококаче-
ственных систем передачи изображений с большой плотностью
элементов становится проблематичной.

Отдельную группу образуют матрицы, состоящие из диодных
коммутирующих элементов и тонкопленочных фотопроводящих
датчиков. Эта система аналогична диодно-диодной, но в данном
случае можно выбрать материал, чувствительность которого
соответствует определенной области спектра.

Выбранный материал определяет, будет ли происходить
интегрирование света или нет. Такое решение, по-видимому,
является довольно многообещающим для длинноволновых
мозаик.

Основная проблема, связанная с фотопроводящими матрич-
ными преобразователями, заключается в относительно малых
получаемых уровнях сигнала и в трудности осуществления ком-
мутации без серьезного уменьшения чувствительности из-за
шума в дискретных переключениях.

К показателям и характеристикам полупроводниковых
анализаторов изображения, по которым можно судить о качестве
обеспечиваемого ими преобразования изображения, относится
число передаваемых градаций яркости, разрешающая способ-
ность, чувствительность, инерционность, точность передачи дей-
ствительного уровня черного, спектральная характеристика
и характеристика свет-сигнал и геометричность искажения, по-
мехи, паразитные и ложные сигналы.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ
БЕЗ НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯДА

Многоэлементные однострочные
преобразователи (сканисторы)

Рассмотрим некоторые способы однострочного
разложения изображения с помощью многоэлементных полупро-
водниковых преобразователей, действующих без накопления
заряда [7—9, 75, 99]. Наиболее ранним является способ сканиро-
вания изображения границей нулевого напряжения, продви-
гающейся вдоль триодной р — п — р или п — р — п-структуры
с помощью пилообразного напряжения. В этом случае граница
нулевого напряжения, продвигаясь вдоль триодной структуры,
увеличивает по мере роста структуры площадь фотодиода,
включенного в цепь пилообразного напряжения. При этом уве-
личивается ток в этой цепи в соответствии с распределением
фототока вдоль фотодиода, т. е. в соответствии с распределением
оснащенности. В результате дифференцирования во вторичной
обмотке трансформатора возникает видеосигнал. Такой преоб-
разователь сейчас принято называть сканистором. Размер
элемента разложения сплошного сканистора и его разрешающая
способность определяются растеканием носителей заряда вдоль
базы триодной структуры.

Путем повышения удельного сопротивления кремния компен-
сацией золотом удалось уменьшить это растекание и тем самым
увеличить разрешающую способность до 100—150 линий на 1 мм
при длине одной структуры 1 см.

Принципиальное ограничение разрешающей способности
сплошного сканистора связано с трудностями удовлетворения

Рис. 60. Два варианта выполнения дискретного сканистора:
а — сканистор с дискретными элементами; б — гребенчатый ска
нистор
шина; 4 — делительная шина;
Г ПН — генератор пилообразно-
го напряжения; ДУ — диффе-
ренцирующий усилитечь

противоречивых требований к базовому слою прибора: большое
•сопротивление в продольном направлении и малое в поперечном
при значительной толщине этого слоя, что позволяет подавать
высокие напряжения на трехслойную структуру. Ограничения
разрешающей способности дискретного сканистора, для которого
это противоречие снято (базовый слой разделен в продольном
направлении), носят в основном технологический характер.
Известные варианты выполнения дискретного прибора (рис. 60)
предполагают разделение не только базового, но и одного из
внешних слоев прибора и требуют создания N отдельных элек-
трических контактов по числу дискретных элементов. При со-
временном уровне технологии наличие этих операций не позволя-
ет увеличить заполнение элементами выше 100—150 на 1 см.

Такой сканистор оказывается менее надежным и дешевым,
чем его сплошной аналог, имеющий при оптимизации парамет-
ров среднего слоя ту же разрешающую способность.

Разработана конструкция сканистора, в которой разделен
один лишь базовый слой, что резко повышает разрешающую спо-
собность и надежность. Осуществить такую конструкцию можно,
развернув структуру сканистора на одной плоскости, а дели-
тельную и фоточувствительные шины, роль которых обычно
играют внешние слои, изолировать друг от друга в общем объеме
монокристалла созданием высокоомной области (рис. 61).

На одной из поверхностей блока низкоомного п-кремния
создается серия дискретных р — n-переходов, причем р-области
155
представляют собой вытянутые полости. Центральная часть бло-
ка легируется золотом с таким расчетом, чтобы скомпенсировать,
примеси в этом объеме и увеличить его сопротивление вплоть
до собственного сопротивления кремния (2-Ю5 ом-см).

Теперь весь блок n-кремния оказывается состоящим из трех
областей: двух внешних низкоомных 3 и 4 и внутренней высоко-
омной 2. Полости р-материала перекрывают все три области.
Контакты Аь k2 и А3 расположены так, чтобы низкоомная об-
ласть 3 могла служить общей шиной, на которую подается
вилообразное напряжение'с амплитудой Ео, а область 4 — дели-
телем напряжения Ео. Тогда полоски р-кремния играют роль
разделенной p-базы и одновременно являются фоточувствитель-
ными элементами.

Прибор регистрирует изменение освещенности во времени
вдоль строки в направлении, перпендикулярном дискретным по-
лоскам. Ширина строки определяется длиной этих полосок
и может быть уменьшена до нужных размеров диафрагмирова-
нием. Расстояние между полосками и их ширина не могут быть
сделаны меньшими, чем длина диффузионного смещения в
области 2.

Эта область легирована золотом и длина диффузионного
смещения в ней может быть снижена до 5 мкм. Таким образом,,
теоретически такая конструкция прибора может обеспечить
разрешение ~ 1000 линий на 1 см. Практически разрешение
ограничивается возможностями техники фотолитографии гц
имея в виду, что создание структуры не требует операций по
совмещению изображения, можно достигнуть заполнения
500 линий на 1 см. По-видимому, разрешающая способность
прибора будет ограничивать шумы, так как с уменьшением ши-
рины дискретных элементов регистрируемый поток будет
падать ниже порогового.

В отличие от существующих вариантов сканистор с разделен-
ным базовым слоем может иметь очень большое число элементов

N = Е0/ДЕ,

где Ео выбирается равным напряжению пробоя и в данном слу-
чае напряжению пробоя диодной, а не триодной структуры, как
в варианте со сплошным базовым слоем: ДЕ — апертура скани-
рующей границы.

Отметим, что сканистор с разделенным базовым слоем
в отличие от сканистора со сплошным базовым слоем обладает
одним из преимуществ дискретного сканистора: в видеосигнале
присутствуют темновые импульсы от дискретных элементов.
Наличие таких реперных счетных импульсов позволяет снять тре-
бование высокой линейности развертывающего напряжения и
может существенно упростить схему логической обработки
сигнала.
Полупроводниковые преобразователи
изображения, в которых коммутация
осуществляется с помощью
линий тока неравновесных носителей заряда

Рассмотрим некоторые характеристики разложения изобра-
жения при неподвижной апертуре. При коммутации линий тока
неосновных неравновесных носителей заряда величина видео-
сигнала и удельная разрешающая способность зависят от место-
положения детали изображения на чувствительной площадке
датчика сигнала. Это является следствием того, что время
рекомбинации носителей заряда в процессе их дрейфа при прочих
равных условиях определяется расстоянием от детали изобра-
жения до коллекторного р — n-перехода. Так как в устройствах
этого типа информация переносится неосновными неравновес-
ными носителями заряда, которые дрейфуют вдоль силовых ли-
ний электрического поля, в качестве материалов для преобразо-
вателей могут быть использованы только примесные полупровод-
ники. В качестве апертуры, коллектирующей неосновные
носители заряда, можно использовать электронно-дырочный пе-
реход. Этот переход не влияет на механизм дрейфа носителей
заряда и его размеры можно выполнить достаточно малыми,
поэтому он не будет влиять на разрешающую способность преоб-
разователя. В таком устройстве удельная разрешающая способ-
ность будет определяться растеканием носителей заряда
поперек линий дрейфа. Для уменьшения растекания необходимо
выбирать материалы с возможно меньшей длиной диффузии не-
основных носителей заряда.

Необходимо отметить, что минимальное время коммутации
элемента разложения изображения ограничивается временем
рассасывания носителей заряда при перемещении линии тока
(времени жизни носителей заряда) и максвеловским временем
релаксации. В таких устройствах для повышения разрешающей
способности и малого времени коммутации элемента желательно
использовать полупроводниковые материалы с малыми удель-
ным сопротивлением и временем жизни носителей заряда. Одна-
ко для обеспечения высокой удельной разрешающей способности
и высокой чувствительности (малых потерь концентрации носи-
телей заряда за счет рекомбинации) необходимо обеспечить
минимальное время дрейфа неосновных носителей заряда вдоль
линии тока, равное времени преобразования элемента разложе-
ния изображения.

Вследствие вышеизложенного необходимо использовать
высокие электрические поля, т. е. высокоомные полупроводники.

Одно из устройств группы1 основано на использовании

1 Катыс Г. П., Зотов В. Д. Способ развертки изображения. «Изобретения,
промышленные образцы, товарные знаки». Авторское свидетельство № 212384,
1968, № 9.
Рис. 62. Схема оптико-электронно-
го анализатора, основанного на ис-
пользовании эффекта Суля:

эффекта Суля, который, как известно, связан с изменением
направления дрейфа неравновесных неосновных носителей тока
в полупроводнике под действием поперечного магнитного поля.
В этом случае развертывающий элемент представляет собой пря-
моугольную пластину полупроводника, в которой создано поле
Холла (рис. 62). Боковая грань А пластины является светочув-
ствительной поверхностью, а на противоположной грани Б
установлен точечный электрод 2 для съема сигнала. Неосновные
носители тока, генерируемые при проектировании изображения,
испытывают действие трех сил: силы Лоренца; силы, обуслов-
ленной полем Холла, и силы действия электрического поля. При
этом носители имеют вектор скорости, направленный под неко-
торым углом к чувствительной поверхности. Величину этого угла
можно изменять путем изменения напряженности магнитного
и электрического полей. При периодическом изменении этого
угла с точечного эдектрода будут сниматься носители, генериро-
ванные в различных точках чувствительной поверхности.

Рассмотренный принцип развертки изображения вдоль одной
строки может быть применен в различных оптико-электронных
устройствах. Набор таких однострочных элементов, снабженный
соответствующим устройством коммутации, позволяет осущест-
влять последовательную многострочную развертку двумерных
изображений.

Путем набора отдельных элементов в пакет можно также
реализовать некоторые методы распознавания оптических обра-
зов. В таких устройствах может производиться как одновремен-
ное, так и последовательное сканирование всех элементов.
В первом случае сканирующий потенциал имеет форму прямо-
угольного импульса, а выходное напряжение представляет собой
158
группу импульсов, однозначно определяющих сканируемый
знак.

Как уже отмечалось, в развертывающем элементе, основан-
ном на эффекте Суля, перенос рельефа неравновесных носителей
заряда, создаваемого у освещенной поверхности полупроводни-
ковой полоски, к противоположной поверхности и коллекторному
р — n-переходу осуществляется с помощью тянущего поля и
электрического поля Холла (37—38]. Неосновные неравновесные
носители заряда, двигаясь под действием результирующего
электрического поля Е, дополнительно отклоняются на величину
угла Холла 02. Длина линии тока неосновных носителей заряда
зависит от угла Холла, что вызывает значительную неравномер-
ность чувствительности вдоль строки анализатора. Эта неравно-
мерность чувствительности является следствием используемого
способа разложения изображения.

Освещаемая поверхность пластины полупроводника должна
иметь низкую скорость поверхностной рекомбинации, противо-
положная — возможно более высокую для исключения накоп-
ления носителей у поверхности.

Для увеличения разрешающей способности необходимо
выбрать полупроводник с возможно более высокой подвижно-
стью основных носителей заряда (максимальный угол Холла)
и возможно более низкой подвижностью неосновных носителей
и высоким сопротивлением, чтобы обеспечить возможность ис-
пользования относительно больших электрических полей для
достижения высокого отношения сигнал/шум. Этим условием
достаточно полно удовлетворяет гьарсенид галлия.

Путем задания максимальной напряженности магнитного
поля 1000 э, создаваемой относительно просто при малых зазо-
рах электромагнита (100 мкм), найдены зависимости характе-
ристик качества разложения изображения от числа элементов
разложения (рис. 63) [38]. Как видно из графиков, чувствитель-
ность экспоненциально падает с увеличением разрешающей
способности за счет возрастания рекомбинации с увеличением
времени дрейфа (37].

В таком устройстве при чувствительности около 100 лк до-
стижима удельная разрешающая способность порядка 33 линий
на 1 мм, частота передачи строк 300 кгц, напряжение питания
100 в, пороговая чувствительность около 10 лк.

Для анализа двумерного изображения разработано также
полупроводниковое устройство, носящее название видистор
Это устройство выполнено на одном монокристалле, к которому
приложены три «тянущих» электрических поля VT (рис. 64).
Два из этих полей осуществляют строчную и кадровую раз-

1 Катыс Г. П., Зотов В. Д., Широков В. Б. Способ двумерного разложе-
ния изображения. «Изображения, промышленные образцы, товарные знаки».
Авторское свидетельство № 213988, 1968, № 11.
Рис. 63. Зависимость характеристик качества разложе-
ния изображения от числа элементов разложения при
развертке изображения с помощью эффекта Суля:

1 — чувствительность Е и пороговая чувствительность ЕП0р\? -
тянущее напряжение ит, 3 — время преобразования строки Тс\
4 — длина / полупроводниковой пластины

вертку изображения, а третье поле является фокусирующим для
носителей, генерируемых в полупроводниковой пластине спроек-
тированным изображением. Основной полупроводниковый эле-
мент в этом случае выполнен следующим образом. На каждую
боковую грань полупроводниковой пластины прямоугольной
формы нанесены две пары плоских электродов, к которым
прикладываются пилообразные напряжения строчной и кадровой
разверток. Между гранью пластины, на которую нанесено про-
зрачное электропроводящее покрытие, и противоположной
гранью приложено фокусирующее напряжение. Точечный элек-
трод, предназначенный для съема сигнала, установлен в центре
поверхности, противоположной той, на которую проектируется
изображение.

В видисторе, который является твердотельным аналогом
диссектора, в процессе преобразования изображения происходит
перенос изображения. Это устройство представляет собой
большую микросхему функционального типа. В этом устройстве
чем выше энергия тянущего электрического поля, тем сильнее
вытягивается распределение носителей заряда в его направле-
нии, тем меньше время протяжки носителей заряда и, следова-
тельно, их рекомбинация. Вследствие этого в теле полупровод-
160
ника необходимо создать большое поле, что требует использо-
вания высокоомного полупроводника. Необходимо также обе-
спечить минимальное искажение изображения в процессе пере-
носа. Носители заряда в этом случае двигаются вдоль линий
тока, совпадающих с силовыми линиями электрического поля
при отсутствии искажения диффузионными токами.

Наименования искажения силовых линий возникают при
питании развертывающих электродов 3, 8 и 4, 9 от несвязанных
источников тока, не имеющих общих заземлений (рис. 64). Кроме
того, электроды 3, 8 и 4, 9 должны быть удалены от электродов
2 и 3, чтобы не происходило замыканий тянущего поля через
развертывающие электроды (рис. 65). Так как питание видисто-
ра осуществляется от несвязанных источников питания, электри-
ческое поле в полупроводнике симметрично и при расчете такого
элемента применим принцип суперпозиции.

В качестве материалов такого преобразователя может быть
взят кремний, в котором путем легирования, например золотом,
легко могут быть согласованы время жизни носителей заряда
и удельное сопротивление.

Размер коллекторного перехода может составлять 10 X
X 10 мкм в соответствии с минимальными размерами фотолито-
графического окна. Сопротивление коллекторного перехода
должно быть малым по сравнению с сопротивлением кри-
сталла.

Освещаемая грань кристалла со светопроницаемым электро-
дом должна иметь малую скорость поверхностной рекомбинации
носителей заряда, противоположная — высокую скорость. Эти

Рис. 64. Схема вида-

стора:

1 — светопроницаемый
электрод; 2 — кристалл
полупроводника; 3 — 5,

Изображение
условия легко можно удовлетворить соответствующей обработ-
кой поверхности.

Результаты оценки характеристик видистора [38] приведены
на рис. 66—68. Необходимо отметить, что чувствительность-
видистора растет с увеличением разрешающей способности. Это
вызвано возможностью увеличения времени жизни носителей
заряда с уменьшением удельной разрешающей способности.
На рис. 66—68 кривые, обозначенные штрихами, рассчитаны для
трехкратного превышения времени протяжки носителей заряда
над временем их жизни. Кривые без штрихов рассчитаны для
двухкратного превышения. Как видно из графика, чувствитель-
ность при трехкратном превышении (кривые 1 и /' на рис. 66)
почти на порядок хуже, чем при двухкратном превышении вре-
мени протяжки носителей заряда над их временем жизни.

Рис. 66. Зависимости ха-
рактеристик видистора
от числа п строк разло-
жения изображения:

1, Г — чувствительности Е;

2,	2' — частоты передачи

кадров f; 3, 3' — амплиту-
ды U видеосигнала
Рис. 67. Зависимости
характеристик види-
стора от числа п строк
разложения изобра-
жения:

1, Г — пороговой чув-
ствительности Епор; 2,
2' — нагрузочного со-
противления R 3, 3'—
времени жизни носите-
лей; 4, 4' — удельной
разрешающей способно-
сти Руд

В связи с этим очевидна нецелесообразность значительного
превышения времени протяжки над временем жизни носителей
заряда.

Увеличение разрешающей способности устройства может
быть достигнуто увеличением толщины пластинки полупровод-
ника (рис. 68). При этом растут длина линии тока, время
протяжки и, соответственно, время жизни неравновесных носи-
телей заряда. Это также приводит к уменьшению частоты преоб-
разования кадров и одновременно к увеличению чувствительно-
сти и напряжения видеосигнала (рис. 66).

Ориентировочные размеры такого анализатора изображения
следующие. При толщине кристалла 5 мм достижима разрешаю-
щая способность 80 строк, частота передачи кадров 20 гц, чув-
ствительность около 4 лк, удельная разрешающая способность
20 линий на 1 мм. Пороговая чувствительность составляет доли
люкса, тянущее напряжение 120 в, развертывающее напряжение
около 400 в.

Рассмотрим группу устройств, в которых анализ изображе-
ния осуществляется с помощью дрейфа неравновесных носителей
заряда в электрическом поле [39, 43].

На рис. 69 представлена схема одного из первых устройств
этого типа (Дж. Кнолл. Патент США № 3111556, 1963). Рельеф
неравновесных носителей заряда, созданный изображением
в полоске полупроводника с омическими контактами 1 и 2, вы-
тягивается импульсным электрическим полем к р — п-переходу
3, в цепи которого возникает видеосигнал. Для функционирова-
ния такого анализатора требуется источник импульсного пита-
11*	163
Рис. 68. Зависимость характеристик видистора от числа п строк
разложения изображения:

1, Г — тянущего напряжения vT\ 2, У — отклоняющего напряжения;

3, 3' — толщины полупроводниковой пластины d; 4, 4' — удельного
сопротивления полупроводника

ния и обтюратор светового потока. Для коммутации строк может
быть использован внешний схемный коммутатор.

В многострочном устройстве строки между собой могут быть
разделены с помощью изолирующих прослоек, например, путем
электроэрозионной резки исходной полупроводниковой пластинки
с последующим заполнением пазов, например, стеклом. При

Рис. 69. Схема строчного анализатора изображения, действую-
щего на основе дрейфа неравновесных носителей заряда:

1,2 — омические контакты; 3 — р — л-переход
Рис. 70. Схема растрового анализатора изображения, действу-
ющего на основе дрейфа носителей заряда при коммутации
нагрузочного сопротивления:

1, 2 — электроды; 3 — коллекторные р — n-переходы строк D\
4 — коммутатор нагрузочного сопротивления RH

этом, однако, трудно создать большую плотность строк. Разде-
ление строк возможно также с помощью разделительной диф-
фузии с использованием техники фотолитографии. Разделитель-
ная диффузия при этом создает рекомбинационный барьер для
неравновесных носителей тока. При этом разделение строк
желательно выполнять не по всей длине полупроводниковой
пластины, а оставлять часть ее у электрода 1 (рис. 70) неразде-
ленной для более удобного нанесения этого электрода.

При выборе ширины строки, равной длине диффузионного
смещения Lp, разделение строк нецелесообразно вообще. При
этом связь между деталями изображения, расположенными
через строку, будет практически незначительной.

При коммутации строк рационально переключать не источник
питания, а выводы от р — n-переходов. Коммутатор в этом
случае более сложен, однако упрощается технология изготовле-
ния электрода 2. Так как фоточувствительная полупроводнико-
вая пластина является монокристаллической, для изготовления
коммутатора целесообразно использовать триоды типа МОП
(триоды со структурой металл-окисел — проводник). Их мож-
но изготовить на краях той же пластинки.

В таком анализаторе запись изображения может произво-
диться либо перед коммутацией каждой строки, либо через
некоторое число строк, либо перед считыванием всего кадра
изображения.
Основные параметры таких коммутаторов изображения
исследованы в работе (39]. Время записи изображения опреде-
ляется инерционностью фотопроводимости, амплитуда видеосиг-
нала — концентрацией неосновных неравновесных носителей
тока, т. е. временем их жизни. Время записи изображения выпа-
дает из полезного времени преобразования изображения (вре-
мени дрейфа носителей тока), поэтому рационально уменьшать
время записи. Уменьшение этого времени с сохранением неиз-
менной амплитуды видеосигнала возможно путем уменьшения
инерционности фотопроводимости до ее минимального значения,
равного времени жизни неосновных носителей заряда. Время
записи изображения целесообразно выбрать равным половине
времени преобразования строки. Это потребует тактовых им-
пульсов постоянной скважности с периодом повторения, равным
времени преобразования строки.

Недостаток такого преобразователя заключается в том, что
амплитуда видеосигнала зависит от положения импульса нерав-
новесных носителей тока на строке. Для выравнивания ампли-
туды видеосигнала коэффициент усиления усилителя видеосиг-
нала должен периодически и синхронно с изменением амплитуды
видеосигнала меняться по определенному закону. Такие преоб-
разователи из-за конструктивной сложности растрового вариан-
та пока не получили развития.

Разложение изображения доменами
сильного поля

Идея создания простых полупроводниковых устройств для
передачи и приема изображений основана на взаимодействии
света и сильного электрического поля, сосредоточенного в узкой
области полупроводникового кристалла. Такие области назы-
ваются доменами (рис. 71).

Движущиеся домены можно использовать для выполнения
различных функций, которые осуществляются с помощью соот-
ветствующих схем. Например, движущийся домен может считать
информацию, записанную на пути его следования, в форме
вариаций локальных значений проводимости кристалла. Домен
производит сканирование кристалла, поэтому была предпринята
попытка распространить принцип действия устройства на взаи-
модействие домена и света, чтобы создать устройства для пере-
дачи изображения. В передающих устройствах это взаимодей-
ствие должно приводить к образованию последовательности
сигналов, соответствующих линейному элементу передаваемого
изображения. Управляемые движущиеся домены в какой-то
мере должны выполнять функции электронного пучка [142].

Домены образуются в некоторых полупроводниках, например
в GaAs и CdS, когда к последним приложено достаточно сильное
электрическое поле, превышающее некоторое пороговое значе-
166
ние. Существуют различные механизмы возникновения доменов.
Общим для всех механизмов является наличие дифференциаль-
ной проводимости кристалла. В CdS такая проводимость связана
с пьезоэлектрическими свойствами этого кристалла.

Если по кристаллу CdS распространяются звуковые колеба-
ния достаточно высокой частоты, то в результате пьезоэлектри-
ческого эффекта в нем возникает переменное поле соответ-
ствующей частоты. Это поле передвигается по кристаллу со
скоростью распространения звуковой волны. Когда к кристаллу
приложено постоянное напряжение, электроны дрейфуют в кри-
сталле со скоростью, определяемой этим полем и их подвиж-
ностью. Если скорость электронов меньше или больше скорости
звуковых волн, то электроны соответственно тормозят или
ускоряют продвижение волн, и в результате происходит соответ-
ственно ослабление или усиление звуковых волн потоком
электронов.

В таких устройствах применяются высокоомные кристаллы,
и звуковые волны могут быть усилены на несколько сот децибел
на каждом миллиметре пути их распространения. Поэтому нет
необходимости специально возбуждать в кристалле звуковые
колебания. Они могут быть образованы вследствие усиления
высокочастотной составляющей теплового шума вблизи катода
с помощью дрейфующих электронов. В результате этого усиле-
ния звуковая волна достигает такой интенсивности, что начинает
тормозить электроны, и их подвижность уменьшается. Поэтому
электроны начинают группироваться позади волнового фронта,
и образуется локальное интенсивное электрическое поле за счет
снижения интенсивности поля в остальных участках кристалла.
Увеличение поля вызывает рост усиления звуковых волн, и в
результате такого регенеративного процесса возникает сильное
локальное электрическое поле, или, другими словами, образуется
домен. Этот регенеративный процесс продолжается до тех пор,
пока электрическое поле вблизи домена не упадет до синхронно-
го значения, при котором скорость электронов равна скорости
звуковых волн (1,8-105 см/сек в CdS). В этом случае домен
находится в равновесии.

В результате описанного процесса возникает электроакусти-
ческий домен, представляющий собой интенсивный пакет акусти-
ческой энергии, частота колебаний в котором лежит между
500 Мгц и который распространяется вместе с пакетом сильного
электрического поля.

Двигающиеся домены можно использовать для выполнения
сложных электронных функций на гораздо более высоких часто-
тах, с большим быстродействием и более высоким уровнем
мощности, чем те, которые могут быть получены с применением
обычных средств (114]. Домены обладают следующими
свойствами: скорости доменов практически почти не зависят от
окружающих условий и режима работы; в длинных однородных
полупроводниковых приборах одновременно существует лишь
один домен; мгновенное значение тока в приборе зависит от его
поперечного сечения А и концентрации примесей п в месте на-
хождения домена х, т. е. I = 4(х) -пеи, где е — заряд электрона,
v — скорость домена.

На основе использования свойств доменов разработаны гене-
раторы последовательности импульсов и импульсные регенера-
тивные схемы. Если смещение, поданное на прибор с одинаковой
по длине формой поперечного сечения, превысит пороговое
значение, то форма тока на выходе прибора будет носить коле-
бательный характер. Когда на катоде зарождается домен, ток
падает и при дрейфе домена ток через прибор сохраняет малую
величину. Исходное значение тока восстанавливается, лишь
когда домен достигает анода. Если поддерживать уровень напря-
жения смещения выше порогового, то цикл повторяется. Если
же напряжение смещения превысит пороговое значение только
при подаче короткого запускающего импульса, то на выходе
прибора возбуждается один импульс отрицательной полярности.
Чтобы повысить чувствительность и увеличить развязку, запу-
скающий импульс можно вводить через третий электрод, рас-
полагающийся около катода. Для приборов из арсенида галлия
длиной 100 мкм период генерации (или длительность одного
импульса) составляет 1 нсек. В таких приборах наблюдались
амплитуды тока вплоть до 0,5 а при сопротивлении нагрузки
50 ом.

Рассмотрим более подробно устройство разложения изобра-
жения с помощью доменов сильного поля {56]. Такой преобразо-
ватель может быть выполнен на основе эффекта Ганна. Преобра-
зователь конструктивно прост, он состоит из пластинки низкоом-
ного сернистого кадмия с нанесенным на нее фотопроводящим
слоем 4 также из сернистого кадмия (рис. 72).
Рис. 72. Схема построчного
преобразователя с разверт-
кой доменами сильного
поля:

1 — подложка; 2 — изолирую-
щий слой; 3, 5 — электроды;
4 — фотопроводящий слой; 6 —
полупроводниковая пластинка

Домены сильного поля возникают в полупроводниковой пла-
стине 6 за счет падения подвижности носителей заряда в элек-
трическом поле. Под действием поля домена в фотопроводящем
слое 4 течет ток, который определяется величиной сопротивле-
ния. При движении домена на нагрузочном сопротивлении RH
возникает видеосигнал. В момент прохождения домена под элек-
тродом на нем индуцируется импульс. Этот импульс вызывает
возникновение домена у катода следующей строки, если электрод
5 связан с электродом 3 проводником.

Важным свойством способа разложения изображения с по-
мощью доменов сильного поля является ограниченный диапазон
работы. Домен сильного поля может разгружаться за счет шун-
тирования фотопроводящим слоем при достаточно сильном осве-
щении. Очевидно, когда значение тока, протекающего через
полупроводниковую пластинку, достигает критической величины,,
должен возникнуть новый домен сильного поля. При этом воз-
никновение нового домена означает разрушение существующего.

Недостатком такого способа сканирования является высокая
доля энергии, непроизводительно затрачиваемая в связи с тем%
что движущиеся домены возникают при высоких полях в относи-
тельно низкоомных материалах. Это особенно существенно при
растровом разложении изображения, когда выделяется мощ-
ность в строках, не работающих в данный момент времени.

Основные параметры рассмотренного анализатора изобра-
жения исследованы в работе [40]. Результаты исследования для
однострочного разложения изображения приведены на рис. 73
и для растрового разложения изображения на рис. 74.

Разрешающая способность в таких устройствах ограничи-
вается выделяемой мощностью, т. е. эффективностью теплоотво-
да. При однострочном варианте при разрешающей способности
1000 элементов выделяемая мощность составляет около 6,5 вт
(рис. 73). Такую величину мощности еще можно относительно
просто отвести с помощью радиатора. Выделяемая мощность
при растровом разложении существенно выше, чем при одно-
строчном. Величина выделяемой мощности при растровом раз-
ложении изображения на 100 строк составляет десятки ватт
(рис. 74). Если считать, что относительно просто можно отвести
Рис. 73. Характеристики од-
нострочного анализатора
изображения на основе до-
менов сильного поля, пока-
зывающие зависимость чис-
ла N элементов одностроч-
ного разложения от:

1 — амплитуды видеосигнала
U, 2 — напряжения питания V;

3 — выделяемой мощности; 4 —
длины строк /; частоты переда-
чи строк

мощность около 10 вт, то можно сделать заключение, что с по-
мощью такого анализатора может быть достигнуто разложение
изображения около 50 строк при чувствительности, составляю-
щей доли люкса, и частоте передачи кадров около 1 кгц. Пред-
варительная оценка параметров такого анализатора, выполнен-
ного на основе доменов Гана, показывает, что устройство обла-
дает рядом преимуществ по простоте конструкции, эксплуатации
и высокой чувствительности и может быть успешно использовано
в ряде специальных применений [40].

Разработаны также матричные решетки, возбуждаемые до-
менами. В этом случае относительно большое падение напря-

Рис. 74. Характеристики растрово-
го анализатора изображения на ос-
нове доменов сильного поля, пока-
зывающие зависимость числа строк
п разложения от:

1 — чувствительности Е; 2 — порого-
вой чувствительности ЕП0р> 3 — напря-
жения питания V; 4 — выделяемой
мощности Р; 5 — напряжения видео-
сигнала U; 6 — частоты передачи кад-
ров fK
Рис. 75. Схематическое пред-
ставление двумерной решетки с
последовательным сканирова-
нием дрейфующими доменами

жения на домене может использоваться для сканирования
и возбуждения дискретной решетки или непрерывного слоя элек-
тронных компонент, например, R, L, С — компонент, полупровод-
никовых коммутаторов, светоизлучающих приборов и т. д.
(рис. 75). Возбуждаемые приборы можно соединять либо непо-
средственно с поверхностным слоем объемного полупроводнико-
вого прибора (например, светоизлучающих гетеропереходов),
либо через проводники. Домены, возбуждаемые в сульфиде кад-
мия, позволяют обеспечить временное разрешение 106— 107 по-
ложений в 1 сек (что вполне подходит для визуальной ин-
дикции), а в арсениде галлия — вплоть до 1010 положений в
1 сек.

Выполнение логических функций типа, например, И, ИЛИ,
ЗАПРЕТ, осуществимо, если поддерживать напряжение смеще-
ния прибора вблизи порогового уровня и подавать логические
сигналы к управляющим электродам, располагаемым вблизи от
катода. Тогда в зависимости от необходимости одновременная
подача импульсов на вход прибора будет способствовать либо
возникновению, либо рассасыванию домена. Так как аналогич-
ными входными сигналами можно переключать эти приборы из
режима генерации в устойчивый режим, они могут служить и
в качестве элементов памяти.

В заключение этого раздела проведем краткое сравнение
способов разложения изображения без накопления заряда [40].
На рис. 76 и 77 представлены зависимости чувствительности
и частоты кадров от разрешающей способности при одностроч-
ном и растровом разложении. Представлены зависимости для
различных способов разложения изображения: основанных на
эффекте Суля (С); используемых в видисторе (В); в сплошном
Рис. 76. Зависимость чувствитель-
ности Е (сплошные линии) и час-
тоты передачи строк f (пунктирные
линии) от числа N элементов одно-
строчного разложения изображе-
ния без накопления заряда

сканисторе (СС); в дискретном сканисторе (СД); основанных на
использовании доменов сильного поля, эффекта Ганна (Г) и
и дрейфа носителей заряда (Др).

По оси абсцисс для кривых С, В и Др (рис. 77) отложена
разрешающая способность, определенная по 20%-ному провалу
между импульсами видеосигнала от двух спроектированных
поперек строк светлых полосок изображения. Для кривых СД
СС и Г (рис. 76) по оси абсцисс отложено число апертур, укла-
дывающихся вдоль строки. Как видно из этого рисунка, одно-
строчные способы разложения без накопления заряда приводят
к уменьшению частоты сканирования с ростом разрешающей
способности. При этом падает также и чувствительность, так как
растет освещенность, необходимая для получения заданного
отношения сигнал/шум. Это имеет место для всех способов за
исключением сканистора, выполненного на основе дискретной
триодной структуры.

Наибольшая разрешающая способность достигается при
сканировании границей нулевого напряжения в дискретном
сканисторе (кривая СД) и доменами сильного поля (кривая Г).
Однако чувствительность преобразования у доменов сильного
поля на три порядка выше. Эта высокая чувствительность обес-
печивается возможностью весьма высокого (5—6 порядков)
внутреннего усиления фототока в фотопроводящих слоях сер-
нистого кадмия. Таким образом, при сканировании доменами
сильного поля высокая разрешающая способность сочетается
с наиболее высокими чувствительностью и частотой сканирова-
ния по сравнению с другими способами однострочной твердо-
тельной развертки. При этом последний способ обладает также
конструктивной и эксплуатационной простотой.
Рассмотренные растровые способы разложения изображения
без накопления заряда (рис. 77) обеспечивают примерно одина-
ковую разрешающую способность (около 100 строк). Особенно-
стью способа разложения с помощью носителей заряда является
рост частоты сканирования с увеличением разрешающей способ-
ности (штриховая кривая Др). Это происходит вследствие того,
что повышение разрешающей способности осуществляется за
счет увеличения тянущего электрического поля, вызывающего
увеличение скорости дрейфа носителей заряда и, соответственно,
частоты сканирования.

Наибольшая чувствительность достигается также при скани-
ровании доменами сильного поля (сплошная кривая Др). Однако
при этом возникает проблема отвода высокой рассеиваемой
мощности. С помощью доменов сильного поля возможно осу-
ществить как однострочное, так и растровое разложение изобра-
жения при длительности коммутации элемента порядка 10“7 сек.
Для формирования апертуры более перспективным является
использование электроакустического усиления, однако при этом
накладывается жесткое требование к совершенству кристаллов
(высокое значение подвижности основных носителей заряда).
При растровом разложении рассеиваемая мощность ограничива-
ет растр до 50 строк. Это делает рассмотренный способ растро-
вого разложения малоперспективным.

Рис. 77. Зависимость чув-
ствительности Е (сплошные
линии) и частоты кадров f
(пунктирные линии) от чи-
сла строк п разложения изо-
бражений без накопления
заряда
По-видимому, перспективным можно считать способ растро-
вого разложения с помощью скрещенных электрических полей,
обеспечивающий относительно высокую чувствительность при
возрастании разрешающей способности (сплошная кривая В).
При этом высокая чувствительность сочетается с конструктивной
и эксплуатационной простотой.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ
АНАЛИЗАТОРЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ С НАКОПЛЕНИЕМ
ЗАРЯДА

Применение процесса накопления заряда преследует цель
более полного использования светового потока в процессе разло-
жения изображения [21]. Обычно процесс накопления заряда
заключается в зарядке емкости приемников лучистой энергии за
время коммутации и в разрядке этой емкости в период между
коммутациями под действием светового потока, идущего от изо-
бражения. Величина заряда, протекающего через резистор
нагрузки при коммутации, равна величине заряда, стекающего
с емкости приемника лучистой энергии за время между комму-
тациями. Эта величина пропорциональна интегральному свето-
вому потоку, поглощенному детектором за время между комму-
тациями. За счет использования процесса накопления заряда
энергия светового потока аккумулируется приемником изобра-
жения, что и приводит к увеличению чувствительности анализа-
тора изображения.

Оптимальная величина времени накопления заряда опреде-
ляется соотношением между временем релаксации приемника
лучистой энергии и временем преобразования кадра. При малом
времени релаксации заряды стекают как в светлых, так и в тем-
ных местах изображения и потенциальный рельеф может вообще
не образовываться. Наоборот, при чрезмерно большом времени
релаксации заряды одинаково мало стекают как в светлых, так
и в темных местах, что также приводит к малой величине
потенциального рельефа, а значит и к малой разности сигнала
от темных и освещенных приемников лучистой энергии. В случае
покадрового разложения время накопления заряда на каждом
участке светочувствительной поверхности преобразователя изо-
бражения должно быть равно (не больше) времени кадра.

Оптическая коммутация мишени

Обширным классом среди полупроводниковых оптико-
электронных анализаторов изображения, работающих с накоп-
лением заряда, являются анализаторы, основанные на принципе
оптической коммутации мишени. В таких анализаторах при опро-
се изображения коммутирующий участок в каждом новом месте
мишени формируется заново с помощью соответствующего фото-
174 .
электрического процесса. Поэтому для получения приемлемой
разрешающей способности необходимо обеспечить соответствую-
щее время формирования коммутирующего участка, которое дол-
жно быть меньше времени преобразования элемента изображе-
ния [21]. При этом минимальное время коммутации определяется
инерционностью физического процесса, положенного в основу
работы преобразователя, и ограничивает максимальную разре-
шающую способность.

Первыми устройствами, в которых была использована опти-
ческая коммутация элементов мишени, были устройства с ис-
пользованием проводящего канала, создаваемого в фотослое
оптическим сканирующим лучом. Один из преобразователей
этого типа состоит из двух фотопроводящих слоев (приемного /
и коммутационного 2), заключенных между светопроницаемыми
электродами 3 и 4 (рис. 78). К электродам через нагрузочное
сопротивление подведено напряжение питания постоянного тока.
Элементы приемного фотопроводящего слоя ограничиваются
с помощью проводящего канала, возникающего в фотопроводя-
щем слое при попадании на него сканирующего оптического
луча 5. Фотопроводящий канал совершает перемещения по слою
фотоприемника 2 синхронно с увеличением оптического скани-
рующего луча. Через этот канал коммутируются элементы
фотопроводящего приемного слоя имеющего рельеф проводи-
мости, возникший в результате воздействия рельефа светового
потока, идущего от изображения.
При поглощении светового потока луча 5 в слое 2 создается
проводящий канал, через который заряжается конденсатор при-
легающего участка слоя 1. После ухода светового луча сопро-
тивление проводящего канала восстанавливается, что создает
условия разрядки емкости слоя 1. Скорость разрядки опреде-
ляется сопротивлением слоя 1, т. е. локальной освещенностью со
стороны изображения 6. Поэтому через некоторое время, равное
времени накопления, на границе между слоями 1 и 2 возникает
потенциальный рельеф изображения. Считывание этого рельефа
выполняется в процессе восстановления зарядов на слое 1 в ме-
сте нахождения коммутирующего светового пятна. При этом ток
дозарядки емкостей элементов слоя 1 в процессе движения све-
тового пятна по поверхности преобразователя, протекая через
нагрузочный резистор Ru, выделяет на нем видеосигнал [22].

Известно несколько конструкций многослойных преобразо-
вателей с оптической коммутацией. Они в основном отличаются
способом контактирования слоев 1 и 2. При этом фотопроводя-
щие слои могут быть выполнены в виде металлических или
диэлектрических мозаик. Такие мозаики могут быть расположе-
ны также между сплошными фотопроводящими слоями. Это
несколько усложняет преобразователь и увеличивает его
емкость, шунтирующую высокочастотную часть видеосигнала и
тем самым ухудшающую чувствительность и разрешающую
способность.

Использование одинакового полупроводникового материала
для приемного и коммутационного фотопроводящегося слоев
(спектральные характеристики, чувствительности которых не
разнесены) ограничивает чувствительность анализатора. Комму-
тационный фотопроводящий слой должен быть малоинерцион-
ным для обеспечения малого времени коммутации элемента
разложения. Вследствие этого время жизни носителей и в при-
емном фотослое будет малое, что и будет определять низкую
чувствительность анализатора. На основании этого спектральные
характеристики фотопроводимости слоев 1 и 2 преобразователя
должны находиться на разных участках спектрального диапа-
зона.

В преобразователях этого типа будущее световое пятно
может быть создано с помощью электролюминофора, располо-
женного между двумя системами перпендикулярно-ориентиро-
ванных проводящих шин. Коммутация шин осуществляется
путем перемещения тлеющего разряда под действием импуль-
сного магнитного поля. Удельная разрешающая способность
4 линии на 1 мм получена экспериментально.

В реальных фотопроводящих слоях, используемых в таких
преобразователях, имеется много дефектов, не позволяющих
одновременно получить желаемые значения чувствительности,
инерционности фотопроводимости и времени жизни носителей
заряда. Головихиной В. П. и Золотаревым В. Ф. были оценены
176
параметры преобразователей [22]. В качестве приемного слоя
выбран широко применяющийся в видиконах Sb2S3, в качестве
коммутационного слоя — аморфный селен, имеющий малую
инерционность фотопроводимости из высокоомных фотопровод-
ников (10~5 сек). Оценка проведена для двух размеров коммути-
рующего участка: 10 мкм и 20 мкм.

Результаты показаны на рис. 79—8L Как видно из рисунков,
число достижимых строк разложения изображения резко зависит
от размера коммутирующего участка (удельной разрешающей
способности). При размере коммутирующего участка 20 мкм

Рис. 80. Зависимость интен-
сивности сканирующего луча
Еп (кривые /, Г), нагрузоч-
ного сопротивления RH
(кривые 2, 2') и амплитуды
видеосигнала Ue (кривые 3,
3') от числа п строк разло-
жения изображения (кривые
1—3 при размере коммути-
рующего участка 10 мкм;
кривые Г—3' — при 20 мкм)
можно достичь около 200 строк разложения. При этом напря-
жение видеосигнала составляет несколько десятков микровольт.
Пороговая чувствительность, определяемая как освещенность
белого цвета в изображении, допускающая передачу одной гра-
дации яркости, составляет величину порядка 10~3 лк. Более вы-
сокого числа строк разложения изображения достичь трудно,
так как необходимо иметь чрезвычайно большую интенсивность
коммутирующего светового луча.

Предложены также однослойные развертывающие устройства
с оптической коммутацией, в которых в качестве фотопроводя-
щего слоя использован слой, обладающий фотоэлектретными
свойствами [6]. В этом устройстве (рис. 82) под действием излу-
чений сканирующего луча в слое фотоэлектрета 3 вблизи про-
зрачного электрода 4 возникает фотоэлектретный заряд. После
ухода луча 1 из данной зоны происходит фотодеполяризация под
действием светового потока, идущего от изображения. Степень
фотодеполяризации зависит от величины местной освещенности
изображения. При повторном попадании в данную зону скани-
рующего оптического луча фотоэлектретные заряды восстанав-
ливаются. При этом ток дозарядки фотоэлектретной емкости,
проходящий через прозрачные электроды 2 и 4, выделяет на
резисторе нагрузки сигнал.

В качестве материала, обладающего фотоэлектретными свой-
ствами, может быть использован аморфный селен.

Использование фотоэлектретного состояния для целей
разложения изображения существенно упрощает технологию
изготовления преобразователя, так как при этом отпадает про-
блема технологического совмещения фотопроводящих слоев.
Однако такой преобразователь принципиально не может иметь
высокую чувствительность, так как инерционность фотопроводи-
мости и соответственно время жизни носителей заряда должны
быть малыми для обеспечения времени преобразования элемен-
тов разложения изображения.

Параметры анализатора изображения этого типа исследова-
ны В. П. Головихиной и В. Ф. Золотаревым [23]. В качестве
фотоэлектретного вещества выбран аморфный селен, как имею-
щий малую инерционность фотопроводимости (10~5 сек) и малое
время хранения фотоэлектретного заряда (3 сек). Результаты
исследования показаны на рис. 83, 84, 85 при размере комму-
тирующего участка 20 мкм. Как видно из рис. 83, можно достичь

Рис. 83. Зависимости чувствитель-
ности Е (кривая 1) и частоты пе-
редачи кадров fK (кривая 2) от чи-
сла строк п разложения изображе-
ния
Рис. 84. Зависимость амплитуды
видеосигнала U, (кривая 1) и на-
грузочного сопротивления Rn (кри-
вая 2) от числа п строк разложе-
ния изображения

около 200 строк разложения изображения при чувствительности
несколько десятков люкс и частоте передачи кадров несколько
герц. Напряжение видеосигнала при этом составляет несколько
сот микровольт. Увеличение числа строк разложения изображе-
ния лимитируется интенсивностью светового луча.

Экспериментальные исследования преобразователя прово-
дились на основе аморфного селена. Преобразователь изготов-
лялся напылением слоя аморфного селена на проводящее
стекло. Вторым электродом служил полупрозрачный слой алю-
миния. Размер преобразователя 5X6 мм2. При числе строк раз-
ложения изображения 100 и частоте передачи кадров 3 гц дей-
ствительная освещенность белого поля на фотоэлектрете состав-
ляла несколько люкс.

Рис. 85. Зависимости пороговой
чувствительности Епор (кривая 1),
динамического диапазона D (кри-
вая 2) и интенсивности Е, светово-
го луча (кривая 3) от числа п
строк разложения изображения
Коммутация упругими импульсами

Проводящий коммутационный канал может создаваться
в теле полупроводникового преобразователя не только с помо-
щью оптического сканирующего луча. Для этой цели могут быть
использованы и другие средства, например, воздействие упругого
импульса, распространяющегося вдоль полупроводниковой
пластинки (рис. 86). В этом случае полупроводниковый слой 1
должен иметь контакт со слоем 3, содержащим запорную об-
ласть, например, электронно-дырочный переход. Упругий им-
пульс, распространяющийся вдоль строки, создает проводящий
канал в р — n-переходе слоя 3, смещенном в запорном направ-
лении напряжением U источника постоянного тока. Через этот
канал и электроды 2,4 в цепь нагрузки RH включаются элементы
фотопроводящего слоя У1.

Коммутирующий участок создается за счет уменьшения со-
противления запорного слоя под* действием давления в упругом
импульсе. Этот способ реализуется в более компактных устрой-
ствах по сравнению с устройствами, использующими оптическую
коммутацию. Однако его техническая реализация осложнена
трудностями гашения отраженных упругих волн и их передачи
с одной строки на другую.

1 Цирлин Л. Э., Гринбаум М. Б. Способ считывания потенциального
рельефа. «Бюллетень изобретений». Авторское свидетельство № 138952, 1961,
№ 8.
Рис. 87. Устройство растрового
разложения изображения с по-
мощью упругого импульса (с дву-
сторонней чувствительностью):
1 — кремниевые фотопроводящие пла-
стинки; 2 — светопроницаемый элек-
трод; 3 — пластинка ср— л-перехо-
дом, параллельным /; 4 — проводящая
связующая прослойка (подслойка)

Устройство для многострочной развертки может быть выпол-
нено путем электроискрового разрезания кремниевых пластинок
1 с р — n-переходом (рис. 87), склеенных достаточно вязкой
проводящей массой. Затем разрезы заполняются непроводящей
связкой и пластины сошлифовываются до нужной толщины.
Далее с торцов полосок должны быть приклеены отражающие
кремниевые призмы. Таким способом принципиально возможно
создавать растровый анализатор с ультразвуковой разверткой
изображения, имеющей двустороннюю чувствительность после
нанесения фотопроводящего слоя со светопроницаемым электро-
дом с двух сторон на замкнутую ультразвуковую линию
задержки. Ширину прорезей и строк можно выполнить порядка
IOOjhkjh.

В таком устройстве ультразвуковая волна, возбужденная
на одном конце строки, будет распространяться в одном направ-
лении на одной стороне преобразователя и в другом направлении
на другой стороне преобразователя. Напряжение питания подво-
дится между проводящей прослойкой 4 и светопроницаемыми
электродами 2 через два резистора нагрузки Ru. Если видеосиг-
нал снимается с резисторов нагрузки одновременно, то с помо-
щью такого устройства можно производить выделение контуров
анализируемых изображений. При этом на обе чувствительные
поверхности преобразователя необходимо одновременно проекти-
ровать одинаковые изображения.

Время накопления потенциального рельефа изображения
в таком анализаторе ограничивается рассасыванием потенциаль-
ного рельефа вдоль фотопроводящего слоя 1 за счет шунтиро-
вания прилегающим слоем 3. Удельное сопротивление фотопро-
водящего слоя и время накопления потенциального рельефа
изображения определяется требованием равенства сопротивле-
ния слоя 3 между элементами и сопротивления фотопроводяще-
го слоя.

Чтобы повысить разрешающую способность в таком анализа-
торе, для коммутации могут быть использованы одновременно
два упругих импульса. Первый импульс должен распространять-
182
ся в условиях отсутствия потенциального рельефа изображения
и должен вызывать разрядку емкости фотопроводящего слоя.
При этом через резистор нагрузки течет постоянный ток, не не-
сущий информации об изображении.

Второй импульс, отставая от первого на время накопления
заряда, считывает информацию, вызывая появление видеосиг-
нала на нагрузочном резисторе.

В заключение отметим, что изготовление рассмотренного
анализатора для растрового разложения изображения связано
с весьма существенными технологическими трудностями и не
имеет явных преимуществ по сравнению с другими полупровод-
никовыми анализаторами изображения. Поэтому можно считать,
что рассмотренный способ представляет интерес для осуществле-
ния однострочной развертки изображения.

МАТРИЧНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Проекты систем разверток изображений, предусматривающих
использование импульсных генераторов, соединенных с матрицей
светочувствительных элементов, предлагались еще много лет
назад, но присущая им сложность препятствовала созданию ап-
паратуры с достаточной четкостью изображения.

Достижения в области создания интегральных схем позволя-
ют разработать устройства для передачи изображения, включая
светочувствительную матрицу и развертывающее устройство,
как единый прибор в интегральном исполнении [147, 151].

Появление полупроводниковых матричных анализаторов изо-
бражения является важным шагом в решении основных проблем
микроминиатюризации оптико-электронных систем анализа
и передачи изображения. Площадь матрицы из 105 — 106 свето-
чувствительных элементов в интегральном исполнении с элек-
трическим сканирующим устройством составляет несколько квад-
ратных сантиметров, а толщина порядка 1 мм.

Преимущества твердотелых преобразователей изображения
следующие:

1.	Геометрические размеры могут быть как очень малые, так
и очень большие, недостижимые при создании электроннолуче-
вых трубок. Светочувствительная поверхность мишени доступа
для контактного способа передачи изображения.

2.	Дискретная развертка может быть обеспечена с высокой
точностью, можно использовать другие виды произвольного счи-
тывания, что удобно при работе с ЭВМ.

3.	Долговечность их большая, потребление мощности малое,
стоимость низкая, конструкция их прочная и совместимая с дру-
гими твердотельными компонентами.

Практические разработки твердотельных преобразователей
изображения позволят ввести в действие новый класс информа-
ционных систем.
Рис. 88. Схема матричной структуры:

1 — генератор вертикальной развертки; 2 — генератор горизон-
тальной развертки; 3 — цепи видеосигнала; 4 — выход видео-
сигнала; 5 — структура мишени

Рассмотрим твердотельный матричный преобразователь изо-
бражения, выполненный в виде интегральной светочувствитель-
ной матрицы с присоединенными к ней двумя генераторами
развертки.

Схематически устройство матричного анализатора изображе-
ния представлено на рис. 88. В его состав входят два полупро-
зрачных электрода в виде изолированных друг от друга
токопроводящих полосок и расположенный между ними фото-
слой. Полоски одного электрода перпендикулярны полоскам
другого электрода и в процессе анализа изображения они
выполняют функции адресных шин, на которые поступают от
генераторов развертки строчные и кадровые импульсы. Переход
от токопроводящих электродов (обычно строчных) к фотослою
осуществляется через разомкнутые ключи — полупроводниковые
диоды или триоды, расположенные в местах пересечения поло-
сок. Эти ключи выполняют функции коммутаторов. Ключи дол-
жны обладать большим отношением проводимостей в замкнутом
и разомкнутом состояниях; нормальным положением ключа
является разомкнутое, замыкание же происходит только при
совпадении импульсов, поступающих от генераторов развертки,
184
которые расположены по краям матрицы. Ключи должны сра-
батывать таким образом, чтобы в каждый момент времени
к нагрузке был подключен лишь один элемент матрицы. При
подведении коммутирующих импульсов поочередно ко всем
адресным шинам происходит поэлементное сканирование всего
фотослоя в последовательности, соответствующей совпадению
импульсов напряжения на шинах.

Фотослой в таком преобразователе может быть выполнен
сплошным или мозаичным, он может быть выполнен из простого
фотопроводника или из полупроводника со свойствами фотодио-
да или фототриода. Проецирование оптического изображения
объекта создает в фотослое пространственный рельеф сопротив-
лений, при считывании которого в цепи нагрузки формируется
выходной сигнал, содержащий импульсы, пропорциональные
току через фотослой поочередно во всех элементах матрицы и,
следовательно, несущий информацию о распределении освещен-
ности в оптическом изображении [69].

К фотослою преобразователя предъявляются жесткие требо-
вания, элементарная емкость и сопротивление которого должны
в совокупности удовлетворять одному из условий:

постоянная времени RC должна быть меньше времени ком-
мутации (работа в режиме мгновенного действия);

постоянная времени RC должна быть больше времени между
очередными коммутациями (работа в режиме накопления).

Наконец, важно взаимно согласовать характеристики фото-
слоя и ключей. В матрице мгновенного действия сопротивление
замкнутого ключа должно быть меньше сопротивления в самой
освещенной точке фотослоя. При работе в режиме накопления
ток через ключ должен быть достаточным для разрядки накопи-
тельной емкости за время одной коммутации.

В матрице простейшей конструкции удовлетворить все эти
условия, особенно условие эффективного накопления, не удается.

Рассмотрим в качестве примера структуру матрицы, выпол-
ненной на полупроводнике. Фотослой изготовляется из смеси
сульфида и селенида кадмия, которая наносится на стекло в виде
отдельных квадратиков с междуцентровыми расстояниями
50 мкм. Непосредственно на фотопроводнике находятся горизон-
тальные полоски из индия — адресные шины кадровой развертки.
Далее следует тонкая изолирующая прослойка из фтористого
кальция и на ее поверхности вертикальные полоски из теллура —
шины строчной развертки. Структура матрицы показана на
рис. 89. Запорный контакт 2 образуется между электродом из
теллура и сульфид-селенидом кадмия, другой контакт из индия
имеет чисто омический характер.

При освещении матрицы фототок протекает только вдоль
фотопроводника и через запорный контакт. Поскольку изобра-
жение проецируется со стороны стеклянной платы, на пути света
не оказывается токопроводящих полосок и нет потерь на погло-
щение. Толщина фотослоя мало сказывается на элементарной
емкости и сопротивлении и поэтому может подбираться из
условий наиболее эффективного преобразования света. Испыта-
ния подтвердили высокие запорные свойства контакта (отноше-
ние прямого и обратного токов 103 — 105) и хорошую светочув-
ствительность (порядка 1 а/лм) при минимальных рабочих
напряжениях на шинах 2 в.

Для изготовления некоторых образцов использовался также
кремний, позволяющий помимо интегральных схем создавать
различные типы фоточувствительных элементов — фотосопротив-
ления, фотодиоды, фототранзисторы и т. д. [152].

Рассмотрим несколько более подробно вопросы коммутации
элементов матрицы.

Принцип коммутации иллюстрируется рис. 90.

В каждом элементарном конденсаторе происходит накопле-
ние заряда (если постоянная времени каждого элемента превы-
шает период интегрирования Ти). Темновое сопротивление фото-
чувствительного элемента и сопротивление переключателя
в закрытом состоянии должны быть очень большими, а шунти-
рующая емкость переключателя должна быть мала по сравнению
с емкостью шунтирующего элемента. Как показано на рис. 90,
приход импульса развертки ведет к быстрому снижению потен-
циала в точке р и заряду конденсатора С; при попадании на
фоточувствительный элемент света конденсатор медленно разря-
жается, и потенциал в точке р увеличивается. Зарядный импульс
на внешнем резисторе нагрузки появляющийся в течение
периода коммутации Тк, равен общему заряду емкости в течение
периода интегрирования, а усиление в результате накопления
заряда определяется отношением Ти1Тк. Указанный принцип
работы применяется в различных типах матричных устройств.

Рис. 89. Структура матрицы на
полупроводнике:

1 — омический контакт; 2 — запор-
ный контакт; 3 — фотопроводник;

4 — электрод из теллура; 5 —
электроны из индия; 6 — изоли-
рующая прослойка
Рассмотрим работу матрицы, в которой используются ка-
нальные транзисторы. Генераторами развертки, пригодными для
управления ключами, могут служить параллельный сдвиговый
регистр, дешифратор или линия задержки с отводами. Видеосиг-
нал выделяется на резисторе нагрузки RH (рис. 91).

В твердотельном преобразователе изображения для полу-
чения максимальной чувствительности может использоваться
принцип накопления зарядов. При этом величина тока видеосиг-
нала, поступающего от каждого светочувствительного элемента,
пропорциональна полному световому потоку, падающему на
элемент за полный период между коммутациями, т. е. за время
кадра. Каждый конденсатор, шунтирующий элементарный фото-
проводник, заряжается до максимального значения напряжения
в момент коммутации и постепенно разряжается между комму-
тациями до величины напряжения, зависящей от освещенности
данного элемента. Переменный потенциал в точке р соответству-
ет потенциалу коммутируемой фотопроводящей поверхности.
Ток переменной величины, требуемый для перезаряда конденса-
торов, протекает через резистор нагрузки и является видеосиг-
налом.

Для удовлетворительной работы такого преобразователя изо-
бражения необходимо выполнение следующих условий:

О (RoR06p)/(Ro + Ro6p)(Co + Спар) I накопи

2)	Кзам^Съ + ^иар) <

3)	Кобр^> %зам*

4)	со > Спар,

где Со — емкость конденсатора, шунтирующего каждый фото-
проводящий элемент;

Спар — паразитная емкость, шунтирующая каждый ключ;

Rq — темновое сопротивление фотопроводящего элемента;

Язам — сопротивление ключа в замкнутом состоянии;

{накоп — период накопления световой энергии (обычно равен
времени кадра);

tK0M — время коммутации (опроса) одного элемента.

Выполнение этих условий становится все более сложным по
мере увеличения числа и элементов мишени и уменьшения рас-
стояния между ними. Условие 1 труднее выполнить при медлен-
ной развертке, условие 2 — при быстрой. Неравенство 3 требует
большого отношения проводимостей элементарного ключа
в замкнутом и разомкнутом состояниях. Практически это отно-
шение должно в 100 или более раз превышать полное число эле-
ментов светочувствительной матрицы.

На рис. 92 представлены две схемы возможных связей
выходных сигналов элементов матрицы с усилителем. На
рис. 92, а усилитель соединяется с выходной клеммой, которая
может быть подключена к любому чувствительному элементу
матрицы. Такой метод соединения может быть использован
только при медленной развертке, так как при увеличении скоро-
188
сти развертки значительные внутренние емкости приводят
к появлению переходных процессов.

На рис. 92, б представлен способ выделения видеосигнала
с помощью ключевой схемы. Внешняя ключевая схема на транзи-
сторах Т\ и Тг подключается к каждому ряду элементов таким
образом, что один из них последовательно соединен с выходом
видеосигнала, тогда как другие находятся под обратным сме-
щением. При этом переходные процессы в выходном сигнале
значительно уменьшаются.

Проектирование и изготовление генераторов развертки пред-
ставляет определенные трудности. Такой генератор должен иметь
до 500 параллельных выходов, легко обеспечивающих соединение
с элементами матрицы; кроме того, диапазон частот импульсов
на его выходе должен изменяться от 15 кгц для вертикальной
развертки до 10 Мгц для горизонтальной развертки. В качестве
генераторов могут быть применены аналоговые и цифровые схе-
мы. Наиболее рационально выполнять генераторы разверток и
цепи связи видеосигнала одновременно с матрицей на общем
основании или в виде интегральной схемы на отдельном основа-
нии, допускающем простое соединение с матрицей.

В качестве генераторов развертки можно использовать
транзисторные или диодные дешифраторы, управляемые импуль-
сами, например, от ряда пересчетных устройств. Преимущество
дешифратора перед многокаскадными сдвиговыми регистрами
заключается в том, что их можно использовать для дискретной
развертки или произвольного считывания. Такие генераторы

Рис. 92. Способы связи выхода видеосигнала матрицы с усилителем:

/ — мишень; 2 — генератор горизонтальной развертки; 3 — генератор вертикаль
ной развертки
Рис. 93. Матрицы на фотосопротивлениях

имеют меньшее число интегральных компонентов, чем сдвиговые
регисторы, и проще по конструкции при более плотном располо-
жении выходных каскадов. Недостатком дешифраторов при
использовании их для построчной телевизионной развертки
является трудность устранения в передаваемом кадре низко-
частотных переходных процессов переключения и паразитного
изображения. Кроме того, для них требуется большое число
схем управления и внешних соединений, чем для многокаскадных
сдвиговых регистров.

На рис. 93 представлены три типа матриц, выполненных на
фотосопротивлениях. В схемах, представленных на рис. 93, а и б,
использован принцип накопления заряда в емкости, шунтирую-
щей фоторезистор. На рис. 93, б каждое фотосопротивление
подключено с одной стороны к общему выводу и с другой
к тонкопленочному переключающему транзистору. На рис. 93, в
в отличие от предыдущих схем шунтирующие емкости отсут-
ствуют и световая энергия запасается в результате возбуждения
носителей, время жизни которых приближается к периоду раз-
вертки. Этот принцип может быть эффективным для фогорези-
сторов с высоким усилением п, компенсирующим уменьшение
сигнала из-за отсутствия накопления. В этом случае общая чув-
ствительность элемента сохраняется такой же, как и в случае
накопления заряда, но работа без накопительных емкостей
позволяет упростить схему и получить более высокую плотность
элементов на единицу площади матрицы.

Работы по усовершенствованию тонкопленочных полупровод-
никовых анализаторов изображения ведутся одновременно по
нескольким направлениям: увеличивается число элементов
в матрице и сокращается шаг между их центрами, повышается
светочувствительность, улучшаются генераторы разверток.
Большая перспективность твердотельных ФЭП обусловлена
не только большой чувствительностью и практической безынер-
ционностью фоторезисторов, но и технологическими соображе-
ниями. Мозаика фоторезисторов изготовляется методами
планарной технологии, высокий уровень развития которой обе-
спечивает однородность отдельных элементов лучшую, чем
в матрицах на фотопроводнике, полученных средствами тонко-
пленочной технологии.

Высокая чувствительность твердотельных матриц точно
связана с возможностью эффективного накопления на емкости
р — n-перехода элементарных фотодетекторов. Этот процесс
отличается от процесса накопления на фоторезистивных эле-
ментах и в принципе сводится к следующему.

Навстречу друг другу анодами включаются фотодиод и бло-
кировочный диод (рис. 94, а). В момент коммутации емкость
перехода фотодиода, смещенного в обратном направлении, заря-
жается через нагрузочный резистор RH до полного напряжения
E(t) сканирующего импульса. В промежутке между коммутация-
ми переход не удерживает заряда, а медленно разряжается, по
мере того как тепловые электроны и дырки рекомбинируют
с зарядами, накопленными на каждой стороне перехода. Посто-
янная времени такого процесса составляет несколько десятков
секунд. Если переход осветить, возбуждаются дополнительные
электроны и дырки, скорость разряда увеличивается в 1000 раз.
При следующей коммутации ток дозаряда емкости перехода
зависит от потери заряда за период кадра и оказывается про-
порциональным общему числу квантов света, попавших на фо-
тодиод за время прохождения кадра.

Вместо пары фотодиод — диод можно использовать плоско-
стной фототриод в режиме разомкнутой базы (рис. 94,6).
Накопление происходит на коллекторном переходе, и ток в цепи
нагрузки оказывается усиленным по сравнению с током, заря-

а)	5)	в).

Рис. 94. Схема накопления на р — п-переходе:

а _ диод-фотодиод; б — плоскостный фототриод; в — полевой фототриод с изоли
рованным затвором; / — перезарядный канал; 2 — исток; 3 — затвор; 4 — сток
Рис. 95. Структура элементар-
ного кремниевого фототриода и
матрицы на плоскостных фото-
транзисторах:

1 — общий коллектор; 2 — адрес-
ные шины; 3 — база; 4 — эмиттер;

5 — эпитаксиальный кремний; 6 —
подложка; 7 — изолирующий слой

жающим емкость перехода. Выигрыш равен коэффициенту уси-
ления фототриода и достигает нескольких десятков.

Всем условиям эффективного накопления и считывания
удовлетворяет также полевой (канальный) фототранзистор с
изолированным затвором (рис. 94, в). В этой МОП-структуре
переход исток — подложка является светочувствительным эле-
ментом, а канальный транзистор с изолированным затвором слу-
жит ключом, который осуществляет перезаряд емкости пере-
хода фотодиода при достаточном значении отрицательного
потенциала считывания на затворе.

Наиболее просто устройство преобразователя в виде одного
ряда (линейки) фотодетекторов. Такая линейка пригодна как
для однострочного разложения изображения, так и для кадро-
вого, осуществляемого сочетанием строчной электрической
и кадровой оптико-механической разверток.

Растровая матрица на плоскостных фототриодах имеет по-
лезную площадь порядка 20 X 20 мм с числом элементов
порядка 150 X 200. Структура элементарного фототриода и
матрицы показана на рис. 95. Области с р-проводимостью
(база 3) и с n-проводимостью (эмиттер 4) образованы в коллек-
торном слое кремния методом двойной диффузии соответствую-
щих примесей. Элементарные фототриоды объединены в верти-
кальные ряды общим слоем коллектора 1, который благодаря
высокой проводимости кремния выполняет одновременно функ-
ции адресных шин 2 строчной развертки. Эмиттеры сведены
в горизонтальные ряды путем дополнительной металлизации по
поверхности матрицы.

Практически для образования такой матрицы на монокри-
сталлическую подложку 6 высаживается эпитаксиальный слой
кремния нужной толщины и проводимости. Накладывается
маска и коллекторный слой на всю глубину до подложки 6
разбивается диффузией изолятора на отдельные полосы задан-
ной ширины. Затем на каждой полосе диффузией образуются
192
независимые базовые и эмиттерные области, число которых
определяется требуемым числом элементов матрицы. Заключи-
тельной операцией является нанесение горизонтальных шин из
алюминия.

Поскольку блоки разверток конструктивно независимы от
матрицы, приходится иметь отдельный наружный ввод от каждой
адресной шины 2 и на периферии подложки разместить опреде-
ленное число клемм для подачи сканирующих импульсов и съема
видеосигнала.

Изображение проецируется на матрицу со стороны подложки
и эффективное возбуждение пар электрон — дырка происходит
главным образом в коллекторном слое. Накопление происходит
на коллекторном переходе, а эмиттерный переход служит блоки-
ровочным ключом, изолирующим между коммутациями накопи-
тельную емкость от внешней цепи. Видеосигнал снимается
с горизонтальных шин, построчно коммутируемых на видеоуси-
литель блоком разделительных транзисторов.

Основной проблемой при создании матриц на плоскостных
фототриодах является надежная межэлементная изоляция.
Изолирующие промежутки не светочувствительны, и приходится
терять полезную площадь, чтобы избежать утечек и свести
к минимуму перекрестные искажения. Эти потери составляют
примерно 50%, но по мере увеличения разрешающей способности
должны возрасти, так как абсолютная ширина изолирующих
промежутков останется постоянной. Другая трудность — полу-
чение матриц с требуемой однородностью параметров. Пока для
лучших образцов матриц из 250 элементов технологический раз-
брос светочувствительности отдельных фототриодов находится
в диапазоне 2:1.

Малые размеры монокристаллов для подложки (25—40 мм
для кремния является пока предельным размером) лимитиру-
ют полезную площадь матрицы и ограничивают общее число
элементов.

Другое направление в конструировании твердотельных мат-
риц основано на применении полевых транзисторов с изолиро-
ванным затвором. Например, разработана матрица из 10 000 по-
левых фототранзисторов и такого же числа блокировочных
ключей в виде металло-окисно-полупроводниковых МОП-струк-
тур, расположенных на одной подложке без дополнительных
р — n-переходов или изоляции диэлектриком. Общий размер фо-
точувствительной площадки 13 X 13 мм, элементы размещены
с шагом 125 мкм.

Каждый полевой фототранзистор работает в режиме накоп-
ления (рис. 94, в). Накопительным и светочувствительным эле-
ментом служит переход исток — подложка. Емкость этого пере-
хода в момент коммутации заряжается через канал с низким
сопротивлением исток — сток и разряжается между коммутация-
ми фототоком, возникающим при освещении истока. Коммутация

13 Заказ 375	1 93
Рис. 96. Полупроводниковый преобразователь изобра-
жения, выполненный в виде матрицы МОП-транзисто-
ров:

1 — SiO2; 2 — затвор X; 3 — затвор У; 4 — сток (Р); 5 —
островок (Р); 6 — исток-фотодиод

осуществляется по цепи затвора импульсами отрицательного
напряжения, изменяющими сопротивление канала исток — сток.

В мозаике область стока всех фототранзисторов делается
общей и поддерживается при отрицательном напряжении от
отдельного источника. Затвор каждого фототранзистора соеди-
няется с источником одного из блокировочных ключей. Индиви-
дуальные выводы к затворам и к стокам блокировочных полевых
транзисторов соединены соответственно в горизонтальные и вер-
тикальные ряды узкими адресными шинами. Такая схема соеди-
нений обеспечивает полную развязку нагрузки от коммутирую-
щих импульсов и позволяет использовать прямое соединение
выходного электрода матрицы (сток фототранзисторов) с видео-
усилителем.

Полупроводниковый преобразователь изображения Японской
фирмы Ниппон Электрик (Nippon Electric) выполнен в виде
матрицы транзисторов типа МОП с большими площадями истока.
Двойные затворы, которые используются для адресации к каж-
дому транзистору матрицы, и стоки расположены в одном углу.
При отсутствии металлизации для контакта исток взаимодей-
ствует с подложкой, образуя фотодиод. Матрица выполняет
функции преобразования световых сигналов в электрические,
запоминания, переключения и адресации. Последние две функ-
ции выполняются сдвоенными затворами, которые, взаимодей-
ствуя, образуют логическую схему И (рис. 96).

Двухзатворные транзисторы изготовляются на кремниевой
пластинке с проводимостью n-типа, на которой предварительно
методом диффузии формируются исток, островок и сток — все
194
с проводимостью p-типа. Поверх каналов исток — островок и ост-
ровок — сток находятся два затвора, изолированные от каналов
слоем двуокиси кремния.

Однако существенным отличием от обычной конструкции
транзисторов типа МОП является то, что у истока нет металлиза-
ции для контакта и он по существу ни к чему не подсоединен.
Область истока с проводимостью p-типа и подложка n-типа об-
разуют фотодиод, который действует как входной преобразова-
тель и запасающий элемент для каждого элемента изображения
на матрице.

Когда на оба затвора транзистора подаются отрицательные
напряжения для выборки именно этого элемента, через транзи-
стор протекает ток, который заряжает диод, образуемый истоком
и подложкой до тех пор, пока напряжение на нем не будет равно
питающему напряжению.

Свет, падающий на матрицу, проходит через прозрачный
слой окисла поверх истока, создавая в нем носители, которые
распространяются к переходу и разряжают диод.

Частота кадров равна 60 гц, поэтому интервалы между
последовательными выборками каждого транзистора составляют
точно 1/60 сек. При средней освещенности сцены напряжение на
диоде, образуемом истоком и подложкой, будет несколько возра-
стать в течение этого периода, приближаясь к нулю. Поскольку
в состоянии сброса напряжение на диоде равно напряжению на
источнике питания, ток, протекающий через нагрузочный рези-
стор, и входное напряжение пропорциональны этому повышению
напряжения диода за время одного кадра. Таким образом, вы-
ходное напряжение пропорционально силе света, падающего на
исток транзистора.

Чувствительность в первом приближении пропорциональна
площади фотодиода, в данном случае площади истока. Для уве-
личения чувствительности большая часть площади каждого
элемента матрицы занята истоком, остальная часть транзистора
помещается в одном из углов этой площади. Если вместо тран-
зисторов типа МОП использовать биполярные фототранзисторы,
то потребуются изолирующие области, которые займут большую
часть площади пластинки. Кроме того изготовление биполярных
фототранзисторов требует больше технологических этапов диф-
фузии, чем при изготовлении матрицы транзисторов типа МОП,
так как в последнем случае проводится один единственный про-
цесс диффузии.

При оптимальном световом режиме четкость изображений
определяется числом элементов матрицы. При малых освещен-
ностях наблюдается снижение четкости, возникающей из-за
вуалирующего действия шумов. При больших освещенностях
происходит также снижение четкости, которое в этом случае
является следствием возрастания перекрестных искажений в эле-
ментах матрицы. Необходимо отметить, что в таких устройствах
13*	195
Рис. 97. Световая характе-
ристика фототриодной мат-
рицы

повышение разрешающей способности выше 100 — 200 линий
связано с большими трудностями.

Очевидно, что чувствительность рассмотренных матриц
определяется чувствительностью элементарных фотодетекторов,
а также режимом разложения, вернее временем накопления
заряда. Чувствительность плоскостных фототриодов 4 в/лк, и
матрица с такими детекторами сохраняет работоспособность при
освещенностях 1 лк. Световая характеристика такой матрицы
представлена на рис. 97. Эта характеристика линейна в широком
диапазоне, причем ее выходной сигнал 1 достигает 100 мка, что
обеспечивает достаточное превышение над уровнем шумов и им-
пульсных помех.

Быстродействие отдельных элементов матрицы таково, что
при изменениях уровня освещенности за время 200 нсек осу-
ществляется практически безынерционная передача изобра-
жения.

Важным параметром матричных устройств является вели-
чина перекрестных искажений, характеризуемая соотношением
выходных токов двух соседних элементов матрицы при освеще-
нии одного из них. Для фототриодной матрицы величина этих
искажений составляет 1—10% в зависимости от освещенности
фотослоя. В матрицах, выполненных на основе полевых транзи-
сторов с МОП-структурой, перекрестные искажения отсутствуют.

На рис. 98 показаны три типа элементов с фотодиодами
и различными типами переключателей. При подаче на фотодиод
обратного смещения происходит заряд емкости, попадание на
элемент света ведет к ее разряду в течение периода развертки.
В точке р каждый элемент машины соединен с соответствующим
переключателем. На рис, 98, а фотодиод включен последователь-
но с транзистором типа МОП, однако подобное соединение
приводит к возникновению различных нежелательных эффектов,
ухудшающих характеристики матричной схемы. На рис. 98, б
показан элемент фотодиодной матрицы, в котором второй диод
196
служит в качестве переключателя. Принцип работы подобной
структуры аналогичен описанному выше. Такая схема обеспечи-
вает высокие качественные показатели в системах с линейными
световыми характеристиками. На рис. 98, в представлена более
сложная цепь, в которой два транзистора Г] и Т2 типа МОП
включены последовательно и используются в качестве переклю-
чателя. Дополнительная цепь коммутации напряжения обеспе-
чивает увеличение усиления по току в выходной цепи. Напряже-
ние в точке р управляет величиной импульса тока через выход-
ную цепь Т3; Т4; Т5.

Как известно, фототранзистор, обеспечивая усиление по току,
позволяет получить более высокую чувствительность элемента
матрицы, чем фотодиод. В нем обратно смещенный коллекторный
переход работает как фоточувствительный элемент, а эмиттер-
ный переход выполняет функцию переключателя. Коллекторный
переход должен иметь значительно большую площадь, чем эмит-
терный, для обеспечения соответствующей емкости накопления
при малой емкости переключателя. Способы применения фото-
транзистора в элементе матриц показаны на рис. 99.

На рис. 99, а фототранзистор включен в соответствующий
ряд и столбец матрицы, потенциал незаземленной базы транзи-
стора соответствует потенциалу точки р на рис. 99, б. В первом
приближении общий ток, протекающий через цепь коллектор —
эмиттер за время коммутации, пропорционален заряду, накоп-
ленному в области базы, умноженному на коэффициент усиления
транзистора по току. Однако нелинейность и инерционность
характеристик может исказить качественные показатели такой
матрицы при низких уровнях освещенности; кроме того, измене-
ние усиления от одного элемента к другому вводит дополнитель-
Рис. 99. Способы вклю-
чения фототранзисторов
в качестве элементов
матрицы

ную неоднородность, которой не существует в фотодиодах. Хотя
транзисторная матрица представляет определенный интерес,
однако еще не выяснено, может ли дополнительное усиление
компенсировать нежелательные явления, возникающие при ис-
пользовании фототранзисторов.

На рис. 99, б показан другой способ построения фотогранзи-
сторных матриц. В этом случае все фототранзисторы изготов-
лены на общем основании и в каждом элементе используется
транзистор типа МОП с целью адресования. В данном случае
упрощаются цепи видеосигнала, так как последний может сни-
маться с общего основания. Однако переходные процессы могут
значительно ухудшить рабочие характеристики больших матриц
при высокой скорости переключения. Кроме того, в этом случае
также существуют проблемы нелинейности и инерционности ха-
рактеристик при низком уровне сигнала. Эти проблемы, а также
переходные процессы при переключении значительно снижаются
при уменьшении скорости переключения.

Требования снижения размеров элементов и увеличения их
числа могут быть выполнены при использовании новых типов
мишени, где фотодиод работает поочередно как фоточувстви-
тельный элемент (при обратном смещении) и как переключатель
(при прямом смещении).

Принцип работы подобной матрицы, каждый элемент которой
содержит фотодиод, включенный последовательно с емкостью,
показан на рис. 100.

Каждый фотодиод эквивалентен переключающему диоду,
включенному параллельно фоторезистору и шунтированному
емкостью конденсатора С2. Коммутирующие импульсы с генера-
торов развертки, полярность которых соответствует прямому сме-
щению диодов, приложены к последовательно включенным кон-
денсаторам С и Сь Обычно Ci С2 и последней можно прене-
бречь. В конце периода коммутации потенциал в точке р умень-
шается до величины и, тем самым устанавливая обратное
198
смещение фотодиода. Для нормальной работы постоянная вре-
мени цепочки, образованной емкостью последовательно вклю-
ченного конденсатора и темновым сопротивлением фотодиода,
должна значительно превышать 7\. Если фотодиод освещен,
потенциал точки р постепенно увеличивается вследствие разря-
да Сь

Подобная матрица была выполнена на основе кремния
и содержит 256 фотодиодов в ряду. Для получения емкостей
применялась окись алюминия. Декодирующее устройство вы-
полнено на основе тонких пленок [152].

Проблемы, связанные с изготовлением генераторов развертки
в виде интегральной схемы, аналогичны тем, которые указыва-
лись для преобразователя изображения на фотопроводящей
машине. Преобразователю на фотодетекторах так же, как и на
фотопроводящей мишени, свойственны корреляционные шумы,
возникающие в результате переключения сигналов высокого
уровня. Передача этих шумов на выход происходит из-за
паразитных емкостей в интегральной структуре.

Матрица на фотодетекторах является твердотельным анало-
гом видикона; ее можно изготовить по обычной технологии
производства интегральных схем. Благодаря своим размерам,
простоте работы, высокой чувствительности и надежности этот

Рис. 100. Принцип работы матрицы, каждый эле-
мент которой содержит фототриод и конденсатор:
Ue— выходной видеосигнал; Uра3 ~ развертывающий
импульс к столбцу; U & — потенциал в точке р; 1Ш— ток
сигнала в шине каждого ряда; / — сигнал при осве-
щении мишени; 2 — сигнал при отсутствии света
преобразователь представляет большой интерес с точки зрения
использования в системах наблюдения, распознавания и в про-
мышленных телевизионных камерах.

В заключение отметим, что созданные образцы твердотельных
матричных анализаторов обладают разрешающей способностью
100—200 линий и время надежной их работы составляет несколь-
ко тысяч часов. Их габаритные размеры и вес в 5—10 раз лучше,
чем у электронно-лучевых трубок. Однако создание интеграль-
ных систем генераторов сканирующих импульсов вызывает
трудности при разработке таких устройств. Параметры (как до-
стигнутые, так и ожидаемые) тонкопленочных и фотодиодных
матриц принципиально различны. В матрицах на фотопроводнике
трудно выполнить существенное накопление заряда и вследствие
этого недостаточна чувствительность, кроме того, проявляется
фотоэлектрическая инерционность. Для фототранзисторных
матриц характерна более низкая разрешающая способность,
ограничены возможности подбора спектральных характеристик,
мал предельный размер фоточувствительного поля.
Часть II

Оптико-электронные
системы обработки
информации

Раздел 1. Оптико-электронные вычислительные
устройства

Глава 1.	Основы построения оптико-электронных вычислительных устрой- ств
Глава 2.  Глава 3.  Глава 4.  Глава 5.  Глава 6.	Лазерные элементы вычислительных устройств  Электролюминесцентные элементы вычислительных устройств Электрооптические элементы вычислительных устройств Оптико-электронные вычислительные устройства Оптико-электронная обработка двумерной информации
Раздел 2.  Глава 1.  Глава 2.  Глава 3.  Глава 4.  Глава 5.  Глава 6.	Оптико-электронные следящие системы  Классификация и принципы построения следящих устройств  Основные параметры и характеристики следящих систем Время-импульсные следящие устройства  Частотные следящие устройства  Фазовые следящие устройства  Амплитудные следящие устройства

Раздел 3. Оптико-электронные системы анализа
изображений

Глава 1.  Глава 2.  Глава 3.	Классификация систем анализа изображений  Перспективные способы анализа и передачи видеоинформации  Фототелевизионные, малокадровые и стробоскопические системы передачи изображений
Глава 4.	Системы передачи изображений в ИК диапазоне
Оптико-элекпгронные
вычислительные
устройства

Глава!. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ

Как известно, для дальнейшего развития быстро-
действующих вычислительных устройств необходимо создание
новых систем, которые не только отличаются большим быстро-
действием и малыми габаритами, но также характеризуются
минимальной энергией помех, наводимых соседними элементами.
В связи с этим логичен переход к системам обработки инфор-
мации, работающим в оптическом диапазоне длин волн. Успехи
современной квантовой физики, электроники и оптики создали
объективные предпосылки для развития оптико-электронных
вычислительных устройств и систем.

Первые сообщения о возможности применения оптических
элементов и устройств в системах обработки информации появи-
лись в начале 60-х годов. На состоявшемся в октябре 1962 г.
симпозиуме по оптическим методам обработки информации были
рассмотрены оптические и оптико-электронные логические и за-
поминающие элементы, а также аналоговые методы оптической
обработки информации. Результаты симпозиума по технике
обработки информации оптическими и оптико-электронными
методами, состоявшегося в ноябре 1964 г. в Бостоне (США), по-
казали, что названные методы стали практически самостоятель-
ной областью квантовой электроники [17].

В настоящее время можно выделить три основных направле-
ния в области построения оптических вычислительных устройств.

1.	Создание оптических ЦВМ, по структуре подобных суще-
ствующим электронным. Принципиальной особенностью элемен-
тов, предназначенных для работы в оптических ЦВМ, является
активное применение различных оптических и квантово-механи-
ческих эффектов для построения отдельных типов элементов
202
и устройств. В таких вычислительных устройствах применяются
миниатюрные оптические квантовые генераторы, высокоскорост-
ные фотодетекторы, приборы, построенные на основе волоконной
и интегральной оптики, и т. д.

Применение волоконной и интегральной оптики представ-
ляется особенно перспективным. В связи с тем, что в оптических
волокнах, активированных примесями, наблюдаются явления
генерации, эти приборы могут одновременно служить и актив-
ными элементами (генераторами электромагнитных колебаний,
несущих информацию) и каналами передачи информации, обе-
спечивающими одновременно компенсацию потерь при передаче
за счет усиления сигнала.

2.	Построение аналоговых оптических систем для обработки
информации. В этих системах для обработки информации, пред-
ставленной изображениями непрерывных функций («картина-
ми»), используется аналогия между пространственным (дву-
мерным) и временным (одномерным) преобразованиями Фурье.
Носителями исходной информации служат транспаранты (диа-
позитивы) переменной прозрачности (например, фотопленки),
модулированной по определенному закону. Преобразование
информации осуществляется в оптической системе путем нало-
жения (проецирования) изображений непрерывных сигналов.
Результат вычислений, представляемый в виде некоторой свето-
вой картины в плоскости изображений, регистрируется
с помощью фотоприемников. Системы подобного рода нашли
применение в устройствах оптической фильтрации (распознава-
ние образцов, выделение сигналов на фоне помех, дешифриро-
вание фотоснимков, выполнение интегральных преобразований
и т. п.).

Развитие теории оптических аналоговых вычислительных
устройств позволило приступить к исследованиям возможностей
построения оптических ассоциативных запоминающих устройств
большой емкости.

3.	Разработка вычислительных устройств с «картинной»
логикой.

Подобные устройства являются в известном смысле синтезом
двух рассмотренных выше типов. Эквивалентное быстродействие
таких систем будет, по-видимому, достигать величины порядка
1017 — 1020 операций в секунду. Обработка информации осущест-
вляется в оптической или электронно-оптической системе путем
реализации закономерностей алгебры логики в процессе парал-
лельной обработки массивов информации, представленной в виде
«картин» — транспарантов переменной прозрачности или яр-
кости.

Принципиально возможно создание вычислительной машины,
в которой все информационные и управляющие сигналы будут
оптическими. Основными компонентами такой системы могут
являться элементы интегральной оптики и оптико-волоконные
элементы, характеризуемые соответствующими концентрациями
активных (излучающих) и пассивных (поглощающих) ионов.
Снабжение вычислительной машины энергией может осущест-
вляться путем помещения ее в непрерывное световое поле, ко-
торое обеспечивает постоянную энергию накачки для поддержки
инверсной населенности излучающих ионов. К преимуществам
такой системы можно отнести отсутствие непосредственных сое-
динений ее отдельных схем с источником питания, возможность
передачи сигналов между ее элементами без контактного соеди-
нения между ними и перспектива получения высокого быстро-
действия. Идея создания полностью световых вычислительных
машин привлекает внимание многих исследователей уже в те-
чение некоторого времени, но только в последнее время успехи
квантовой электроники создали основы для создания таких
систем [91].

Однако из-за трудностей создания полностью оптических
вычислительных систем неоптические системы типа крупномас-
штабных интегральных схем могут оказаться в ближайшем
будущем более перспективными, чем аналогичные оптические
средства. Однако применение оптических средств может позво-
лить найти оптимальное решение многих проблем, существующих
сейчас в вычислительной технике. В частности, с помощью
оптических методов можно усовершенствовать процессы програм-
мирования и организации вычислительных операций [58].

Основные требования, предъявляемые к вычислительным
системам для обеспечения высокоэффективной обработки инфор-
мации— это большая скорость обработки информации, большой
объем памяти, универсальность применения, малая стоимость.
Кроме того, необходимо обеспечить высокую надежность работы
системы.

Рассмотрим возможности выполнения перечисленных выше
требований в случае использования методов оптоэлектроники.
Как известно, оптические сигналы обладают рядом уникальных
свойств, которые выгодно отличают их от сигналов, используемых
в электронных системах. Этими свойствами являются следую-
щие: отсутствие заряда у фотона, что позволяет легко осущест-
влять развязку сигналов: потенциальная возможность одновре-
менного подключения ко входу счетно-решающего устройства
большого числа различных схем; возможность одновременного
распространения нескольких независимых сигналов через про-
стые каналы; возможность создания очень малых элементов, что
обуславливает более высокие рабочие скорости системы.

Таким образом, перечисленные свойства устройств оптико-
электронной обработки информации позволяют создать быстро-
действующие, высоконадежные, универсальные и недорогие си-
стемы этого класса.

В оптико-электронной вычислительной технике выявились два
основных направления [91]. Первое направление можно назвать
204
оптическим. Оно основано на использовании эффектов взаимо-
действия твердого тела с электромагнитным излучением. При
этом используются достижения голографии, фотохромизма, а
также различные явления, представляющие собой комбинацию
магнитных, фазовых и других эффектов в твердом теле при
действии на него излучения. Перспективы этого направления
«связаны с разработкой новых принципов построения систем
накопления и обработки информации, систем «картинной» логи-
ки, систем преобразования сигналов и функциональной пере-
работки. Оптическое направление в оптоэлектронике базируется
на источниках когерентного излучения. Особый интерес пред-
ставляют твердотельные лазеры и прежде всего полупроводни-
ковые, открывающие широкие возможности микроминиатюри-
зации и интеграции оптико-электронных систем и устройств.
Прогресс этого направления в оптоэлектронике сдерживается
дефицитом материалов для полупроводниковых лазеров, для
которых характерны быстрая деградация, малый срок службы
и высокие плотности токов накачки.

Вторым направлением считается электронно-оптическое. Оно
основано на принципе фотоэлектрического преобразования по-
средством внутреннего фотоэффекта в твердом теле с одной
стороны и электролюминесценции с другой стороны. Суть направ-
ления состоит в замене гальванических и магнитных связей
в традиционных электронных цепях на оптические, что вносит
в них существенные качественные отличия. Наличие оптического
звена позволяет повысить плотность информации в канале обра-
ботки, его быстродействие, помехозащищенность и степень мини-
мизации схемных решений.

Диапазон управляющих информационных сигналов ограничен
практически десятками гигагерц в переключающей и частично
в генераторной технике и несколько уже в усилительной технике.
Освоение оптического диапазона электромагнитных волн рас-
ширяет диапазон управляющих сигналов до 1014— 1015 гц. Это
существенно повышает информационные возможности оптико-
электронных систем по сравнению с электронными системами.

Реализация оптической связи в электронных цепях позволяет
по-новому, более эффективно решать многие задачи полупро-
водниковой и электронно-вакуумной техники. На основе опто-
электронного принципа могут быть созданы безвакуумные
аналоги электронных устройств и систем: генераторы, усилители,
логические схемы, элементы памяти, линии задержки, ключевые
элементы, коммутаторы и пр. При этом создание таких устройств
на основе оптоэлектроники вносит в них конструктивную про-
стоту, минимизацию схемных решений, гальваническую развязку
цепей и повышает помехозащищенность.

Элементную базу оптоэлектроники составляют источники
света, оптические среды и фотоприемники, представляющие со-
бой три основных звена оптоэлектронного преобразования.
Источник света и фотоприемник, связанные между собой
оптической средой (в том числе и управляемой), представляют
собой элементарное звено оптоэлектроники — оптрон, который
в состоянии выполнять простейшие функциональные преобразо-
вания. Оптрон может использоваться как самостоятельный
дискретный элемент электрической цепи или может применяться
как элемент топологии более сложных оптоэлектронных схем
и устройств. Это соответственно определяет два направления
оптоэлектроники: элементное и топологическое. Сущность по-
следнего подхода составляет анализ, синтез и разработка оптико-
электронных систем и устройств заданной функциональной
сложности.

Рассмотрим более подробно элементный подход, заключаю-
щийся в исследовании и поиске новых материалов и явлений»
которые могут быть использованы для генерации, приема, пере-
дачи и коммутации излучений.

Принцип работы оптико-электронных элементов связан с
превращением энергии из одной формы в другую по схеме
«оптический сигнал — электрический сигнал — оптический сиг-
нал» или по схеме «электронный сигнал — оптический сигнал —
электронный сигнал». Оптроны можно разделить на два типа:
оптроны, обладающие внутренней электронной связью, с опти-
ческим входом и выходом и оптроны, обладающие внутренней
фотонной связью, с электрическим входом и выходом.

Элементарный оптрон является структурным элементом це-
пей оптоэлектроники подобного тому, как транзистор или диод
является структурным элементом цепей полупроводниковой
электроники. Так же, как и транзисторы различных типов»
оптроны в зависимости от их структуры отличаются своими
характеристиками и параметрами. Это дает возможность соби-
рать из них оптико-электронные схемы и системы различной
сложности и назначения с заданными функциями преобразова-
ния как электрических, так и оптических сигналов. Многообра-
зие возможных характеристик оптронов определяется главным
образом многообразием характеристик применяемых в них
излучателей и фотоприемников. В качестве последних могут ис-
пользоваться любые полупроводниковые фотоэлектрические
приборы, у которых выходным параметром является изменяю-
щийся с освещенностью импеданс Z$d-

Основные достоинства оптической связи в оптронах могут
быть реализованы лишь в том случае, когда сохраняется ее
сравнительно высокая эффективность преобразования электри-
ческого сигнала в оптический и затем наоборот — оптического
сигнала в электрический. При этом эффективность оптической
связи будет тем выше, чем меньше потери в самом канале и чем
больше доля фотоэлектрического поглощения в материале при-
емника. При оценке эффективности фотонной связи необходимо
учитывать также простоту и эффективность генерирования излу-
206
чения. Из всего спектра электромагнитных колебаний наиболь-
шую эффективность фотонной связи обеспечивает оптический
диапазон в области длин волн 400—1200 нм, включающий види-
мую область спектра. Этим определяются требования к источ-
никам света, фотоприемникам и световодам в оптико-электрон-
ных цепях и особенности режимов их работы.

Успешная реализация принципов оптоэлектроники зависит
от создания управляемых источников света и фотоприемников
к ним, удовлетворяющих конструктивным технологическим, элек-
трическим и оптическим требованиям оптико-электронных
пар.

В качестве источника света в оптронах могут применяться
накальные и газоразрядные источники, электролюминесцентные'
конденсаторы и инжекционные светодиоды. Несомненно наи-
больший интерес представляют инжекционные светодиоды,
и особенно структуры на основе гетеропереходов. На основе ге-
теропереходов может быть осуществлено плавное управление
длиной волны генерируемого излучения.

На основе гетеропереходов могут быть изготовлены диодные
источники как когерентного, так и некогерентного излучения.
Гетеропереходы являются весьма перспективными фотоприем-
никами в оптронах, допускающими как дискретное, так
и интегральное исполнение.

В оптронных элементах в качестве фотоприемников могут
использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы,,
фототиристоры и др.

В связи с перспективными разработками к оптронам предъ-
являются требования увеличения коэффициента усиления до
103 — 106 и добротности до 1014 — 1015.

Используя механизм лавинного умножения и положительные
внутренние связи в многослойных р — n-структурах, можно
наметить два пути решения этой задачи. Первый путь связан
с разработкой лавинных фотодиодов, второй — с разработкой фо-
тотиристорных структур. При этом лавинные фотодиоды следует
рассматривать как быстродействующие ключевые элементы
логических схем, а фототиристоры как усилители мощности
в основном до микросекундного диапазона.

Рассмотрим характеристики оптрона как функционального
элемента канала обработки информации. При этом полезно,
сначала отвлечься от конкретных способов физической реализа-
ции компонентов оптронных схем и сконцентрировать внимание
на характере и последовательности межкомпонентных связей.

Из всех известных схем элементарных оптронов наибольшее
распространение получил оптрон с прямой оптической связью.
Этот тип оптрона используется в качестве управляемого сопро-
тивления, являющегося функцией тока или напряжения; элемен-
та бесконтактного фотопотенциометра; элемента гальванической
развязки низковольтных и высоковольтных, низкочастотных
Рис. 101. Принцип дейст-
вия оптрона с оптической
связью

и высокочастотных цепей; модулятора; коммутатора каналов
радиорелейных линий и др.

Оптрон с прямой оптической связью может быть использован
как аналоговый элемент в схемах суммирования, умножения,
.деления, дифференцирования и интегрирования. Он может
являться структурным элементом логических схем типа И, ИЛИ,
НЕ, линий задержки сдвигающих регистров и других устройств.

Для преобразования информации в оптроне, могут быть
использованы различные магнитооптические, электрооптические,
фотохимические, оптические и другие эффекты, позволяющие
управлять параметрами светового пучка: интенсивностью, дли-
ной волны, направлением, поляризацией, фазой и т. п. Среди этих
эффектов можно назвать поперечный электрооптический эффект
Поккельса, наблюдаемый на р-переходах в кристаллах GaP,
GaAs, линейный продольный эффект Поккельса в кристаллах
типа дигидрофосфата калия, поперечный квадратичный Керр-
эффект на сегнетоэлектриках, электрооптический эффект Фран-
ца-Келдыша, эффект электроотражения для полупроводников,
эффект поглощения света свободными носителями (действие
«света на свет»), магнитооптический эффект Фарадея и др.

Используя перечисленные эффекты в оптронах, можно осу-
ществить модуляцию светового потока, его коммутацию, пере-
ключение по каналам оптической связи, размножение каналов
и пр.

На рис. 101 показан принцип действия оптрона с оптической
связью. Входной электрический сигнал, поступающий на источ-
ник излучения И, трансформируется в световой импульс, пере-
даваемый по световоду на фотоприемник ФП. Здесь осущест-
вляется обратная трансформация. Фотоприемник действует как
электрический ключ с оптическим направлением. Падающий на
него импульс света вызывает перераспределение напряжения в
цепи источника питания U, в результате чего на выходе оптрона
возникает усиленный электрический сигнал.

Примером схемного осуществления оптрона может служить
оптоэлектронный ключ с прямой оптической связью (рис. 102, а).
На рис. 102, б приведены типичные выходные характеристики
оптрона на основе оптронной пары GaAs — Si.

Если вместо оптической создать электрическую связь между
компонентами оптрона, то его функциональные свойства суще-
2Э8
ственно изменятся. Схема такого оптрона представлена на
рис. 103. Входом схемы служит фотоприемник Ф/7, а выходом
излучатель И. Входной оптический сигнал вызовет повышение
напряжения на излучателе, в результате чего испускается вы-
ходной импульс света. Такой оптрон может осуществлять одно-
временно операции усиления и спектрального преобразования
света, например, трансформацию ///(-излучения в видимый
свет.

Осуществление обратных связей между компонентами
оптронов (рис. 104) существенно расширяет функциональные

Рис. 104. Схема
оптрона с по-
ложительной
обратной
связью

Рис. 103. Схема
оптрона с элек-
трической
связью

Рис. 106. Схема
оптрона с отри-
цательной об-
ратной связью

14 Заказ 375

209
Рис. 107. Оптоэлектрон-
ная логическая схема И

Рис. 108. Оптоэлектрон-
ная логическая схема

НЕ —ИЛИ

возможности оптронных систем. При достаточно глубокой поло-
жительной обратной связи на вольт-амперной характеристике
оптрона появляется участок с отрицательным сопротивлением
(рис. 105). Действительно, появление на входе оптрона оптиче-
ского сигнала достаточной интенсивности ведет к появлению
оптического сигнала на выходе схемы, часть которого воздей-
ствует на фотоприемник, стремясь еще более усилить свечение
выходного элемента. Использование обратных связей в оптронах
открывает возможность для создания оптоэлектронных триг-
геров, генераторов, элементов памяти, логических ячеек, сдви-
гающих регистров и других устройств.

В оптронах также можно осуществлять и отрицательную
обратную фотонную связь. Оптронная ячейка с отрицательной
обратной связью, изображенная на рис. 106, позволяет осущест-
влять, кроме усиления и спектрального преобразования, также
стабилизацию светового потока. В ней выполняется передача
света на фотоприемник ФПЬ шунтирующий светоизлучатель
и создающий отрицательную обратную оптическую связь.

Оптоэлектроника позволяет различными способами конструи-
ровать логические схемы И, ИЛИ, НЕ — ИЛИ. На рис. 107 по-
казано оптоэлектронное решение ячейки, осуществляющей
логическую операцию И. Рассматриваемое устройство имеет два
оптических входа. Оптический сигнал на выходе устройства по-
явится лишь при условии, что на оба его входа поступают опти-
ческие сигналы. Если оба фотоприемники ФП\ и ФП2 включить
не последовательно, а параллельно между токами А и 5, то та-
кая схема будет осуществлять логическую операцию ИЛИ.

На рис. 108 представлена оптоэлектронная схема, осущест-
вляющая операцию НЕ — ИЛИ. На этой схеме два фотоприем-
210
ника и источник излучений И подключены к источнику питания
параллельно с гасящим сопротивлением. Выходной световой
сигнал в этой схеме будет иметь место только в том случае, если
входные сигналы отсутствуют.

Различные оптоэлектронные схемы, осуществляющие как
элементарные логические, так и сложные вычислительные опе-
рации, рассмотрены в следующих главах с учетом специфики их
технической реализации.

Г л а в а 2. ЛАЗЕРНЫЕ ЭЛ ЕМЕНТЫ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Успехи квантовой электроники создали предпосылки для
разрабртки полностью оптических систем обработки информации,
в которых информационные сигналы являются оптическими
сигналами. Действие таких систем и устройств основано на
процессах лазерного усиления, генерации оптических сигналов,
на гашении излучений одного лазера излучениями другого
и некоторых других. Идея построения оптических логических
элементов амплитудно-импульсного типа на ОКГ (элементов,
в которых нулю и единице двоичной информации соответствуют
отсутствие и наличие световых импульсов на выходе) основана
на самом принципе действия ОКГ — на явлении индуцированного
излучения. Цифровые элементы на ОКГ могут использоваться
при построении цифровых вычислительных устройств аналогично
транзисторам. Основное отличие заключается в том, что преоб-
разованию подвергаются оптические, а не электрические сигналы.

Действие элементов этого типа основывается на процессах
нелинейного взаимодействия между оптическими сигналами или
оптическим сигналом и материалом ОКГ (либо специальным
поглощающим — абсорбирующим — веществом). Основным ус-
ловием применения абсорбирующего материала в цифровом
элементе является легкая насыщаемость этого материала опти-
ческими сигналами, формируемыми ОКГ. Наиболее приемлемы-
ми для построения логических элементов являются полупровод-
никовые ОКГ.

Как показал ряд исследований, принципиально возможно
создание на основе ОКГ логической схемы ИЛИ. В этом случае
ОКГ возбуждается от источника подкачки до уровня, близкого
к порогу генерации, после чего на вход схемы подается инфор-
мационный сигнал, возбуждающий ОКГ выше уровня начала
генерации; в результате на выходе ОКГ возникает световой
импульс.

Другим возможным вариантом является построение на осно-
ве ОКГ логической схемы НЕ. В этом случае осуществляется
гашение одного ОКГ излучением другого ОКГ. Подобный
14*	211
Рис. 109. Схемы гашения полупроводниковых ОКГ:

а — квадратные ОКГ; б — сдвоенный ОКГ; в — прямоугольные ОКГ

эффект наблюдается в полупроводниковом ОКГ на арсениде
галлия.

Сущность происходящих при этом явлений заключается в
том, что при пропускании когерентного излучения одного из ОКГ
через активное вещество другого возникает индуцированное
излучение, имеющее то же направление распространения, что
и падающий свет. Излучение первого ОКГ вызывает уменьшение
населенности инверсных уровней второго ОКГ, что приводит
к подавлению колебаний и гашению второго ОКГ. Этот процесс
можно охарактеризовать коэффициентом гашения, который ра-
вен отношению мощности, отнимаемой от гасимого ОКГ,
к мощности, падающей на него. Экспериментальные значения
коэффициента гашения составляют 0,01—0,07.

Применительно к инжекционным ОКГ можно выделить
несколько основных случаев гашения одного лазера другим.

Например, применяются два одинаковых инжекционных
ОКГ, имеющих в поперечном сечении форму квадрата: А — гася-
щий ОКГ, В — гасимый ОКГ (рис. 109). Возбуждаемые типы
колебаний в ОКГ создаются с помощью с одной стороны иде-
ального отражающего зеркала и зеркала с частичным пропу-
сканием с другой стороны. На двух свободных концах нанесены
покрытия, обеспечивающие отсутствие отражений. Излучения
лазера А направляются в активную зону лазера В, пересекая
его неотражающие плоскости и не создавая, таким образом,
обратной связи на А. Для того чтобы вызвать гашение лазера В,
мощность излучения лазера Д, проникшая в активную зону
лазера В, должна быть достаточно большой. Для эффективного
гашения необходимо обеспечить сильную оптическую связь
между лазерами. Эффективное гашение излучения можно
получить в сдвоенном полупроводниковом генераторе (рис. 109,
б), который представляет собой два генератора, объединенных
в один блок с общим и — р-переходом, но получающих энергию
накачки от разных цепей. Стороны блока генераторов, парал-
212
I i I

Puc. 110. Схемы с двумя устойчивыми состояниями на полупроводнико-
вых ОКГ:

1 — выход для первого состояния; 2 — выход для второго состояния

лельные направлению излучения гасящего лазера, обрабаты-
ваются таким образом, чтобы устранить генерацию гасящего
лазера в перпендикулярном направлении. При таком исполнении
имеет место весьма высокий коэффициент передачи оптической
мощности между двумя генераторами.

Для увеличения коэффициента гашения также применяются
прямоугольные ОКГ. В гасящем ОКГ энергия излучается через
широкую сторону, излучение фокусируется таким образом,
чтобы оно прошло вдоль длины гасимого ОКГ (рис. 109, в).

Разработаны также лазерные элементы с двумя гасящими
источниками излучения.

Следует отметить, что наиболее жесткие принципиальные
ограничения на к. п. д. связи между ОКГ накладывает
дифракционная расходимость луча в пространстве между ОКГ
в направлении, перпендикулярном плоскости переходов. Вслед-
ствие этого величину к. п. д. связи, имеющую практическое
значение, можно получить лишь в том случае, если расстояние
между ОКГ не превышает квадрата толщины активного слоя,
деленного на длину волны излучения в данной среде. Для улуч-
шения к. п. д. связи могут быть применены оптические волокна
или линзы.

Создан ряд лазерных элементов, обладающих несколькими
устойчивыми состояниями. Простейшая схема с двумя устойчи-
выми состояниями, в которой два ОКГ (Д и J5) могут гасить
друг друга, показана на рис. ПО, а. Это бистабильное устройство’
содержит два генератора, связанных друг с другом с помощью»
зеркал. Если в таком устройстве существует достаточно эффек-
тивная оптическая связь, то одновременная работа двух лазеров
исключается. Например, если работает генератор А, то его излу-
чение гасит излучение генератора Б. В этом состоянии устрой-
ство остается до того момента времени, пока внешний сигнал не
подавит излучение генератора А, Это вызовет переключение
устройства из первого устойчивого состояния (когда излучает
генератор Л) во второе устойчивое состояние (когда излучает
генератор Б).

Недостаток этой схемы заключается в том, что оптическое
расстояние между элементами равно по меньшей мере длине
стороны ОКГ. Поэтому для ограничения дифракционной расхо-
димости луча размеры обоих ОКГ должны быть достаточно
малыми.

Этот недостаток устраняется, если использовать схему,
представленную на рис. 110,6. Это устройство представляет
собой четырехлазерную симметричную конструкцию. При нали-
чии достаточно сильной оптической связи между генераторами
будут работать только два ОКГ и устройство будет иметь два
устойчивых состояния. Например, в первом устойчивом состоя-
нии могут генерировать лазеры А и С, а генерация лазеров Б
и Д будет подавлена. Устройство этого типа может быть выпол-
нено в виде монолитного четырехлазерного блока с общим
п — р-переходом (рис. ПО, в), в котором каждый лазер имеет
самостоятельную цепь питания. Электрическая развязка лазе-
ров осуществляется прорезанием в монокристалле между ними
канавки.

Явление срыва колебаний одного ОКГ под действием
выходного сигнала другого ОКГ принципиально позволяет
строить не только инверторы, реализующие логическую функцию
НЕ, но и элементы, выполняющие операцию НЕ — ИЛИ.

Оптический элемент НЕ — ИЛИ можно представить в виде
ОКГ с непрерывным излучением, выходные сигналы которого
могут быть подавлены с помощью входных сигналов, подводимых
к ОКГ через оптические квантовые усилители. Подобная схема,
содержащая усилитель — генератор — усилитель, должна быть
устойчивой, свободной от самовозбуждения и при этом должна
обладать достаточным коэффициентом усиления для того, чтобы
выходной сигнал одного элемента мог воздействовать, по край-
ней мере, на два других элемента.

На рис. 111 приведена схема оптического инвертора, реали-
зующего операцию НЕ. Инвертор выполнен на основе ОКГ из
арсенида галлия, он включает в себя усилитель и генератор.

Принцип действия этого устройства основывается на явлении
гашения лазерного излучения лучом другого лазера. Часть пло-
щади р — n-перехода лазерного усилителя работает как лазер-
ный генератор. Пока входной сигнал на усилитель не подается,
в генерирующей области р — n-перехода происходит испускание
света. Подача светового сигнала на вход усилительной секции
вызывает мощный поток когерентного излучения в направлении,
перпендикулярном генерируемому пучку. Проходя через гене-
214
Рис. 111. Оптический инвертор на полупроводниковом ОКГ:
а — принципиальная схема; б — энергетические соотношения в сечении ак-
тивной области ОКГ; 1 — входной сигнал; 2 — область р — «-перехода; 3 —
источник тока возбуждения (подкачки); 4 — усиленный выходной сигнал; 5 —
инвертированный выходной сигнал; 6 — зона усиления сигнала; 7 — зона
генерирования сигнала

рирующую область р — n-перехода, это излучение уничтожает
в ней инверсное распределение носителей, вследствие чего
генерация в первоначальном направлении прекращается.

Такой лазерный инвертор может служить основой бистабиль-
ных и одностабильных элементов и осуществлять логические
операции НЕ — ИЛИ и НЕ — И. Простейшим лазерным триг-
гером является система из двух оптически связанных лазеров
с достаточно большими значениями коэффициентов взаимного
гашения. Время переключения таких лазерных систем порядка
10~9—10~10 сек. Необходимо отметить, что осуществление
чисто оптической (гасящей) связи лазер — лазер существенно
расширяет класс оптоэлектронных систем.

Инжекционный лазер считают почти идеальным элементом
логических устройств. Он создает узкий световой пучок с высо-
кой плотностью мощности; интенсивностью пучка легко управ-
лять и в случае применения в быстродействующих логических
схемах интенсивность можно модулировать с очень высокой
частотой 133].

Выполняя полупроводниковые переходы в лазерах в после-
довательных и параллельных конфигурациях и используя тот
факт, что лазерный эффект по одной из осей гасит лазерное
излучение по другой оси, можно создать схемы, выполняющие
логические операции. Те поверхности приборов, излучение через
которые нежелательно, загрубляют, а торцы, через которые
излучение должно выходить, скалывают. В качестве промежу-
точных каскадов, воспринимающих излучение, можно использо-
вать фотоприемники.

Вероятно, наиболее заманчивым является предложение об
использовании инжекционных лазеров в качестве логических
схем, в которых состояния лазера «включено» и «выключено»
должны соответствовать логической 1 и логическому 0. При этом
Рис. 112. Схемы использования ин-
жекционных лазеров в качестве логи-
ческих вентилей

вся сложная коммутация, основные логические операции выпол-
няются в оптическом блоке схемы. Фотоэлектрическое преобра-
зование используется лишь на этапе вывода.

В двувходовый вентиль И (рис. 112, а) входные сигналы
подаются на два полупроводниковых перехода А и Б, располо-
женных на едином монокристалле вдоль оси лазерного излуче-
ния. При подаче тока только к одному из входов лазерный эф-
фект не возникает, так как длина активной зоны в сравнении
с общей длиной слишком мала и мало усиление. Когда же ток
подводится к обоим входам одновременно, усиление возрастает,
и в элементе возникает лазерный эффект, при котором излучение
выходит в двух направлениях, указанных стрелками. Для того
чтобы устранить возникновение лазерного эффекта в направ-
лении, перпендикулярном основному, соответствующие поверх-
ности прибора «загрублены».
Рассмотрим вентиль НЕ (рис. 112,6), который в какой-то
степени аналогичен вентилю И. Сдвоенный ОКГ, содержащий
два резонатора в одной структуре, может быть получен, если
сделать прорезь на длинной стороне диода. При этом образуются
два перпендикулярных резонатора. Резонаторы получают пита-
ние от двух самостоятельных источников тока. Изоляция между
ними осуществляется путем пропиливания щели в верхней ме-
таллической контактивной пластине, а также в части полупро-
водникового материала, для того чтобы исключить проводи-
мость утечки.

В схеме НЕ у одного из диодов все торцы образованы скалы-
ванием, что позволяет создавать лазерное излучение как вдоль
малой, так и вдоль большой оси кристалла. Лазерный эффект
по короткой оси возникает, когда ток подводится только к этому
диоду. Когда ток поступает в оба диода, лазерный эффект
возникает в направлении большой оси, при этом расходуется
подавляющее большинство носителей, что приводит к гашению
излучения диода А в перпендикулярном направлении.

Если входной ток диода А превышает пороговое значение
и имеет неизменную величину, а в направлении малой оси уста-
новлен фотоприемник, то вентиль НЕ будет выдавать двоичную^/
в отсутствие тока на второй диод и двоичный 6, когда ток на
входе второго диода на небольшую величину превышает поро-
говое значение. Если фотоприемник установлен в направлении
большой оси, описываемый вентиль может использоваться как
схема И.

Вентиль ИЛИ (рис. 112, в) выполняется из двух параллельно
включенных диодов, имеющих увеличенную длину вдоль оси
излучения. Лазерный эффект возникает при подаче тока на лю-
бой из диодов либо на оба диода одновременно. Чтобы исклю-
чить возможность излучения вдоль короткой оси, поверхности,
перпендикулярные переходу, затрублены.

Рассмотрим группу трехдиодных вентилей.

Вентиль НЕ — И (рис. 112, г) аналогичен вентилю НЕ—ИЛИ
с той лишь разницей, что все три лазерных диода располагаются
друг за другом в направлении большой оси кристалла. Средний
диод может давать лазерное излучение по любой из осей, но
обычно к нему подводится ток, достаточный для поддержания
лазерного излучения вдоль малой оси. Чтобы погасить это излу-
чение и изменить направление излучения, необходимо подавать
ток на оба крайних диода. Фотоприемник, установленный
в направлении малой оси, позволяет реализовать функцию
НЕ — И, а фотоприемник, установленный вдоль большой оси,
обеспечивает реализацию функции И.

Вентиль НЕ — ИЛИ (рис. 112, д) образуется из двух парал-
лельных диодов, включенных последовательно с третьим диодом,
находящимся на большой оси кристалла. Третий диод может
давать лазерное излучение в направлении как малой, так и
большой оси. Если на вход одного из параллельных диодов
подается ток, превышающий пороговое значение, то в направле-
нии большой оси возникает лазерное излучение, которое гасит
излучение в направлении малой оси. При установке фотопри-
емника в направлении малой оси данный прибор выполняет
функции схемы НЕ — ИЛИ, при установке фотоприемника в на-
правлении большой оси прибор может выполнять функцию
схемы ИЛИ.

Наиболее сложным из основных устройств является полу-
сумматор (рис. ИЗ). Он состоит из вентиля НЕ — ИЛИ, распо-
лагаемого по оси суммы С, и вентиля И, располагаемого по оси
переноса Р. Полусумматор имеет два входа суммирования (вхо-
ды данных) и один разрешающий вход.

Ток подается на разрешающий вход и вызывает лазерное
излучение, если одновременно действует ток на одном из входов
данных; разрешающий импульс имеет большую длительность,
чем импульсы данных. Если импульс подан только на один вход,
лазерное излучение направлено по оси суммы С, если импульсы
данных поданы на оба входа, лазерное излучение, направленное
по оси суммы, гасится и возникает лазерное излучение, направ-
ленное по оси переноса Р; последнее обусловлено тем, что длина
прибора по оси переноса больше и, следовательно, усиление по
этой оси будет больше.

Разработан полупроводниковый триодный лазер, работаю-
щий в триггерном режиме. Это устройство имеет три перехода,
причем один является последовательным по отношению к двум
остальным и, таким образом, является общим для двух осей
лазерного излучения (рис. 114). Когда импульс подается на
общий переход А, лазерное излучение не возникает, но подача
импульса на любой из других переходов приводит к возникно-
вению лазерного излучения вдоль оси, проходящей через данный
переход и общий переход.

Импульс, подаваемый на переход, расположенный по другой
оси, гасит лазерное излучение по первой оси и вызывает излу-
чение по второй.

Рабочая скорость лазерной логики такого устройства должна
измеряться временем менее 10“н сек.

Использование в дискретных оптических схемах насыщаю-
щегося поглотителя позволило разработать ряд новых логиче-
ских схем.

Применение лазера в качестве логического элемента является
довольно перспективным благодаря минимально короткому
времени нарастания лавины света в оптическом усилителе, так
для однородной полосы частот 1012 гц для лазера на полупровод-
нике время нарастания импульса составляет 10-12 сек.

Наиболее подходящим переключателем является насы-
щенный абсорбционный переключатель, в котором фотоны могут
отклоняться магнитным или электрическим полями.
При больших временах переключения снижается общая
инверсия в материале лазера. Импульс нарастает экспойенциаль-
но со временем нарастания t\ и спадает также экспоненциально
со временем спада /2- Как только время переключения схемы
превысит время нарастания квантовое число будет медленно
увеличиваться, а импульс расширяться. Снижение инверсии
становится поверхностным, инжектируемая энергия импульса
снижается.

Быстродействующий поляризованный переключатель полу-
чается, если для управления плоскостью поляризации исполь-
зуется вместо магнитного электрическое поле, использующее
эффект Керра или эффект Поккельса.

Оптический генератор представляет собой резонатор оптиче-
ского диапазона длин волн, в котором есть ячейка с материалом,
обеспечивающим двойное лучепреломление.

Оптические инверторы, изменяющие полость поляризации
проходящего через него светового сигнала и построенные на элек-
трическом кристалле дигидрофосфата калия (кристаллы KDP)
или дигидрофосфата аммония (кристаллы ADP), имеют то
достоинство, что для поворота плоскости поляризации светового
сигнала на 90° применяется сравнительно низкое управляющее
электрическое напряжение.

Наиболее простым и эффективным переключателем для
лазерного генератора служит насыщенный абсорбер, трансмис-
сия которого зависит от светового потока. Трансмиссия при исче-
зающе малом световом потоке выбирается такой, что лазерный
Рис. 115. Оптико-электронные
лазерные элементы:

а — одностабильный элемент;

б — вентиль И; 1 — зеркало; 2 —
полупрозрачное зеркало; 3 — на-
сыщающийся поглотитель; 4 — ла-
зер

резонатор в некоторый момент достигает порога максимальной
инверсии.

Использование насыщающихся поглотителей позволяет на
новых принципах конструировать схемы со многими устойчивы-
ми состояниями. Свойства устройств существенно зависят от
соотношения времен восстановления насыщающегося поглоще-
ния и инверсной населенности в активной зоне лазера. Если
свойства поглотителя восстанавливаются быстрее, чем излучате-
ля, то устройство может работать как одностабильный элемент,
управляемый сигналом по входу % (рис. 115, а). Устойчивым
состоянием является отсутствие генерации, обусловленное отно-
сительно большим коэффициентом поглощения поглотителя,
который превышает коэффициент усиления активной зоны. Если
на вход х подан оптический сигнал достаточной мощности, он
вызывает насыщение поглотителя, что приводит к уменьшению
его коэффициента поглощения. Если уменьшение коэффициента
поглощения произойдет до требуемого уровня, то управляющий
сигнал вызывает генерацию, что приведет к появлению оптиче-
ского импульса на выходе г.

После выключения, входного сигнала поглощающая способ-
ность поглотителя восстанавливается, что возвращает устрой-
ство в первоначальное состояние.

Такое устройство может быть и с двумя устойчивыми со-
стояниями. Для этого необходимо, чтобы излучательная способ-
ность лазера восстанавливалась быстрее, чем поглощающая
способность поглотителя. Тогда лазер, запущенный входным
сигналом %, будет продолжать генерировать и после выключения
сигнала, так как собственные излучения лазера будут поддер-
живать поглотитель в состоянии насыщения. Лазер можно
выключить путем подачи гасящего импульса на вход у.

Устройство, представленное на рис. 115,6, позволяет осу-
ществлять логическую операцию И. В этом случае насыщаю-
щееся поглощение должно восстанавливаться быстрее, чем излу-
чательная способность. На выходе схемы оптический импульс
220
появляется в том случае, когда управляющие сигналы поданы
одновременно на оба входа х и у.

С помощью рассмотренного принципа управления лазерными
элементами могут быть созданы различные логические элементы
И, ИЛИ, бистабильные мультивибраторы, сдвигающие регистры
и др.

На рис. 116 соответственно показаны основная переключаю-
щая схема, бистабильный мультивибратор и сдвигающий
регистре

У бистабильного мультивибратора (рис. 116,6) оба резона-
тора открываются благодаря управляющему импульсу. Резона-
тор, который предварительно не находился в колебательном
состоянии, имеет более высокое усиление, чем резонатор, который
раньше работал. При включении одного резонатора второй резо-
натор отключается.

У сдвигающего регистра (рис. 116, в) для включения резо-
натора необходимо произвести насыщение обоих принадлежащих
ему абсорбционных переключателей от внешнего источника
света. Тактовый импульс насыщает вторые абсорберы всех резо-
наторов.

Колебание перебрасывается при каждом тактовом импульсе
на следующее звено регистра сдвига и так последовательно обе-
гаются все разряды регистра.

Можно предположить, что цифровые логические элементы
с диодными лазерами могут быть экономически реализованы
в ближайшем будущем. От малогабаритного резонатора, по-
строенного на лазере, можно получить импульсы длительностью
10~и сек и частотой повторения 10 Ггц. Однако лазерные гомо-
переходные диоды на полупроводниковой основе необходимо
эксплуатировать при охлаждении до нескольких градусов по
Кельвину. В этом отношении весьма перспективными являются

Рис. 116. Оптико-электронные элементы:

а — переключающая схема; б — бистабильный мультивибратор; в — сдви-
гающий регистр; 1 — резонатор /; 2 — резонатор //; 3 — лазер; 4 — им-
пульс переключения; 5 — делитель света; 6 — тактовый импульс; 7 — вспо-
могательное зеркало
гетеропереходные лазеры, эффект генерации в которых наблю-
дается при комнатной температуре, а структура их совершеннее,
чем у гомопереходов.

На основе оптико-электронных эффектов разработан ряд
логических элементов, в которых использованы нелинейные
свойства некоторых материалов. При использовании процессов
гашения, усиления и эффектов насыщения на основе полупро-
водниковых лазеров создан лазерный инвертор, а также лазер-
ные устройства с несколькими устойчивыми состояниями.

Приведенные примеры позволяют утверждать, что суще-
ствует возможность в создании полностью оптических логических
схем на основе взаимодействия оптических квантовых генера-
торов.

Рассмотрим еще один путь осуществления логических
операций в оптических схемах обработки информации. В этом
случае основным элементом является оптический квантовый уси-
литель, изготовленный из волокна на неодимовом стекле [80].
Оптический квантовый усилитель является линией связи
с энергией, распределенной по длине. По своим характеристикам
он подобен нейристорной линии. Известно, что возбуждение
в любой точке нейристорной линии должно передаваться сосед-
ним точкам и вызывать появление сигнала, распространяющего-
ся по линии. Сигнал должен распространяться без затухания,
при этом его форма и амплитуда не должны зависеть от началь-
ного возбуждения. За сигналом, распространяющимся по ней-
ристору, должна следовать зона нечувствительности к возбуж-
дению. Наличие этой зоны исключает интерференцию сигналов.
В такой линии два встретившихся импульса гасят друг друга,
поскольку не могут преодолеть зону нечувствительности, сле-
дующую за каждым из них.

Развитие волоконной и интегральной оптики, по-видимому,
может позволить в дальнейшем создать вычислительные и логи-
ческие устройства, в которых будут применяться только оптиче-
ские активные и пассивные элементы. Предполагается, что
элементы некоторых оптических вычислительных устройств этого
типа будут работать аналогично линиям на нейристорах.

Исследования нейристоров, построенных на основе стекло-
волоконных ОКГ, показали, что основные требования к нейри-
сторным линиям передачи, во всяком случае в принципе, могут
быть удовлетворены при применении волоконных ОКГ. Линия
передачи с бегущей волной на ОКГ характеризуется линейными
потерями за счет рассейвания. Если в линии имеются насыщаю-
щие абсорбирующие ионы (в дополнение к эмиттирующим
ионам) и обеспечиваются линейные потери, то при соответствую-
щем выборе параметров по такой линии будут распространяться
незатухающие импульсы. В подобной линии может быть также
реализован и пороговый эффект, при котором слабые входные
импульсы, амплитуда которых ниже порога, будут затухать,
222
а сигналы, превышающие порог возбуждения, будут быстро до-
стигать стационарной амплитуды и формы.

Все возможные соединения нейристоров можно свести к двум
типам соединений. Соединение первого типа представляет собой
соединение нескольких нейристорных линий в одной точке.
Соединение этого типа называют Т-соединением (триггерным
соединением). В этом случае возбуждающий импульс, придя
в точку соединения линий по одному из волокон, возбуждает
оптические импульсы в остальных линиях, сходящихся к этой
точке. При другом способе соединения два волокна располага-
ются вблизи один от другого, но не соприкасаются.

Расстояние между ними должно быть, однако, достаточно
малым, чтобы волокна находились в состоянии оптического кон-
такта друг с другом. В соединениях подобного рода передается
зона рефрактерности. Если сигналы движутся по двум линиям
навстречу друг другу, то их встреча в зоне соединения приведет
к взаимному гашению сигналов точно так же, как это произошло
бы при их встрече в одном и том же волокне. Соединение
с такими свойствами называют P-соединением или рефрактер-
ным соединением.

Более сложные соединения волокон, используемые для
синтеза логических схем, сводятся к рассмотренным соединениям
двух типов: Т и Р-соединениям.

С помощью различных нейристорных соединений могут быть
реализованы всевозможные логические схемы: И, ИЛИ,
НЕ — ИЛИ, НЕ — И и др.

Однако необходимо отметить, что оптическая накачка кван-
товых усилителей в нейристорных схемах в данном случае
является их слабой стороной. Хотя и чрезвычайно заманчиво
осуществить чисто оптическую вычислительную машину без
подачи мощности питания через какие-либо соединения, однако
создать во всем рабочем объеме достаточную мощность накачки
пока не представляется возможным. Реально осуществимые
в ближайшее время уровни мощности накачки ограничивают
наименьшее время восстановления (или временную длину зоны
рефрактерности) величинами порядка 1—100 мксек, что ограни-
чивает быстродействие таких устройств частотами всего в не-
сколько килогерц.

Г л а в а 3. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Кратко рассмотрим класс элементов оптико-
электронных вычислительных устройств, основанных на исполь-
зовании явления электролюминесценции [31]. Такие элементы по
сравнению с лазерными обладают повышенной инерционностью.

223
| ФП

Рис. 117. Варианты простей-
ших двухкомпонентных оп-
тоэлектронных схем:
а — фотопотенциометр или оп-
тоэлектронное реле; б — запо-
минающая ячейка (оптрон)

Первые оптико-электронные схемы этого класса были созданы
на основе комбинации фотоприемников из сульфида или селени-
да кадмия и электролюминесцентных ячеек с фосфорами типа
ZnS. Эти компоненты хорошо согласуются по своим электриче-
ским и оптическим характеристикам.

Простейшие оптико-электронные схемы состоят лишь из двух
элементов: одного фотоприемника ФП и одной электролюминес-
центной ячейки ЭЛ, между которыми возможны электрические
и оптические взаимодействия. Два варианта двухкомпонентных
схем показаны на рис. 117.

В схеме, представленной на рис. 117, а, входным сигналом
является напряжение U, приложенное к электролюминесцентной
ячейке, а выходным — сопротивление фотопроводника. Схема
может работать в качестве фотопотенциометра, изменяющего
под действием управляющего напряжения свое сопротивление
в широких пределах. К достоинствам такого потенциометра сле-
дует отнести полную электрическую развязку, управляющей
и управляемой цепей.

Приведенная схема может работать по принципу включено —
выключено. Она представляет собой оптико-электронный аналог
электромеханического реле с коэффициентом переключения

/7 = /?max//?min=104<-10<

Запоминающая ячейка, изображенная на рис. 117, б, является
двухкомпонентной оптоэлектронной схемой с положительной
оптической обратной связью. Вольт-амперная характеристика
такого оптрона изображена на рис. 118. Кривая 1 представляет
собой вольт-амперную характеристику оптрона в «темновом»
режиме, когда напряжение на электролюминесцентной ячейке
мало и свечение практически отсутствует. Импеданс электролю-
минесцентной ячейки при этом гораздо меньше импеданса фото-
проводника, которым фактически и определяется форма кривой
1. С увеличением напряжения на оптроне возрастает приблизи-
тельно пропорционально и напряжение на электролюминесцент-
ной ячейке. При некотором значении тока й, протекающего через
оптрон, это напряжение достигает такой величины, при которой
свечение электролюминесцентной ячейки становится уже доста-
224
точным для самовозбуждения схемы. При этом рабочая точка
оптрона переходит на кривую 2, соответствующую режиму воз-
буждения. В этом режиме импеданс фотопроводника уменьшает-
ся, так что общий импеданс и вольт-амперная характеристика
оптрона определяются в основном электролюминесцентной
ячейкой.

В «темновом» режиме ток, протекающий через оптрон, носит
активный характер, а в режиме возбуждения он становится почти
чисто емкостным. Если в этом режиме начать понижать напряже-
ние, приложенное к оптрону, то последний продолжает оставать-
ся в возбужденном состоянии и при значениях, меньших напря-
жения самовозбуждения (Д. Лишь пр токе (г ниже некоторого
порогового значения ((2 > и) яркость электролюминесцентной
ячейки становится недостаточной для поддержания состояния
самовозбуждения и оптрон переходит в «темновой» режим.
В области напряжений от 0 до U2 бистабильная работа оптрона
невозможна.

Напряжение самопроизвольного переключения оптрона в
режим возбуждения условно принято равным 400 в. В действи-
тельности это напряжение оказывается значительно большим
и может превышать напряжение пробоя электролюминесцентной
ячейки. Поэтому если необходимо переключить оптрон простым
повышением напряжения, то значения напряжения самовозбуж-
дения t/i необходимо установить меньше напряжения пробоя.
Этого можно добиться либо путем слабой подсветки фотоприем-
ника, которая увеличивает крутизну вольт-амперной характери-
стики (кривая 3 на рис. 118), но сама по себе недостаточна для
переключения оптрона, либо путем шунтирования фотоприемника
соответственно подобранным сопротивлением.

Переключение возбужденного оптрона вновь в «темновой»
режим можно осуществить разными путями: кратковременным
понижением напряжения Ui до значения U2, облучением фотопо-
лупроводника интенсивным внешним светом или закорачивани-
ем электролюминесцентной ячейки.

Рис. 118. Типичная вольт-ам-
перная характеристика оптрона:
1 — в «темновом» режиме; 2 — в
режиме возбуждения; 3 — в «тем-
новом» режиме при наличии сла-
бой подсветки фотопроводника
На рис. 119 показана схема симметричного триггера. Если
возбуждена электролюминесцентная ячейка ЭЛ^ то благодаря
ее оптической обратной связи с фотоприемником ФП{ последний
имеет низкое сопротивление. Поэтому основная часть напряже-
ния оказывается приложенной к ячейке ЭЛ\ и в ней поддержи-
вается свечение. При этом ячейка ЭЛ2, шунтированная освещен-
ным фотоприемником ФП\, светиться не может. Если в какой-то
момент времени фотоприемник ФП2 осветить интенсивным им-
пульсом света, то его сопротивление начнет падать. Это вызывает
уменьшение напряжения на ячейке ЭЛ\, снижение ее яркости,
увеличение сопротивления фотоприемника ФП\, повышение на-
пряжения на ячейке ЭЛ2, дальнейшее снижение сопротивления
фотоприемника ФП2 и т. д. В результате схема мгновенно пере-
ходит во второе устойчивое состояние, при котором ячейка ЭЛ2
оказывается возбужденной, а ЭЛ\ — выключенной.

Если в схеме, приведенной на рис. 117, а, последовательно
с фотоприемником включить элемент, обладающий некоторым
импедансом то получим схему, изображенную на рис. 120,
которую можно рассматривать как усилитель напряжения (тока,
мощности). В этой схеме сигналом является напряжение на
ячейке ЭЛ, а входным — напряжение на нагрузке. Входное пе-
ременное напряжение может не только усиливаться, но-
и преобразовываться в постоянное, если входную цепь подклю-
чить к источнику питания постоянным током. Так как коэффи-
циент усиления при этом обычно мал, схема в основном приме-
няется как передающая цепочка. С этой целью в качестве

Рис. 120. Схема оптоэлек-
тронного усилителя мощ-
ности
Рис. 121. Оптоэлектронная
передающая цепочка с повы-
шенным быстродействием

нагрузки ZH в выходную цепь включают вторую электролюминес-
центную ячейку, которая может быть удалена от фотоприемника
на значительное расстояние.

Более быстродействущий передающий элемент можно полу-
чить, используя схему, изображенную на рис. 121. Здесь оптиче-
ской обратной связью охвачена лишь пара элементов (ЭЛ2 и
ФП2). Поэтому при отсутствии сигнала на входе ячейки ЭЛ\
схема находится в единственно устойчивом состоянии, при кото-
ром возбуждена ячейка ЭЛ2. Подача сигнала на ЭЛ\ приводит
к освещению фотоприемника ФГЦ9 сопротивление которого па-
дает, и вся схема переключается в такое состояние, при котором
светится уже ячейка ЭЛ2, передавая сигнал последующим цепям.
При этом ячейка ЭЛ2 гаснет. Такое состояние поддерживается до
тех пор, пока фотоприемник ФГЦ освещен ячейкой ЭЛХ. Как
только входной сигнал исчезает, схема быстро возвращается
в исходное положение и ячейка ЭЛ$ перестает светиться.

Рассмотрим различные логические схемы, выполненные
с использованием электролюминесцентных элементов. На основе
цинксульфидных электролюминесцентных ячеек и фотопроводни-
ков типа CdS можно создавать разнообразные схемы, предназна-
ченные для реализации различных логических функций. На
рис. 122 показана, например, схема, в которой реализуется
логическая операция отрицания (инверсия). Входным сигналом
схемы является оптический сигнал от ячейки ЭЛ^ который
представляет собой некоторую логическую переменную. Свечение
ячейки ЭЛ1 соответствует значению 1, а отсутствие светового
сигнала значению 0. Постоянное сопротивление резистора R
подбирается так, чтобы при х = 0 почти все возбуждающее на-
пряжение оказалось приложенным к ячейке ЭЛ2, и последняя
осветилась f(x') = 1. При поступлении на вход схемы импульса
света х = 1 сопротивление фотопроводника резко падает и ока-
зывается значительно меньшим R. Напряжение на ячейке ЭЛ2
уменьшается, и последняя гаснет f(x') = 0.

Две основные двухместные логические операции: логическое
сложение — ИЛИ (дизъюнкция) и логическое умножение — И
(конъюнкция) могут быть выполнены так, как показано на
рис. 123 и 124. В схеме, представленной на рис. 123, выходная
ячейка ЭЛ$ начинает светиться в любом случае при освещении
15*	227
Рис. 122. Оптоэлектрон-
ный инвертор

Рис. 124. Схема для
реализации логическо-
го умножения

Рис. 123. Оптоэлектрон-
ная схема для реализа-
ции логического сложе-
ния

хотя бы одного из фотополупроводников ФПХ и Ф/72. В схеме,
представленной на рис. 124, свечение на выходе наблюдается
лишь в случае, когда освещены оба фотопроводника одновре-
менно.

На рис. 125 представлены регистр слагаемых Л, регистр пере-
носа С и собственно логическая схема, которая формирует сигнал
переноса в следующий разряд. Регистры представляют собой
оптико-электронные триггеры с раздельными входами, управляе-
мые электрическими сигналами. Логические схемы на рисунке
показаны упрощенно: предполагается, что к имеющимся клем-
мам подсоединены соответствующие входы и выходы регистров.
Логическая схема переноса переключает регистр 3 в состояние 1
только в том случае, когда оба слагаемых равны единице.

Используя различные комбинации включения электролюми-
несцентных ячеек фотополупроводников, можно построить схемы
изменяющейся структуры для выполнения различных логических
функций. На рис. 126, а представлена такая схема, состоящая из
одной электролюминесцентной ячейки и семи фотоприемников:
X и У. предназначены для восприятия входных световых сигналов
х и г/, остальные (ФПХ — ФП4) могут осуществлять переключение
схемы для выполнения определенной логической функции. Если
управляющим световым сигналом не возбужден ни один из фото-
приемников ФП^ напряжение на электролюминесцентной ячейке
228
Рис. 125. Элементы оптоэлектронного полусумматора:

1 — регистр слагаемого А; слагаемого В\ 2 — регистр переноса С; 3 — логическая
схема переноса (С = А — В)

при любых сигналах х, у окажется низким, и последняя светиться
не будет (рис. 126,6). Если осветить, например, один фотопри-
емник ФГЦ (рис. 126, в), то на выходе схемы реализуется функ-
ция логического умножения f(x, у) = х-у. При освещении двух
фотоприемников ФП\ и ФПг (рис. 126, г) выход схемы зависит
лишь от одного входного сигнала х и соответствует функции
f(x, у) = х. Аналогично, при возбуждении фотоприемника ФП3
(рис. 126, д) выход схемы определяется лишь входом у и
f(x, У) = У- Если одновременно осветить три управляющих
фотоприемника (ФП\, ФП2 и ФП3), схема переключается на вы-
полнение логической операции сложения f(x, у) = х\/У (рис. 126,
<?). При освещении фотоприемника Ф774 выход вновь перестает
зависеть от входов, но теперь он реализует тождественную 1 или
логическую «тавтологию» (рис. 126,ж).

Рис. 126. Оптоэлектронная схема, способная перестраиваться на выполне-
ние различных логических функций:

а — полная схема; б — f(x, у) = 0; в — f(x, у) = ху; г — f(x, у) = х; д — f(x, у) = у,
е - f(x, у) = ху\ ж — 1(х, у) = 1
Таким образом, в зависимости от набора управляющих све-
товых сигналов схема может выполняться до шести логических
функций.

Г л а в а 4. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Основным звеном электрооптических логических
элементов и элементов вычислительных устройств являются мо-
дуляторы света. Как известно, процесс модуляции оптического
излучения представляет собой воздействие сигнала, несущего
информацию, на световой поток. В оптроне с оптической связью
модуляции подвергается световой поток, идущий от излучателя
к приемнику.

Модуляция оптического излучения может осуществляться пу-
тем изменения одного из следующих параметров излучения:
амплитуды, частоты, начальной фазы и поляризации. В соответ-
ствии с этим различают четыре типа модуляторов: амплитудные,
частотные, фазовые и поляризационные.

Модуляция светового излучения может быть внешней, когда
осуществляют воздействие на уже сформированный световой луч,
покинувший источник излучения, и внутренней, когда осущест-
вляют воздействие непосредственно на источник излучения
и управляют процессом генерации в нем.

Методы внутренней модуляции используются для управления
излучения лазеров, причем модуляцию выполняют чаще всего
путем управления параметрами оптического резонатора лазера:
его оптической длиной, добротностью или величиной обратной
связи.

Внешнюю модуляцию световых потоков можно осуществить
изменением величин коэффициентов преломления или поглоще-
ния среды, а также изменением длины пути луча в среде. Если
изменение коэффициента преломления или длины пути луча в
среде приводит к фазовой модуляции излучения, то измене-
ние коэффициента поглощения приводит к амплитудной моду-
ляции.

Известен ряд физических эффектов, которые позволяют уп-
равлять величиной коэффициента преломления среды. Среди них
особо могут быть выделены электрооптические эффекты, которые
определяют зависимость коэффициентов преломления от напря-
женности приложенного к среде электрического поля: линейный
электрооптический эффект, или эффект Поккельса, и квадратич-
ный электрооптический эффект, или эффект Керра.

Для модуляции оптического излучения также могут быть
использованы эффекты, выражающие зависимость коэффициента
преломления в функции напряженности магнитного поля. Эти
230
эффекты называются магнитооптическими, причем наиболее
известным среди них является эффект Фарадея.

Для реализации принципиальных возможностей оптической
связи излучателя и приемника по передаче больших объемов
информации при высокой помехоустойчивости очень важное
значение имеет правильный выбор способа модуляции. Выбор
способа модуляции излучений в каждом конкретном случае опре-
деляется с учетом вида передаваемой информации, требований
к интенсивности светового потока, к глубине модуляции, мощно-
сти модулирующего сигнала и других параметров.

Модулятор должен обладать широкой полосой пропускания,
иметь малую потребляемую мощность и большой динамический
диапазон. Желательным также является линейный характер
амплитудно-частотной характеристики модулятора.

Из всех способов модуляции оптического излучения наиболее
широко применяется амплитудная модуляция. Это объясняется
относительной простотой ее технической реализации.

Необходимо отметить, что при использовании модуляторов
в логических схемах можно избежать излишне частого преобра-
зования оптической энергии в электрическую по сравнению со
схемами, составленными из оптронов других типов. Однако оп-
троны, построенные с использованием модуляторов света, в об-
щем случае получаются сложнее оптронов, построенных на иных
элементах. К тому же недостатком оптронов, использующих мо-
дуляторы света, является необходимость относительно высоких
управляющих напряжений. Однако важным положительным
свойством оптронов, использующих модуляторы, является воз-
можность существенного повышения быстродействия оптико-
электронных схем.

Принцип действия и характеристики различных модуляторов
света подробно рассмотрены в работе [53]. Поэтому следует толь-
ко отметить, что спецификой большинства оптических модулято-
ров является наличие у них двух оптических выходов, законы
модуляции в которых взаимно дополняют друг друга. При этом
некоторые модуляторы, имеющие один оптический выход, могут
перестраиваться с позитивного закона модуляции на негативный.

В оптронах этого типа могут использоваться как один, так
и два модулятора, установленных между источником света и при-
емниками. В случае использования двух модуляторов они могут
быть включены как последовательно, так и параллельно. Такие
оптроны могут выполнять различные логические и вычислитель-
ные операции [58].

Так как модуляторы света являются довольно сложными
устройствами, их использование в качестве составляющих эле-
ментов оптронов должно быть оправдано достигнутыми парамет-
рами. Таким параметром, по-видимому, могло бы стать быстро-
действие. Единственными типами амплитудных модуляторов
•света, быстродействие которых могло бы стать основанием для
a)	6)	z

Рис. 127. Логические схемы с использованием оптических свето-
водов:

а — схема ИЛИ (НЕ — И); б — схема И (НЕ — ИЛИ); 1,2 — оптиче-
ские световоды; 3 — область, в которой возбужден управляющий сиг-
нал; 4 — область оптического контакта

использования в оптронах, являются модуляторы света, исполь-
зующие электрооптический эффект, что позволяет расширить
частотный диапазон до 1010 — 1011 гц.

Рассмотрим еще один способ реализации электрооптических
и магнитооптических устройств, основанных на использовании
элементов волоконной или интегральной оптики. Известно, что
оптический сигнал из одного световода (или волновода) в другой
можно передавать даже в том случае, когда световоды не нахо-
дятся в непосредственном контакте друг с другом, а расположены
на расстоянии меньше длины волны используемого излучения.
Так как передача оптического излучения из одного световода
в другой зависит от коэффициентов преломления материала све-
товода и среды, окружающей световод, то, изменяя значения этих
коэффициентов, можно управлять светопередачей между ними.
Такое управление светопередачей можно осуществить путем из-
менения коэффициента преломления среды в месте сближения
световодов с помощью электрооптического, или магнитооптиче-
ского эффекта (А. Нитзеркот. Патент США № 3208342, 1965).

В качестве примера реализации таких световодных элементов
с управляемой светопередачей на рис. 127 приведены возможные
логические схемы. Схема, приведенная на рис. 127, а, может ра-
ботать как схема ИЛИ, если оптический сигнал передается из
одного световода в другой под действием управляющего сигнала.
Если материалы световодов и зоны оптического контакта подо-
браны таким образом, что управляющий сигнал нарушает про-
хождение света из одного световода в другой, рассмотренная
схема будет осуществлять операцию НЕ — И. Схема, представ-
ленная на рис. 127, б, может осуществлять операцию перемноже-
ния, а также операцию НЕ — ИЛИ.

Существенным преимуществом рассмотренных схем явля-
ется возможность их реализации в устройствах интегральной
оптики.
Г л а в a 5. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Как уже отмечалось, оптико-электронные схемы
принципиально могут решать большинство задач транзисторной
и электровакуумной электроники. Разнообразие оптико-элек-
тронных схемных решений определяется выбранной оптронной
парой и типом оптрона. Возможности таких решений определя-
ются сложностью функциональных связей и разнообразием
комбинаций оптронов различных типов.

К простейшим оптико-электронным схемам относятся логи-
ческие схемы, сдвигающие регистры, полусумматоры, преобразо-
ватели электрических сигналов, триггеры, генераторы релаксаци-
онных колебаний и т. п.

Подробный анализ всевозможных схемных решений, а также
частных примеров применения оптронов не является целью
этой главы. Рассматриваемые здесь оптико-электронные схемы
и устройства служат лишь иллюстрацией прикладных направле-
ний оптоэлектроники.

Например, разработаны различные оптико-электронные коор-
динатные переключатели, которые находят применение в инфор-
мационных системах.

Принципиальная схема одного из оптико-электронных
координатных переключателей приведена на рис. 128. Такой пе-
реключатель представляет собой сканируемую лазерным лучом
матрицу из светочувствительных ячеек, соединенных в Т-образ-
ные схемы. Для уменьшения шумов вертикальная часть Т-образ-
ной схемы соединяется с землей. Сканирование выполняется
с помощью двух зеркальных гальванометров с собственными
частотами 20 кгц таким образом, что освещаются вертикальные
ветви всех ячеек устройства, за исключением тех, в которых
требуется соединить два проводника в один узел.'

В этом случае дополнительный переключатель направляет
свет на элементы, расположенные на этих проводах (путь луча
показан на рисунке штриховой линией). Времена нарастания
фронтов выходных сигналов элементов очень коротки, а спады
сильно затянуты, поэтому проводящее состояние остается неиз-
менным даже в том случае, когда лазерный луч на довольно
длительный промежуток времени направляется на другие участки
^хемы.

Насущной задачей является создание улучшенных оптико-
электронных схем сканирования. Импульсные входные сигналы
сканирующей системы, по существу являющейся сдвиговым ре-
тистром, должны распространяться по схеме, причем специаль-
ная сетка обеспечивает съем сканирующих импульсов через
►определенные интервалы. Такие схемы называются нейристор-
ными и пропускают импульсы без затухания.

В оптико-электронном нейристоре каждый каскад состоит из
^последовательно включенных лазера, фотодиода и фоторезисто-
ра, а также конденсатора, подключенного к цепочке таким
образом, чтобы его заряд происходил во время проводящего
состояния фоторезистора. Свет от лазера одной ветви, например
Л3, направляется на фоторезистор /?5, включенный в цепочку,
♦отстоящую на две ветвй дальше по направлению распростране-
234
ния, благодаря чему осуществляется заряд конденсатора С5
(рис. 129).

Кроме того, свет от того же лазера переводит в проводящее
состояние фотодиод Д4, включенный в соседней ветви, вызывая
перенос энергии, накопленной конденсатором, который перед
этим был заряжен через фоторезистор /?4. Фоторезистор /?4 осве-
щался перед этим светом лазера А2. Лазер А4, в свою очередь,
станет освещать следующий по очереди фоторезистор и соответ-
ствующий фотодиод, и таким способом будет обеспечено распро-
странение импульса в схеме.

Таким образом может быть создана «самоспускающаяся»
структурная сеть, в которой направление сканирования следую-
щего элемента определяется структурными связями и направле-
нием излучения предыдущего элемента.

Существуют также различные многоразрядные оптико-элек-
тронные регистры, выполненные путем комплексного соединения
нескольких оптронов или нескольких оптико-электронных триг-
геров. Для получения сдвиговых регистров между оптронами
или триггерами используются оптические или электрические
связи.

Сдвиговый регистр, приводимый в действие двумя оптиче-
скими синхронизаторами, показан на рис. 130, а [31]. Каждый
разряд регистра состоит из запоминающей и передающей цепо-
чек. Входной световой импульс попадает на фотоприемник ФП\
запоминающей цепочки и возбуждает ее. Благодаря оптической
-обратной связи между электролюминесцентной ячейкой ЭЛХ

I______________________п	__________n

Рис. 130. Оптико-элек-
тронный сдвиговый ре-
гистр последовательного
действия:

а — схема; б — временные характеристики синхронизирующих световых импульсов

его синхронизатора Г, в —синхронизатора 2;	—разряды регистра

»)

S)
и фотоприемником ФП[ возбужденное состояние ячейки сохра-
няется также после прекращения действия светового импульса.

Для сдвига информации в следующий разряд фотоприемники
Ф/73 передающих цепочек освещаются от оптического синхрони-
затора 1 в течение времени от некоторого момента до момента
/2 (рис. 130). Если в соответствующей запоминающей цепочке
записана 1 (состояние возбуждения), то передающая электролю-
минесцентная ячейка ЭЛ2 высвечивается, так как фотоприемник
ФП4 также освещен от ячейки ЭЛ\. Если в соответствующей
запоминающей цепочке записан 0, то ячейка ЭЛ2 остается воз-
бужденной, так как фотоприемник ФП4 в этом случае имеет вы-
сокое сопротивление и почти все возбуждающее напряжение
падает на нем. В момент времени t2 (рис. 130, в) включается
оптический синхронизатор 2, который освещает фотоприемники
ФП2, переводя их в состояние с низким сопротивлением, значи-
тельно меньшим, чем постоянное сопротивление R. В результате
перераспределения напряжений электролюминесцентная ячейка
ЭЛ{ гаснет. Однако возбуждение цепочки вследствие оптической
обратной связи между ЭЛ2 и ФП4 продолжают сохранять свое
состояние вплоть до момента /4.

В момент /3 заканчивается световой импульс от синхронизато-
ра 2 и фотоприемник ФП2 возвращается в состояние с высоким
сопротивлением. При этом запоминающие цепочки, фотоприем-
ники ФП\ которых освещены от передающей цепочки предыдуще-
го разряда, переходят в состояние 7, а остальные запоминающие
цепочки остаются в состоянии 0. В результате после окончания
синхронизирующего импульса 1 в момент времени t4 все содер-
жимое регистра оказывается сдвинутым на один разряд вправо.
Передающие цепочки из-за увеличения сопротивления фотопри-
емников ФП3 возвращаются в исходное, невозбужденное состоя-
ние.

Если в каждом разряде сдвигающего регистра использовать
не одну, а две вспомогательные передающие цепочки, можно осу-
ществлять сдвиг информации не в одном, а в двух направлениях.

Рассмотрим оптико-электронный пленочный сдвиговый ре-
гистр [12], в основу которого положено использование явления
внутреннего фотоэффекта и электролюминесценции. Он состоит
из токопроводящих слоев 2 и 5, электролюминесцентного слоя 3,
фоторезистивного слоя 4 и изолирующих слоев 1 и 6 (рис. 131, а).
Слои 2 и 5 (рис. 131,6) выполнены в виде чередующихся элек-
тродов гребенчатой конфигурации.

Эквивалентная функциональная схема регистра, приведенная
на рис. 131, в, содержит дискретные фоторезисторы 7 и дискрет-
ные участки электролюминофора 3, причем оптическая связь
соединяет каждый участок электролюминофора 8 не только с фо-
торезистором, электрически связанным с ним и образующим
элементарный запоминающий оптрон, но и с ближайшими сосед-
ними фоторезисторами.
Рис. 131. Оптико-электронный
пленочный регистр:

а — последовательность слоев; б —
форма гребенчатых электродов;
в - эквивалентная схема

Обратная связь между последовательно включенными источ-
никами излучения и фоторезистором необходима для того, чтобы
поддерживать определенное состояние цепи в течение всего
периода действия сдвигающего импульса, поскольку сигналы
переключения действуют в течение времени, заметно меньшего
длительности сдвигающего импульса.

В исходном состоянии возбуждающее напряжение Uex от
внешнего источника через внешний коммутатор поступает только
на одну шину 9. Благодаря наличию оптической обратной связи
элементарные оптроны, подсоединенные к данной шине, хранят
записанную в них информацию. Световой поток В(х, у), посту-
пающий от светящегося электролюминофора на соседние участки
фоторезистивного слоя 4 (на рис. 131, в соседние фоторезисто-
ры), не приводит к распространению возбуждения, так как
напряжение на соседних фоторезисторах отсутствует. Описанное
состояние является устойчивым и сохраняется как угодно долго
до момента переключения внешнего источника питающего
напряжения.

В момент переключения возбуждающего напряжения с ши-
ны 9 на шину 10 ток через возбужденные оптроны прекращается.
Однако соседние с ним оптроны, подключенные к шине 10, фото-
резисторы которых были засвечены световым потоком В(х, у),
при этом переходят в возбужденное состояние.

Таким образом, при переключении питания с клеммы 9 на
клемму 10 возбуждаются элементарные оптроны, расположенные
на рис. 131,в справа от ранее возбужденных оптронов, которые
подключены к клемме 10, и не возбуждаются оптроны, подклю-
ченные к клемме 11, но расположенные слева от ранее возбуж-
денных оптронов, т. е. происходит сдвиг записанной в регистре
информации. Дальнейшее переключение возбуждающего напря-
жения между клеммами в последовательности 9, 10, 11, 9,...
обеспечивает многократный сдвиг вправо. Изменение последова-
Выход

Рис. 132. Двумерный плоский
сдвиговый регистр:

а — расположение элементов ре-
гистра и цветных светофильтров;
б _ схема отдельного элемента ре-
гистра с указанием цвета излуче-
ния, к которому чувствительны фо-
топроводники, и цвета излучения
электролюминесцентных ячеек; К —
красный светофильтр, 3 — зеленый,
Г — голубой, Ж — желтый

тельности переключения на 9, 11, 10, 9, 11,... позволяет реализо-
вать сдвиг влево.

Таким образом, в данном регистре состояние любого звена во
время действия соответствующего сдвигающего импульса будет
зависеть от состояния предыдущего звена и определять состояние
последующего звена.

На рис. 132 изображена схема двумерного сдвигового регист-
ра, элементы которого расположены в узлах плоской прямо-
угольной решетки и отделены друг от друга цветными светофиль-
трами с различными полосами пропускания. Каждый элемент
регистра состоит из одной запоминающей пары ФП— ЭЛ, обо-
значенной на рис. 132, а большими квадратами, и четырех пере-
дающих пар Ф/7{— ЭЛг(1 = 1, 2, 3, 4), изображенных в виде
малых квадратиков. Принципиальная схема соединения этих пар
приведена на рис. 132, б.

Фотоприемник ФП\ в каждом элементе регистра реагирует
лишь на зеленый свет, ФП3 лишь на красный, Ф/73 на голубой
и Ф774 на желтый. Электролюминесцентная ячейка ЭЛ\ светится
желтым светом, ЭЛ3 голубым, ЭЛ3 зеленым и ЭЛ4 красным.
Передающая пара ФП{ — ЭЛ\ расположена ниже запоминающей
пары, ФП3 — ЭЛ3 выше нее, ФП3 — ЭЛ3 слева и Ф/74 — ЭЛ±
справа от нее.

При освещении передающих пар, например голубым светом,
в состояние с низким сопротивлением переходят только фотопри-
емники ФП3. При этом в тех элементах регистра, в которых запо-
минающая пара возбуждена, электролюминесцентные ячейки
238
Рис. 133. Схема отсчетно-
го устройства

ЭЛ3 начинают светиться зеленым светом. Излучаемые ими све-
товые сигналы проходят через расположенные слева зеленые
светофильтры и возбуждают фотоприемники ФП соседних запо-
минающих пар, расположенных слева. Электролюминесцентные
ячейки ЭЛ, которые временно шунтируются возбужденными пе-
редающими парами, гаснут. Тем самым, запоминающие пары
подготавливаются к восприятию информации от соседних ячеек
справа. Если справа передается 0, то сопротивление фотопри-
емника ФП успевает настолько возрасти за время действия
сдвигающего светового импульса, что после выключения этого
импульса запоминающая пара возвращается в невозбужденное
состояние. Если справа передается /, то сопротивление фотопри-
емника ФП остается малым и после прекращения воздействия
сдвигающего импульса. При этом запоминающая пара ФП — ЭЛ
оказывается в состоянии возбуждения.

В результате этих процессов вся записанная в двумерном
регистре информация оказывается сдвинутой на один шаг
влево.

При освещении регистра зеленым светом вся информация
сдвигается вниз, при освещении красным — вверх, а при освеще-
нии желтым — вправо. Процессы, происходящие во всех этих
случаях, аналогичны описанным.

Двумерные сдвигающие регистры, по-вйдимому, найдут при-
менение в вычислительной технике при параллельной обработке
данных, когда одновременно выполняются операции с целыми
массивами информации.

На основе оптико-электронных элементов разработан ряд
отсчетных устройств. Схема одного из отсчетных устройств [12],
которое является дальнейшей разработкой сдвигового регистра,
представлена на рис. 133.

В качестве кодового преобразователя использован оптоэлек-
тронный шифратор. Входы шифратора оптически связаны с вы-
ходами отсчетного устройства регистра, которое представляет
собой прозрачную диэлектрическую подложку 1 с нанесенными
на нее зонами светоизлучателя 2. Число зон определяется раз-
рядностью регистра.

С обратной стороны подложки поперек зон светоизлучателя
нанесены токопроводящие шины 3 шифратора, вдоль которых
расположены токопроводящие питающие шины 4. Между шиной
питания и выходной шиной, расположенными рядом, над зонда-
ми свечения излучателя 2 нанесены в соответствии с выбранной
системой кодирования, фоторезистивные пленки 5. Размещение
фоторезистивных участков на рис. 133 соответствует выводу ин-
формации в двоично-десятичном коде 1—2—4—8, т. е. в первом
состоянии регистра отсутствует сигнал на всех входных шинах
(кодовая комбинация 0000), во втором состоянии питание посту-
пает через фоторезистивную перемычку только на первую выход-
ную шину (кодовая комбинация 1000) и т. д. в соответствии
с таблицей.

Номер состояния регистра	Кодовая комбинация, соответствующая двоично- десятичному коду				Номер состояния регистра	Кодовая комбинация, соответствующая двоично- десятичному коду			
	1 1 2		4	1 8		1 1 2		4	8
0	0	0	0	0	5	1	0	1	0
1	1	0	0	0	6	0	1	1	0
2	0	1	0	0	7	1	1	1	0
3	1	1	0	0	8	0	0	0	1
4	0	0	1	0	9	1	0	0	1

Очевидно, что фоторезистивная пленка может быть нанесена
не отдельными участками, а сплошным слоем, если поверх токо-
проводящих шин предварительно нанести изоляционный или
светоэкранирующий слой с «окнами» в тех местах, где фото-
резистивная пленка должна обеспечить соединение шины питания
и выходной шины.

Описанное оптико-электронное отсчетное устройство имеет
кодированный выход и выдает информацию непосредственно на
цифровые решающие устройства.

Аналогичным образом можно реализовать оптико-электрон-
ные преобразователи двоично-десятичного кода в десятичный
и десятичного в к-й, в частности в семиричный. Такие преобразо-
ватели могут найти применение для вывода информации с триг-
герных декад на цифровые газоразрядные или знакосинтезирую-
щие электролюминесцентные индикаторы. Высокая технологич-
ность таких дешифраторов наряду с сокращением габаритных
размеров открывает перспективы существенного снижения их
стоимости.

На основе использования электролюминесцентных ячеек и
полупроводников разработан широкий ряд оптико-элекгронных
преобразователей и дешифраторов.
Рис. 134. Преобразо-
ватель двоичного ко-
да в десятичный:

1 — входная панель; 2 —
кодовая маска; 3 —
контрольные фотопровод-
ники; 4 — выходное таб-
ло; 5 — геометрия зазо-
ра контрольных фото-
приемников

На рис. 134 приведена схема оптико-электронного преобразо-
вателя двоичного кода в десятичный. Преобразователь состоит
из входной электролюминесцентной панели 1, кодовой маски 2,
контрольных фотоприемников 3 и выходного табло 4. Входная
панель содержит восемь электролюминесцентных вертикальных
полосок по две на каждый из четырех двоичных разрядов, необ-
ходимых для кодирования десятичных цифр. Эти полоски соеди-
нены с выходом четырехразрядного регистра двоичных чисел.
Если в соответствующем разряде записан 0, то возбуждается
левая полоска этого разряда, если записана /, то правая полоска.

Свет от входной панели проходит через кодовую маску и по-
падает на контрольные фотоприемники, расположенные в десяти
горизонтальных рядах. Каждый ряд состоит из четырех последо-
вательно включенных фотоприемников и контролирует одну из
цифр электролюминесцентного выходного табло. Форма зазора 5
между электродами, которая определяет конфигурацию фотопри-
емников, показана в увеличенном виде. Она подбирается, чтобы
при освещении и левой и правой полосок соответствующего раз-
ряда полупроводник соединял соседние электроды.

Отверстия в кодовой маске, расположенные напротив каждого
ряда фотоприемников, соответствуют двоичному коду определен-
ной цифры. Например, отверстия в третьем ряду сверху располо-
жены напротив единичных полосок в первых двух разрядах
и напротив нулевых полосок в третьем и четвертом разрядах,
т. е. соответствуют двоичному коду цифры 3 (000). Поэтому при
16 Заказ 375	241
возбуждении полосок, на входной панели, соответствующих коду
ООП, только в третьем ряду сверху все четыре последовательно
включенных контрольных фотоприемника оказываются освещен-
ными, а значит только цифра «3» на выходном табло подсоеди-
няется к источнику переменного напряжения и высвечивается.
На основе этого принципа могут быть выполнены дешифраторы
и на большее число выходов (а не только на десять как в рассмот-
ренном случае).

На рис. 135 приведена аналогичная схема преобразователя
десятичного кода в двоичный. Преобразователь также состоит из
входной панели 1, кодовой маски 2, контрольных фотопровод-
ников 3 и выходного табло 4. Входная панель 1 включает десять
электролюминесцентных полосок, каждая из которых соответ-
ствует одной десятичной цифре. Контрольные фотоприемники 3
расположены в восемь рядов по десять параллельно включенных
фотоприемников в каждом ряду. На каждый из. четырех выход-
ных двоичных разрядов приходится по два ряда фотоприемников-,
верхние ряды контролируют электролюминесцентные сегменты
выходного табло, образующие цифру 0, а нижние ряды — сег-
менты, служащие для индикации цифры 1.

Отверстия в кодовой маске для каждой входной полоски
должны быть расположены напротив тех рядов фотоприемников,
которые контролируют цифры соответствующего двоичного чис-
ла. Например, отверстия для полоски 0 соответствуют верхним
рядам контрольных фотоприемников каждого разряда. Поэтому
при возбуждении полоски 0 к источнику переменного напряжения
242
оказываются подсоединенными сегменты, образующие цифры О
в каждом двоичном разряде, и на выходном табло высвечивается
число 0000. При возбуждении на входе полоски 5 свет проходит
к первому, четвертому, пятому и восьмому рядам фотоприемни-
ков (считая сверху). При этом к источнику переменного напря-
жения во втором и четвертом разрядах подключаются сегменты 0,
а в первом и третьем разрядах — сегменты 1, поэтому на выход-
ном табло загорается число 0101.

Г л а в а 6. ОПТИКО ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА
ДВУМЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ

В предыдущих главах этого раздела рассмотрены
принципы действия и характеристики оптико-электронных вычис-
лительных устройств, в которых до известной степени копируются
методы обработки информации, основанные на использовании
элементов электроники. В этой главе будут рассмотрены методы
обработки информации, в которых используется способность све-
тового луча переносить двумерную информацию. Разработанные
на основе этих методов двумерные информационные системы,
предназначенные для решения сравнительно узкого круга задач,
уже начали получать распространение.

Опубликован ряд работ [41, 65, 70, 90], в которых подробно
рассмотрены принципы построения и характеристики таких
устройств, поэтому здесь этот вопрос будет рассмотрен весьма
кратко.

Возможность получения с помощью компактных и достаточно
простых оптических систем пространственных и одномерных
спектров, корреляционных функций, интегральных и дифферен-
циальных законов распределения вероятностей случайных сиг-
налов и выполнение других линейных интегральных математи-
ческих операций явилась основой для создания качественно но-
вых систем обработки информации.

При этом более широкое применение находят оптические
методы обработки информации, основанные на использовании
когерентных излучений. Когерентный оптический луч с точки
зрения передачи информации можно рассматривать в виде си-
стемы, состоящей из многих взаимно независимых параллельных
каналов, число которых определяется как параметрами луча, так
и разрешающей способностью соответствующих оптических си-
стем. Это свойство когерентного луча позволяет в ряде случаев
отказаться от сложных электрических многоканальных систем
обработки информации, делает возможным пространственную
модуляцию луча (например, с помощью статических или управ-
ляемых транспарантов), а также аналоговую и цифровую
16*	243
модуляцию луча по направлению распространения с помощью
достаточно простых средств.

Наиболее распространенными областями применения рас-
сматриваемых методов оптической обработки информации явля-
ются когерентная обработка информации в аналоговых оптиче-
ских процессах и оптическая обработка двумерной информации,
заключающейся в изображении (восстановление изображений,
распознавание символов и пр.).

Известно, что с помощью простых оптических систем можно
выполнять не только основные, но и довольно сложные матема-
тические операции с функциями двух переменных (умножение,
интегрирование, корреляцию, автокорреляцию и др.). При этом
двумерный сигнал можно создать не только с помощью диапо-
зитива, но и с помощью соответствующей электрооптической или
акустикооптической отклоняющей системы.

Тот факт, что в оптических когерентных системах можно
осуществлять двумерное преобразование Фурье входных данных,
определяет возможность осуществления оптической простран-
ственной фильтрации. Другими словами это дает возможность
управлять амплитудой и фазой сигнала с данной пространствен-
ной частотой с помощью оптических фильтров так же, как это
выполняется в случае электрических сигналов с помощью частот-
ных фильтров. Пространственная фильтрация изображений по-
зволяет разработать эффективные методы повышения качества
восстанавливаемого изображения (например, фотографических
изображений). Так называемые бинарные фильтры могут быть
использованы для повышения контрастности изображения 'и
применяются при модуляции и детектировании. Амплитудные
фильтры используются для выделения сигнала на фоне шумов,
если известны некоторые автокорреляционные функции сигнала.
Фазовые фильтры могут применяться при распознавании сим-
волов.

Существует много оптических способов анализа изображений,
которые различаются технической реализацией, но имеют общие
математические основы. Преобразования Фурье и Френеля поло-
жены в основу оптических систем обработки изображения, рент-
геновской фотографии радиоастраномии с использованием синте-
зированных апертур и ряда других.

Необходимо отметить, что понятие «интегральные преобра-
зования изображения» охватывает область операций линейного
преобразования, которым могут быть подвергнуты оптические
изображения и трехмерные распределения амплитуд или интен-
сивностей, не являющиеся изображениями в обычном смысле
этого слова.

Для ввода информации в двумерную оптическую систему
используются различные пространственные модуляторы света.
Простейшим пространственным модулятором является транспа-
рант, представляющий собой, например, фотографическую плен-
244
ку с определенным законом изменения плотности почернения
фотоэмульсии по ее координатам. Пучок света, прошедший через
такой транспарант, будет промодулирован вдоль двух простран-
ственных координат по амплитуде в соответствии с этим законом.
Если использовать когерентное излучение, то наряду с амплитуд-
ной в оптическую систему можно вводить также и фазовую
информацию. Для этой цели используются, например, прозрач-
ные пластинки с рельефом, изменяющимся по нужному закону.
Кроме того, для представления фазовой информации можно
применять термопластические вещества, ультразвуковые преоб-
разователи и т. п.

Аналоговые оптические вычислительные устройства позволяют
выполнять обработку функций с двумя независимыми перемен-
ными, интегральные преобразования Фурье, преобразование
Лапласа, решение интеграла свертки, вычисление корреляцион-
ных функций, а также решение обычных вычислительных задач
техники передачи информации, кибернетики, статистики [124].
В качестве выходных данных можно использовать изменяющую-
ся по определенному закону толщину и прозрачность оптически
прозрачного материала, которые зависят от геометрических коор-
динат хну. Результат вычислений представляется в виде неко-
торого параметра оптического излучения.

Принципы вычисления функции, используемые в таких опти-
ческих системах, основаны на следующих положениях:

1.	Амплитудные и фазовые распределения когерентного
излучения монохроматического точечного источника света в про-
странстве не зависят от времени. Если на пути лучей поместить
некоторое тело с переменной оптической прозрачностью (транс-
парант) и переменной толщиной, кратной длине волны излучения,
то функция распределения прозрачности транспаранта определит
изменение амплитуды, а функция толщины — изменение фазы
световой волны L

2.	При отображении на выходе системы в плоскости изобра-
жений, через которую проходит когерентное световое излучение,
каждая точка результирующего изображения образуется в ре-
зультате наложения (суперпозиции) отдельных световых волн,
различающихся между собой по фазе.

Рассмотрим основные вычислительные операции, которые
могут быть выполнены с помощью оптико-электронных систем
этого класса. Схема выполнения операции произведения показа-
на на рис. 136, а.

Функция транспаранта ТДх, у) входной плоскости Р\ с по-
мощью конденсаторной линзы спроецирована на входную плос-
кость Р2, содержащую функцию транспаранта Тг(х, у). Выра-

1 Если излучение некогерентное, то транспарант определяет изменение
интенсивности излучения в качестве эффективного значения амплитуды излу-
чения.
Рис. 136. Основные вычислительные операции, выполняемые с помощью
оптических систем

жение результирующего распределения интенсивности света
(выходная функция) запишется следующим образом:

f(x, г/)=7'1(х, у)Т2(х, у).

Схема выполнения операции интегрирования показана на
рис. 136, б. Изображение, полученное в плоскости Рг, проекти-
руется на фотоприемник ФП. Величина выходного сигнала с ФП
пропорциональна интегралу интенсивности света по всей поверх-
ности Р?.

1 = J J/(x, y)dxdy — 1й
а\ аг

У Ti(x, у)Т2(х, y)dxdy.

Применяя на выходе в качестве собирающей линзы цилиндри-
ческую линзу, фокусирующую излучения только по оси х, можно
получить вместо двумерного одномерный интеграл вида

ь У

I = \ 7\(х, у)Т2(х, y)dx,

аУ
где у — параметр.

Приемное устройство в этом случае состоит из дискретного
ряда фотоприемников, расположенных по оси у, или имеет один
фотоприемник и выполняет линейное сканирование по оси у
(рис. 136, в).
В описанных оптических системах, предназначенных для
выполнения операций умножения и интегрирования, можно при-
менять некогерентный источник света.

Рассмотрим оптико-электронные системы, позволяющие
осуществлять интегральные преобразования Фурье (рис. 136, г).
Как известно, при наличии когерентного источника света область
обработки информации оптическими аналоговыми вычислитель-
ными устройствами значительно расширяется, в частности, воз-
можно осуществлять интегральные преобразования Фурье и
преобразования Лапласа.

Выражение вектора электромагнитного поля для плоскости
Р\ может быть представлено в виде

Ei =Ai(xlt yOexpI/tp!^!, г/|)],

где Ai и <pi — амплитуда и фаза колебаний, исходящих из раз-
личных точек плоскости Р\. Тогда, очевидно, справедливы сле-
дующие уравнения:

Si(xb У1) = Т{(х{, f/I)exp[/aI(x1, r/j)];

£ = ВД,

где	—функция транспаранта; ai(xb У\)—функция

толщины плоскости Р[.

Теория оптического изображения для напряженности электри-
ческого поля в плоскости Р2 дает следующее интегральное выра-
жение:

б2

Е2 = A/i J J Ei(xit yi)exp(—j2na/k)dxi dyb
a2

где A — постоянный амплитудный коэффициент в см2\ а — длина
волны лазерного излучения в см.

После соответствующих преобразований с учетом геометриче-
ских размеров системы получают вектор напряженности поля
в виде уравнения, эквивалентного определяющему уравнению
преобразования Фурье:

4-00

g(a>) = J g(/)exp( — fwt)dt = fg(w).
--------00

При этом следует отметить сходство между преобразованиями
в когерентной оптической системе и преобразованием Фурье:
комплексная напряженность поля соответствует временной
функции g(t), а сложная комплексная напряженность поля Е2
в плоскости изображения — спектральной функции g(w).

Изображая напряженность поля Е2 на плоскость Р3, что яв-
ляется для напряженности поля £3 (при перевернутых значениях
координатных осей х4, г/4) обратным преобразованием первона-

1	,	247
чальной функции, получим преобразование, соответствующее
выражению:

4-00

£•(/)= 1/2л J g-(oy)exp(—jwt)dw.

Таким образом, имеется возможность вначале функцию пре-
образовать в спектральную область, далее воздействовать на нее
некоторой функцией фильтрации S2(xi, f/i) и, наконец, возможно
преобразовать обратную функцию Е3 = S2E2 во временную об-
ласть. Результат вычислений имеет вид

E3 = F^[S2E2],
что соответствует решению интеграла свертки
Ез(х, у) = JJЕ2(х—t,)(y—T1)U,
при этом передаточная функция фильтра S2 понимается как
преобразование Фурье временной функции S.

Результирующая функция имеет ряд дискретных значений,
характеризуемых яркостью световых пятен в плоскости резуль-
татов. При этом в качестве приемников излучения можно приме-
нять или фотопленку с высокой разрешающей способностью или
передающую телевизионную трубку.

Большой интерес вызывают оптико-электронные реализации
пространственного преобразования Фурье видеоинформации.
Разработан ряд алгоритмов, позволяющих получать с помощью
ЦВМ цифровые аппроксимации преобразования Фурье (в том
числе алгоритм «быстрого преобразования Фурье»). Однако ни
один из этих алгоритмов не может обеспечить достаточной ско-
рости вычислений для выполнения преобразования кадров видео-
информации в реальном масштабе времени [138].

Вместе с тем существует достаточно простое решение этой
задачи чисто оптическим методом. На рис. 137 показан прямо-

Рис. 137. Схема, осуществляющая преобразования
Фурье видеоинформации
угольный транспарант, освещаемый плоской монохроматической
волной длиной Л. Линза с большой апертурой и фокусным рас-
стоянием F расположена за транспарантом так, что последний
лежит в фокальной плоскости линзы. Пусть (х, у) — прямоуголь-
ные координаты в плоскости транспаранта, f(x, у) —функция
комплексная, представляющая собой амплитуду и фазу света,
исходящего из различных точек транспаранта. Пусть далее g(u,
».) аналогичным образом представляет собой амплитуду и фазу
света, падающего в различные точки фокальной плоскости (и,
v). Тогда из теории диффракции следует, что

g(u, v) = J J dxdyf(x, z/)exp[2m(xu + yvjj'kF}.

Таким образом, непосредственно получается преобразование
Фурье g(u, v) от /(х, у), причем в форме, которая удобна для
оптической фильтрации. Расположение за плоскостью (и, v) вто-
рой линзы на фокусном расстоянии позволяет непосредственно
восстановить изображение транспаранта, конечно, за исключени-
ем тех частот, которые будут подавлены фильтром в плоскости
(«, v).

Для реализации такой системы, обеспечивающей работу
в реальном масштабе времени, необходимо получать «мгновен-
ные транспаранты». Для этого требуется телевизионное устрой*
ство, которое создавало бы в плоскости (х, у) изображения
в форме, пригодной для обработки описанным методом.

В качестве такого устройства может быть использован пре-
образователь, содержащий специальную трубку, работающую
на основе эффекта Поккельса. Трубка представляет собой ин-
тегральную часть системы обработки оптической информации
(рис. 138). Она выполняется в виде цилиндра, закрытого с обо-
их торцов оптически гладкими окнами 5. В цилиндре установлен
электрооптический кристалл 4. Отверстия 2 и 3 служат соответ-
ственно для записывающей и стирающей электронных пушек.

В качестве электрооптического преобразователя используется
кристалл ПКФК (первичный кислый фосфорнокислый калий),
249
который обладает свойством двойного лучепреломления при дей-
ствии продольного электрического поля. Видеосигналы записы-
ваются с помощью электронной пушки на поверхности кристал-
ла, обращенной в сторону входного окна трубки, в виде рельефа
распределения зарядов. На противоположной стороне кристал-
ла поддерживается нулевой потенциал. Эта поверхность кри-
сталла, покрытая тонким, оптически прозрачным слоем, служит
анодом трубки. Распределение зарядов на поверхности кристал-
ла, обращенной к входному окну трубки, вызывает действие
меняющегося от точки к точке электрического поля, что приво-
дит к изменениям фаз между параллельными двум главным
поперечным осям составляющими поляризации света, который
проходит через кристалл. Следует отметить, что разность фаз
пропорциональна полной разности потенциалов между двумя
поверхностями кристалла. Если передающая трубка установлена
между двумя скрещенными поляризаторами (на рис. 138 пока-
зан только один поляризатор 6), то такая фазовая модуляция
преобразуется в амплитудную, благодаря этому кристалл в сущ-
ности работает как «мгновенный» транспарант. Таким образом,
поляризованный луч лазера /, пройдя через трубку и поляриза-
тор 6, попадает на линзу 7, с помощью которой осуществляется
пространственное преобразование Фурье в плоскости фильтра 8.
Затем изображение, записанное электронной пушкой на поверх-
ности кристалла, восстанавливается линзой 9 и проектируется
на светочувствительную поверхность видиконной телевизионной
камеры 10.

Для осуществления быстрого преобразования Фурье двумер-
ных изображений был разработан матричный мембранный мо-
дулятор света [139].

Модулятор представляет собой зеркало, поверхность которо-
го содержит множество микроскопических элементов, и каждый
из них может изменять свое положение таким образом, что осу-
ществляется пространственная фазовая модуляция света, отра-
жаемого зеркалом. Инертность устройства имеет порядок долей

Рис. 139. Структура j
го светового модуля?
1 — перфорационные on
отражающая мембрана
ложка; 4 — электроды
Рис. 140. Параболическая моду-
ляция фазы на мембранном
световом модуляторе:

I — I — профиль фронта недефор-
мированной отраженной волны;

— профиль фронта деформи-
рованной отраженной волны

'506

микросекунд, а потребление энергии одним элементом при пол-
ном повороте фазы световой волны на 360° составляет всего
10“п дж. Проведенные испытания на длительность срока служ-
бы показали, что после 1012 переключений каждого элемента не
наблюдается каких-либо заметных изменений модуляционных
характеристик. Следовательно, такой модулятор одновременно
модулирует свет во многих независимых дискретных участках
поверхности, обладает высоким быстродействием, низким по-
треблением энергии и длительным сроком службы.

Устройство светового модулятора показано на рис. 139. Оп-
тически плоская подложка с напыленными на нее полосками
электродов покрывается тонким перфорированным слоев изоля-
ционного материала, так что перфорации оказываются над каж-
дым из электродов. Сверху перфорированного слоя помещается
туго натянутая и оптически плоская полимерная мембрана.
Мембрана металлизируется, что обуславливает отражающие и
проводящие свойства. При подаче сигналов на электроды эле-
менты мембраны, которые находятся над перфорациями, элек-
тростатически отклоняются. В результате свет, отраженный от
металлизированной поверхности, оказывается модулированным
по фазе (рис. 140). При этом поверхность мембраны может от-
клоняться на столько, что свет в центре мембраны может полу-
чить фазовую модуляцию на 360°.

Мембранный элемент в этом случае принимает форму пара-
болоида вращения, что приводит к'«ямкообразному» изменению
фазы отраженной волны света.

В нейтральном состоянии мембранный элемент имеет плос-
кую форму и фронт отраженной световой волны также плоский.
На рис. 141 даны размеры элементов мембранного светового
модулятора, показанного в разрезе. Подложкой обычно служит
стекло, поверхность которого шлифуется (допускаются неровно-
сти не более нескольких сотен ангстрем). Активная площадь по-
Рис. 141. Поперечное сечение
мембранного светового модуля-
тора:

1 — слой SiOx (1 мкм); 2 — поли-
мерная мембрана (0,1 мкм); 3 —
стеклянная подложка; 4 — хромо-
золотой электрод (0,05 мкм)

верхности устройства составляет величину порядка 1 см2. Пер-
форированный слой изолятора имеет толщину 1 мкм и наносится
методом напыления. Перфорации имеют диаметр 40 мкм, их
линейная плотность 10 отверстий на 1 мм. Мембрана представ-
ляет собой слой полимера толщиной около 1000 А.

Общая схема вычислительного устройства, использующего
мембранный модулятор света, представлена на рис. 142. Эта
система способна выполнять преобразование Фурье фазовой
функции за время менее 1 мксек. Модулятор, используемый
в качестве входного преобразователя, представляет собой уст-
ройство, аналогичное показанному на рис. 139, и имеет 32 ряда
по 74 круглых элементов в каждом ряду. Эти 2368 элементов
занимают площадь примерно 4X4 мм2.

Поверхность модулятора (рис. 142) освещается через луче-
расщепитель 4 гелий-неоновым лазером. Отражаемый от по-
верхности модулятора свет проходит через оптическую систему
5, которая формирует изображение на маске 6. Последняя уст-
роена таким образом, что через нее пропускается только та часть
света, которая отражается центральной зоной каждого элемен-
та, имеющей диаметр 19 мкм. При этом устраняется немодули-

Рис. 142. Общая схема устройства,
использующего мембранный моду-
лятор:

1	— лазер; 2 — телескоп; 3 — мембранный
модулятор; 4 — лучерасщепитель; 5 —
линза для формирования изображения;

6	— маска для уравнивания фазы; 7 —
линза-преобразователь; 8	— выходная

плоская пластина
рованный свет. Таким образом, описанная часть системы рабо-
тает подобно поршневому модулятору, у которого в отражении
света участвует только его активная область. С помощью опти-
ческой системы 7 происходит преобразование Фурье того рас-
пределения световых амплитуд, которое образуется в плоскости
маски. Получающееся изображение формируется на поверхно-
сти выходной плоской пластины 8 и считывается с помощью
матрицы полупроводниковых фотодиодов или передающей ЭЛТ
типа видикона.

Естественно, что наибольший интерес представляют мембран-
ные структуры с независимым возбуждением каждого элемента
1139]. Одним из способов реализации такого независимого воз-
буждения является использование мембранного модулятора све-
та в качестве мишени в электростатической ЭЛТ запоминающего
типа. Здесь каждый элемент может адресоваться с помощью
электронного луча, который запоминает или удаляет заряд пу-
тем селективной вторичной электронной эмиссии. Другой метод
заключается в возбуждении мембранного модулятора света
плоским распределением заряда, записанным на поверхности
электрической ленты. В одном из решений предлагается связы-
вать каждый мембранный элемент со светочувствительным по-
лупроводниковым электростатическим переключателем, в этом
случае можно одновременно возбуждать все элементы, причем
уровень возбуждения каждого из них определяется локальной
интенсивностью света.

Очевидно, что с помощью мембранного модулятора света
.можно реализовать вычислительную систему, которая способна
выполнять преобразования Фурье на 2—3 порядка быстрее, чем
наиболее быстродействующие универсальные или специализиро-
ванные ЦВМ. Это объясняется крайне малой инерционностью
мембранного модулятора света и параллельной организацией
обработки данных в когерентных оптических устройствах.
Раздел 2

Оптико -электр онные
следящие
системы

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ СЛЕДЯЩИХ УСТРОЙСТВ

В общем случае назначением оптико-электронной следящей
системы является автоматическое отслеживание относительных
перемещений объекта или контура, расположенного в поле зре-
ния системы и излучающего или отражающего электромагнит-
ные волны в оптическом диапазоне. Управляющее воздействие
в такой системе определяется угловым рассогласованием между
ее оптической осью и линией визирования на объект.

Оптико-электронные следящие системы получили большое
распространение в различных областях науки и техники: при
автоматизации технологических процессов, управлении различ-
ными объектами, проведении научных экспериментов и обработ-
ке их результатов и т. д. [36, 59, 61, 79, 83, 87].

Для получения информации о положении объекта в поле зре-
ния оптической следящей системы применяются разнообразные
устройства, начиная от простых, содержащих несколько распо-
ложенных рядом фотоприемников, и кончая достаточно сложны-
ми устройствами, использующими сканирующую технику.

Основным конкурентом оптических систем являются радио-
локационные устройства. Как оптические, так и радиолокацион-
ные системы имеют свои достоинства и недостатки, которые сле-
дует оценить в каждом конкретном случае [133].

Вследствие меньшей величины рабочей длины волны точ-
ность и разрешающая способность оптических систем оказывает-
ся значительно большей, чем локационных устройств. По той же
причине величина апертуры оптических систем значительно
меньше, чем локационных, что приводит к значительному умень-
шению габаритных размеров и веса. Диаграмма направленно-
сти оптической системы не имеет боковых лепестков, что позво-
ляет исключить ложные отражения. Наконец, в пассивных опти-
254
ческих системах отпадает необходимость в использовании пере-
датчиков.

К недостаткам оптических систем относится зависимость па-
раметров системы от атмосферных условий. Кроме того, при ис-
пользовании пассивных систем нельзя измерить расстояние до
объекта слежения.

Существующие следящие системы можно разделить на две
большие группы: открытые и замкнутые. В замкнутых системах,
сигнал ошибки поступает на вход сервосистемы, обеспечиваю-
щей непрерывное слежение за данным объектом. Замкнутые си-
стемы обладают рядом преимуществ, особенно когда поле зре-
ния системы ограничено.

Скорость движения объекта может быть весьма значитель-
ной, что обусловливает необходимость большой полосы пропус-
кания системы слежения. Чувствительность системы можно уве-
личить путем уменьшения величины поля зрения. Однако вели-
чину поля зрения можно уменьшить лишь до известного предела.
Изменяя величину поля зрения и ширину полосы пропуска-
ния, обеспечивают высокую чувствительность системы при сле-
жении в дальней зоне при хороших динамических характери-
стиках системы в ближней зоне.

Оптико-электронные системы слежения могут быть разделе-
ны на активные и пассивные. В пассивных системах использует-
ся отраженный свет. Эти системы используются также для сле-
жения за самосветящимися объектами. В активных системах
используется освещение объектов внешним источником света..
Большинство современных оптических систем слежения являют-
ся пассивными. Применение активных систем до последнего вре-
мени было весьма ограничено ввиду того, что существующие оп-
тические генераторы не могли обеспечить нужных значений
спектральной и пространственной плотностей энергии. Появле-
ние лазеров коренным образом изменило ситуацию.

Пассивные системы можно классифицировать на ретикуляр-
ные системы, системы, в которых используется развертка свето-
вого луча, и системы мозаичного типа.

Наиболее широко используются ретикулярные системы, в ко-
торых модуляция сигнала осуществляется с помощью вращаю-
щегося диска. В большинстве систем такого типа имеется один
детектор и поле зрения системы ограничено. Благодаря наличию
сетки (ретикулы) поле зрения системы разделено на отдельные*
области, что позволяет получить информацию о пространствен-
ном положении данного объекта. В системе с разверткой луча
с помощью подвижных зеркал, линз и призм выполняется раз-
вертка светового луча по полю изображения. В мозаичной систе-
ме используется большое число детекторов, причем благодаря
использованию коммутационных устройств можно обеспечить
работу всех детекторов на один усилитель, что значительно сни-
жает габаритные размеры, вес и стоимость установки.
Большую группу образуют системы, в которых осуществляет-
ся развертка изображения. Как упоминалось выше, развертка
может осуществляться путем перемещения изображения относи-
тельно детектора. Такая развертка эквивалентна перемещению
детектора по полю зрения системы. Во многих системах исполь-
зуется механическая развертка изображения, однако такие си-
стемы оказываются громоздкими, инерционными, дорогими и
довольно трудно управляемыми. Большинство этих недостатков
можно устранить, используя электронную развертку. Чаще всего
используется растровая развертка. В этом случае на выходе си-
стемы вырабатывается сигнал ошибки, который в дальнейшем
используется для управления сервосистемой. В таких системах
используются ортиконы, видиконы и диссекторы.

Дальность действия активных систем ограничена отсутствием
достаточно мощных источников света. Эти проблемы можно ре-
шить, используя лазерную технику, так как лазеры характери-
зуются чрезвычайно высокой плотностью энергии в световом лу-
че, монохроматичностью и направленностью излучения. Кроме
того, они обладают достаточно малыми габаритными размерами
и весом.

Используются лазеры двух типов: импульсные лазеры и ла-
зеры, работающие в непрерывном режиме. В импульсных систе-
мах используются мощные лазеры с большой частотой повторе-
ния импульсов в сочетании с пассивной системой, регистрирую-
щей отражение от объекта излучение лазера. Эти системы могут
использоваться также в режиме модуляции добротности резо-
натора лазера.

Лазеры, работающие в непрерывном режиме, характеризуют-
ся значительно меньшей мощностью выходного сигнала. Если
использовать отражатель, устанавливаемый на объекте, за ко-
торым осуществляется слежение, и интерферометр как составной
части системы слежения, то можно определять расстояния до
данного объекта с высокой точностью.

В настоящее время создан богатый арсенал оптико-электрон-
ных следящих устройств. Разработаны специальные фотоэлек-
тронные устройства, чувствительные к смещению излучающего
объекта; квадрантные фотоумножители, диссекторы со специ-
альными масками и т. д. При разработке позиционно-чувстви-
тельных датчиков используются также новые физические явле-
ния и эффекты: продольный и магнитоконцентрационный эффек-
ты в полупроводнике, фотоэффект на границе полупроводнико-
вых монокристаллов, различные явления в оптических
анизотропных средах и т. п.

Значительную группу устройств составляют следящие скани-
рующие устройства. В отличие от поисковых систем они пред-
назначены не для сканирования всего контролируемого поля,
л только для выяснения рассогласования в положении объекта.
Это может достигаться путем сканирования некоторого участка
256
поля по какой-то элементарной траектории (например, по ок-
ружности или по крестообразной траектории), позволяющей
определить направление и величину смещения.

В некоторых случаях функции поиска и слежения выполня-
ются одной комплексной системой. В тех случаях, когда из-за
специфических особенностей представляется возможным в нача-
ле действия системы каким-либо способом совместить объект
с оптической осью системы, используются автономные следящие
системы.

Необходимо отметить, что одним из существенных отличий
поисковых сканирующих систем от следящих является то, что
по сигналам, полученным с помощью первых систем, может
быть воспроизведено изображение поля в то время, как сигна-
лы, получаемые со следящих сканирующих систем, в большин-
стве случаев не могут быть использованы для воспроизведения
анализируемого изображения поля.

Работа сканирующих следящих устройств основана на вза-
имном перемещении изображения объекта и того или иного ана-
лизирующего элемента (диафрагмы, решетки и т. д.). Возможны
две разновидности таких устройств: в одних устройствах пере-
мещается изображение относительно неподвижной диафрагмы,
в других — анализирующая диафрагма перемещается относи-
тельно неподвижного изображения.

Однако главным образом используются устройства, основан-
ные на перемещении изображения относительно анализирующе-
го элемента. При этом возможно перемещение как непосредст-
венно оптического изображения, так и электронного изображе-
ния, сформированного на основе оптического. Последняя воз-
можность реализуется в основном на диссекторах.

Как уже отмечалось, для определения угла рассогласования
между оптической осью системы и направлением на объект осу-
ществляется перемещение изображения объекта относительно
анализирующей диафрагмы по определенной траектории. Вид
траектории определяет характер выходного сигнала и блок-схе-
му устройства, выделяющего сигнал рассогласования.

Оптико-электронные следящие устройства в зависимости от
принципа действия, положенного в основу их работы, можно
разделить на четыре группы: оптико-механические, фотоэлектри-
ческие, фотоэлектронные и полупроводниковые.

Работа оптико-механических следящих устройств основана
на использовании подвижных сканирующих элементов. Рассо-
гласование определяется в результате перемещения изображе-
ния относительно неподвижной диафрагмы с помощью подвиж-
ных отражающих или преломляющих оптических элементов.

Фотоэлектрические следящие устройства содержат в качест-
ве воспринимающего элемента один или несколько фотоприем-
ников, часто специальной конфигурации. Рассогласование опре-
деляется в результате сравнения потоков излучения, поступаю-
17 Заказ 375	257
щих на отдельные фотоприемники, или на основе измерения
величины сигнала, снимаемого с профилированного фотоприем-
ника.

В фотоэлектронных устройствах оптический сигнал преобра-
зуется в поток электронов, переносящих изображение. Переме-
щение же электронного изображения относительно диафрагмы
по некоторой траектории позволяет определить рассогласование.
В качестве чувствительных элементов большое распространение
получают различные фотоэлектронные диссекторы, которые со-
стоят из двух секций: секции переноса изображения и секции
электронного умножения. Система отклоняющих электродов;
(в диссекторах с электростатическим управлением) или магнит-
ных катушек позволяет осуществлять сканирование электронно-
го изображения относительно диафрагмы. Диафрагма имеет
развертывающее отверстие, благодаря которому электроны, вы-
летевшие с фотокатода, в процессе сканирования попадают
в электронный умножитель, расположенный во второй секции
диссектора. С коллектора умножителя снимается сигнал, вид
которого зависит от формы отверстия в диафрагме, от распре-
деления освещенности на фотокатоде и траектории сканирова-
ния. Большой интерес к различного рода диссекторам объяс-
няется их малой инерционностью и сравнительно высокой чув-
ствительностью, а также простотой получения различных
траекторий сканирования, что обусловливает широкие функцио-
нальные возможности этих приборов. Разработано большое чис-
ло диссекторов, различающихся формой анализирующего отвер-
стия в экране и видом траектории сканирования.

Предложен ряд новых оптико-электронных следящих элемен-
тов, основанных на сканировании оптического изображения из-
лучающего объекта относительно диафрагмы с отверстием с по-
мощью дефлекторов света того или иного типа. Форма отверстия
в диафрагме, обеспечивающая получение нужного сигнала рас-
согласования, как и в случае диссекторов, может быть различ-
ной: квадратной, круглой, крестообразной и т. д. При использо-
вании соответствующих управляющих напряжений дефлекторы
позволяют осуществлять сканирование исследуемого поля зре-
ния по различным траекториям. Такие схемы могут найти при-
менение при работе с фотоумножителями, фотодиодами, фото-
резисторами и другими приемниками излучения, обеспечивая
слежение за объектами различного спектрального диапазона.

Необходимо отметить, что интенсивное развитие получил
класс полупроводниковых позиционно-чувствительных устройству
который рассмотрен в данном разделе достаточно подробно.

Неотъемлемой частью большинства оптических датчиков по-
ложения является анализатор изображения, дающий информа-
цию о наличии в поле зрения контролируемого объекта и о его
пространственном положении. Необходимость в анализаторе
изображения обусловлена тем, что обычные фотоприемники не
258
обладают чувствительностью к перемещению падающего на них
светового пучка. Весьма перспективным представляется совме-
щение функций анализатора и фотоприемника в одном устрой-
стве. Некоторые полупроводниковые элементы позволяют ре-
шить эту задачу [85]. У таких фотоприемников выходной сигнал
зависит от положения освещенной зоны на чувствительной по-
верхности.

Наиболее важной характеристикой таких элементов являет-
ся зависимость выходного сигнала от положения освещенной
зоны на поверхности. В большинстве случаев желательно, чтобы
характеристика перемещения имела в рабочей области линей-
ный участок. Наклоном этого участка определяется чувствитель-
ность прибора — величина сигнала, который возникает при пе-
ремещении освещенной зоны, на единицу длины. Чувствитель-
ность зависит как от свойств прибора, так и от внешних факто-
ров (освещенности, температуры и др.). Желательно, чтобы
в линейной области характеристика перемещения проходила че-
рез нулевую точку и затем меняла знак (фазу сигнала). В этом
случае проще всего определить величину и направление пере-
мещения.

Полупроводниковые позиционно-чувствительные элементы
можно использовать как нуль-орган фотоэлектронной следящей
системы и для непосредственного измерения возникающих пере-
мещений. В первом случае основное требование — стабильность
нулевого отсчета. Требования линейности характеристики пере-
мещения и постоянства выходного сигнала при вариациях внеш-
них условий второстепенны. Во втором случае устройство слу-
жит измерительным органом и к нему предъявляются более
жесткие требования, так как для получения однозначной инфор-
мации о положении освещенной зоны на светочувствительной
поверхности необходимо обеспечить высокую стабильность нуле-
вой точки характеристики перемещения, зависящую от старе-
ния, температуры, электромагнитных полей, интенсивности света
и т. д. Желательно также, чтобы величина сигнала, который не-
сет информацию о перемещении, была линейно связана с вели-
чиной перемещения.

Минимально возможное перемещение, которое можно обна-
ружить (предельная разрешающая способность), определяется
уровнем собственных шумов фотоприемника. Для того чтобы
охарактеризовать такое устройство с точки зрения его предель-
ной разрешающей способности, пользуются либо понятием эк-
вивалентной мощности шума, либо понятием эквивалентного
шумового смещения.

Постоянная времени и спектральная чувствительность полу-
проводниковых элементов определяются материалом, из которо-
го они изготовлены. Постоянная времени изменяется в широких
пределах и у некоторых элементов составляет всего несколько
наносекунд. Выбором соответствующих материалов можно пере-
17*	259
крыть по спектральной чувствительности широкий диапазон
спектра от видимой области (арсенид галлия) до средней ин-
фракрасной (легированный германий, антимонид индия). Чув-
ствительность многих полупроводниковых позиционно-чувстви-
тельных элементов зависит от интенсивности света.

При использовании полупроводниковых позиционно-чувстви-
тельных элементов в нуль-органах это не имеет существенного
значения. Значительно более существенен тот факт, что у неко-
торых позиционно-чувствительных элементов линейный диапа-
зон и чувствительность зависят от размера и формы отслежива-
емого светового пятна. Чувствительность и быстродействие
многих полупроводниковых элементов также зависят от интен-
сивности фона. Для ликвидации перечисленных отрицательных
свойств полупроводниковых элементов приходится применять
специальные корректирующие и компенсирующие схемы, что
в ряде случаев несколько усложняет конструкцию следящих
систем.

Принцип действия позиционно-чувствительных полупровод-
никовых устройств может быть основан на использовании пози-
ционных характеристик некоторых полупроводниковых элемен-
тов (использование продольного фотоэффекта), на создании вну-
три полупроводника «электронного изображения» отслеживае-
мого объекта и сканировании этого изображения относительно
сигнальных электродов и т. д.

Использование продольного фотоэффекта в следящих систе-
мах является весьма перспективным. Продольный фотоэффект
заключается в возникновении под действием местного освещения
бокового фототока, по параметрам которого можно определить
величину и направление смещения светового пятна относительно
оптической оси следящего устройства. Для определения положе-
ния источника излучения по двум координатам преобразователь
изготавливается в форме круга, а выходные зажимы располага-
ются по окружности с интервалами 90°.

Порог чувствительности таких устройств составляет
0,015 мквт, а постоянная времени 5 мксек. Линейность сигнала
зависит от размеров чувствительного элемента, а также от того,
насколько используется его рабочая поверхность.

Высокими характеристиками обладают полупроводниковые
диффузионные позиционно-чувствительные устройства, например,
устройство с радиальным электрическим полем. Устройство пред-
ставляет собой полупроводниковую пластину, имеющую на од-
ной стороне две пары омических контактов, предназначенных
для съема сигнала смещения, спроектированного изображения
объекта. На этой же стороне пластины нанесен кольцевой элек-
трод, к которому подводится синусоидальное напряжение отно-
сительно точечного модулирующего электрода, расположенного
на противоположной стороне. Если изображение находится
в центре пластины, потенциалы противоположных омических
260
контактов равны и снимаемая разность потенциалов равна ну-
лю. При смещении изображения относительно центра омические
контакты оказываются в зонах с различной концентрацией не-
равновесных носителей тока и им будут соответствовать различ-
ные потенциалы, разность которых пропорциональна величине
смещения изображения.

Существует также группа позиционно-чувствительных эле-
ментов, использующих свойства оптических анизотропных сред.

Принцип действия датчиков этого типа основан на том, что
величина фазового сдвига световой волны, проходящей через
анизотропный кристалл, зависит от угла, заключенного между
направлением распространения световой волны и оптической
осью анизотропной среды. Это позволяет по интерференционной
картине, получающейся на выходе устройства, судить о величи-
не смещения светового пятна. Такие устройства обладают высо-
кой чувствительностью и надежностью.

Недостатком данных устройств является наличие поляриза-
ционных элементов, что приводит к дополнительным потерям
светового потока. Однако такие системы целесообразно исполь-
зовать для слежения за поляризованным излучением лазера.

Следует также отметить, что поляризационные следящие уст-
ройства более полно используют принципы оптоэлектроники.
В этом случае выделение информации о смещении источника из-
лучения относительно оптической оси осуществляется чисто оп-
тическим путем. В этих датчиках четко разделены операции по
преобразованию углового параметра в сигнал, которые легко
можно регистрировать с помощью практически любого фотопри-
емника.

Эти устройства могут работать в любом участке спектра (от
инфракрасного до ультрафиолетового). Рабочий участок спектра
определяется соответствующим выбором кристаллов ja типом фо-
топриемника.

Основные проблемы, возникающие при проектировании сле-
дящих устройств — увеличение точности, чувствительности и по-
мехоустойчивости по отношению к фоновым засветкам. Необхо-
димо также повышать надежность работы таких устройств,
уменьшать вес, габаритные размеры и потребляемую мощность.

Выходной сигнал чувствительного элемента следящего уст-
ройства представляет собой электрический сигнал, зависящий
от величины рассогласования. Информация о рассогласовании
может содержаться в амплитуде, частоте и фазе непрерывного
сигнала или в длительности и взаимном расположении импуль-
сов дискретного сигнала.

В соответствии с этим целесообразно разделить следящие
устройства на четыре класса: время-импульсные, частотные, фа-
зовые и амплитудные.

Последовательно рассмотрим следящие устройства каждого
класса: их принципиальные схемы, способы обработки информа-
ции, дадим сравнительную оценку различных характеристик уст-
ройств, а также приведем основные расчетные формулы, позво-
ляющие определить вид позиционной характеристики.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛЕДЯЩИХ
УСТРОЙСТВ

Рассмотрим характеристики оптико-электронных
следящих устройств [153].

Линейность позиционной характеристики датчиков имеет
большое значение при использовании их в разомкнутых систе-
мах, когда выходной сигнал датчика является непосредственной
мерой смещения светового пятна. В тех же случаях, когда дат-
чик используется в замкнутом контуре в качестве нуль-органа,
линейность характеристики большой роли не играет.

Диапазон измерений определяет отношение максимального
значения смещения, которое может быть измерено к минималь-
ному. В большинстве случаев при соответствующем выборе и
построении оптической системы возможно добиться согласова-
ния максимальной верхней границы диапазона измерений с верх-
ним пределом данного прибора. К получению большого отноше-
ния максимального к минимальному значениям смещения сле-
дует стремиться особенно в тех случаях, когда датчик исполь-
зуется в разомкнутых системах.

Величина шумов создает некоторое эквивалентное шумовое
смещение, определяемое как смещение светового пятна, вызы-
вающее появление выходного сигнала, равного среднеквадратич-
ному значению шума. Эквивалентное шумовое смещение обу-
словливает наименьшее значение смещения, которое может быть
обнаружено.

Быстродействие оптико-электронных устройств определяется
быстродействием используемого фотодетектора. Теоретически
оно может лежать в пределах от сотен миллисекунд при исполь-
зовании термопар и болометров до наносекунд при использова-
нии быстродействующих кремниевых диодов. Быстродействие
оптико-механических устройств (содержащих вращающиеся или
вибрирующие детали) ограничено механическими характеристи-
ками движущихся компонентов, в результате чего время реаги-
рования приборов этого типа имеет порядок единиц миллисе-
кунд.

Стабильность нуля имеет большое значение во всех случаях
применения фотоэлектрических датчиков положения. Дрейф ну-
ля может быть следствием старения чувствительного элемента,
изменения температуры и интенсивности света, воздействия элек-
трического и магнитного полей, изменения длины волны света и
262
направления падающего светового луча, ухудшения механиче-
ской стабильности прибора.

Спектральная характеристика определяет собой зависимость
выходного сигнала устройства от длины волны падающего излу-
чения. В некоторых случаях необходимо обнаруживать смещение
при изучении света с ограниченной полосой спектра или же
с длиной волны, выходящей за пределы видимого диапазона, что
может накладывать серьезные ограничения на выбор типа дат-
чика положения.

Чувствительность, т. е. отношение выходного сигнала к изме-
ряемому смещению, для многих датчиков оказывается завися-
щей от интенсивности света. Однако это не является серьезным
ограничением, если датчик используется в качестве нуль-органа
или интенсивность света постоянна. В других случаях это свой-
ство весьма усложняет использование таких устройств.

При конструировании какой-либо оптической системы, пред-
назначенной для определенной цели, возникает вопрос о выборе
позиционно-чувствительного устройства. Рациональный выбор
позиционно-чувствительного устройства — это достаточно слож-
ная задача. Рассмотрим основные факторы, определяющие вы-
бор типа позиционно-чувствительного устройства.

Выбор прежде всего обусловливается назначением оптиче-
ской следящей системы. Назначение системы определяет спек-
тральный диапазон работы, требуемую чувствительность, точ-
ность, угол зрения, а также функциональные возможности.

На выбор влияют также условия работы системы: характер
фона, т. е. его пространственные спектральные и временные па-
раметры, характеристики окружающей датчик среды, наличие
или отсутствие вибраций и перегрузок, внешние помехи, созда-
ваемые магнитными и электрическими полями, требуемая дли-
тельность эксплуатации и т. д.

Спектральный диапазон работы позиционно-чувствительного
устройства определяет выбор приемника излучения в датчике,
а в ряде случаев и выбор анализатора. Выбор приемника нала-
гает определенные ограничения на принцип действия датчика.

Все используемые в оптических следящих системах приемни-
ки излучения можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся фотоумножители, фотоэлементы
с внешним фотоэффектом и сернисто-таллиевые фотоэлементы,
используемые в видимой и ближней ИК части спектра.

Вторая группа состоит из различного рода фоторезисторов,
чувствительных в основном в средней части ИК спектра.

Третья группа объединяет тепловые приемники, используе-
мые в длинноволновой области ИК спектра. К таким приемни-
кам относятся термоэлементы, болометры, некоторые виды полу-
проводниковых элементов. Приемники первой и второй групп
работают в определенных спектральных диапазонах, т. е. явля-
ются избирательными чувствительными элементами. Тепловые
приемники такие, как болометры, термопары и другие, являются
неселективными и воспринимают весь спектр излучений.

Основными требованиями, которые предъявляются к чувстви-
тельным элементам, являются высокая чувствительность, малый
уровень собственных шумов, возможность работы в требуемом
спектральном диапазоне, малая инерционность, удовлетвори-
тельные габаритные размеры и вес, стабильность работы при из-
меняющихся окружающих условиях (температура, влажность,
вибрация и т. д.).

Важным параметром, определяющим выбор датчика, являет-
ся чувствительность. Для систем слежения за слабыми источни-
ками излучения эта характеристика является одной из основных.
В таких системах могут найти применение фотоумножители, дис-
секторы и электроннолучевые трубки с накоплением (видикон,
суперортикон и др.).

Основными средствами уменьшения влияния фона являются
спектральная и пространственная фильтрации. Спектральная
фильтрация используется, когда спектральные характеристики
излучения объекта слежения отличаются от спектральных ха-
рактеристик фоновых излучений. В этом случае на пути потока
излучения устанавливаются оптические фильтры, которые про-
пускают излучение от объекта и подавляют излучения фона.
При выборе фильтра необходимо стремиться к тому, чтобы кру-
тизна его характеристики на границах пропускания была по
возможности большой.

Метод пространственной фильтрации заключается в выделе-
нии объекта слежения среди посторонних излучателей на осно-
вании различия их размеров. Обычно этот метод применяется
при слежении за точечными объектами. Для выделения полез-
ного сигнала на пути излучений устанавливаются модулирую-
щие растры. Вследствие неодинаковости размеров объекта сле-
жения и посторонних излучателей их излучения модулируются
с различной частотой. С помощью электронного фильтра в уси-
лительном блоке датчика легко выделить нужную частоту.

Точность измерения угла рассогласования определяется в зна-
чительной мере способом обработки полезной информации, сни-
маемой с чувствительного элемента.

Очевидно, что для увеличения точности оптических следя-
щих систем необходимо использовать датчики, в которых мож-
но получить максимальное отношение сигнал/шум.

Увеличению точности также способствует принятие мер, обес-
печивающих независимость выходного сигнала, снимаемого
с датчика, от колебаний величины потока излучения, попадаю-
щего на позиционно-чувствительный датчик. В некоторых случа-
ях этого можно достичь ограничением сигнала по амплитуде
в электронных цепях (например, в датчиках, использующих
время-импульсный метод), иногда применением автоматической,
регулировки усиления измерительного тракта.
Для обеспечения высокой точности при использовании ам-
плитудного метода выделения сигнала целесообразно применять
датчики, имеющие один чувствительный элемент. В противном
случае (например, при использовании пирамиды с четырьмя
фотоприемниками) нужно осуществлять автоматическую кор-
рекцию для компенсации относительного изменения характери-
стик фотоприемников с течением времени.

В схемах датчиков, использующих для выделения сигнала
рассогласования фазовый, частотный или время-импульсный
метод, для получения высокой точности необходимо принимать
меры по. стабилизации параметров развертки.

Требуемый угол зрения определяется назначением оптиче-
ской следящей системы. Если требуется большой угол зрения и
одновременно высокая точность слежения, оптические следящие
системы обычно выполняются двухступенчатыми. Первая сту-
пень такой системы осуществляет грубое слежение. От датчика
на этой ступени обычно не требуется высокой точности, необхо-
дим только большой угол зрения.

На второй ступени, наоборот, требуется высокая точность
измерения угла рассогласования, а угол зрения должен быть
малым.

Величина угла зрения датчика выбирается с учетом дина-
мики движения объекта и динамических характеристик следя-
щей системы: угол зрения определяется из условия, при кото-
ром перемещение объекта за время отработки системой сигна-
ла рассогласования должно составлять небольшую часть поля
обзора.

Перейдем к рассмотрению характеристик позиционно-чувст-
вительных устройств.

Основное управление, характеризующее работу позиционно-
чувствительного устройства, можно записать в следующем виде:

Л(б) = В[Ф(6)],

где Л (6) —выходной сигнал;

В — некоторый оператор, описывающий способ выделе-
ния сигнала рассогласования;

S — смещение изображения объекта относительно опти-
ческой оси следящей системы;

Ф(б)—поток излучения, достигающий регистрирующего»
элемента.

Одним из основных параметров следящего устройства яв-
ляется крутизна позиционной характеристики

S = d4(6)/d6.

Крутизна характеристики определяет величину изменения
выходного сигнала при малом смещении изображения объекта.
Важной характеристикой следящего устройства является ми-
нимально обнаруживаемое смещение изображения объекта
6mm. Величина 6mm определяется из условия

($tnin) = Ро

где Аш — среднеквадратичное значение шумов датчика;

ро — отношение сигнал/шум, при котором может рабо-
тать система слежения.

Имеется несколько основных источников шумов, влияющих
на работу оптической следящей системы. Основными из них яв-
ляются собственные шумы приемника излучений и первого кас-
када усилителя и внешние шумы, обусловленные наличием фона
и флюктуациями излучения самого объекта.

В фотоприемнике могут возникать следующие шумы: тепло-
вой, дробовой, токовый, радиационный, а также шум мерцания
и фликкер-шум.

В зависимости от типа используемого фотоприемника преоб-
ладает тот или иной вид шума. Если тепловой шум свойствен
всем приемникам излучения, то, например, фликкер-шум отсут-
ствует в фоторезисторах.

Пороговая чувствительность тепловых приемников ограничи-
вается тепловыми и радиационными шумами, в то время как
в фотоэлектрических приемниках наибольшее значение имеет
радиационный, токовый и тепловой шум.

Полная величина шумового сигнала при отсутствии фона
определяется следующей формулой:

где — сумма всех внутренних шумов;

— сумма флюктуаций потока излучения;

i

Sb — чувствительность приемника излучения по напря-
жению.

Чувствительность приемника излучения — это отношение
напряжения, получаемого на выходе приемника, к величине па-
дающего на него потока излучения:

SB = и/Ф = er\RH/hv,

где т| — квантовая эффективность;

е — заряд электрона;

hv — величина кванта падающего излучения;

RH — сопротивление резистора нагрузки.

Следующей важной характеристикой позиционно-чувстви-
тельного датчика является быстродействие. Быстродействие дат-
266
чика определяется постоянной времени чувствительного элемен-
та и быстродействием усилительно-преобразовательного устрой-
ства.

В случае использования фотоэлектронных приемников, по-
стоянная времени которых может быть меньше 10~7 сек, быстро-
действие датчика в основном определяется постоянной времени
усилительно-преобразовательной схемы. При использовании
инерционных приемников излучения (например, болометров)
именно их постоянная времени определяет быстродействие все-
го датчика.

Кроме перечисленных характеристик, для анализа работы
оптических следящих систем важно знать минимальный поток
излучения (порог чувствительности), по которому может рабо-
тать данный позиционно-чувствительный датчик, и величину его
зоны нечувствительности.

Порог чувствительности датчика ФШ1п зависит от чувстви-
тельности используемого приемника лучистой энергии. Значение
порога чувствительности приемника может быть оценено по сле-
дующей формуле:

Фт1п = рЙ5-,(<7Д/)-,/2(

где q — площадь светочувствительного слоя;

р — коэффициент, пропорциональный отношению сиг-
нал/шум.

Зона нечувствительности — это диапазон начальных рассо-
гласований, при которых выходной сигнал датчика равен нулю.
Величина зоны нечувствительности обычно определяется конст-
рукцией анализатора изображения и свойствами фотопри-
емника.

При расчете следящей системы важно также знать степень
линейности позиционной характеристики датчика, которая зави-
сит как от конструкции датчика, так и от распределения энергии
излучения по изображению объекта.

При анализе и проектировании следящей системы необходи-
мо рассматривать не только характеристики составляющих ее
звеньев, но и характеристики излучающего объекта и среды,
в которой распространяется излучение.

Излучающие объекты могут быть точечными или протяжен-
ными. Точечными объектами принято называть объекты, разме-
ры которых малы по сравнению с расстоянием от них до следя-
щей системы.

Точечные объекты фокусируются на чувствительный элемент
в виде пятна малого диаметра, часто сравнимого с диаметром
центрального кружка дифракционного изображения, создавае-
мого параллельными лучами.

С энергетической точки зрения излучающий объект может
быть охарактеризован мощностью излучения и ее спектральным
распределением. Параметрами излучения, по которым рассчиты-
вается датчик следящей системы, являются поток излучения Фу
поступающий на систему, и облученность Е ее входного
зрачка.

При расчете приходящего потока излучения во многих слу-
чаях необходимо учитывать ослабление излучения атмосферой.
Ослабление излучения вызывается двумя причинами: поглоще-
нием и рассеянием, причем поглощению более подвержены ИК
лучи, а рассеянию — видимые и ультрафиолетовые. Основными
поглотителями являются пары воды, углекислый газ, озон иг
некоторые второстепенные примеси: метан, тяжелая вода
и т. п.

Рассеяние обусловливается различными твердыми и жидкими
включениями в атмосфере такими, как пыль, капельки воды, ча-
стицы льда и т. д. Ослабление излучения селективно, т. е. зави-
сит от спектра излучения. Ослабление для заданной длины вол-
ны X можно выразить следующей формулой:

Ф = Фоехр(—Кд,/),

где Ф — поток излучения, прошедший через атмосферу;

Фо — поток излучения, входящий в атмосферу;

I — длина пути луча в атмосфере;

—коэффициент ослабления излучения на единицу дли-
ны пути луча.

Для того чтобы собрать лучистую энергию и направить ее на
чувствительный элемент, используются линзовые, зеркальные и
зеркально-линзовые объективы. Их главными характеристиками
являются диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, коэф-
фициент пропускания и величина аберраций.

Диаметр объектива и коэффициент пропускания определяют
величину потока излучения, собираемого на чувствительном
элементе.

Общей характеристикой объектива является коэффициент
оптического усилия, который определяется отношением

где Ф — поток, поступающий на чувствительный элемент при
использовании оптики;

Ф1 — поток, поступающий на чувствительный элемент без
помощи оптики.

Таким образом, коэффициент оптического усиления зависит
от отношения площадей входного зрачка объектива и чувстви-
тельного элемента и от потери мощности излучения в оптиче-
ском канале. Эти потери возникают за счет виньетирования, по-
глощения, отражения и преломления оптического излучения и
могут достигать значительной величины. Поэтому оптические
детали, через которые проходит излучение, необходимо выпол-
нять по возможности тонкими, а также использовать просветля-
ющие покрытия.
Глава 3. ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫЕ СЛЕДЯЩИЕ
УСТРОЙСТВА

В устройствах рассматриваемого типа информация об угле
рассогласования между линией визирования на излучающий
объект и оптической осью датчика вырабатывается путем изме-
рения расстояния между импульсами или сравнения длительно-
сти импульсов, возникающих на выходе приемника излучения.

Рассмотрение этого класса устройств начнем со следующего
устройства с диском, имеющим специально профилированную
форму. Проанализируем работу устройства с двумя дисками,
выполненными в виде спирали Архимеда. С помощью полупро-
зрачного зеркала формируются два изображения контролируе-
мого участка, которые сканируются с помощью двух кулачков
с взаимно перпендикулярными направлениями сканирования.

В этом устройстве первый модулирующий диск 2 (рис. 143),
предназначенный для определения рассогласования по оси х,
последовательно сканирует контролируемое изображение и в за-
висимости от положения объекта на больший или меньший про-
межуток времени перекрывает световой поток. Если изображе-
ние объекта слежения находится в точке 1 (рис. 144), то при
вращении диска в пределах угла 01 световой поток от объекта
попадает на фотоэлемент и на его выходе возникает напряже-
ние. В остальные моменты световой поток перекрывается непро-
зрачной частью диска и на выходе фотоэлемента сигнал равен
нулю.

Если изображение объекта находится в точке 2, то периоды
перекрытия и пропускания светового потока будут одинаковыми
и на выходе фотоэлемента возникнет импульс напряжения, дли-
Рис. 144. Принцип действия устройства, представленного
на рис. 143:

а — форма диска; б — диаграмма напряжений

тельность которого равна длительности паузы. Если изображе-
ние объекта находится в точке 3, то фотоэлемент освещается
в пределах угла р2, и длительность импульса больше длитель-
ности паузы. Длительность импульса сигнала на выходе фото-
элемента линейно зависит от рассогласования по оси х между
осью телескопа и направлением на объект. Аналогичным обра-
зом работает второй канал устройства, определяющий рассогла-
сование по оси у.

К этой же группе может быть отнесено следящее устройство,
в котором фотоэлемент совмещает в себе функции неподвижно-
го модулирующего диска и чувствительного элемента.

На рис. 145 представлено следящее устройство, принцип дей-
ствия которого основан на применении крестообразного фото-
элемента. Такой фотоэлемент состоит из двух взаимно перпен-
дикулярных светочувствительных элементов 1 и 2, выполненных
в виде полосок (Д. Вилкокс. Патент США № 2994780, 1961).
Изображение объекта, сфокусированное в виде точки, приво-
дится во вращение с помощью наклонного вращающегося зер-
кала 3 или каким-либо другим способом. Если объект находит-
ся на оптической оси системы (/), его изображение описывает
по фотоэлементу окружность, центр которой совмещен с цент-
ром фотоэлемента. При этом с фотоэлемента снимается импульс-
ный сигнал с равностоящими импульсами.

Если объект смещается относительно оптической оси системы
(//), то его изображение описывает по фотоэлементу окруж-
ность, центр которой смещен относительно центра фотоэлемента.
270
Рис, 145. Следящее устройство, чувствительный элемент которого
имеет крестообразную форму:

а — оптическая схема; б — форма получаемых сигналов

При этом с фотоэлемента снимаются импульсы, расстояния
между которыми неодинаковы.

С помощью электронных схем эти импульсы могут быть пре-
образованы в прямоугольные импульсы, продолжительность ко-
торых зависит от угла рассогласования (схема формирования
импульсов иллюстрируется на рис. 145, б).

Каждое из плеч чувствительного элемента должно иметь
свой усилитель фототока, однако может быть использован и

Рис. 146. Параметры раз-
вертки крестообразного
чувствительного
элемента
один усилитель; в этом случае необходима установка коммута-
тора, вращающегося синхронно с отражателем и подключающе-
го последовательно плечи приемника на вход усилителя.

Определим зависимость

?(ф) = (/1-/2)(/1+/2)~1,

где /1 — продолжительность паузы между импульсами;

t2 — продолжительность прямоугольного импульса;

Ф — угол рассогласования.

В соответствии с рис. 146 получаем

гр! = й)^ = 2 arc cos y/rQ.

Так как

У — ТоФ/, го = fo tg Ро,
где fo — фокусное расстояние, то

Ф1 = 2агс созф^/tg р0.

Это уравнение связывает интервалы времени между момен-
тами пересечения изображения объекта каждой линии креста
с соответствующей составляющей угла рассогласования по оси
декартовой системы координат.

Если считать, что зеркало вращается с постоянной угловой
скоростью, то можно положить

^ = (Ф1—Ф2МФ1 + Фг)-1 =ф1/я— 1 (так как ф2 = 2л—ф1)
или

= 1/л(2 arc cos ф^/tg Ро —л) = 2/л arc sin ф^/tg р0.

При малых углах рассогласования получаем приближенное
равенство

^~2/ntgP<^.

Аналогично для канала поперечного управления имеем
£z = 2/ntg р0ф2.

Таким образом, можно считать, что коэффициенты команды
в обеих плоскостях управления приблизительно линейно зависят
от составляющих угла рассогласования в этих плоскостях.

Разработаны также следящие устройства аналогичного прин-
ципа действия, в которых используется чувствительный элемент
не крестообразный, а выполненный в форме двух полос, сопри-
касающихся под прямым углом (X. Хайнис. Патент США
№ 3117231, 1964).

На основе изложенного принципа могут быть созданы не
только оптико-механические устройства, но и фотоэлектронные
следящие устройства.
Рассмотрим фотоэлектронный аналог такого устройства, вы-
полненный с диссектором. Диссектор представляет собой ваку-
умную передающую телевизионную трубку, работающую без
накопления заряда (рис. 147). С помощью объектива 1 излуче-
ния объекта фокусируются на поверхности фотокатода 2 дис-
сектора 3. Под действием отклоняющей системы 5 электронное
изображение объекта, сфокусированное катушкой 4, переме-
щается в плоскости диафрагмы 6. Диафрагма диссектора имеет
развертывающее отверстие, которое позволяет электронам, вы-
летевшим с различных участков фотокатода, попадать в процес-
се развертки в электронный умножитель. Траектория перемеще-
ния развертывающего отверстия определяется изменением во
времени отклоняющих напряжений, задаваемых генератором 8,
Получаемый с анода 7 сигнал сравнивается в преобразователь-
ном устройстве 9 с опорными сигналами (с напряжениями, по-
даваемыми на отклоняющие катушки), в результате чего выра-
батываются сигналы рассогласования по двум взаимно перпен-
дикулярным направлениям.

Возросший интерес к использованию диссекторов в следящих
системах объясняется простотой формирования различных раз-
верток, позволяющих получить сигнал рассогласования при сле-
женци за излучающим объектом, .малой инерционностью и срав-
нительно высокой чувствительностью, а также тем, что фотока-
тод диссектора не разрушается при длительном освещении одно-
го и того же элемента. Существенным фактором является также
и то, что мощность, потребляемая диссектором, меньше, чем
у электронно-лучевых трубок, так как в нем отсутствует элек-
тронная пушка.

Рассмотрим следящее устройство, в котором использован
диссектор с диафрагмой, имеющей крестообразное отверстие, и
электронное изображение точечного объекта развертывается по
квадратной траектории или окружности. На отклоняющие ка-
тушки подаются напряжения треугольной формы одинаковой
амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90°, или синусоидальные
18 Заказ 375	273
напряжения, сдвинутые на 90°. При развертке по квадрату, сто-
роны которого параллельны опорным осям %, у, оси катушек
должны быть сдвинуты относительно опорных осей на угол 45°.

Если угол рассогласования между оптической осью и на-
правлением на объект равен нулю, то траектория развертки
симметрична относительно центра креста. Импульсы, снимаемые
при пересечении разверткой плеч крестообразного отверстия,
в этом случае следуют через равные интервалы времени.

При смещении объекта с оптической оси симметричность раз-
вертки относительно креста нарушается и, следовательно, нару-
шается и равномерность следования импульсов.

Так же, как и в аналогичном оптико-механическом устройст-
ве, величина смещения объекта по горизонтали может быть оп-
ределена по разности интервалов времени между импульсами,
соответствующими последовательным пересечениям траекторией
развертки вертикальных плеч креста. Для выделения сигнала
ошибки одиночные импульсы могут быть преобразованы в пря-
моугольные импульсы разной полярности, длительности которых
определяются величиной рассогласования.

Как и в предыдущем случае, сигнал рассогласования при
смещении объекта по оси % на величину 6Х определяется следу-
ющим выражением:

^выхх — K(t\ —

где К—некоторая постоянная величина, определяемая пара-
метрами схемы датчика;

t\ и t2 — длительность соответственно положительных и отри-
цательных импульсов.

При круговой развертке в соответствии с предыдущим слу-
чаем получаем (рис. 148, а)

UebiXx — 2/С/л arcsin 2бх/£) = 2/С/л arc sin ZfaJD

(при малых рассогласованиях, когда бх ~ fax),
где f — фокусное расстояние объектива;

ах — угловое рассогласование в плоскости х.

При развертке по траектории квадратной формы (рис. 148, б)

Z1 = a(2Z) + 26x);

/2 = а(2О—26х),
отсюда

U выхх =

где D — длина стороны квадрата.

При малых рассогласованиях

UВЫХх = WD •
Рис. 148. Развертки изображения следящего устройства:
а — круговая развертка; б — развертка по квадратной траек-
тории

Знак напряжения сигнала рассогласования зависит от на-
правления смещения изображения объекта относительно оптиче-
ской оси датчика.

Сигнал рассогласования по оси у определяется аналогичным
образом.

На рис. 149 показана зависимость выходного напряжения
описанного датчика от величины смещения изображения объек-
та. При использовании круговой развертки эта зависимость не-
линейна [59].

Для разделения получаемых с диссектора импульсов по двум
каналам возможны и другие способы. Например, плечи креста
могут быть сделаны различными по ширине. Впрочем, достаточ-
но сделать более широким (или узким) одно из плеч, что дает
отметку времени при обработке последовательности импульсов.

Рис. 149. Зависимость выходного
напряжения время-импульсного
следящего устройства с диссекто-
ром от величины рассогласования:
1 — при развертке по окружности;

2 — при развертке по квадратной тра-
ектории
Рис. 150. Схема следящего устройства с крестообразным изображением
объекта

Ниже рассмотрено следящее устройство, имеющее «обращен-
ный» относительно предыдущего устройства принцип действия.

В этом устройстве используются цилиндрические линзы
с взаимно перпендикулярными осями, линзы фокусируют изо-
бражение источника в форме креста на приемном торце диссек-
тора (рис. 150). Электронное изображение креста развертывает-
ся по квадратной или круговой траектории относительно отвер-
стия в диафрагме, С выхода снимается последовательность
импульсов, причем расстояния между импульсами меняются в
зависимости от положения источника излучения.

На пути распространения лучей /, идущих от объекта, уста-
новлено полупрозрачное зеркало 2, Примерно 50% от общего
потока излучений проходит через него и фокусируется цилинд-
рической линзой 3. Образующие цилиндрической поверхности
линзы параллельны оси у, В фокальной плоскости линзы распо-
ложен фотокатод 4 диссектора 8. Изображение источника, со-
здаваемое линзой на фотокатоде, представляет собой линию ab,
параллельную оси у. Половина потока, отраженная полупро-
зрачным зеркалом, отражается от зеркала 13 и собирается ци-
линдрической линзой 12, ось которой перпендикулярна оси лин-
зы 3, на поверхности фотокатода в линию cd, параллельную
оси х. Таким образом, изображение источника проектируется на
фотокатоде в форме креста.

Вместо оптической системы с разделением светового потока
по двум каналам может быть применен специальный блок линз,
показанный на рис. 151. Он состоит из четырех цилиндрических
линз 1—4, вырезанных под углом 90° и скрепленных так, что
общая ось линз 1, 2 перпендикулярна общей оси линз 3, 4. Па-
раллельный пучок лучей от удаленного источника собирается
этим блоком и дает крестообразное изображение в фокальной
276
плоскости. Такой блок несколько сложнее в изготовлении, но
более компактен и уменьшает потери света, так как отсутствует
разделение потока полупрозрачного зеркала.

Исчезновение изображения в центральной части креста при
отклонении оптической оси не влияет на результат слежения,
так как при формировании сигнала рассогласования использу-
ются периферийные участки креста.

Магнитное поле катушки 11 диссектора (рис. 150) осуществ-
ляет параллельный перенос электронов, эммитируемых фотока-
тодом в плоскость диафрагмы 5. Диафрагма имеет малое круг-
лое развертывающее отверстие, центр которого совпадает с осью
диссектора. Если следящее устройство точно направлено на ис-
точник излучения, точка пересечения линий ab и cd совпадает
с осью диссектора и располагается в центре фотокатода. При
отклонении оси следящей системы от направления на источник
перекрестие смещается в» плоскости фотокатода и диафрагмы.
На две пары отклоняющих катушек 9 и 10 подаются от генера-
тора развертки 7 напряжения треугольной формы (7Xi, UV[
(рис. 150), одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90°,
или два синусоидальных напряжения равной величины и сдви-
нутые на 90°. Катушки расположены таким образом, что одна
пара отклоняет электроны в направлении оси г/ь а другая в на-
правлении хь Система координат х\у\ сдвинута на 90° относи-
тельно системы ху. При использовании треугольных разверты-
вающих напряжений перекрестие будет перемещаться в плоско-
сти диафрагмы по квадратной траектории (рис. 152, а, б), а при
использовании синусоидальных — по окружности (рис. 152, в).
Линии «электронного креста» 4 раза за период развертки пере-
секают отверстие диафрагмы. В эти моменты с выхода диссек-
тора снимаются импульсы. Если источник излучения совпадает
с осью следящей системы, то траектория развертки (квадрат
или окружность) симметрична относительно оси х и у
(рис. 151, а, в) и импульсы с выхода диссектора, вызванные
пересечением развертывающего отверстия одной и той же лини-
ей, появляются через одинаковые временные промежутки. Пред-

Рис. 151. Оптическая система,
формирующая крестообразное
изображение точечного объекта
a)	5)	6)	г)

Рис. 152. Траектория движения крестообразного изображения
объекта:

а, б — траектории квадратной формы; в, г — круговые траектории .

положим, что изображение источника сместилось по одной из
осей координат, например, по оси х вправо в точку О
(рис. 152, б, г). Тогда траектория развертки становится несим-
метричной относительно оси у, а равномерность следования им-
пульсов, возникающих при пересечении развертывающего отвер-
стия вертикальной линией «электронного креста», нарушается.

Принцип обработки получаемых время-импульсных сигналов
в преобразовательном устройстве 6 (рис. 150) аналогичен прин-
ципу, применяемому в предыдущем устройстве (см. рис 147).

В качестве примера использования время-импульсного мето-
да рассмотрим устройство [108], разработанное на основе дис-
сектора, в котором электронное изображение объекта разверты-
вается по розеточной траектории, описываемой уравнением р =
= a sin по>/ (рис. 153, а).

Для получения розеточной развертки на катушки, располо-
женные во взаимно перпендикулярных направлениях и отклоня-
ющие поток электронов по осям х и у, необходимо подавать на-
пряжения, пропорциональные a sin псо/ cos со/ и a sin псо/ sin со/.

В процессе развертки с выхода диссектора снимаются им-
пульсы, длительность которых определяется положением изо-
бражения объекта на диафрагме.

Для выделения сигнала ошибки получаемая с диссектора 2
(рис. 153, б) последовательность импульсов поступает в селек-
торное устройство, работа которого управляется развертываю-
щими напряжениями Ux и Uy. Отметим, что знаки напряжений
Ux и Uy показывают, в какую сторону по соответствующей оси
отклоняется изображение объекта в процессе развертки.

Селектор содержит четыре ключевые схемы 5, б, 7 и 8 с дву-
мя входами. На один из входов поступают импульсы, вырабаты-
ваемые диссектором. На вторые входы ключей 5, б с генератора
развертки 1 подается развертывающее напряжение Ux, на вто-
рые входы ключей 7, 8 — напряжение Uy.
Перед поступлением на ключи 6 и 8 развертывающие напря-
жения предварительно проходят через инверторы 3 и 4, изменя-
ющие их полярность на обратную.

С выхода селектора снимаются четыре последовательности
импульсов, две из которых, соответствующие положительному
или отрицательному значению напряжения [/х, подаются в схему
выделения сигнала рассогласования по координате х; две дру-
гие последовательности импульсов, которые соответствуют по-
ложительному или отрицательному значению Uy, поступают
в схему выделения сигнала рассогласования по коорди-
нате у.

В схемах выделения сигнала рассогласования обе пары им-
пульсных сигналов подаются на интеграторы И и 12, причем
перед суммированием те последовательности импульсов, которые
соответствуют отрицательным значениям отклоняющих напря-
жений, меняют полярность на обратную, проходя через инвер-
торы 9 и 10.

Выходные сигналы на интеграторах равны нулю только тогда,
когда изображение объекта совпадает с оптической осью дат-
чика и, следовательно, длительности положительных и отрица-
тельных импульсов, поступающих в каждый интегратор, равны
друг другу.

В противном случае (изображение объекта смещено с опти-
ческой оси) из-за того, что суммирование выполняется алгебра-
ически, с выхода каждого интегратора снимается постоянное
напряжение, величина и полярность которого соответствует
ошибке в положении объекта.

Разработан датчик на основе диссектора, имеющего квадрат-
ное отверстие в диафрагме и использующего перемещение изо-
бражения объекта по крестообразной траектории (В. Бирнбаум.
Патент США № 3240942, 1966).

Рис. 153. Следящее устройство, использующее диссектор с ро-
зеточной траекторией развертки:

а _ форма траектории развертки; б — блок-схема
Рис. 154. Принцип действия следящего устройства, использующего
диссектор с квадратным отверстием в диафрагме и крестообразной
траекторией развертки

Диафрагма диссектора имеет квадратное отверстие
(рис. 154, а), а последовательность развертки следующая: от
центра вправо и обратно, от центра влево и обратно, от центра
вверх и обратно, от центра.вниз и обратно. Для осуществления
такой развертки формируются и подаются на отклоняющие ка-
тушки напряжения специальной формы.

Импульсы, снимаемые с диссектора в процессе развертки,
разделятся по четырем параллельным каналам, работа которых
синхронизована отклоняющими напряжениями таким образом,
что через каждый из каналов проходит импульс, соответствую-
щий одной из четвертей полного цикла развертки. В схеме выра-
батываются такие же импульсные сигналы, но обратной поляр-
ности.

Затем сигнал прямой полярности, соответствующий первой
из четвертей развертки (например, смещению изображения впра-
во и обратно), и сигнал обратной полярности, вырабатываемый
в течение второй четверти развертки (при смещении изображе-
ния влево и обратно), подаются на интегратор. Если изображе-
ние излучающего объекта совпадает с оптической осью, то эти
импульсы равны по длительности, а так как полярности их про-
тивоположны, то на выходе интегратора напряжение равно
нулю.

Если изображение объекта смещено вследствие неодионако-
вой длительности импульсов, то с одного или с обоих интеграто-
ров снимается сигнал рассогласования (рис. 154, б).
Разработано также аналогичное следящее устройство с дис-
сектором, в котором развертка изображения точечного объекта
осуществляется по крестообразной розеточной траектории отно-
сительно круглого отверстия в диафрагме диссектора (Г. Кларк.
Патент США № 3149235, 1964).

Рассмотрим группу время-импульсных следящих устройств,
в которых для определения смещения используются частотные
методы.

На рис. 155 показана следящая система, в которой на чувст-
вительном элементе формируется время-импульсный сигнал,
имеющий также и фазовый сдвиг, а величина рассогласования
определяется на основе частотного метода (рис. 155) [106].

Контролируемый светящийся объект фокусируется на фото-
катоде диссектора и с помощью четырех отклоняющих катушек,
отклоняющее напряжение в которых имеет треугольную форму
(рис. 155, в), осуществляется фотоэлектронная развертка изо-
бражения в форме креста (рис. 155, а, б).

При совпадении центра изображения объекта с центром фо-
токатода диссектора формируемый сигнал имеет вид, представ-
ленный на рис. 155, г. При этом все выходные импульсы имеют
одинаковую длительность и следуют друг за другом попарно.
В этом случае сигнал ошибки в системе не возникает. Если изо-
бражение объекта смещено относительно оси системы, напри-
мер, вправо, то два импульса в правой части развертки будут
иметь меньшую длительность, чем в левой части (рис. 155, д).

Вследствие этого в выходном сигнале возникает составляю-
щая основной частоты развертки, которая и является сигналом
ошибки. По форме получаемого сигнала (сравнивая его с опор-
ным сигналом) можно судить о величине и направлении смеще-
ния объекта относительно оптической оси следящей системы.

Когда изображение объекта совпадает с оптической осью
датчика, траектория развертки симметрична относительно от-
верстия в диафрагме. Импульсы [Д, снимаемые с диссектора,

Рис. 155. Принцип действия фо-
тоэлектрического следящего
устройства с крестообразной
траекторией развертки
Рис. 156. График, зависимости
° выходного сигнала следящего
устройства с крестообразной
траекторией развертки от вели-
чины рассогласования

имеют в этом случае равную длительность, а в разложении
Фурье присутствуют только четные гармоники частоты развер-
тывающего напряжения, начиная со второй.

При отклонении объекта излучения по оси х, например впра-
во, крестообразная развертка смещается от центра. Длитель-
ность импульсов при развертке изображения в правую сторону
становится меньше, чем при развертке в левую сторону. Вслед-
ствие асимметрии получаемого при этом импульсного сигнала U2
в разложении Фурье появляется первая гармоника основной
развертывающейся частоты.

Первая гармоника, выделенная фильтром, усиливается и по-
дается в фазовый детектор, где ее фаза сравнивается с фазой
соответствующего опорного напряжения. Опорными напряже-
ниями служат синусоиды, из которых образуются напряжения
Ux и Uy. Фаза первой гармоники сигнала рассогласования сов-
падает или отличается на 180° от фазы опорного напряжения
в зависимости от того, в какую сторону смещен источник излу-
чения.

График зависимости сигнала рассогласования от величины
смещения показан на рис. 156.

Рассматриваемый датчик использовался в системе слежения
за звездой [106].

Одна из модификаций рассматриваемого датчика с крестооб-
разной разверткой была выполнена на диссекторе, который от-
личается от обычного тем, что вместо динодного электронного
умножителя в нем применен канальный электронный умножи-
тель. Он меньше по габаритным размерам и потребляет мень-
шую мощность при большом коэффициенте умножения. Подоб-
ный диссектор может быть применен и для других схем датчи-
ков, так как отличие в схеме электронного умножения не влия-
ет на принцип получения сигнала рассогласования.

Рассмотрим группу устройств, приемником излучения в кото-
рых служит передающая трубка, использующая построчный те-
левизионный растр. Среди телевизионных устройств, основанных
на время-импульсном методе выделения сигнала, такие устрой-
ства составляют большинство.
Для выделения полезного видеосигнала на фоне помех ис-
пользуется специальный амплитудный дискриминатор, который
различает амплитуды полезного сигнала и помех.

Схема дискриминации искомого объекта может быть спроек-
тирована для работы с опорным уровнем по фону. В этом слу-
чае в схеме сравниваются сигнал от объекта и сигнал от участ-
ка фона, перекрывающего объект, и в блоке выделения сигнала
рассогласования поступает только видеосигнал, отклоняющийся
по амплитуде от фонового уровня. Этот метод дает удовлетво-
рительные результаты, особенно когда уровень фона сравнитель-
но постоянен.

Возможен также режим работы дискриминатора с выбором
опорного уровня по объекту. Этот режим применим в тех слу-
чаях, когда яркость объекта слежения известна. Схема дискри-
минатора пропускает на выход только те участки видеосигнала,
которые соответствуют установленному уровню.

Так как при использовании время-импульсного метода для
получения сигнала рассогласования используются только дли-
тельности импульсов, поступающих с приемника, то видеоим-
пульсы от объекта, прежде чем поступить в схему выделения
ошибки, часто стандартизуются по амплитуде: амплитуда уста-
навливается постоянной, достаточной для уверенной работы по-
следующих схем, а ширина их остается без изменения.

Сведения о смещении объекта слежения вырабатываются пу-
тем привязки полученного и обработанного, как было указано
выше, видеосигнала к координатам растра с помощью синхро-
низирующих сигналов из блока развертки.

Телевизионные позиционно-чувствительные датчики проекти-
руются обычно таким образом, чтобы при нахождении изобра-
жения объекта в центре трубки, т. е. когда видеосигнал распо-
лагается в середине интервала между кадровыми и строчными
синхронизирующими импульсами, выходной сигнал датчика был
равен нулю. В противном случае на его выходе появляются сиг-
налы рассогласования, пропорциональные смещению объекта.

Рассмотрим устройство [129], в котором используется стро-
бирование видеосигнала (рис. 157). С помощью этого устройства,
во-первых, определяют сигнал рассогласования по обеим коор-
динатным осям, и, во-вторых, повышают отношение сигнал/шум
и подавляют сигналы, создаваемые посторонними объектами.
Для определения сигнала рассогласования в каждом канале ге-
нерируются стробы: первый и второй строчный и первый и вто-
рой кадровый. Генераторы стробов <?, 4, 5 и 6 управляются
строчными и кадровыми синхронизующими импульсами, полу-
чаемыми от генератора развертки 1,

Концы первых стробов совпадают с центром пилообразного
напряжения строчной или кадровой развертки. Вторые стробы
начинаются в момент прохождения развертки через ее центр.
Ширина обоих стробов одинакова и может регулироваться
283
Рис. 157. Блок-схема телевизионного следящего устройства:

I — видеосигнал, строчный синхроимпульс; II — полный строб;
III — стробированный видеосигнал; IV — после пороговой схемы;
V — стандартизованный видеосигнал, VI — первый строчный строб;
VII — второй строчный строб; VIII — первый строчный видеоим-
пульс; IX — второй строчный видеоимпульс

только в одну сторону (от центра развертки). Эти стробирующие
импульсы вводятся в блок выделения сигнала ошибки.

Суммирование первых и вторых стробов дает полные стро-
бы — кадровые и строчные, положение которых симметрично
относительно центра развертки. Эти стробы от генератора пол-
ного строба 7 вводятся в блок 8 обработки видеосигнала, кото-
рый поступает от телевизионной камеры 2. Этим достигается
вторая цель стробирования: повышение отношения сигнал/шум.
Блок обработки видеосигнала включает усилитель, пороговую
схему, униполярную цепочку и схему ограничения амплитуды.

Обработанные видеоимпульсы поступают в блок выделения
сигнала рассогласования по осям х и у. Этот блок содержит че-
тыре ключевые схемы 10, 11, 12 и 13 — по две в каждом канале
выделения рассогласования по осям х и у. Перед ключами 11 и
13 включен инвертор 9, изменяющий полярность видеоимпульсов
на обратную.

Ключевые схемы управляются первым и вторым стробами.
Один из ключей каждой пары пропускает только часть видео-
импульса от объекта, соответствующую первому стробу, второй
ключ — часть видеоимпульса, соответствующую второму стробу.

Выходы ключевых схем соединены со входами интеграторов
14 и 15, в которых сравниваются длительности импульсов от
объекта, соответствующие первому и второму стробам.

Сигналы с интеграторов равны нулю только в том случае,
когда центр объекта слежения совпадает с оптической осью си-
284
стемы, т. е. когда центр видеоимпульса совпадает с центром
полного строба.

Информация, получаемая от интеграторов 14 и 15, хранится
в течение кадра в блоке запоминания 16 и 17 для того, чтобы
сигнал рассогласования по оси х не изменялся от строки к стро-
ке на протяжении кадра, а сопровождение объекта велось по
его геометрическому центру.

Описанные выше телевизионные следящие устройства пред-
назначены в основном для слежения за объектами, создающими
на чувствительном элементе изображение малых размеров. Рас-
смотрим теперь в качестве примера одно из устройств, предна-
значенных для слежения за объектами, изображение которых
занимает значительную часть экрана трубки (рис. 158) (Дж.
Барнетт. Патент США № 3010024, 1961).

В этом случае поле зрения системы развертывается телеви-
зионным растром в четырех различных направлениях (сверху
вниз, снизу вверх, слева направо, справа налево), а величина
смещения объекта определяется промежутком времени между
моментами пересечения изображения объекта растром при раз-
вертке в противоположных направлениях.

Подобный принцип реализуется с помощью четырех телеви-
зионных камер, повернутых друг относительно друга на 90°. Од-
нако путем применения соответствующей коммутационной схемы
эту задачу можно решить с помощью и одной камеры (рис. 159).
Работой камеры и всей электронной схемы управляет синхрони-
зирующий генератор 1. Кадровые синхронизующие импульсы

Рис. 158. Поисково-
следящее сканирую-
щее устройство со
строчной разверткой в
четырех направлениях
Рис. 159. Схема телевизион-
ного следящего устройства с
переключением направления
развертки

генератора переключают коммутаторный блок 2 в одно из че-
тырех положений, каждому из которых соответствует свое на-
правление развертки.

Предположим, что в течение первого кадра развертка осу-
ществляется сверху вниз. Сигналы с передающей трубки 3 по-
ступают в блок обработки видеоинформации 4, в котором про-
исходит усиление сигнала, удаление из общего сигнала гасящих
и синхронизующих импульсов.

Затем видеосигнал поступает на одно из плеч триггера 5,
управляющего работой ключа 6. Кадровый синхронизующий им-
пульс, приходящий в начале цикла развертки на второе плечо
триггера, устанавливает его в такое положение, при котором
ключ 6 открыт. В процессе развертки через этот ключ проходят
строчные синхронизующие импульсы. Эти импульсы считаются
счетчиком 7 и с помощью коммутатора <8, управляемого кадро-
выми синхронизующими импульсами, подаются в регистр 9, ко-
торый запоминает информацию для сравнения ее с информаци-
ей, получаемой в следующем кадре.

В тот момент, когда развертка пересекает очертание объек-
та, получаемый видеосигнал перебрасывает триггер 5, в резуль-
тате чего ключ 6 запирается и счет импульсов прекращается.
Запомненное в регистре 9 число импульсов соответствует рас-
стоянию А (см. рис. 158) от начала кадра до кромки изображе-
ния объекта. С приходом второго кадрового импульса коммута-
тор 2 (рис. 159) переключает соответствующие цепи таким об-
разом, чтобы обеспечить направление развертки в телевизион-
ной камере снизу вверх. Кадровый синхроимпульс возвращает
триггер 5 в первоначальное положение, а также переключает
коммутатор 8 в положение, в котором счетчик 7 соединяется
с регистром 10.

Счетчик считает строчные синхронизующие импульсы до тех
пор, пока видеосигнал, появившийся при пересечении разверт-
кой нижней кромки изображения объекта, не перебросит триг-
гер 5 и не запрет ключ 6. Число импульсов, поступившее в ре-
286
гистр 10, соответствует расстоянию В (см. рис. 158) от нижней
границы растра до нижней кромки изображения объекта.

Выходы регистров соединены со входом вычитающего устрой-
ства 11 (рис. 159), непрерывно выдающего разность чисел им-
пульсов в регистрах 9 и 10, которая соответствует разно-
сти (Л—В).

Эта разность преобразуется из числовой в аналоговую форму
в преобразователе 12. Полученное на его выходе напряжение
пропорционально величине ошибки в положении объекта по
вертикали.

Выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вхо-
дом ключа 13, которым управляют сигналы с триггера. Он от-
крывается (с помощью дополнительных цепей, на рисунке не
показанных) во время второго кадра, когда развертка пересе-
кает изображение объекта и прекращается счет импульсов. На-
пряжение рассогласования снимается в течение промежутка
времени между пересечением изображения объекта развертки
во время второго кадра и концом второго Кадра.

В течение третьего кадра развертка осуществляется слева на-
право, а в течение четвертого кадра — справа налево. Сигнал
рассогласования в положении объекта по оси х, определяемый
разностью С — D, вырабатывается при этом аналогичным
образом.

Г л а в а 4. ЧАСТОТНЫЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

Особенность следящих устройств, рассматриваемых здесь,
заключается в том, что отклонение источника излучения от фик-
сированного направления (оптической оси) приводит к измене-
нию частоты переменного сигнала, вырабатываемого фотоприем-
ником. В следящих устройствах, основанных на частотном прин-
ципе, составляющие рассогласования по каждой из осей коорди-
нат определяются частотой модуляции. Модуляция может осу-
ществляться с помощью модулирующего диска, размещаемого
в фокальной плоскости объектива и приводимого во вращение
с постоянной скоростью.

Модулирующий диск такого устройства представляет собой
стеклянную пластину с рядом прозрачных и непрозрачных по-
лос. В простейшем случае полосы нанесены в виде двух концен-
трических поясов так, что ширина прозрачных и непрозрачных
полос в каждом поясе одинакова, а число полос в поясах раз-
лично. Точка пересечения линии раздела поясов с одной из осей
координат совмещается с центром фокальной плоскости.

При смещении изображения объекта лучистый поток будет
модулироваться с той или иной частотой в зависимости от того,
на каком из двух поясов находится изображение объекта. Соот-
Рис. 160. Схема двух-
канального следящего
устройства, действую-
щего по частотному
принципу

ветствующую частоту будут иметь пульсации тока в цепи чув-
ствительного элемента, расположенного за модулирующим
диском.

На выходе усилителя фототока расположены два фильтра,
настроенные на соответствующие частоты модуляции лучистого
потока. При смещении изображения объекта, например, вправо
или влево от центра фокальной плоскости, на выходе того или
иного фильтра появляется напряжение, используемое в приводе
следящей системы.

Рассмотренное следящее устройство реагирует на смещение
изображения объекта только вдоль одной из координат осей
(в нашем случае вдоль оси %).

Для того чтобы такое устройство реагировало на смещение
изображения объекта по двум осям, оно должно быть выполнено
по одной из следующих схем: с двумя оптическими системами
и двумя модулирующими дисками; с двумя оптическими систе-
мами и одним модулирующим диском; с одной оптической
системой и двумя модулирующими дисками, вращающимися
с различными частотами.

Рассмотрим принцип работы схемы с двумя оптическими
системами и двумя модулирующими дисками (рис. 160). Излу-
288
чения от источника попадают на два объектива 1 и 7 собираются
ими в главных фокусах, вблизи которых расположены модули-
рующие диски 2 и 6 и чувствительные элементы 3 и 5.

Ошибками параллакса, возникающими вследствие смещения
объективов с оси 00 на величины Xi и можно пренебречь, так
как они имеют порядок десятков миллиметров, а расстояние от
источника излучения до фотоэлектрического чувствительного
датчика измеряется в сотнях метров. Если источник излучения
находится на конечном расстоянии, ошибки параллакса необ-
ходимо учитывать. Это является одним из основных недостатков
данной схемы.

Ввиду полной идентичности обоих каналов рассмотрим работу
только одного канала, определяющего рассогласование по оси х.
Модулирующий диск приводится во вращение электродвигателем
со скоростью п об!сек и установлен так, что окружность раздела
модулирующих полос расположена на оптической оси устрой-
ства, причем направления модулирующих полос в момент пере-
сечения изображения объекта параллельны оси х.

Если нет смещения источника излучения 8 по оси х, то моду-
ляции потока излучений, поступающих на чувствительный эле-
мент, не будет. При смещении источника вдоль оси поток будет
модулироваться с частотой fn или /л, зависящей от направления
смещения пятна изображения вправо или влево и определяемой
выражениями

fn = nN-, fA = n м,

где N и М — числа прозрачных (непрозрачных) полос наруж-
ного и внутреннего растров диска 6.

Модулированный поток попадает на чувствительный элемент,
сигнал которого усиливается усилителем переменного тока 4.
Усилитель сигнала имеет трансформаторный выход, во вторич-
ную обмотку которого подключены четыре резонансных фильтра,
каждый из которых настроен соответственно на частоту fe, fH,
fn, h- Обычно диски 2 и 6 приводятся во вращение от одного
электродвигателя. Устройство дает зависимость выходного сиг-
нала от угла рассогласования.

Рассмотренная схема может быть выполнена также с двумя
оптическими каналами и одним модулирующим диском.

Недостаток рассмотренных схем заключается в наличии двух
объективов и двух приемников излучения, вызывающих ошибку
параллакса, а также трудности в подборе приемников излучения
с одинаковыми параметрами (чувствительностью, крутизной
характеристики и т. д.). Это приводит к различной чувствитель-
ности системы по координатам х и у.

Схема следящего устройства, в которой используется один
объектив с одним чувствительным элементом (рис. 161), не имеет
указанных недостатков. Лучистый поток от источника излучения
собирается объективом 1 в фокальной плоскости оптической
19 Заказ 375	289
системы, где находятся два вращающихся модулирующих диска
2 и 5.

Далее лучистый поток попадает на фотоприемник 3, выходное
напряжение с которого поступает на усилительно-преобразова-
тельный блок 4. Диски расположены так, что один из них дает
возможность выделять сигнал по координате х, а другой — по
координате у. Каждый диск разделен на четыре сектора, два из
которых имеют растры, а два других — прозрачны. Диски моду-
лируют поток поочередно. При смещении объекта слежения
вдоль оси у от оптической оси поток модулируется диском 5 с ча-
стотами fe, fH, а при смещении вдоль оси х — диском 2 с часто-
тами fn и 1Л.

Во многих случаях целесообразно применять систему, в ко-
торой напряжение на выходе устройства зависит не только от
знака, но и от величины угла рассогласования (система с линей-
ным законом управления). Такую систему можно получить, если
применить модулирующий диск, изображенный на рис. 162
(М. Мирлин. Патент США № 3007053, 1961).

Излучения объекта собираются телескопом 1 и поступают
на детектор 3, проходя предварительно через вращающийся
диск 4, диафрагму 5 и конденсор 2 (рис. 162, а).

Общий вид модулирующего диска и диафрагмы представлен
на рис. 162,6. Диск прозрачен и на его периферийном кольце
нанесены непрозрачные риски разной толщины так, что области,
занимаемые рисками определенной толщины, представляют
собой треугольники. В треугольниках размещено рисок малой
толщины больше, чем рисок большой толщины (рис. 162,6).

При вращении диска с фотоэлемента будет сниматься сигнал
различной частоты.

Диск расположен таким образом, что при совпадении опти-
ческой оси системы с направлением на объект длительности
интервалов времени, в течение которых происходит прерывание
светового потока с различной частотой, равны между собой.
290
При смещении изображения объекта относительно оси
системы по вертикали длительности указанных импульсных сиг-
налов различны. В электрической схеме (включающей в себя
усилители, настроенные на соответствующие частоты, выпрями-
тели и демодуляторы) осуществляется сравнение этих длитель-
ностей и вырабатывается сигнал рассогласования объекта по
вертикали. Сигнал рассогласования по горизонтали определяется
сравнением фаз опорного и рабочего сигналов. Опорный сигнал
формируется при пересечении периферийной зоной диска, со-
стоящей из прозрачных и непрозрачных полос, излучений вспомо-
гательного источника света.

В качестве разновидности рассмотренной схемы можно ука-
зать такую, в которой диск разделен на восемь секторов, каждый
из которых имеет одинаковое число непрозрачных параллельных
полос, причем центральная полоса каждого сектора направлена
по радиусу. При вращении диска поток излучений модулируется
с частотой тем большей, чем больше расстояние от изображения
объекта до центра диска. Это происходит вследствие того, что
число модулирующих полос возрастает в направлении от центра
к периферии диска.

К этой же группе следящих устройств может быть отнесено
устройство, представленное на рис. 163 (А. Хюман. Патент США
№2903204, 1961).

Принцип действия такого устройства сводится к следующему.
Чувствительный элемент представляет собой ряд болометриче-
ских датчиков, расположенных так, как показано на рис. 163,6.

19*

291
Рис. 163. Принципиальная схема следящего устройства, в котором изо-
бражение объекта перемещается по комплексу полупроводниковых
датчиков

Чувствительный элемент 1 помещается в фокусе вогнутого зер-
кала 2 (рис. 163, а). Схема включения болометрического датчика
представлена на рис. 163, в. Датчик состоит из двух болометри-
ческих пластин А и В, включенных в мостовую схему. На одну
из пластин (Л) попадают излучения объекта, другая (В) защи-
щена от него. Вследствие этого при облучении датчика происхо-
дит разбаланс мостовой схемы. Всего в четырех квадрантах
чувствительного элемента расположено шестнадцать болометри-
ческих датчиков, каждый из которых получает питание от источ-
ника переменного тока определенной частоты. На каждый датчик
подается переменное напряжение от задающего генератора
через мультивибратор и фильтры соответствующих частот. Сиг-
налы с датчиков поступают на смеситель, а затем в усилительную
схему. В последней имеется селектор, который выбирает для
дальнейшего усиления сигнал от датчика с наибольшей амплиту-
дой. При этом выходной сигнал будет иметь частоту питания того
болометрического датчика, на котором в данный момент нахо-
дится изображение объекта.

С выхода устройства снимается информация как о направ-
лении смещения излучающего объекта, которое определяется
квадрантом приемника излучения, так и о величине смещения,
которая определяется номером засвеченного болометра. Схема
построена таким образом, что амплитуды сигналов на выходе
датчика после детектирования в зависимости от номера засве-
ченного болометра (считая от внешнего края) относятся между
собой как 4 : 3 : 2 : 1. При отработке рассогласования излучаю-
щий объект приводится к центру приемника, где отсутствует
светочувствительная поверхность и сигнал рассогласования не
вырабатывается. Позиционная характеристика датчика имеет
ступенчатый вид (рис. 164).
К этой же группе фотоэлектронных следящих устройств мо-
жет быть отнесено устройство, в котором в зависимости от
величины и направления смещения изображения объекта на фо-
токатоде осуществляется различная модуляция потока фото-
электронов (Р. Палмер. Патент США № 2906916, 1958). Принци-
пиальная схема устройства показана на рис. 165, а, б. Чувстви-
тельный элемент системы представляет собой специальный фото-
умножитель, в котором между фотокатодом и умножительными
каскадами 3 расположены электроды 1 и Г и перпендикулярные
им электроды 2 и 2'. Эти электроды предназначены для модуля-
ции потока фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом, на
котором фиксируется изображение объекта. На электроды 1 и Г
и 2 и 2' подается от генераторов 5 и 6 переменное напряжение
соответственно с частотой coi и <О2. Сигнал с анода фотоумножи-
теля 4 поступает на два фильтра 7 и 8, каждый из которых
выделяет частоты ел и <о2. Выходы фильтров соединены с фазо-
выми детекторами 9 и 10, к которым также приводятся сигналы
от генераторов 5 и 6. В этих блоках определяется полярность
сигналов с частотой ал и <о2, что позволяет выяснить направление
смещения объекта на фотокатоде.

Если изображение объекта находится в центре квадрата,
образованного электродами 1 и Г и 2 и 2', то воздействие на
электронный поток прикладываемого к электродам напряжения
таково, что в сигнале фотоумножителя отсутствуют гармоники
с частотой <01 и <о2.

При смещении изображения объекта, например, в направле-
нии от электрода 1 к электроду 1' в сигнале появляется состав-
ляющая с частотой ел. При смещении изображения объекта
в противоположном направлении фаза этой составляющей ме-
няется на 180°. Аналогичная картина имеет место при смещение
объекта между электродами 2 и 2'.

При смещении объекта в любом направлении от центра квад--
рата, образованного электродами 1 и Г и 2 и 2', возникает двдйг-
ная модуляция сигнала частотами ел и <о2, причем коэффициенты i

Рис. 164. Позиционная
характеристика следяще-
го устройства, представ-
ленного на рис. 163
Рис. 165. Фотоэлектронное следящее устройство
с модуляцией фотоэлектронного изображения в за-
висимости от величины его смещения

модуляции и фазовые смещения синусоидальных составляющих
однозначно связаны с величиной и направлением смещения
объектов относительно центра квадрата.

Для создания более плавно действующей системы модулирую-
щая сетка может быть выполнена с большим числом электродов
(рис. 165, в).

Выше были рассмотрены следящие устройства, в которых
частота дискретно меняется при достижении изображением
объекта определенной величины смещения относительно опти-
ческой оси системы. Точность слежения в этом случае ограничи-
вается числом уровней дискретизации принятых при создании
устройства. Более высокая точность определения рассогласова-
ния может быть получена при использовании оптико-электрон-
ных следящих систем с непрерывно изменяющейся модуляцией
сигнала в зависимости от величины смещения объекта.

К этой группе могут быть отнесены следящие устройства,
в которых вращательное движение совершают изображение
объекта и модулирующий диск (Р. Наткине. Патент США
№ 3002098, 1961). Схема такого следящего устройства представ-
лена на рис. 166. Объектив 1 воспринимает изображение объекта.
Затем конденсорная линза 2 направляет параллельный пучок
света на вращающуюся вокруг оптической оси устройства приз-
му 3 Дове.
Линза 4 фокусирует изображение на диске 5, вращающемся
вокруг оптической оси. После диска изображение фокусируется
линзой на фотодетекторе 7.

Призма Дове осуществляет вращение проходящего через нее
изображения с угловой скоростью, в 2 раза большей скорости
собственного вращения. Когда изображение объекта совпадает
с оптической осью устройства, на диске 5 получается точка, обо-
значенная цифрой S. При отклонении изображения от оптической
оси на диске 5 появляется точка 9, вращающаяся по окружности
с центром в точке S, причем направление вращения точки 9 на
одной половине окружности совпадает с направлением вращения
диска 5, а на другой противоположно ему.

Так как ширина прозрачных и непрозрачных полос умень-
шается в направлении оси вращения диска, то большее число
полос будет проходить в единицу времени над изображёнием
объекта, когда последнее находится ближе к оси вращения
диска. Вследствие этого основная частота (частота прерывания
светового потока секторами диска) модулируется дополнитель-
ной частотой, причем фаза модуляции пропорциональна угловой
ориентации объекта, а глубина модуляции пропорциональна
величине отклонения.

Рассмотрим устройства, в которых сигнал рассогласования
формируется путем перемещения изображения относительно мо-
дулирующей сетки. В устройствах этой группы используются
элементы, которые осуществляют вращение изображения объек-
та относительно модулирующего диска, концентрично располо-
женного на оптической оси системы. При отклонении оптической
оси системы от направления на объект окружность, по которой
вращается изображение объекта, становится эксцентричной
относительно модулирующего диска, что позволяетопределить
величину и направление смещения объекта относительно опти-
ческой оси системы.
Рис. 167. Следящее устройство
с вращающимся оптическим кли-
ном:

а — общая схема; б — модулирующий
диск; в — форма получаемых сигна-
лов

На рис. 167, а представлено устройство, в котором для вра-
щения изображения объекта, сфокусированного в виде точки,
в плоскости модулирующего диска 2 использован оптический
клин 4. После прохождения через вращаемый двигателем 5
оптический клин световой поток, отраженный от вогнутого зер-
кала 1, фокусируется на модулирующем диске 2, устройство
которого показано на рис. 167,6. За диском расположен фото-
элемент 3, на который поступает модулированный световой по-
ток. Если объект расположен на оптической оси системы, то
световое пятно описывает по модулирующему диску окружность
с центром в центре диска. При этом на фотоэлемент попадают
световые импульсы равной длительности (рис. 167, в).

При смещении объекта с оптической оси системы изображе-
ние объекта описывает на модулирующем диске окружность,
центр которой смещен относительно центра диска, и при этом на
фотоэлемент поступают световые импульсы разной длительности.

Получаемый с фотоэлемента сигнал используется для опреде-
ления величины и направления отклонения объекта от оптиче-
ской оси.

В ряде случаев для повышения частоты модуляции светового
сигнала дисковому модулятору придается дополнительное
вращательное движение.

Рассмотрим основные расчетные соотношения для следящего
устройства этого типа [119] (рис. 168).

За изображение цели принят равномерно освещенный кружок
радиуса 6. Система координат — полярная, с переменными S
296
(радиус-вектор) и 0 (полярный угол); начало координат 0 сов-
падает с центром модулирующего диска.

Поток лучистой энергии F, прошедший через модулирующий
диск, выражается интегралом

F = E

T(Stf)dA,

где Е — освещенность изображения;

А — площадь изображения;

Т (S, 0) — прозрачность диска.

Уравнение окружности радиуса б, центр которой расположен
в точке с координатами D, a (D — радиус-вектор, а — полярный
угол), имеет вид

б2 = S2 + D2—2SD cos(0—а).

Это уравнение, решенное относительно S, дает два корня:

Si .2 = D cos(0—а) + /D2cos2(0 — а)—(D2—б2).

Дифференциал площади изображения определяется как

dA = l/2(S22 — S2)d0,

где Si — меньший из указанных корней, a S2— больший.

Полагая, кроме того, что прозрачность диска не зависит
функционально от S, можно записать выражение для F в следую-
щей форме:

ф

F = 2DE J T(0)cos(0—a)V Dz cos2(0—а)—(D2—62)d0.
V
Пределы интегрирования у и гр должны в точности соответ-
ствовать центральному углу диска, опирающемуся на круговое
изображение цели. Из анализа рис. 168 следует, что

у = а—arc sin (б/£>).

Рассмотрим параметр Т(0)—прозрачность диска простей-
шего вида, состоящего из чередующихся прозрачных и непро-
зрачных секторов. Ее можно описать аналитически с помощью
рядов Фурье следующим образом:

7’(0) = 1/2^[1—(—ir](ttn)''cos[nm(0—ф)],
Л=1

где т — половина общего числа прозрачных и непрозрачных
секторов диска;

<р — фазовый угол, измеряемый в направлении против
часовой стрелки, начиная от опорной линии 0 = 0
и до середины первого прозрачного сектора. Сумма в
правой части уравнения представляет собой простое
разложение сигнала прямоугольной формы в ряд
Фурье.

Для упрощения анализа примем, что ап — коэффициент /г-й
гармоники разложения Т(0). Изменение во времени лучистого
потока Fn, прошедшего через диск, обусловлено n-й гармоникой
и определяется уравнением

Fn = 2аnDE + j ' * cos [п/п(0—а) VD2 cos2(0—а)—(£>2—62) J0].
а—arcsin(8/D)

Этот интеграл приближенно можно выразить в виде

Fn (2n/nrri)DanE cos [nm(a + ф)] j (nmb/D).

Для того чтобы применить это уравнение для случая, когда
изображение объекта совершает эксцентричное вращение по
поверхности модулирующего диска, это уравнение необходимо
несколько видоизменить. Относительное движение изображения
цели и диска в данном случае таково, что расстояние не остается
постоянным, а изменяется во времени по следующему закону:

D = ]/7?о + 2RQr cos tot + г2.

Полярный угол а выражается в виде

a = аге tg [г sin tot/(RQ + г cos со/)] •

Введя обозначение

Р = Rq/г
и подставив все эти формулы в уравнение лучистого потока,
получим

Fп^(2тс/тп)ЕапЬгУр2 + 2pcoscoZ + \(jnm§lr) х

X (р2 + 2р cos со/ + 1)-1/2 cos [пт {arc tg [sin со/(р + cos со/)] + <р}}.

Величину Fn, определенную таким образом, можно считать
синусоидальным сигналом, модулированным одновременно по
амплитуде и по частоте. «Мгновенная» частота сигнала Q опреде-
ляется дифференцированием аргумента косинусоидального члена
уравнения

Q =nmo)(l +pcosco/)/(l +2р cosco^ + р2).

Как следует из этой формулы, любое существенное отклоне-
ние р от нулевого значения из-за смещения объекта с оси
системы приводит к резким колебаниям частоты и амплитуды
сигнала.

Рассмотрим работу системы в условиях, когда ось системы
не совпадает с направлением на цель, но очень близка к нему
(такому положению соответствует зависимость 0 < р <<С 1).
В этом случае радикалы в правой части уравнения, определяю-
щего величину Fn, приблизительно равны единице.

Следовательно, амплитуду сигнала можно считать постоян-
ной. Что касается мгновенной частоты сигнала, то с учетом
условия р <С 1 нетрудно прийти к следующей приближенной
зависимости:

Q =	—р cos со/).

Итак, когда ось системы близка к направлению на цель,
напряжение рассогласования на выходе приемника представляет
собой сигнал с чисто частотной модуляцией. Это позволяет ут-
верждать, что при использовании системы в таком режиме рабо-
ты можно получить весьма высокую точность слежения.

Исследование соотношения сигнала к шуму для модулирую-
щих дисков с различными формами модулирующих полос
проведено в работе [145].

Используя различные типы фотоэлектронных развертываю-
щих элементов, можно сравнительно просто осуществить любые
траектории сканирования контролируемых участков поля. Это
позволяет на основе таких элементов создавать следящие уст-
ройства, отличающиеся значительной простотой и высокой
надежностью.

Однако применение фотоэлектронных развертывающих эле-
ментов в устройствах этого класса ограничивается тем, что такие
элементы разработаны лишь для ограниченных участков спектра.

Ниже рассмотрено несколько вариантов фотоэлектронных
следящих устройств, которые представляют интерес, гак как
определяют возможные пути разработки устройств этого класса.
Рис. 169. Следящее устрой-
ство со специальным элек-
тронно-оптическим преобра-
зователем:

В качестве первого примера рассмотрим фотоэлектронное
следящее устройство, изображенное на рис. 169 (Дж. Турк. Па-*
тент США № 2967247, 1961). Принцип действия этого устройства
такой же, как у рассмотренных выше оптико-механических уст-
ройств, в которых вращение сфокусированного в точку изобра-
жения объекта выполняется по модулирующему диску. Отличие
заключается лишь в том, что в этом устройстве применен элек-
тронно-оптический преобразователь изображения (ЭОП) /,
используемый здесь для того, чтобы вращать электронное изо-
бражение объекта с помощью электромагнитного Поля. Пара-
метры отклоняющих и фокусирующих катушек ЭОП рассчитаны
таким образом, чтобы при расположении точечного изображения
объекта в центре входного экрана на выходном экране формиро-
валась светящаяся точка, совершающая равномерное вращение
по окружности, центр которой лежит на оси ЭОП. Если изобра-
жение объекта на входном ЭОП смещается с центральной точки,
то на выходном экране светящаяся точка движется по окружно-
сти, центр которой смещен относительно оси ЭОП.

За выходным экраном ЭОП установлен неподвижный моду-
лирующий диск 2, имеющий радиальные прорези. Сзади него
расположен фотоэлемент 3. При вращении на выходном экране
светящейся точки по окружности, концентричной с осью ЭОП,
сигнал и' с фотоэлемента имеет определенную частоту.

Если окружность, по которой движется светящаяся точка на
выходном экране ЭОП, располагается эксцентрично относительно
зоо
оси ЭОП, то сигнал и” с фотоэлемента получает частотную моду-
ляцию. По глубине этой модуляции можно судить о величине
смещения объекта б, а по изменению фазы огибающей модули-
рованного сигнала (по сравнению с опорным сигналом) —о на-
правлении смещения объекта. Такое следящее устройство может
быть выполнено с модулирующим диском любого типа из приме-
няемых в оптико-механических следящих устройствах (с ради-
кальными полосами, с полосами, модулированными по ширине
в зависимости от радиуса, с различными сетчатыми дисками
и т. п.)<

Преимущества такого устройства заключаются в отсутствии
подвижных элементов и простоте схемы.

Теперь рассмотрим вариант следящего устройства, в котором
в качестве фотоэлектронного элемента использован специальный
диссектор.

Отличительной особенностью диссектора, применяемого
в данном устройстве, является то, что его анод выполнен в форме
небольшого диска, состоящего из нескольких секторов
(Дж. Турк. Патент США № 2965762, I960).

Принципиальная схема такого устройства представлена на
рис. 170. Изображение контролируемого участка поля фокуси-
руется объективом 1 на фотокатоде диссектора 2. Вторичные
электроны фокусируются катушкой 5 и направляются к проти-
воположному торцу диссектора, где находится анод 6, имеющий
форму диска с радикальными секторами.

В режиме поиска с помощью отклоняющих систем 4 и 7, рас-
положенных на диссекторе, осуществляется построчное сканиро-
вание поля. После обнаружения объекта построчное сканирова-
ние прекращается и включаются катушки 3 и S, которые

Рис. 170. Следящее устройство, выполненное с использованием спе-
циального фотоэлектрического диссектора
заставляют электронное изображение объекта и фона вращаться.
Электронное изображение описывает по поверхности анода ок-
ружность, концентричную с центром анодного диска, когда
направление на объектив совпадает с осью системы, и эксцен-
тричную, когда объект смещен с оси системы. Диск 6 выполняет
в этом случае роль модулятора и детектора. Преимущества та-
кой системы — полное отсутствие подвижных частей и удачное
совмещение функций поисковой и следящей системы в одном
фотоэлектронном устройстве.

Г л а в а 5. ФАЗОВЫЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

В следящих устройствах этого типа информацию о рассогла-
совании между оптической осью и направлением на источник
получают на основе определения сдвига фаз между сигналом,
создаваемым объектом, и некоторыми опорными сигналами,
вводимыми для начала отсчета.

Фазочувствительный блок датчика обычно вырабатывает два
сигнала рассогласования, соответствующих отклонению источни-
ка по осям декартовой системы координат.

В большинстве случаев в устройствах этого типа информация
о рассогласовании содержится не только в фазе сигнала, но и в
его амплитуде. Поэтому данный метод можно назвать фазово-
амплитудным.

На рис. 171 представлена блок-схема следящего устройства,
использующего фазовый метод. Схема состоит из чувствитель-
ного элемента и развертывающего устройства /, генератора раз-
вертывающего напряжения 2, усилителя сигнала 3, фазовых
детекторов 4, каналов слежения по осям х и у и усилителей
постоянного тока 5. Напряжения, вырабатываемые генератором 2
и используемые в устройствах развертки, одновременно служат
опорными сигналами, вводимыми в фазовые детекторы для выра-
ботки сигналов рассогласования.
Рис. 172. Компенсационное следящее устройство, в ко-
тором сканирующее наклонное зеркало установлено
на роторе гироскопа

Рассмотрение устройств этой группы начнем с классических
оптико-механических устройств.

Рассмотрим следящее устройство, схема которого представ-
лена на рис. 172. На торцовой поверхности ротора укреплено
зеркало 3, плоскость которого образует с плоскостью, перпенди-
кулярной к оси вращения, угол 0 (около 1°). Ротор приводится
во вращение с постоянной угловой скоростью. Излучения объек-
та, пройдя через линзу /, отражаются от зеркала 3 и концентри-
руются в виде точки, которая описывает окружность вокруг
чувствительного элемента 2, не пересекая его, если объект нахо-
дится на оптической оси. В случае смещения объекта относитель-
но оптической оси его изображение начинает периодически
пересекать поверхность фотоэлемента. По фазе полученного
сигнала можно определить направление и величину рассогласо-
вания.

Аналогичный принцип действия может быть осуществлен
в следящем устройстве, выполненном на основе использования
диссектора. В таком устройстве диафрагма диссектора имеет
круглое отверстие, концентричное с осью диссектора и с оптиче-
ской осью системы, и использована траектория сканирования по
окружности L Принцип действия устройства сводится к следую-
щему (рис. 173). На отклоняющие катушки подаются синусои-
дальные напряжения: Uy — на катушки, отклоняющие электроны
по оси у, и Ux — на катушки, отклоняющие электроны по оси х.
Эти напряжения имеют одинаковую частоту и амплитуду, но
сдвинуты по фазе на 90°. При этом создается вращающееся
магнитное поле, под действием которого электронное изображе-
ние объекта перемещается в плоскости диафрагмы по окруж-
ности.

1 Катыс Г. П., Стрельников Ю. В. Фотоэлектронное следящее устройство.
«Бюллетень изобретений и товарных знаков». Авторское свидетельство
№ 160777, 1964, № 5.
Рис. 173. Датчик, выполненный на основе диссектора с круглым
отверстием в диафрагме:

а — схема развертки; б — эпюры напряжений

Амплитуды напряжений выбраны такими, чтобы диаметр
окружности, по которой перемещается центр электронного пятна,
был равен диаметру D отверстия диафрагмы. Если источник из-
лучения находится на оптической оси системы Оь то окружность,
по которой перемещается электронное пятно, концентрична
с отверстием диафрагмы. При этом с диссектора снимается
некоторый постоянный сигнал, который не проходит через усили-
тельный тракт. При отклонении изображения источника излу-
чения от оптической оси, например, в точку О2 эта окружность
становится эксцентричной с отверстием диафрагмы диссектора.
В сигнале диссектора появляется переменная составляющая.
Импульсный сигнал U\ с диссектора усиливается в предусилите-
ле и поступает в избирательный усилитель, в котором выделяется
его первая гармоника С7ц. Амплитудно-фазовые характеристики
ее определяются разложением импульсного сигнала в ряд
Фурье:

fl = FCOS((O/— Ip!),
где fi — мгновенное значение напряжения первой гармоники;

F — амплитуда;

со — угловая частота первой гармоники, равная угловой
частоте отклоняющих напряжений Ux и Uy;

ф1 — начальная фаза первой гармоники.

Смещение источника излучения относительно оптической оси
по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у опре-
деляется в двух специальных блоках путем сравнения первой
гармоники сигнала диссектора с соответствующими отклоняю-
щими напряжениями Ux и Uy. В качестве таких устройств могут
304
быть использованы фоточувствительные выпрямители (двухполу-
периодные демодуляторы).

Сигнал усиливается резонансным усилителем, выделяющим
первую гармонику импульсов, частота которой совпадает с час-
тотой отклоняющих напряжений Uy и Ux. Фаза первой гармо-
ники затем сравнивается в двух фазочувствительных блоках
с фазами отклоняющих напряжений для получения сигналов
рассогласования по осям х и у.

Для определения параметров первой гармоники воспользу-
емся формулой разложения сигнала в ряде Фурье:

f(x) = aQ 4- ах cos х 4- sin х 4- ...

Коэффициенты а\ и Ь\ в общем виде выражаются формулами:

я

= Vя J f(x)cosxdx;

—л

л

== 1/л f(x)sinxdx.

—Л

Для упрощения вычислений пренебрежем диаметром элек-
тронного изображения и будем считать снимаемые с диссектора
импульсы прямоугольными. Это вполне допустимо, если излучаю-
щий объект является точечным.

Обозначив величину смещения электронного изображения
относительно оптической оси д, диаметр отверстия в диафрагме
диссектора £>, а полярный угол ср в соответствии с рис. 173, по-
лучим [59]

а{ = —2U 1/л cos ср sin arc cosS/D;

—2UJn sin ф sin arc cos S/D.

В этом случае первая гармоника сигнала [7ц запишется сле-
дующим образом:

t/ц = —2[71/л cos ф sin arc cos S/D cos cot—

— 2U{/ji sin ф sin arc cos S/D sin cot = — 2U^л sin arc cos S/£) cos X

X (cot — ф)= —2[/1/луг 1—(S/D)2cos((o/—ф).

В качестве фазочувствительных блоков могут быть исполь-
зованы два двухполупериодных демодулятора. Постоянное
напряжение ивыхх на выходе демодулятора канала х пропорцио-
нально произведению амплитуды первой гармоники [7ц сигнала
с диссектора на косинус угла сдвига фаз между напряжением
первой гармоники и отклоняющим напряжением [7Х.

При отклонении источника излучения в направлении, не
совпадающем с координатными осями х и у, сигналы рассогла-
сования появляются на выходах обоих демодуляторов, причем
20 Заказ 375	3 05
их амплитуда зависит от величины смещения, а полярность от
направления смещения.

Величину смещения 6 при малых угловых рассогласованиях
можно представить в следующем виде:

6 = 6J cos ф |-1 = fax | cos ф |-1,

где Sx — смещение изображения по оси х; 6Х ~ fdx',
f — фокусное расстояние объектива;

ах — угловое рассогласование оптической оси устройства
относительно направления на объект в плоскости, вклю-
чающей ось х.

Тогда зависимость амплитуды выходного напряжения от угло-
вого смещения «х можно записать следующим образом [59]:

выхх = —2/лМ$вФ/<д У1 —(fax/D cos <р)2 cos <р.

Выражение для Ивых^ записывается аналогично:

U вык у “	2lnNSe<PKa V1 — (fay/D sin <p)2 sin <p,

где N — коэффициент использования светового потока;

Se — чувствительность по напряжению;

Ф — поток излучения, поступающий на чувствительный
элемент;

Кд — коэффициент пропорциональности, определяемый пара-
метрами схемы демодулятора.

Приведенное выражение несправедливо при отклонениях
изображения объекта от оптической оси в пределах радиуса
электронного изображения объекта. При этом амплитудная
модуляция сигнала происходит вследствие изменения площади
электронного изображения, попадающего в процессе развертки
в отверстие диафрагмы, поэтому нельзя пренебрегать диаметром
d изображения объекта.

Для случая 6^— зависимость амплитуды сигнала от
величины смещения приближенно можно выразить формулой

и вых ~ NSel2n {arc sin (d2 + 4б2 + 4D6)/[2d(D + 26)]—

—arc sin (d2 + 462—4D6)/[2d(D + 26)]}.

Позиционная характеристика такого следящего устройства
показана на рис. 174. В пределах смещений, меньших радиуса
изображения излучающего объекта, эту характеристику прибли-
женно можно считать линейной.

Ограничение шумов'в таком устройстве достигается за счет
применения узкополосного усилителя.

В рассмотренном устройстве вместо диссектора может быть
использован приемник лучистой энергии, состоящий из электрон-
но оптического преобразователя (ЭОП) и фотоэлектронного
306
Рис. 174. Позиционная характе-
ристика датчика с диссектором

умножителя (ФЭУ). В этом случае излучения от объекта слеже-
ния фокусируются на фотокатод ЭОП, а выбитые электроны
ускоряются электрическим полем и, собираясь в плоскости зад-
него торца ЭОП, покрытого люминесцентным составом, заставля-
ют его светиться. Позади люминофора помещается маска
с круглым развертывающим отверстием.

Прикладывая соответствующие напряжения к отклоняющим
катушкам ЭОП, можно заставить световое пятно на люминофоре
перемещаться по окружности.

Излучения, прошедшие через маску с круглым отверстием,
собираются ФЭУ, помещенным позади ЭОП. По форме сигналов,
снимаемых с ФЭУ, можно судить о рассогласовании оптической
оси датчика относительно направления на излучающий объект.

Для получения фазового сдвига между сигналом, создавае-
мым излучением объекта, и опорными сигналами вместо разверт-
ки электронного изображения объекта можно использовать также
отклонение потока излучения с помощью самых разнообразных
оптических дефлекторов: ультразвуковых, электронно-оптических
и т. д.

На рис. 175 показана принципиальная схема датчика с уль-
тразвуковым дефлектором, который осуществляет развертку
потока излучения по окружности в плоскости диафрагмы с круг-
лым отверстием L

Метод выделения сигнала рассогласования при этом анало-
гичен рассмотренному выше.

К достоинствам этой схемы построения датчика следует
отнести небольшой вес, а также малую чувствительность к маг-
нитным наводкам.

В таком следящем устройстве диафрагма и фотоприемник
могут быть заменены специальным профилированным полупро-

1 Катыс Г. П., Кравцов Н. В., Чубаров Е. П. и др. Позиционно-чувстви-
тельное сканирующее устройство оптической следящей системы с круговой
диаграммой сканирования. «Изобретения, промышленные образцы, товарные
знаки». Авторское свидетельство № 227367, 1968, № 30.

20*	307
Рис. 175. Позиционно-
чувствительный датчик
с ультразвуковым де-
флектором:

1 — объектив; 2 — ультра-
звуковая кювета с жидко-
стью; 3 — пьезоизлучатели;
4 — диафрагма с круглым
отверстием; 5 — фотопри-
емник

водниковым фотоприемником (Дж. Барнис. Патент США
№ 3381133, 1968). Он устроен следующим образом (рис. 176).
На общем основании 1 нанесены концентричные переходы 2 и 3,
которые включены по схеме вычитания. Изображение источника
излучения вращается по чувствительной поверхности с помощью
ЭОП или электронно-оптического дефлектора, в результате чего
на выходе появляется импульсный сигнал, фаза которого изме-
няется по отношению к фазе отклоняющего сигнала в зависимо-
сти от местоположения источника. Устройство может работать
при значительных фонах, так как сигналы от фона взаимно уни-
чтожаются при вычитании.

К классу фазовых следящих устройств может быть отнесено
устройство, представленное на рис. 177. В этом устройстве
модулирующий элемент выполнен в виде квадратной пластины
с нанесенными на нее параллельными непрозрачными полосами
(Л. Кауфолд. Патент США № 2981842, 1961). Принцип действия
такого устройства сводится к следующему (рис. 177, а): световой
поток от источника излучения попадает на наклонное зеркало /,

в)

Рис. 176. Полупроводнико-
вое позиционно-чувствитель-
ное устройство:

а — схема устройства; б — тра-
ектория движения сканирующе-
го пятна; в — формируемый
сигнал
б) _________________пппллпппппппп н

____________пшишшп_______________с

_____ПЛШШПЛ______________________F

Рис. 177. Следящее устройство, в котором сканирующее зеркало соверша-
ет перемещения по траектории, имеющей форму квадрата:
а — общая схема; б — вид траектории сканирования и формируемых сигналов; в —
усовершенствованная форма маски
которое может совершать перемещения вокруг двух осей с по-
мощью двигателей 12 и 15, получающих напряжение питания от
блоков 13 и 14.	I

Отражаясь от зеркала 1, излучения попадают на вибрирую-
щее зеркало 2, наклонное зеркало 11 и вогнутое зеркало 5. Затем
пройдя через сетку 3 и систему линз, излучения попадают на фо-
тоэлемент 4. Колебательные движения зеркала 2 осуществляются
с помощью электромагнитных устройств. Если объект располо-
жен на оптической оси системы, то при неподвижном зеркале 2
световое пятно занимает на сетке положение, определяемое точ-
кой D (рис. 177, б). При колебаниях зеркала световое пятно
будет перемещаться по траектории квадратной формы (внутри
заштрихованного квадрата), изображенной на рисунке штрихо-
вой линией. Сигнал с фотоэлемента представляет собой в этом
случае непрерывный ряд импульсов.

При смещении объекта с оптической оси системы происходит
смещение траектории движения изображения, объекта [относи-
тельно заштрихованного квадрата. При этом модуляция сигнала
осуществляется только в течение цикла развертки, из сигнал
фотоэлемента представляет собой определенные группы импуль-
сов с различными промежутками между ними.’ Сигнал усили-
вается в усилителе 6, проходит через фильтр 7, детектор 8
и поступает в блок сравнения 9, в котором по фазе его относи-
тельно опорного сигнала генератора развертки 10 определяется
смещение объекта относительно оптической оси системы по двум
взаимно перпендикулярным направлениям.

В данном устройстве можно также использовать маску, раз-
деленную на четыре квадранта, заполненных*штрихами различ-
ной толщины и с различным расстоянием. В этом случае при
смещении объекта в сигнале будут изменяться длительность
и взаимное расположение пачек импульсов, имеющих одинако-
вую частоту (рис. 177, в) (Л. Кауфолд. Патент США № 3088033,
1963).

Рассмотрим фотоэлектронный аналог вышеописанного устрой-
ства, построенный на основе диссектора. В этом устройстве
в диафрагме диссектора выполнено квадратное отверстие и при-
менена траектория сканирования квадратной формы !. Квадрат-
ное отверстие диафрагмы представляет собой сетку, ширина
металлических полосок которой примерно равна диаметру полу-
чаемого на диафрагме электронного изображения источника
излучений (рис. 178). Сетка выполнена таким образом, что ее
диагонали расположены по осям х и у, совпадающим с направ-
лением магнитных полей отклоняющих катушек. К отклоняющим
катушкам от блока питания подводятся напряжения Ux и Uy

1 Катыс Г. П., Стрельников Ю. В., Блаут-Блачев Р. Н. Датчик фотоэлек-
тронного сканирующего устройства. «Бюллетень изобретений и товарных зна-
ков». Авторское свидетельство № 164338, 1964, № 15.
Рис. 178. Диафрагма дис-
сектора с пространствен-
ной фильтрацией помех

симметричной треугольной формы, одинаковой частоты и ампли-
туды, но сдвинутые по фазе на 90°.

Если источник излучения совмещен с оптической осью
устройства, то электронное пятно при отключенной отклоняющей
системе располагается в центре сетки Оь При приложении к от-
клоняющим катушкам напряжений требуемой величины изобра-
жение перемещается в плоскости диафрагмы по траектории 1
квадратной формы вдоль кромок сетки. С выхода диссектора при
этом снимается непрерывный импульсный сигнал. При отклоне-
нии оптической юси системы от направления на источник излуче-
ния траектория 2 с центром Ог, по которой перемещается элек-
тронное изображение объекта, будет смещена относительно
сетки. Импульсный сигнал при этом оказывается промодулиро-
ванным с частотой напряжения прикладываемого к отклоняю-
щим катушкам.

Сигналы с диссектора усиливаются предусилителем и изби-
рательным усилителем, настроенным на частоту, с которой
осуществляется прерывание потока электронов, поступающих на
анод, сеткой диафрагмы. Затем сигналы детектируются.

Получаемые после детектора огибающие сравниваются по
фазе с опорным напряжением в двух фазочувствительных бло-
ках. В результате сравнения вырабатываются сигналы рассогла-
сования оптической оси системы относительно направления на
источник излучения по осям х и у.

Применение в рассмотренной схеме квадратной сетки
с узкими полосами позволяет существенно ограничить влияние
фона и повысить отношение сигнала к шуму, а следовательно,
и точность слежения за источником излучения.

Сетка осуществляет пространственную фильтрацию изобра-
жения. Если в поле зрения системы наряду с объектом слежения
Рис. 179. Следящее устройство с двумя щелевыми модулято-
рами, колеблющимися с различной частотой:

а — форма получающихся сигналов; б — схема; / — излучение объек-
та; 2, 6 — зеркала; 3, 4 — колеблющиеся пластины со щелями; 5 —
фотоумножитель

присутствуют излучающие объекты больших размеров, то их
изображение не будет модулироваться с частотой, соответствую-
щей прерыванию сеткой малого изображения объекта. Поэтому
фоновый сигнал не пройдет через усилительный тракт.

Второе достоинство этого устройства, связанное с примене-
нием диафрагмы с сеткой, а следовательно, и с наличием в сиг-
нале приемника излучений несущей частоты, заключается
в отсутствии зависимости выходного сигнала от величины потока
излучения, попадающего на вход устройства от объекта
слежения.

Перейдем теперь к группе следящих устройств, в которых
используются колеблющиеся или вращающиеся заслонки, пере-
крывающие изображение объекта в двух взаимно перпендику-
лярных направлениях. Рассогласование между оптической осью
системы и направлением на объект определяется в этом случае
фазовым методом по параметрам электрического сигнала, полу-
чаемого с фотоэлемента.

Рассмотрим оптико-механическое следящее устройство с виб-
рирующими заслонками, имеющими прямоугольные прорези
[100]. Принцип действия такого сканирующего устройства может
быть пояснен следующим образом.

Предположим, что пластина с отверстием в виде щели совер-
шает гармонические колебания в горизонтальном направлении
относительно оси у (рис. 179, а), причем амплитуда колебаний
312
равняется, по крайней мере, половине ширины щели. Если то-
чечное изображение объекта находится в точке Ь на оси у, отно-
сительно которой пластина совершает горизонтальные колебания,
то огибающая импульсов Ue содержит только четные гармоники
основной частоты. Если изображение объекта оказывается, на-
пример, справа от оси у в точке с, то огибающая импульсов Uc
приобретает вид асимметричной кривой, которая будет содер-
жать основную частоту.

Если изображение объекта будет расположено на таком же
расстоянии слева от оси у в точке а, то амплитуда огибающей
Ua с основной частоты остается неизменной, но ее фаза изме-
нится на 180°.

Таким образом, по виду получаемого сигнала можно опреде-
лить величину смещения изображения объекта относительно
нулевого положения. Для одновременного слежения за объектом
по двум осям должны быть использованы две пластины, колеб-
лющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях с различ-
ной частотой (рис. 179,6). Получаемые после вибрирующих
пластин модулированные световые потоки подаются на общий
фотоумножитель, а использование селективных усилителей по-
зволяет разделить информацию о положении объекта относи-
тельной каждой из осей.

Рассмотрим подробнее принцип действия системы для одно-
мерного случая. Если изображение объекта совпадает с осью,
относительно которой происходят колебания пластины, то час-
тота основной гармоники сигнала на выходе приемника лучистой
энергии, воспринимающего этот сигнал, будет равна 2f.

Если изображение источника излучения оказывается смещен-
ным относительно оси, то на выходе приемника излучения появ-
ляется сигнал, в котором при разложении в ряд Фурье присут-
ствует основная гармоника частоты f. В зависимости ог знака
смещения изображения относительно оси фаза основной гармо-
ники изменяется на 180°.

Аналогичным образом работает второй канал, осуществляю-
щий слежение за объектом по второй оси координат с другой
рабочей частотой.

На рис. 180 представлено одно из возможных конструктивных
решений такого следящего устройства, выполненное на основе
использования электромагнитных вибраторов (Дж. Цукербраун.
Патент США № 3178579, 1965).

Рассмотрим возможную реализацию этого принципа слеже-
ния в оптико-электронном исполнении *.

В этом устройстве используется управляемая дифракционная
решетка и пьезоэлектрический колебательный элемент, которые

1 Катыс Г. П., Чубаров Е. П., Лалабеков В. И. Следящее устройство.
«Изобретения, промышленные образны, товарные знаки». Авторское свиде-
тельство № 228740, 1968, № 32.
Рис. 180. Конструктивное

следящего

исполнение

устройства с двумя элек-
тромагнитными вибрато-
рами:

постоянные магниты;
катушки возбуждения;
датчик сигналов син-

щелевые

хронизации; 4
модуляторы

обеспечивают высокую точность и большое поле обзора, высокую
надежность и стабильность работы устройства.

С помощью дифракционной решетки уменьшается изобра-
жение точечного источника излучения, создаваемого оптической
системой.

Докажем целесообразность уменьшения изображения точеч-
ного источника излучения. Для этого разложим периодический
импульсный сигнал рассогласования, который изображен на
рис. 181, в ряд Фурье и вычислим первую гармонику. Выражение
для коэффициента при первой гармонике имеет вид

ах(х) = SEA/d^2 sin nJu/2A sin ndJZA sin лх/4,

где A — амплитуда колебания щели;

(1Щ — ширина щели;

du — ширина изображения источника излучения;

Е — световой поток;

х — величина смещения пятна.

Исследуемая зависимость приведена на рис. 182. Из графика
видно, что значение коэффициента Фурье с уменьшением du от
10 до 2 мкм возрастает почти в 2 раза.

Если одновременно с уменьшением du уменьшить размах
колебания щели, то значение коэффициента Фурье возрастает
более интенсивно.

Обычно размеры изображения точечного источника излуче-
ния достигают 10—20 мкм. Уменьшение du за счет увеличения
габаритных размеров оптики по конструктивным соображениям
314
в большинстве случаев является недопустимым. Поэтому было
предложено уменьшать размеры пятна за счет введения дифрак-
ционной решетки в оптическую часть устройства.

В качестве пятна изображения можно использовать дифрак-
ционный максимум нулевого порядка. При использовании спе-
циальной дифракционной решетки в дифракционном максимуме
сосредотачивается до 90% принимаемой приемником энергии.
Размер центрального максимума будет вычисляться по формуле
du = Дф/ = K/N df,

где Дф— угловой размер нулевого дифракционного максимума;

W — число щелей дифракционной решетки;

d — постоянная решетки;

X — длина волны падающего излучения;

f — фокусное расстояние объектива.

С помощью дифракционной решетки при большом числе
штрихов возможно получить изображение объекта излучения
du = 0,1 ч- 10 мкм. В связи с этим повышается точность в 10—
20 раз. При этом должна быть достаточная степень монохрома-
тичности излучения.

Для того чтобы обеспечить широкое поле зрения следящего
устройства, можно в режиме поиска работать с большим пятном
(без дифракционной решетки) и большой амплитудой колебания
щели, а в режиме слежения — с малым пятном (с дифракцион-
ной решеткой) и с малой амплитудой.

Схема этого устройства изображена на рис. 183. Излучение от
источника, пройдя через оптический фильтр /, дифракционную

Рис. 181. Принцип действия оптико-электронного следящего устрой-
ства
решетку 2 и цилиндрическую линзу 3, фокусируется в плоскости
колебаний пьезоэлемента 5. Зеркальце 4, установленное на
пьезоэлементе, посылает периодический сигнал на фотокатод
ФЭУ, на выходе которого формируется сигнал рассогласования.
Сигнал, пройдя электрический фильтр, в котором выделяется
основная гармоника, усиливается в усилителе и поступает на
управляющие обмотки исполнительного двигателя, который при-
водит оптическую ось устройства к направлению на объект.

В качестве пьезоэлемента с регулируемым размахом коле-
баний в устройстве используется пластинка из ниобата с напы-
ленным на его поверхность зеркальцем 4 прямоугольной
формы. Пластинка с зеркальцем устанавливается под углом 45°
к оптической оси устройства, обеспечивая периодическое отра-
жение потока излучения от источника к ФЭУ.

Ниобат является материалом, обладающим свойствами
обратного пьезоэффекта. Пластинка, выполненная из ниобата,
с нанесенными электродами является электромеханическим пре-
образователем. Такая пластинка из пьезоэлемента обладает
собственной частотой колебаний f0. Если добиться равенства
f = /о, то наступит резонанс, при котором амплитуда колебаний
316
пластинки, а следовательно, и зеркальца достигает своего мак-
симума и будет стабильной.

Из теории пьезоэлектричества известна зависимость относи-
тельной деформации от приложенного напряжения

Дх/Z = рЕу
где / — длина пластинки;

р — пьезомодуль;

Е — напряженность поля.

Меняя подводимое напряжение к электродам, можно осу-
ществить регулировку размаха колебаний зеркальца.

Пьезооптический модулятор светового потока выгодно
отличается от других (механических, электромагнитных и дру-
гих) высокой стабильностью колебаний в диапазоне температур
—70—50° С, отсутствием механических соединений, высокой
частотой колебаний (300 кгц) и др. Например, для обеспечения
размаха колебаний щели на 100 мкм с помощью пластинки из
ниобата размером 60 X 60 X 0,1 мм с частотой колебаний 50 кгц
требуется напряжение 300 в.

Рассмотрим еще одно электрооптическое следящее устройство
этой группы, в котором выделение сигнала рассогласования при
смещении источника излучения относительно оптической оси
осуществляется за счет использования хорошо известного в опти-
ке квадратичного электрооптического эффекта Керра в некото-
рых кристаллах (57]. К таким кристаллам можно отнести
KDP(KH2PO4) и KTN(KTA0,65Nb0,35O2) и некоторые другие.
Сущность данного эффекта кратко сводится к следующему. Если
взять определенным образом вырезанный кристалл в виде па-
раллелепипеда и напылить на две противоположные грани элек-
троды, к которым подвести переменное электрическое поле, то
луч света, падающий на кристалл параллельно электродам, при
выходе из кристалла будет претерпевать периодические отклоне-
ния с частотой приложенного электрического поля.
Электрооптический эффект Керра квадратичен, поэтому для
отклонения луча света от среднего положения под действием
положительной или отрицательной полуволны напряжения необ-
ходимо предварительно поляризовать кристалл постоянным
электрическим полем достаточной величины, а затем управлять
отклонением луча небольшим переменным электрическим полем.

На основе этого эффекта разработано электрооптическое
устройство для слежения за точечным источником излучения 1.
В этом устройстве (рис. 184) изображение источника, сфокуси-
рованное оптической системой 3, колеблется с помощью сигнала,
подаваемого на пластины 2 дефлектора 1 относительно непод-
вижной щели 5. Щель 5, вырезанная в экране 4, имеет прямо-
угольную форму. Если направление на источник излучения сов-
падает с оптической осью устройства, то изображение источника,
отклоняемое дефлектором, пройдя через щель, поступает на
фотоприемник 6, который выдает на выходе переменный элек-
трический сигнал с частотой основной гармоники 2f, где f — час-
тота подводимого к дефлектору напряжения.

Если источник излучения смещается относительно оптической
оси следящего устройства, то на выходе приемника появляется
сигнал, в котором при разложении в ряд Фурье появляется
основная гармоника частоты f. Кроме того, в зависимости от
знака смещения источника относительно оптической оси фаза
основной гармоники f изменяется на 180°.

Таким образом происходит слежение по одной координате.
Для слежения по двум координатам необходимо произвести
расщепление потока по двум направлениям и второй поток

1 Катыс Г. П., Кравцов Н. В., Коновалов В. И. и др. Оптико-акустиче-
ский датчик оптической следящей системы. «Изобретения, промышленные-
образцы, товарные знаки». Авторское свидетельство № 287355, 1970, № 35.
направить на дефлектор, в котором электроды расположены под
углом 90° по отношению к описанному выше. Кроме того, частоту
подводимого напряжения на втором дефлекторе следует изме-
нить по сравнению с частотой напряжения первого дефлектора.
Оптические сигналы совмещаются на одном фотоприемнике и
с помощью избирательного усилителя происходит разделение
информации о положении источника излучения относительно
каждой из осей. Выделение сигнала рассогласования по двум
направлениям также можно осуществить с помощью одного кри-
сталла без расщепления потока двумя парами взаимно перпен-
дикулярных электродов.

Угловое отклонение, которое возможно осуществить дефлек-
тором данного типа, составляет ±30' (что соответствует полю
обзора 1X1°).

Для обеспечения больших углов обзора в качестве дефлекто-
ра можно использовать электрооптическую призму, принцип
действия которой аналогичен описанному выше.

Схема следящего устройства с призматическим дефлектором
(рис. 185) аналогична предыдущей. Единственное отличие заклю-
чается в том, что в этом устройстве изображение формируется
перед электрооптической призмой, в то время как на рис. 185
изображение формируется после дефлектора.

В случае применения кристалла KTN можно обеспечить до-
статочно большое угловое отклонение светового луча с помощью
небольшого напряжения. Например, подводя к обкладкам элек-
трооптической призмы (п = 2, 3) напряжение^/ = 14 в, можно
получить отклонение светового луча 0тах = ±2,5°. При этом угол
ф при вершине призмы рассчитывается из условия получения
максимума по формулам (рис. 185):

и

Д0 = 0О— |Л0о—2&п/п
Рис. 186. Электрооптическое следящее устройство
с квадратной диафрагмой

Рассмотрим еще одно оригинальное следящее устройство.
Принцип действия этого электрооптического следящего устрой-
ства с квадратной диафрагмой (рис. 186) сводится к следующему
[57]. В этом устройстве выделение сигнала рассогласования при
смещении источника излучения относительно оптической оси
устройства осуществляется за счет использования электроопти-
ческого эффекта. Под действием прикладываемого электриче-
ского поля осуществляется отклонение оптического излучения,
проходящего через электрооптический дефлектор 2. На откло-
няющие электроды 1 и /' дефлектора 2 подаются два синусои-
дальных напряжения: Ux с частотой о)х на одну пару электродов
и Uy с частотой — на другую. Под действием приложенного
напряжения луч света, падающий на дефлектор 2 от отслеживае-
мого объекта, отклоняется по осям х и у с разными скоростями,
в результате чего в плоскости квадратной диафрагмы 4 осущест-
вляется пилообразная траектория сканирования 6. Центр диаф-
рагмы совмещен с осью следящего устройства. Изображение
источника формируется с помощью объектива 3.

Выходной сигнал снимается с фотоприемника 5.

Вид выходного сигнала следящего устройства показан на
рис. 187. Пусть изображение объекта находится на оптической
оси следящего устройства (точка а). Тогда с фотоприемника сни-
мается импульсный сигнал t/j, симметричный относительно оси
ординат, в котором присутствуют гармоники двух основных час-
320
гот 2wx и 2о)у и отсутствуют гармоники частот <ох и <ау. Если
изображение объекта с оптической оси смещается, например,
в первый квадрант в точку б, то симметрия пачки импульсов
относительно оси ординат нарушается и в сигнале U2 возникают
гармоники с частотами ых и а>у.

Сигнал с фотоприемника, усиленный предусилителем, посту-
пает на два избирательных усилителя следящей системы, настро-
енных на частоты <ох и <оу. Затем гармоники С частотами ых и слу
сравниваются в демодуляторах по фазе с опорными напряжения-
ми Ux и Uy (рис. 187), которые подаются на отклоняющие элек-
троды дефлектора. По сдвигу фаз (0° или 180°) ойределяется
направление смещения изображения объекта относительно опти-
ческой оси системы (вправо — влево, вверх — вниз), а по ам-
плитуде гармоники — величина смещения.

В таком устройстве вместо ограничивающей диафрагмы
с квадратным отверстием может быть использован квадратный
(или прямоугольный) фотодетектор. Для этой цели могут найти
применение фотодиоды и охлаждаемые детекторы, маленькие

21 Заказ 375
Рис. 188. Электро-оптическое следящее устройство
с вакуумным фотоэлементом

размеры и прямоугольная форма которых позволяет их исполь-
зовать без специальной диафрагмы.

При использовании вакуумных фотоумножителей (ФЭУ)
может быть получена схема устройства слежения, изображенная
на рис. 188. Параллельный пучок света от источника излучения
падает на дефлектор 1 и, пройдя линзу 2, поступает на квадрат-
ную диафрагму 3, установленную на торце фотоумножителя 4
перед фотокатодом. Дефлектор, линза, диафрагма и ФЭУ за-
ключены в один общий кожух 5. За счет использования мало-
габаритных ФЭУ эта схема обладает большой компактностью
и жесткостью.

Рассмотрим фотоэлектронное следящее устройство, дей-
ствующее на основе фазово-частотного метода определения
рассогласования, в котором описанный выше принцип осуще-
ствлен на диссекторе.

В этом устройстве на отклоняющие катушки подаются два
синусоидальных напряжения с разными частотами: напряжение
Ux с частотой со] на одну пару катушек и напряжение Uy с ча-
стотой со2 на вторую пару катушек *.

Диафрагма диссектора имеет квадратное отверстие, центр
которого расположен на оси диссектора. При одновременной
подаче обоих отклоняющих напряжений происходит двойная
модуляция выходного сигнала диссектора. Рассмотрим сначала
вид выходного сигнала при приложении напряжения только
к одной паре отклоняющих катушек, магнитное поле которых
смещает поток электронов в горизонтальном направлении.

1 Катыс Г. П., Стрельников Ю. В., Блаут-Блачев Р. Н. Фотоэлектронное
следящее устройство. «Бюллетень изобретений и товарных знаков». Автор-
ское свидетельство № 160778, 1964, № 5.
На рис. 189, а показано напряжение Ux, прикладываемое
к катушкам, осуществляющим горизонтальное отклонение потока
электронов. Принято, что увеличению напряжения в положи-
тельном направлении соответствует смещение электронного пят-
на вправо. Величина напряжения выбирается такой, чтобы ам-
плитуда смещения была больше половины ширины отверстия. Но
чрезмерно большой величины амплитуды выбирать не следует,
так как при этом увеличивается скважность импульсов и умень-
шается выходной сигнал.

Примем величину амплитуды смещения равной ширине
отверстия, что не нарушает общности рассуждений. Предполо-
жим, что изображение объекта не имеет смещения в горизон-
тальном направлении и центр его находится в точке f на оси у.
В этом случае с диссектора снимается импульсный сигнал V\
(рис. 189, б), симметричный относительно оси ординат. Разло-
жением в ряд Фурье легко убедиться, что огибающая импульсов
содержит только четные гармоники основной частоты он (на ри-
сунке штриховой линией изображена вторая гармоника
o21cos2<oi/) . При смещении изображения объекта от оси у вправо
в точку К с диссектора снимается сигнал U2. Огибающая им-
пульсов при этом приобретает вид асимметричной кривой, кото-
рая содержит гармонику	основной частоты (рис. 189, в).

Эта гармоника имеет фазу, сдвинутую на 180° по отношению
к фазе напряжения Ux, подаваемого на катушки.

При отклонении изображения объекта от вертикальной оси
влево с диссектора снимается сигнал, фаза первой гармоники
которого совпадает с фазой напряжения Ux и противоположна
фазе сигнала, получаемого при смещении изображения вправо.

В общем виде сигнал, поступающий с диссектора, когда
к горизонтально-отклоняющим катушкам приложено напряжение
Ux, можно представить следующим выражением:

f(x, /) —a0(x) + Z>1(x)sin<o1Z-|-a2U)cos2©|/+ ...,

Рис. 189. Электрические сигна-
лы, получаемые в сканирующем
устройстве с диссектором е
центральным отверстием в диа-
фрагме квадратной формы
где х — смещение изображения объекта по диафрагме диссек-
тора в горизонтальном направлении.

Точно так же, если прикладывать только напряжение Uy
с частотой ®2 к катушкам, осуществляющим, вертикальное откло-
нение, то полученный сигнал можно представить в виде

f(y, t) = а0(у) + bx(у)sin(d2t + b2(y)cos2a2t + ...,

где у — смещение изображения объекта по диафрагме диссек-
тора в вертикальном направлении.

При одновременном приложении двух отклоняющих магнит-
ных полей происходит умножение рядов. Получаемый при этом
суммарный сигнал является функцией времени и двух координат
положения электронного пятна на диафрагме х и у:

f(x, у, t)-a0(x)a0(y) + a0(y)bi(x)sina)it + a0(y)a2(x)cos2&it +

+ a0(x)bl(y)sm®2t + a0(x)a2(y)cos2<d2t±...

+ члены с суммарной и разностной частотой.

Наличие в разложении сигнала гармоник с основными
частотами <oi и <02 свидетельствует об отклонении изображения
объекта относительно оптической оси соответственно по коорди-
натным осям х и у (было показано, что при нахождении изобра-
жения объекта на оптической оси в выходном сигнале присут-
ствуют только четные гармоники основных частот).

Сигнал с диссектора, усиленный в предварительном
усилителе, поступает на два избирательных усилителя следящей
системы, настроенных соответственно на частоты ол и «г- Затем
гармоники с частотами он и <о* сравниваются по фазе с двумя
опорными напряжениями Ux и Uy, которые используются для
питания отклоняющих катушек.

По сдвигу фаз (0 или 180°) определяют направление откло-
нения изображения объекта относительно оптической оси
системы.

На основании принципа действия устройства частоты он и сог
должны выбираться так, чтобы они не были целыми, кратными
друг другу числами. Кроме того, усилители следящей системы
должны быть спроектированы так, чтобы составляющие сигнала
с суммарной и разностной частотой находились вне полосы их
пропускания.

Если отверстие в диафрагме имеет вид не квадрата, а пря-
моугольника, то амплитуды отклоняющих напряжений должны
быть выбраны отличными друг от друга.

Важное преимущество устройства заключается в том, что
примененный в нем принцип определения рассогласования между
осью оптической системы и направлением на источник излучения
не зависит от сдвига фаз между двумя напряжениями Ux и Uy,
поступающими на отклоняющие катушки, и допускает без сни-
жения точности значительные колебания амплитуды отклоняю-
324
Рис. 190. Позиционная характе-
ристика датчика с квадратным
отверстием в диафрагме диссек-
тора:
1 — для синусоидальных развер-
тывающих напряжений; 2 — для
развертывающих напряжений тре-
угольной формы

щих напряжений. Ограничения, накладываемые на стабильность
частот coi и со2 отклоняющих напряжений, также не очень строги.
Отношение сигнала к шуму в устройстве повышено так, как
используются избирательные усилители.

На рис. 190 представлена позиционная характеристика такого
устройства.

Кроме сигналов рассогласования, по осям х и у с выхода
датчика во внешнюю схему могут подаваться сигналы интен-
сивности оптического излучения — вторые гармоники импульсно-
го напряжения диссектора. Эти сигналы свидетельствуют
о наличии объекта излучения в поле зрения датчика в том слу-
чае, когда сигналы рассогласования по осям х и у равны нулю.

Для того чтобы обеспечить независимость крутизны пози-
ционной характеристики от величины потока излучений, приме-
няют отрицательную обратную связь. Один из вариантов ее
осуществления заключается в использовании выходного напря-
жения диссектора для регулировки питания электронного
умножителя. Амплитуда импульсов с диссектора в этом случае
остается постоянной, а выходной сигнал датчика зависит только
от угла рассогласования.

Рассмотрим группу полупроводниковых позиционно-чувстви-
тельных устройств, в которых используются полностью фазовые
и частично фазовые (амплитудно-фазовые) методы выделения
сигнала рассогласования.

В основу принципа действия устройства, представленного на
рис. 191, положено явление сноса носителей тока в полупровод-
нике под действием тянущего электрического поля I На полу-

1 Катыс Г. П., Кравцов Н. В., Широков В. Б. Способ слежения за источ-
ником светового излучения. «Изобретения, промышленные образцы, товар-
ные знаки». Авторское свидетельство № 225331, 1968, № 27.
Рис. 191. Принцип дейст-
вия полупроводникового
следящего устройства
с тянущим электрическим
полем

Рис. 192. Распределение
носителей по длине полу-
проводниковой пластины

проводниковой пластине 1 на расстояниях, не превышающих
2d(d— диффузионная длина), установлены две пары омических
контактов (2, 3 и 4, 5) для съема сигнала смещения объекта по
двум взаимно перпендикулярным направлениям. На этой же
стороне кристалла нанесено проводящее кольцо 6, к которому
подается синусоидальное напряжение относительно базового вы-
вода, расположенного на противоположной стороне образца 7.
Это переменное напряжение создает тянущее поле для носите-
лей, генерируемых на поверхности кристалла, и осуществляет
модуляцию выходного сигнала. Пусть изображение объекта сле-
жения проектируется в центр образца в виде пятна конечных
размеров. При этом в полупроводнике генерируются носители
тока, создавая Гауссово распределение плотности заряда по дли-
не образца с центром в точке инъекции (рис. 192). На диффун-
дирующие в образце носители тока действует переменное
тянущее поле, которое сносит их к токосъемным контактам. При
фазе тянущего поля — сносится наибольшее число носителей

и кривая Гаусса распределения плотности заряда примет вид а,
т. е. потенциалы в этом случае на токосъемах 1 и 2 максимальны.
При изменении фазы на п потенциалы на токосъемах возвра-
щаются к первоначальному значению (кривая б). При отрица-
тельной полуволне тянущего поля происходит обратное явле-
ние— уменьшение потенциалов на токосъемах (кривая Ь). Та-
ким образом, имеет место периодическое изменение потенциала
на токосъемах с частотой f изменения тянущего поля. Тянущее
поле в этом случае осуществляет модуляцию выходного сигнала
и усиление его за счет увеличения числа носителей в области
омических токосъемов.
Пока объект находится в центре датчика, потенциалы на
токосъемах 1 и 2 изменяются в одинаковой мере ДU\ = Д(72.

При смещении светового пятна в каком-либо направлении
(например, по оси х влево) центр инъекции перемещается в но-
вую точку 01 (рис. 193). Носители тока, возникшие в этой точке,
диффундируют под действием переменного тянущего электриче-
ского поля к токосъемам 1 и 2. Однако теперь плотность зарядов,
а следовательно, и потенциалы в контактных областях в каждый
момент времени будут не одинаковы. Токосъемам 1 и 2 соответ-
ствуют потенциалы U\ и [72, разность которых Ux пропорцио^
нальна величине смещения светового пятна.

Аналогично происходит формирование сигнала и по оси у.
Поскольку работа устройства по каналам хну независима, то
при произвольном расположении пятна в плоскости хОу каждый
канал отрабатывает сигнал, пропорциональный составляющим
смещения пятна по оси х и у. Направления смещения опреде-
ляются с помощью включения в схему фазочувствительного
блока, так как фаза сигнала изменяется на 180° при изменении
направления смещения объекта от центра пластины по соответ-
ствующей оси.

Рассмотрим еще одно следящее устройство, принцип действия
которого несколько похож на принцип действия устройства
рассмотренного выше. В этом устройстве используется то об-
стоятельство, что время диффузии носителей, образованных под
действием излучения, от места инъекции до коллекторных элек-
тродов зависит от координат точки инъекции [59].

На рис. 194 изображена схема такого устройства. Излучения
от объекта фокусируются на поверхность полупроводниковой

Рис. 193. Зависимость, иллю-	Рис. 194. Диффузионный

стрирующая принцип действия	полупроводниковый по-
датчика, представленного	зиционно-чувствительный

на рис. 191	датчик
Рис. 195. Позиционная
характеристика датчика,
представленного
на рис. 194

пластины 1. Изображение объекта вызывает локальное образо-
вание пар носителей, которые диффундируют внутри полупровод-
ника до тех пор, пока не достигают коллекторных электродов 2.
Параметры полупроводника выбираются таким образом, чтобы
время, необходимое для достижения носителями коллекторных
электродов, было меньше, чем время жизни носителей.

Временная задержка, создаваемая полупроводниковым эле-
ментом, пропорциональна смещению изображения источника
относительно оптической оси датчика, проходящей через центр
пластины:

Д/ = £/2у + 6х/у,

где L — расстояние между коллекторными электродами; v —
средняя скорость диффузии носителей (при приложении внеш-
него поля — скорость дрейфа).

К полупроводниковому элементу от генератора 3 подводится
управляющее переменное напряжение прямоугольной формы.

Если центр изображения объекта совпадает с оптической
осью датчика, то импульсы тока на нагрузочном сопротивлении
будут сдвинуты относительно управляющего напряжения на
время

\tQ-LI2v;

Фаза напряжения, снимаемого с нагрузочного сопротивления,
сравнивается в фазовом детекторе 5 с фазой управляющего
напряжения, предварительно задержанного линией задержки 4
также на время Д/0- При отсутствии рассогласования между
оптической осью и изображением объекта сдвиг фаз между
сравниваемыми напряжениями равен нулю.

Если объект слежения сместится с оптической оси, то между
рассматриваемыми напряжениями появится фазовый сдвиг

ф = ± G)6x/u,

где си — частота первой гармоники управляющего напряжения.
С выхода фазового детектора снимается сигнал, пропорцио-
нальный фазовому сдвигу, а следовательно, пропорциональный
величине смещения излучающего объекта. Позиционная характе-
ристика датчика линейна (рис. 195).

Для создания двумерного датчика необходимо использовать
вторую пару коллекторных электродов, расположенную перпен-
дикулярно первой и аналогичную описанной, но работающей на
другой частоте.

Глава б. АМПЛИТУДНЫЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

В следящих устройствах данного типа рассогла-
сование объекта относительно оптической оси определяется по
амплитуде сигнала в цепи приемника лучистой энергии.

В общем виде позиционная характеристика для большинства
амплитудных следящих устройств может быть представлена
в виде

^Ых = ^вф(Ф)/(а)

ИЛИ

^ЫХ=^вф(Ф)/(6),

где	а — угол рассогласования между оптической осью

системы и линией визирования на объект;

6 — линейное смещение изображения объекта;

N — коэффициент использования светового потока;

Se — вольтовая чувствительность;

ср(Ф) —некоторая функция, определяющая зависимость
выходного сигнала от величины принимаемого
потока излучения Ф;

f(d) и f(a) —функции, определяющие зависимость выходного
сигнала от величины линейного 6 и углового a
рассогласований.

Для удобства использования таких устройств в оптических
следящих системах необходимо, чтобы сигналы, пропорциональ-
ные проекциям угла рассогласования, были независимы друг от
друга. Однако часто эти сигналы оказываются взаимосвязанны-
ми и с этим приходится считаться при расчете следящей системы.

Как видно из приведенных формул, выходной сигнал у дат-
чиков этого класса зависит от величины интенсивности светового
потока, что практически оказывается нежелательным. Для уст-
ранения этой зависимости иногда в схеме датчика используют
вспомогательный приемник излучения, дающий сигнал, пропор-
циональный величине светового потока и не зависящий от ве-
личины смещения изображения:

Ui = NSeq(<P).
Рис. 196. Виды позицион-
ных характеристик ам-
плитудных датчиков оп-
тических следящих сис-
тем

Это позволяет в результате сравнения сигналов с основного
и вспомогательного приемников получить выходной сигнал, не
зависящий от величины потока излучения Ф.

Возможные варианты позиционных характеристик амплитуд-
ных следящих устройств показаны на рис. 196.

Максимальную точность амплитудных позиционно-чувстви-
тельных датчиков можно получить при использовании модуля-
ционной методики обработки полезного сигнала, сущность кото-
рой заключается в сужении полосы пропускания усилительно-
преобразовательного блока, а следовательно, в повышении отно-
шения сигнал/шум.

Рассмотрим группу амплитудных следящих устройств, исполь-
зующих в качестве чувствительных элементов различные полу-
проводниковые элементы.

К этой группе относятся устройства, использующие продоль-
ный фотоэффект, фототриодные устройства, устройства, основан-
ные на использовании фотоэффекта на границе монокристалла,
устройства, использующие комбинацию указанных эффектов,
и др.
ФОТОПОТЕНЦИОМЕТРЫ

Первыми в этой группе устройств рассмотрим фотопотенцио-
метры. Фотопотенциометр — это полупроводниковый позиционно-
чувствительный элемент, принцип действия которого основан на
внутреннем фотоэффекте в полупроводнике. Принципиальная
схема такого элемента показана на рис. 197.

Фотопотенциометр состоит из резистивного слоя /, на кото-
ром создается падение напряжения от внешнего источника Uo.
Контакт с резистивным слоем по всей длине 21 осуществляется
фотопроводящим слоем 2, второй контакт которого 3 служит
коллектором и выполняется омическим. Фотопотенциометр осве-
щается световым зондом 4.

При засветке фоточувствительного слоя в месте засветки
образуется проводящий мостик. Его сопротивление на несколько
порядков меньше сопротивления затемненных участков. В ре-
зультате ток, проходящий через нагрузку определяется ши-
риной излучения светового зонда; потенциал с резистивного слоя
снимается в точке у. Следовательно, величина выходного напря-
жения будет функцией координаты центра светового зонда,
выполняющего ту же роль, что и движок в обычном потенцио-
метре. Утечкой тока через неосвещенные участки фотослоя мож-
но пренебречь, если продольное сопротивление резистивного слоя
значительно меньше, чем темновое поперечное сопротивление
фотослоя, а поперечное сопротивление освещенного фотопрово-
дящего слоя во много раз меньше, чем темновое поперечное со-
противление этого слоя.

Выходное напряжение отличается от потенциала в точке у
на величину падения напряжения на освещенном участке (со-
противление Rf). Однако, если RH > Rf, то прибор работает как
обычный потенциометр.

Линейность позиционной характеристики фотопотенциометра
(определяемая как максимальное отклонение от прямой, соеди-
няющей точки, соответствующие 15 и 85% выходного напряже-
ния) может быть достаточно высокой (~ 1 %).

Чувствительность прибора определяется отношением темно-
вого сопротивления фотослоя к световому, которое для серни-
стого кадмия может достигать 106; при этом крутизна характе-
ристики перемещения составляет десятки милливольт на 1 мм.
Разрешающая способность фотопотенциометра достаточно
высока — несколько микрометров на длине 10—70 мм. Темпе-
ратурные характеристики прибора зависят в основном от темпе-
ратурного коэффициента фотопроводящего слоя. Поэтому тем-
пературные изменения оказывают влияние на выходное напря-
жение и линейность прибора. Однако, если RH Rf, темпера-
турный диапазон стабильной работы оказывается весьма широ-
ким; при RH = 1 Мом в интервале от —50 до 4-70° С погрешность
калибровки составляет 1%.
Недостаток фотопотенциометра — относительно низкое бы-
стродействие. Для изготовления высококачественных приборов
необходим материал с высокой фоточувствительностью и боль-
шим темновым сопротивлением. Но фотопроводники, обладаю-
щие такими свойствами, отличаются значительной инерционно-
стью. Скорость реакции фотопотенциометра определяется време-
нем нарастания или спада процесса фотопроводимости. Для
сернистого кадмия гнар = Ю~3 сек, тсп = 5-10“3 сек. Следует
отметить, что фотопотенциометр, выполненный на р — п-тюрехъ-
дах, обладает более высоким быстродействием, чем описанный
выше прибор. Однако по другим параметрам он уступает
фотопотенциометрам, действие которых основано на внутреннем
фотоэффекте.

К этой же группе устройств должно быть отнесено устройство
с токовым выходным сигналом. Отличительной особенностью
такого преобразователя положения светового луча в электриче-
ский сигнал (рис. 198) является выполнение его в виде короткой
линии из двух проводников высокого сопротивления, изолирован-
ных друг от друга фотопроводящим слоем и расположенных
в углублениях изоляционной платы L

Основу устройства составляет изоляционная плата 1, в уг-
лублениях которой располагаются два параллельных высоко-
омных (например, манганиновых) проводника 2. Плата со сто-
роны расположения проводников покрывается фотопроводящим
составом 3. Для создания надежного контакта проводников
с фотопроводящим слоем на поверхность платы в месте располо-

1 Зыков В. В. Преобразователь положения светового луча в электриче-
ский сигнал. «Бюллетень изобретений и товарных знаков». Авторское свиде-
тельство № 161439, 1964, № 7.
жения проводников наносится тонкий слой 4 хорошо проводя-
щего металла. Снаружи фотопроводящий слой покрывается
защитной прозрачной пленкой 5.

При различных положениях светового луча по длине устрой-
ства место замыкания проводников и, следовательно, их сопро-
тивление будут меняться.

Характеристика преобразователя линейна при условии, что
удельное сопротивление проводников и удельное сопротивление
фотопроводящего слоя, которое должно быть достаточно мало
по сравнению с первым, величины постоянные. Таким образом,
погрешность определяется точностью изготовления проводников
с постоянным по всей длине удельным сопротивлением и сте-
пенью постоянства сопротивления фотопроводящего слоя по
длине устройства. '

В следящих системах, исподьзующих такие датчики, при
слежении за точечными источниками целесообразно применять
цилиндрическую оптику, чтобы изображение источника излуче-
ния представляло не точку, а световой штрих.

УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ
ФОТОЭФФЕКТА НА ГРАНИЦЕ КРИСТАЛЛА

Для определения положения изображения объекта и измере-
ния его смещения относительно оси датчика может быть исполь-
зовано полупроводниковое устройство, показанное на рис. 199.

Это устройство представляет собой германиевую пластину
n-типа, имеющую два выпрямляющих контакта, расположенных
на расстоянии 2L [112]. Локальное освещение в точке Д, смещен-
ной на расстояние д от оптической оси, создает пары носителей,
которые диффундируют внутри полупроводника. Диффузия вы-
зывает падение напряжений на р — n-переходах. Неравенство
этих напряжений может быть использовано для измерения
координаты светового пятна.

Значение крутизны характеристики может достигать 10 в/см
при 2L = 0,05 см.

К этой же группе следящих устройств может быть отнесен
полупроводниковый фототриод, весьма чувствительный к пере-
мещению светового пятна. При направлении узкого луча света
на один из концов полупроводникового элемента, состоящего из
двух участков с n-проводимостью и узкого центрального участка
с р-проводимостью, на клеммах Д и В возникает э. д. с. Зави-
симость этой э. д. с. от величины перемещения светового пятна
показана на верхнем рис. 196.

Разновидностью устройств рассматриваемой группы явля-
ются устройства, основанные на использовании бикристалличе-
ских элементов, в которых имеет место эффект на границе моно-
кристаллов [82].
Рис. 200. Полупроводниковое следящее устройство:

1 — участок с р-проводимостью; 2 и 2' — участки с л-про-
водимостью; 3 — изображение объекта

Эффект, используемый в таких устройствах, сводится к сле-
дующему: поперечное фотонапряжение изменяет знак, когда
световое пятно пересекает границу зерен в германии п-типа.
Граница зерен между кристаллами действует как p-слой и весь
сложный кристалл представляает собой п — р — n-структуру или
два диода, включенных навстречу друг другу. Ширина погранич-
ного слоя составляет 1—2 мкм.

Схематичное изображение бикристаллического фотоприем-
ника (Р. Грахам, Патент США № 2740901, 1956) дано на
рис. 200, а, позиционная характеристика — на рис. 200, б.

Если световое пятно расположено симметрично относительно
участков 2 и 2', то выходное фотонапряжение между электрода-
ми А и Б равно нулю. При смещении пятна к одному из элек-
тродов возникает фотонапряжение, велщщна и знак которого
определяют величину и направление этого смещения. Максимума
фотонапряжение достигает, когда периметр светового пятна
касается пограничного слоя. Таким образом, величина смещения,
соответствующая изменению выходного напряжения от макси-
мального до минимального значений, равна диаметру светового
пятна. Этот диапазон характеристики перемещения отличается
высокой линейностью и большой крутизной. Так, при пятне
30 мкв и световом потоке 5-10~3 лм величина крутизны
Su = 1 в)мм.

Расстояние между максимумами (рис. 200, б) равно удвоен-
ному диаметру 2d светового пятна. Это позволяет очень точно ре-
гистрировать смещение светового пятна от нулевого положения.
334
Рис. 201. Следящее устройство, в котором исполь-
зован комбинированный фотоэффект

При малых смещениях характеристика линейна:
ивых = К(К Ф)6,

где К(Х, Ф) —коэффициент пропорциональности, зависящий от
длины волны излучения X и величины потока излучения Ф. Зна-
чение этого коэффициента может достигать 1 в!мм.

Точность измерения смещения при использовании рассматри-
ваемого эффекта очень велика: если допустить, что уровень
шумов всего устройства составляет 10 мкв, то это позволяет
регистрировать смещения порядка 10~5 см.

Разработаны также комплексные фотоэлектрические следя-
щие устройства, в которых использованы оба рассмотренных
выше эффекта, позволяющих определять перемещения источника
излучения относительно двух осей координат (х и у). Схема
такого устройства представлена на рис. 201, а.
Устройство содержит пластину 2 прямоугольного сечения из
германия n-типа, на которую нанесен граничный слой, перпен-
дикулярный ее главной оси х. Пластина снабжена омическими 3
и 5 и индиевыми 4 и 6 контактами, которые Перекрывают гра-
йичный слой. Контакты 4 и 6 являются омическими по отноше-
нию к граничному p-слою и выпрямляющими по отношению
к n-германию. При облучении пластины между контактами 3 и 5
возникает поперечная фото-э. д. с., а между контактами 4 и 6
продольная. С помощью зеркала 1, установленного в карданном
подвесе, излучения от объекта направляются на пластину 2. Для
определения смещения изображения объекта в горизонтальном
направлении используется поперечная э. д. с. полупроводниково-
го элемента, которая снимается с клемм 3 и 5. Для определения
смещения изображения объекта в вертикальном направлении
используется продольный фотоэффект и соответствующее напря-
жение снимается с клемм 4 и 6. В первом случае зависимость
сигнала от смещения у имеет вид, представленный на рис. 201, б.
Вторая характеристика (зависимость сигнала от смещения
при продольном фотоэффекте) представлена на рис. 201, в. По-
лучающиеся сигналы усиливаются в усилителях 7 и подаются
на приводные двигатели S, отрабатывающие положение зеркала,
следящего за перемещениями объекта.

Рассмотрим устройство этой группы, в котором используются
два, расположенных друг за другом, чувствительных элемента,
один из которых является частично прозрачным (рис. 202).
Устройство состоит из двух отдельных каналов, осуществляющих
слежение по двум осям. Датчиком слежения по каждому каналу
служит . р — п — p-элемент (О. Вейнрич. Патент США
№ 3217166, 1965). Каждый элемент состоит из двух большераз-
мерных областей 3 и,5, имеющих р-проводимость, и тонкой раз-
делительной области 4 с n-проводимостью. Сигнал снимается
с помощью омических контактов 1 и 2, Световой поток от источ-
ника излучения проектируется на разделительную область 4,
часть энергии проходит через переднюю тонкую пластину пер-
вого датчика во второй канал, вследствие чего чувствительность
по второму каналу меньше примерно в 10 раз.

Эксплуатационные преимущества бикристаллических фото-
приемников заключаются в высоком быстродействии, низком
уровне собственных шумов и способности работать в широком
температурном диапазоне. Основной их недостаток — очень уз-
кий (десятые доли миллиметра) рабочий участок позиционной
характеристики.

УСТРОЙСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ЭФФЕКТЕ

ПРОДОЛЬНОГО ФОТОТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Весьма интересным и, по-видимому, перспективным является
использование в следящих устройствах эффекта продольного
фототока в полупроводниках, позволяющего определять вели-
чину и направление смещения светового пятна относительно
оптической оси системы. Обнаружено, что помимо первичного
напряжения, возникающего в полупроводнике в р — п-переходе
при облучении последнего, одновременно протекают малые токи
в боковом направлении. Используется это явление следующим
образом. Если световое пятно будет попадать на полупроводник
посередине между зажимами, к которым подсоединен измери-
тельный прибор, то возникающие при этом равные и противопо-
ложные по направлению боковые токи будут проходить одинако-
вый путь, создавая равные падения напряжения. В этом случае
суммарное напряжение на зажимах будет равно нулю. Если
световое пятно сместить в сторону одного из зажимов, распре-
деление падений напряжений изменится, что будет зафиксиро-
вано измерительным прибором. Напряжение одного знака появ-
ляется при сдвиге изображения объекта в одну сторону,
другого знака — при сдвиге изображения в другую сторону.

Для определения положения источника излучения по двум
координатам преобразователь изготавливается в форме круга
или квадрата, а выходные контакты располагаются по окружно-
сти с интервалами 90° (рис. 203). Используемая в таком устрой-
стве пластина германия имеет толщину порядка 0,01 см и пло-
щадь порядка 0,6—0,7 см2.

Выражение для суммарного выходного напряжения, дей-
ствующего вдоль оси х, когда световое пятно сдвинуто с центра,
может быть определено по следующей формуле:

ивых = р/<?/Х|/2</(—xx) + ?lql(2d—xl)/2d(2d—х,) = 2f>]ql(d—х,).
где р — удельное сопротивление; q — площадь чувствительного
элемента; 2d — расстояние между базовыми контактами; Xj —
текущая координата светового пятна; / — боковой фототок.

22 Заказ 375	3 37
Рис. 203. Полупроводниковое следящее устройство, действую-
щее на основе эффекта бокового фототока:

1, 2, 3, 4 ~~ базовые контакты; 5 — пластина л-германия; 6 — «таб-
летка» индия

Характер зависимости величины напряжения Ueblx на контак-
тах от положения засвечивающего пятна х представлен на
рис. 204.

Если световое пятно находится в положении F, то базовое
напряжение приемника достигает своего максимального зна-
чения.

При движении светового пятна влево выходное напряжение
начнет уменьшаться, пройдет через нуль в точке Q и сменит
полярность, достигнув минимального значения в точке О.

Зависимость изменения выходного напряжения от положения
светового пятна на рабочем участке прямолинейна. На границах
рабочего участка приемника в непосредственной близости от ба-
зовых контактов характеристика имеет резкий спад.

D

Рис. 204. Инверсионная харак-
теристика продольного фото-
элемента:

QB — касательная к характеристи-
ке в точке /; Яд = СВ/ВА — отно-
сительная нелинейность характери-
стики в произвольной точке А;
may “	— максимальное от-

клонение от линейности в точке 21
Рис. 205. Влияние прямого тока
через переход на характеристи-
ки перемещения

Рис. 206. Зависимость фото-
э. д. с. от положения светового
пятна на поверхности полупро-
водникового элемента

Рассмотрим два режима работы устройства, использующего
элемент с продольным фотоэффектом: фотодиодный и вентиль-
ный [62]. В фотодиодном режиме (рис. 205) п — р-переход сме-
щается в запирающем направлении. Позиционная характеристи-
ка при малых смещениях светового пятна имеет следующий вид:

г/вых = /^/?еб:£[/? + /?с(1+2/п)],

где m — отношение сопротивления нагрузки R к внутреннему
сопротивлению полупроводника г;

1ф — полный фототок;

2/?с — сопротивление верхнего полупроводникового слоя меж-
ду контактами А и В;

2L — расстояние между контактами;

6 — смещение светового пятна.

К недостаткам такой схемы следует отнести наличие в центре
рабочей области электрода, который может исказить характери-
стику в области малых смещений.

Если используется схема включения, показанная на рис. 206,
то позиционная характеристика выражается формулой

ивых = ИфЬ- Ws + 1ф)] Me :L[R + RC(1+ 2m)],

где Л — ток насыщения;

К — постоянный коэффициент.

Достоинство этой схемы заключается в отсутствии централь-
ного электрода, недостаток — в необходимости иметь в цепях
22*	339'
смещения сопротивление значительной величины, что приводит
к температурной нестабильности датчика. Однако этот недоста-
ток можно устранить при работе с модулированным источником
света: в этом случае активное сопротивление можно заменить
реактивным.

В вентильном режиме характеристика продольного элемента
с достаточной точностью выражается формулой

U вых=МЗвФ8,

где Se — чувствительность приемника излучения по напряжению;

N— коэффициент использования потока излучения;

Ф — световой поток, поступающий на чувствительный эле-
мент;

д — смещение изображения объекта относительно оптиче-
ской оси следящей системы.

В таких устройствах р — n-переход должен отвечать двум
требованиям: высокой фоточувствительности и высокой степени
однородности характеристик перехода и верхнего слоя в про-
дольном направлении, так как любые неоднородности нарушают
симметрию прибора и ухудшают качество его работы. Если
продольный фотоэлемент используется в фотодиодном режиме,
то р — n-переход должен иметь хорошие запорные характери-
стики.

Размеры фоточувствительной поверхности продольных фото-
элементов определяются необходимым диапазоном измеряемых
перемещений и ограничиваются только возможностью создания
р — n-переходов большой площади с необходимыми свойствами.
Расстояние между электродами может изменяться от долей мил-
лиметра до нескольких сантиметров.

Продольные фотоэлементы разных типов и конструкций име-
ют аналогичные позиционные характеристики. В центральной
части образца, примерно посередине между электродами, харак-
теристика имеет нулевую точку. Вблизи нулевой точки связь
между выходным сигналом и величиной перемещения линейна.
В двумерных приборах линейний участок составляет 20% рас-
стояния между электродами.

Важным критерием качества образца является симметрия
позиционной характеристики. Обычно нулевая точка должна на-
ходиться в центре образца, а положительная и отрицательная
ветви рабочего участка должны быть идентичными. Асимметрия
характеристики возникает вследствие различных неоднородно-
стей р — n-перехода и верхней области, причем требования к од-
нородности в фотодиодном режиме значительно выше, чем в вен-
тильном.

Одним из основных критериев применимости продольных фо-
тоэлементов для решения ряда практически важных задач яв-
ляется степень линейности позиционной характеристики. Рас-
смотрим метод определения систематического отклонения от ли-
340
нейности позиционных характеристик таких фотоэлементов [68].

Если на чувствительную поверхность одномерного позицион-
но-чувствительного фотоэлемента проектируется изображение
источника излучения, то продольное фотонапряжение между
контактами изменяется с изменением х пропорционально
sh[a(x—1)], где

a =1/2 [(Яв+ /?„)/??']'/2,

Wp

где Re = 21/fc j Qp(y)dy — продольное сопротивление верхней об-
о

ласти;

wp

Ru = 21/b J Qn(y}dy — продольное сопротивление нижней об-
0

ласти (RH = 0 при сплавном переходе);

Rd — динамическое (дифференциальное) сопротивление
р — n-перехода с площадью 2Ы при нулевом сме-
щении.

Очевидно, что степень линейности позиционной характери-
стики определяется значением а/. Относительная нелинейность
в любой точке характеристики составляет sh[a(x — /)]/а(х— /),
а максимальная нелинейность имеет место при х = 0 или 21.

При использовании фотоэлемента, выполненного на основе
продольного фотоэффекта, в оптико-электронных следящих си-
стемах желательно использовать центральную часть полупро-
водниковой пластины, где характеристика перемещения линей-
на. Здесь продольный фотоэлемент характеризуется крутизной
преобразования, числовые значения которой находятся в преде-
лах Se = 1 -т- 200 мв/мм.

Величина Se зависит от многих факторов, главные из них
следующие: размеры образца 2L, продольная проводимость g,
плотность темнового тока /о, освещенность, размеры освещенной
зоны 2/, температура Т.

Наклон характеристики с ростом освещенности линейно уве-
личивается только в низкоомных образцах. В высокоомных об-
разцах эта зависимость может быть сублинейна, в этом случае
возможно даже насыщение.

При наличии фоновой засветки искажается прямолинейность
характеристики фотоэлемента, работающего в вентильном ре-
жиме, и уменьшается его выходной сигнал. В фотодиодном ре-
жиме фон до определенных границ не оказывает влияния на вы-
ходной сигнал.

Экспериментально установлено, что если продольный фото-
элемент, работающий в вентильном режиме, освещается моду-
лированным светом, то переменную разность потенциалов, воз-
никающую при некотором перемещении освещенной зоны, мож-
но скомпенсировать до нуля, пропуская между электродами
341
постоянный ток. Величина и направление компенсирующего тока
определяются величиной и направлением перемещения.

Продольный фотоэффект позволяет осуществить имитацию
поворота приемника смещением оси характеристики или, как
принято говорить, применением электронного сдвига. Сдвиг ха-
рактеристики можно осуществить, подавая на баз.овые электро-
ды напряжения смещения соответствующего знака.

Влияние напряжения смещения, приложенного между базо-
выми контактами от внешней батареи, можно определить из со-
отношения

и вых = 2р/(?/ (d + cU6—х);

с = (Rn/(Rn + 7?б))(^/2р/),

где Ue — напряжение батареи смещения;

/?б — внутреннее сопротивление батареи;

/?п — сопротивление приемника;

х — текущая координата светового пятна;

2d — расстояние между базовыми контактами;

q — площадь чувствительного элемента;

р — сопротивление;

/ — боковой фототок.

Приведенное выражение дает зависимость изменения харак-
теристики вдоль оси абсцисс от изменения напряжения [/б. Ха-
рактеристика смещается в ту или иную сторону в зависимости
от знака тока смещения (207).

С помощью такого приемника можно осуществить электрон-
ную модуляцию выходного сигнала, если подавать переменное
напряжение смещения к переходу между каплей индия и двумя
базовыми контактами.

Выходной сигнал можно компенсировать до нуля и в фотоди-
одном режиме, изменяя соотношение сопротивлений в плечах
схемы. Каждому положению освещенной зоны отвечает соответ-
ствующее положение ползунка реохорда k, при котором
U (х, k) = 0. При / > /о связь величины смещения светового пят-
на х и координаты положения ползуна реохорда k определяется
геометрическими соотношениями и не зависит от вариаций внеш-
них условий. Фотодиодный компенсаторный режим целесообраз-
но применять в тех случаях, когда необходимо измерять пере-
мещения с большой точностью и стабильностью.

Выходной сигнал продольного фотоэлемента может быть
очень мал даже при большой интенсивности освещения, поэтому
при необходимости регистрации нёбольших отклонений светово-
го пятна в связи с трудностью усиления сигнала постоянного
тока выходной сигнал продольных фотоэлементов приходится
модулировать. Выходной сигнал будет переменным, если исполь-
зовать амплитудно-модулированное освещение. Для продольных
фотоэлементов можно осуществить также способ модуляции, ос-
нованный на эффекте электронного ограничения. Наклон линей-
342
Рис. 207. Изменение характе-
ристики бокового фотоэффекта
при приложении напряжения
смещения

ного участка характеристики перемещения уменьшается до очень
малых значений по мере увеличения прямого тока, проходящего
через продольный фотоэлемент. Если прямой ток изменять пери-
одически от нуля до достаточно больших величин, то выходной
сигнал, который возникает при перемещении освещенной зоны
от центра, будет модулированным.

Для продольных фотоэлементов глубина модуляции выше
80—90% создавалась при токе 300—600 мка. Однако обнаружи-
валось, что при таком способе модуляции качество работы про-
дольного фотоэлемента ухудшалось. Например, при вариации
внешних условий наблюдался больший дрейф нуля, чем без мо-
дуляции.

Вопрос о стабильности положения точки нулевого отсчета на
поверхности образца имеет большое значение для практического
использования таких фотоэлементов. Положение нуля не долж-
но меняться как при изменении внешних условий, так и с тече-
нием времени.

В вентильном режиме на положение нуля влияет температу-
ра, а стабильность нулевой точки одинакова при постоянном и
модулированном освещении.

В фотодиодном режиме стабильность образцов различна при
использовании постоянного и модулированного освещения.

Если измерение проводить на постоянном токе при значи-
тельной освещенности или невысоких температурах, то в боль-
шинстве случаев положение нулевой точки сохраняется в преде-
лах точности измерения. При уменьшении освещенности или
увеличении температуры наблюдается сползание нуля, достига-
ющее десятков микрометров. При измерениях в модулирован-
ном свете это явление практически устраняется. Стабильность
нуля в этом случае значительно выше, чем в вентильном режи-
ме. Для большинства образцов нестабильность нулевой точки
находится в пределах ±(0,5—1) мкм.

Пороговую чувствительность фотоприемников с продольным
фотоэффектом (спектральную или интегральную) принято обыч-
но характеризовать значением минимально обнаруживаемой
мощности. На выходе фотоприемника эффективная величина
сигнала, вызванного излучением с такой мощностью, оказывает-
ся равной спектральной плотности шумов. Если основной причи-
ной возникновения шумов являются флуктуации фонового излу-
чения, то минимальная обнаруживаемая мощность носит назва-
ние радиационного порога (96].

Минимальная величина смещения объекта, которая может
быть обнаружена при малых уровнях засветки, ограничивается
уровнем шумов самого элемента и измерительной схемы. Для
устройств, в которых элемент работает в вентильном режиме,
основную роль играют тепловые шумы базового сопротивления.
Если полупроводниковый элемент работает в фотодиодном ре-
жиме, то к этим шумам добавляются избыточные шумы, намно-
го превосходящие тепловые. Такой датчик может быть использо-
ван для регистрации смещения светового пятна порядка
0,1 мкм (154].

Как уже отмечалось, для измерения смещения изображения
источника излучения в перпендикулярном направлении исполь-
зуется вторая пара контактов. Сигналы рассогласования по двум
осям могут сниматься одновременно. Однако при больших рас-
согласованиях они оказываются зависимыми один от другого.

При разработке следящих устройств, основанных на про-
дольном фотоэффекте, возникают дополнительные трудности,
связанные, например, с зависимостью получаемых сигналов от
яркости объекта. С практической точки зрения необходимо учесть
колебания видимой яркости объекта и, кроме того, предусмот-
реть пространственную фильтрацию. Эти требования приводят
к весьма серьезным проблемам в реализации системы слежения,
работающей на продольном фотоэффекте. Необходимость ис-
ключить вредные влияния колебаний яркости на точность дан-
ных о положении цели требует использования специальных
средств, а введение пространственной фильтрации (с использо-
ванием вращающегося растра) предполагает применение элек-
тронной схемы переменного тока.

Рассмотрим эквивалентную схему такого устройства (137]
(рис. 208).

Схема иллюстрирует простейший случай приемника с одной
парой контактных выводов, реагирующего на движение светово-
344
у

Рис. 208. Приемник с боковым фотоэффектом:

а — упрощенная эквивалентная схема; б — схема расположения кон-
тактов в четырехконтактном приемнике, в — зависимость напряжения
на выводах С и D от положения светового пятна х

го пятна лишь по одной оси. Величина общего фототока /, про-
текающего через приемник, пропорциональна интенсивности па-
дающего излучения. Анализируя схему, можно показать, что
разность потенциалов на зажимах приемника выражается фор-
мулой

Ux =	— U 2 = KI ln(d + x)/(d—%),

где d — половина расстояния между контактами;

х — смещение светового пятна от нулевого положения (цент-
ра симметрии площадки приемника).

В этой формуле коэффициент К представляет собой электри-
ческое сопротивление, так как он определяется проводимостью
материала и толщиной полупроводникового перехода. Если
учесть, что общий фототок пропорционален поступающему излу-
чению, то вышеприведенную формулу можно представить в сле-
дующем виде:

Ux = Ux — U2 = К'Р ln(d + x)/(d—х),

где коэффициент /С, помимо проводимости материала и толщи-
ны перехода, учитывает также к. п. д. преобразования приемни-
ком лучистой энергии в электрическую. Таким образом, эта фор-
мула выражает зависимость выходного напряжения приемника
--оЪ

----OUg
----oUc

2Rt

----OU/,

Puc. 209. Приведенная
схема элемента с боко-
вым фотоэффектом

Рис. 210. Блок-схема индика-
торной части следящей системы
в приемнике с боковым фото-
эффектом:

1 — приемник; 2 — цепь короткого
замыкания азимутальной пары вы-
водов; 3 — усилители; 4 — поло-
жительный выпрямитель; 5 — сум-
матор; 6 — отрицательный выпря-
митель; 7 — цепь короткого замы-
кания пары выводов угла места

с боковым фотоэффектом непосредственно от мощности падаю-
щего излучения Р.

Анализ эквивалентной схемы, приведенной на рис. 208, позво-
лил установить, что если бы можно было использовать точку А
схемы в качестве точки отвода, то выходное напряжение, сни-
маемое с каждого контакта, можно было бы отсчитывать от
практически нулевого опорного напряжения. Экспериментально
установлено, что это требуемое опорное напряжение можно по-
лучить, замкнув накоротко одну пару выходов и используя ее
в качестве средней точки для другой пары. Схема приемника
с четырьмя выводами показана на рис. 208, б. Напряжение на
выходах С и D изменяется в функции от смещения светового
пятна при следующих условиях: выводы А и В замкнуты нако-
ротко и эта цепь служит заземляемой искусственной средней
точкой для выводов С и D. При измерениях световое пятно пе-
ремещалось вдоль оси, параллельной линии, соединяющей вы-
вод С с выводом D. Результаты измерений представлены графи-
чески на рис. 208, в.

На рис. 209 представлена эквивалентная схема приемника
с боковым фотоэффектом, имеющим четыре рабочих вывода.
В этом случае осуществляется поочередный отвод выходного на-
пряжения то с одной, то с другой пары противоположных выво-
346
дов, причем свободная (короткозамкнутая в данный момент)
пара выводов используется в качестве опорной. Такой метод по-
зволяет попеременно получать импульсы, содержащие информа-
цию о положении объекта по двум осям координат.

Усиленные и детектированные импульсы с каждого из проти-
воположных выводов могут затем вычитаться; знак получаемой
разности укажет направление рассогласования. Блок-схема уст-
ройства, действующего по такому принципу, представлена на
рис. 210.

Весьма важно, чтобы сигнал ошибки, выдаваемый следящим
устройством, не зависел от интенсивности излучения объекта.
Исследуем вопрос влияния колебаний интенсивности излучения
объекта на работу такого устройства [137].

Рассмотрим ранее приведенные уравнения, характеризующие
разность потенциала Ux = U\ — U2 на противоположных выво-
дах приемника с боковым фотоэффектом. Потенциалы И\ и U2
можно выразить следующим образом:

(71=/<'Pln(d + x);

U2 = K'P\n(d—х),

где Р — мощность падающего излучения.

Если предположить, что изменения величины х малы, эти вы-
ражения можно заменить так:

U^K'Ptd + xy,
U2 = K'P(d—x).

Если в блоках электрической схемы поделить одно уравнение
на другое, то переменная величина Р окажется исключенной и
работа системы не будет зависеть от колебаний яркости цели:

t/i/t/2 = (^ + x)/(d-x);

U2/U{ = (d—x)/(d + x).

Вычитая из первого уравнения второе, получаем сигнал
ошибки д:

6 = UJU2— U2/U{ = (d + x)/(d—x)—(d—x)/(d + х) = 4dx/(d2—х2).

Изменение величины х в большинстве случаев незначительно
по сравнению с расстоянием d. Поэтому разность d2 — х2, стоя-
щую в знаменателе, можно считать постоянной. Поскольку еще
величина х мала по сравнению с d (ввиду относительной мало-
сти угловых ошибок в процессе слежения), эту разность можно
принять равной d2. В результате формула приводится к виду

6 = 4x/d.

В этом случае сигнал ошибки является линейной функцией
величины х и не зависит от колебаний яркости объекта.
Практическое осуществление изложенного принципа дости-
гается применением схемы АРУ, построенной таким образом,
что Uc является управляющим напряжением для усилителя Ud,
a UD— управляющим напряжением для усилителя Uc-

В тех случаях, когда необходимо отсутствие зависимости ве-
личины сигнала рассогласования от интенсивности светового по-
тока, поступающего от объекта слежения, используют также
некоторые специальные компенсационные схемы. Например, мо-
жет быть использована схема, в которой один и тот же элемент
используется как для измерения величины смещения объекта,
так и для измерения величины светового потока, поступающего
от объекта.

Схема такого устройства представлена на рис. 211.

В устройстве использован датчик с продольным фотоэффек-
том. В датчик введена дополнительная пара контактов 1 и 2,
с помощью которых измеряется мощность излучения в пятне
(Дж. Рунге. Патент США № 3211911, 1965). С контактов 3 и 4
датчика снимается сигнал, соответствующий смещению объекта
относительно центра. Этот сигнал, определяющий положение
светового пятна вдоль оси х\

U^N.S^b,

где N — коэффициент использования потока излучения;
Se—чувствительность приемника излучения по напряжению;

Ф — поток излучений, поступающий на чувствительный эле-
мент.

Такой датчик способен производить измерение сдвига пятна
относительно центра независимо от мощности излучения
в пятне.

С контактов 1 и 2 датчика снимается сигнал коррекции по
мощности излучения

^2=ад2Ф.

В результате деления U\ на U2 может быть определена вели-
чина 6 смещения светового пятна, причем эта величина не будет
зависеть от мощности светового потока

где К— коэффициент пропорциональности, зависящий от пара-
метров преобразовательного блока.

Относительно динамических свойств кремниевых элементов
с продольным фотоэффектом можно отметить следующее.

В кремниевых фотоэлементах, обладающих очень большим
сопротивлением рабочего слоя, инерционные эффекты опреде-
ляются не временами жизни носителей, а емкостью р — и-пере-
хода и сопротивлением рабочего слоя (14]. В таких устройствах
для получения малой инерционности необходимо уменьшать по-
стоянную времени единицы площади элемента, работать при
малых сопротивлениях нагрузки, применять фотодиодный режим
работы.

Основные преимущества продольных фотоэлементов — воз-
можность одно- и двукоординатных измерений, линейность вы-
ходного сигнала, высокая точность, малая инерционность, высо-
кая надежность, отсутствие гистерезиса, малые вес и габарит-
ные размеры.

КВАДРАНТНЫЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

Принцип действия устройств этой группы заключается в том,
что поток излучения в зависимости от величины смещения объ-
екта относительно оптической оси попадает на несколько фото-
чувствительных элементов, сигналы с которых сравниваются
между собой. Разностный сигнал в этом случае пропорционален
величине смещения изображения относительно нулевого положе-
ния. В рассматриваемых датчиках используются дифференци-
альные фоторезисторы, квадрантные фоторезисторы, квадрант-
ные фотодиоды и фотоумножители и другие элементы.

На рис. 212 показан квадрантный чувствительный элемент,
на который спроектировано изображение излучающего объекта
в виде круглого пятна. Если центр изображения совпадает
с центром квадрантного приемника, то потоки излучения, посту-
Рис. 212. Схема квадрантного
чувствительного элемента:

1 — фоточувствительная поверх-
ность; 2 — изображение смещенно-
го объекта излучения; 3 — положе-
ние изображения объекта излуче-
ния, расположенного на оптической
оси датчика

пающие на каждый квадрант, равны между собой, поэтому
с устройства снимается нулевой сигнал.

Если проекция изображения смещается, то происходит пере-
распределение световых потоков между отдельными квадранта-
ми и на выходе появляются сигналы, пропорциональные разно-
сти потоков излучения, попадающих на противоположные квад-
ранты.

Из рис. 212 можно получить следующие выражения [15]:

{Зл/4	________________

J sin <p|/62 sin2 <р + J2/4—62dq> —

л/4

7Л/4	________________ j

— J sin ф ]/62 sin2ф + d2/4—62ApL
6Л'4	I

где, К — коэффициент пропорциональности; б — величина сме-
щения; d — диаметр светового пятна.

При малых смещениях светового пятна позиционная харак-
теристика является линейной.

Можно пользовать также приближенную формулу, описыва-
ющую изменение фототока, снимаемого с одного квадранта, при
изменении положения светового пятна, например, вдоль
оси х [143]:

;ф(6х) = 1 /jid2 [1/2ш/2 + z(d2—z2)1/2 4- d2 arc sin z/d—h(d + z)],
где z = dx—h— величина зазора между отдельными све-
точувствительными элементами.

Эта зависимость представлена на рис. 213.
При смещении изображения вдоль осей х и у величина сиг-
нала может быть определена с помощью следующих выра-
жений:

/Х = (Л—/2)—(Л + Л);

/, = (Л-Л)-(/2 + Л),

где Л (i = 1, 2, 3, 4) — сигнал, снимаемый с i-ro квадранта.

Рассмотрение следящих устройств этой группы начнем
с квадрантного фотоумножителя [143]. Квадрантный фотоумно-
житель имеет четыре независимых полупрозрачных фотокатода.
Три из них в течение четверти цикла оказываются запертыми и
только эмиссия четвертого достигает умножительной системы.
Рабочая последовательность квадрантов заменяет действие че-
тырех ФЭУ в обычной следящей системе.

Фототок от каждого квадранта усиливается электронным
умножителем. Так как фотокатоды обрабатываются одновре-
менно, то это обусловливает однородность их чувствительности
и спектральной характеристики. Торцовой вход фотоумножителя
состоит из круга, разделенного на четыре индивидуальных плос-
ких стеклянных сегмента, которые отделены равными зазорами
(50—75 мкм). Общая рабочая поверхность всех квадрантов ог-
раничивается окружностью диаметром 10 мм.

В этом устройстве используется тормозящее электрическое
поле, ограничивающее фотоэмиссию с квадрантов фотокатода.
Три квадранта находятся под воздействием тормозящего элек-
трического поля в течение того времени, пока с четвертого элек-
троны собираются на первый эмиттер умножительной системы.
На сегмент 2 фотокатода (рис. 214) подается отрицательный
потенциал относительно первого эмиттера. При нормальной ра-
боте каждый из четырех квадрантов фотокатода последователь-
но «опрашивается» подсоединением отрицательного потенциала.
Рис. 214. Квадрантный
фото у множа тель:

/ — торцовое стекло; 2 —
сегменты фотокатода; 3 —
фокусирующий электрод;

4 — корпус; 5 — эмиттеры

Рассмотрим работу такого фотоумножителя в качестве уст-
ройства слежения за звездой. Положение расфокусированного
изображения звезды на фотокатоде характеризуется выходными
токами (/i, /2, /3 и /4) эмиссии электронов с каждого квадранта
за время, соответствующее четверти цикла. На рис. 215, а пока-
зано изображение звезды в нулевом положении. Анодный ток
соответствующих сегментов фотокатода показан на рис. 215, б
(Л = Л = h = Л). При небольшом смещении изображения
звезды от нулевого положения (рис. 216, а) выходные сигналы
различны по амплитуде от каждого из четырех квадрантов
(рис. 216, б). Токи сигналов регистрируются во взаимно перпен-
дикулярных направлениях по осям х и у относительно центра
тяжести освещенного изображения звезды

/х = /1 + /2-/3-/4; (1)

/, = Л + /4-/2-/з.	(2)

При существенном удалении изображения звезды от нуля по-
лучить точную информацию о ее смещении невозможно. Поэто-
му такой фотоумножитель нужно рассматривать как устройство,
способное давать информацию о позиции сигнала в области нуля.

Рассмотрим позиционную характеристику такого устройства.
Так как устройство симметрично, то достаточно рассмотреть
позиционную характеристику только одной оси. Сигнал по оси х
выражается уравнением (1). Для некоторого положения центра
изображения звезды на фотокатоде выходной анодный ток со-
здается эмиссией с квадрантов 1 и 2:

I^I2 = K/2,5lmSLJv,	(3)

где К—постоянный коэффициент, равный 2,43 • 10-10 лм/см2;

S — интегральная анодная чувствительность фотоумножи-
теля;

m — величина звезды;

L — апертура линзы;

J — геометрический фактор;

v — коэффициент сбора электронов.
Геометрический фактор J — отношение площади изображе-
ния звезды, расположенной на квадрантах 1 и 2, к общей пло-
щади изображения звезды, имеющейся на фотокатоде. Геомет-
рический фактор является функцией положения центра изобра-
жения звезды и функцией радиуса изображения пятна а.

Коэффициент сбора v близок к единице, когда пятно распо-
ложено вблизи центра «включенного» квадранта. При прибли-
жении изображения пятна к центру фотокатода или к месту
перехода с одного квадранта на другой коэффициент сбора
уменьшается.

Сигнал 1Х при перемещении центра изображения из нуля на
небольшую величину х может быть записан в виде

Ix = 2(I{ + I2) (dJ/dx)x=Qx,	(4)

с учетом уравнения (3):

/ = 2K/2,5lmSLJv(dJ/dx)x==Qx.	(5)

На рис. 217 приведены пороговые характеристики квадрант-
ного фотоумножителя при слежении за звездой т-величины.
Приведенные данные относятся к случаю, когда коэффициент
оптического усиления равен 106, полоса пропускания приемного
тракта 3 гц и полный угол зрения 1°. На этом графике на левой
оси ординат отложены значения минимально обнаруженного
смещения изображения звезды, на правой — точность измере-
ния направления на звезду. По оси абсцисс отложено значение
диаметра изображения звезды.

Для измерения величины смещения может быть использова-
но устройство, представленное на рис. 218. Расфокусированное
изображение объекта проектируется на переднюю грань модуля-
торного блока, состоящего из четырех электрооптических кри-
сталлов (типа KDP или CuCl). В таких модуляторах могут быть

Рис. 215. Сигнал на выходе
квадрантного фотоумножителя
при расположении объекта сле-
жения на оптической оси

У w

Рис. 216. Сигнал на выходе квад-
рантного фотоумножителя при
смещении объекта слежения с оп-
тической оси
Рис. 217. Пороговые характе-
ристики квадрантного фотоумно-
жителя

использованы схемы как поперечной, так и продольной модуля-
ции. В последнем случае величина управляющего напряжения
составляет несколько сотен вольт. Если направление на объект
совпадает с оптической осью устройства, то потоки излучения,
прошедшие через каждый из четырех модуляторов, будут равны.
Эти световые потоки с помощью линзы направляются на один
фотоприемник. В случае смещения объекта относительно опти-
ческой оси световые потоки перестают быть равными. Регистра-
ция величины смещения выполняется с помощью временной се-
лекции сигналов, проходящих через квадранты модуляторного
блока, с последующим сравнением сигналов по амплитуде.

Временное разделение сигналов осуществляется подачей на
модуляторы сдвинутых во времени импульсов напряжения, кото-
рые попеременно открывают модуляторы. На рис. 218* б показа-
ны управляющие напряжения и огибающая сигнала UebLX, сни-
маемого с фотодетектора, в том случае, когда изображение сдви-
нуто в положительном направлении оси х.

Позиционная характеристика рассмотренного датчика имеет
вид, показанный на среднем рис. 196.

К этой же группе устройств могут быть отнесены квадрант-
ные устройства, содержащие четыре соответственно соединенных
фотоэлемента.

Такие устройства используются, в частности, для слежения
за лазерным лучом [107]. В общем случае изменение интенсив-
ности лазерного луча от центра к краям соответствует закону
нормального распределения вероятностей:

1(х, у)=10 ехр{—2(х2 + г/2)/ш2},

где /о — интенсивность света в центре луча;

w — расстояние от центра луча до точки, в которой интен-
сивность света уменьшается в 1/е2 раз.
Если световое пятно, создаваемое лазерным лучом на поверх-
ности датчика, разделяется линией х = X на две части, то раз-
ность потоков световой энергии, падающих на указанные части,
определяется следующей формулой [107]:

ЛЕ = 2 J J /0 ехр {—2(х2 + #2)/ш2} dy dx = лш2/2/0Р(2х/ш),
0 —оо

где P(2xlw) —интегральная функция нормального закона рас-
пределения.

В реальных конструкциях датчиков фотоэлементы разделены
зазорами шириной 2Дх. Считая, что линия раздела х = X совпа-
дает с осью зазора, можно получить следующее значение разно-
сти потоков световой энергии, падающих на указанные части
датчика:

ЛЕ = (nw2/4)IQ[P(2X + AX}/w + P(2X — AX)/w].

На рис. 219, а приведены графики зависимостей ЛЕ (в едини-
цах— Iquw2) от перемещения центра пятна (в единицах w) от-
носительно линии раздела х = X.

Эти графики соответствуют трем значениям зазоров между
фотоэлементами: ДХ = 0; ЛХ = 0,2ш и АХ = w. Из графиков
видно, что увеличение зазоров приводит к уменьшению крутиз-
ны характеристики датчика и, следовательно, к снижению его
разрешающей способности.

Рис. 218. Позиционно-чувствительный датчик, использующий четыре
электрооптических модулятора:

а — принципиальная схема; б — эпюры напряжения: 1 — электрооптические
кристаллы; 2 — изображение источника излучения; 3 — поляризатор; 4 — уп-
равляющие электроды; 5 — анализатор; 6 — фотоприемник
J /0 ехр {—2(х2 + y2)/w2}dy dx — § J ЛехР X

Для квадрантного датчика, показанного на рис. 219, б, раз-
ность потоков световой энергии, падающих на фотоэлементы,
размещенные один против другого по диагонали, определяется
формулой [107]

X у	ОО ОО

X {— 2 (г2 + y2)/w2} dy dx = (nws/4)/0 {P (2x/w) + P (2y/w)}.

Если измерение перемещения светового пятна осуществляет-
ся вдоль осей g и т), повернутых под углом 45° к осям х и у,
то

Х = (|-п)//2; У = (^ + т1)//2;

\Е = (л®2/4)7о [Р (1/2(1 + т])/Н + Р (/2(g—т])/щ) •

На рис. 220 приведены графики зависимости ДЕ (в единицах
!/2/о^^2) от перемещения центра светового пятна вдоль оси g
для различных постоянных значений смещения вдоль оси т]. По
оси абсцисс отложены перемещения центра пятна х в направле-
нии g (в единицах ш). Из приведенных графиков видно, что при
большем постоянном смещении светового пятна вдоль оси т] чув-
ствительность датчика к перемещению пятна вдоль оси g сни-
жается.
Так как характеристики отдельных элементов могут изме-
няться во времени различно (в процессе старения), то в таких
датчиках часто используется непрерывная калибровка фотоэле-
ментов. Такая калибровка может проводиться, например, с по-
мощью неоновой лампочки, работающей в импульсном режиме
и равномерно освещающей фотоэлементы.

В этом случае на фоточувствительных элементах возникает
сигнал, состоящий из постоянной и переменной составляющих.
Постоянная составляющая возникает от излучения объекта, за
которым осуществляется слежение, а переменная — от тариро-
вочной лампы. При идентичности характеристик всех элементов
амплитуды переменных составляющих одинаковы. Если харак-
теристики отличаются, то возникает разность переменных со-
ставляющих. В этом случае вводится корректирующее воздейст-
вие на коэффициент усиления соответствующего канала таким
образом, чтобы коэффициенты усиления всех каналов (с учетом
чувствительности фотоэлементов) были одинаковы.

Как уже отмечалось, для получения позиционной фоточувст-
вительности при применении обычных фотоэлементов исполь-
зуется такое же включение, которое позволяет перераспределять
между ними световой поток при отклонении источника излучения
относительно оптической оси устройства.

Если необходимо определять малые отклонения от нулевого
положения, то при использовании фотоприемника, состоящего из
нескольких фотоэлементов, не удается обеспечить высокую точ-
б)

Рис. 221. Позиционно-чувствительный фотодиод:

а — конструкция; б — схема включения по одной из осей; 1 — кристал-
лодержатель; 2 — л-область; 3 —р-область; 4 — контакт

ность и стабильность нулевого положения, так как практически
невозможно подобрать пары фотоэлементов с одинаковой зави-
симостью параметров от времени, температуры, интенсивности
освещения и т. д. Идентичность свойств элементов фотоприемни-
ка в значительной степени можно обеспечить, размещая их на
одной пластине полупроводника максимально близко друг к дру-
гу и создавая их в едином технологическом процессе. В этом слу-
чае можно ожидать существенного улучшения качества работы
многоэлементного позиционно-чувствительного фотоприемника.

В настоящее время разработан ряд четырехэлементных пози-
ционно-чувствительных германиевых и кремниевых фотодиодов
[2, 27].

Позиционно-чувствительный фотодиод (рис. 221, а) представ-
ляет собой пластину полупроводника размером порядка 4 X
X 4 мм с электронно-дырочным переходом. Пластина разделена
двумя прорезями под прямым углом на четыре равные части на
глубину, превышающую глубину залегания р — n-перехода. Ши-
рина прорези 0,1 мм. На поверхности каждого из фотодиодов
имеются электроды для снятия сигнала перемещения светового
луча. Основания фотодиодов приплавлены к кристаллодержате-
лю 1. Прибор герметизируется в корпусе.

Позиционно-чувствительные фотодиоды изготавливаются на
основе диффузионных электронно-дырочных переходов в герма-
нии и кремнии. Диффузантом для германия служит сурьма, для
кремния — бор.

Схема включения позиционно-чувствительного фотодиода
представляет собой мост (рис. 221, б), двумя плечами которого
358
служит пара фотодиодов, а в два другие включены нагрузочные
сопротивления. В общую диагональ мостов включен источник пи-
тания Ео для подачи обратного напряжения на фотодиоды.

Когда световое пятно находится в центре приемника и свето-
вой поток равномерно распределен между фотодиодами, выход-
ной сигнал равен нулю. При перемещении светового пятна от
центра появляются выходные сигналы Ux и Uy, пропорциональ-
ные величине перемещения по каждой из осей.

На рис. 222 представлена позиционная характеристика тако-
го устройства, показывающая зависимость величины сигнала от
перемещения освещенной зоны вдоль координатных осей.

Крутизна позиционной характеристики линейно зависит от
освещенности до 10 000 лк, поскольку фототок германиевых и
кремниевых образцов в этом интервале является линейной функ-
цией освещенности. Зависимость крутизны характеристики от
температуры невелика и определяется температурной зависимо-
стью фототока (рис. 223). В диапазоне 223—353° К изменение
фототока, а следовательно, и крутизны порядка 25%. Позицион-
но-чувствительные фотодиоды из кремния работоспособны до
температуры 400—420° К.

На рис. 224 представлена равносигнальная сетка рассмотрен-
ного устройства. Эта сетка образована двумя семействами кри-
вых Uy(x, у) = Аи и Ux(x, у) = Ви, где Аи и Ви— постоянные
параметры для каждой из кривых. Таким образом, каждая ли-
ния любого семейства представляет собой геометрическое место
Рис. 223. Температурная зависи-
мость крутизны позиционной ха-
рактеристики четырехэлементного
германиевого фототриода: Е =
= 4500 лк; 21 — 1,6 мм; R = 20 ком

положений центра освещенной зоны, обеспечивающих заданное
значение выходного сигнала по каждой из осей.

Экспериментальные исследования показали, что в вентиль-
ном режиме при немодулированном освещении трудно стабили-
зировать нулевую точку прибора из-за вариаций темнового тока,
поскольку последний характеризуется сильной температурной
зависимостью, а также подвержен спонтанным флюктуациям.
При электрической модуляции выходного сигнала дрейф несколь-
ко уменьшается, но все же остается в пределах нескольких ми-
крометров.

Существенное повышение стабильности наблюдается при фо-
тодиодном режиме с модуляцией светового потока.
Разрезные фотодиоды являются достаточно быстродействую-
щими устройствами. Постоянная времени их составляет величи-
ну порядка 1,5 мксек.

В заключение отметим, что четырехэлементные позиционно-
чувствительные фотодиоды из германия и кремния по совокуп-
ности свойств перспективны для использования в качестве дат-
чиков следящих фотоэлектрических систем. Оптимальный режим
применения — фотодиодный при модуляции света и использо-
вании переменной составляющей сигнала. В этом случае при
высоких значениях выходного сигнала возможна регистрация
малых отклонений, эквивалентных перемещению освещенной зо-
ны до десятых долей микрометра.

В некоторых случаях необходимо осуществлять независимое
измерение смещений светового пятна вдоль ортогональных ко-
ординатных осей. Эта задача может быть решена при использо-
вании оптического устройства, представленного на рис. 225, или
квадрантного детектора, приведенного на рис. 226 (107].

Устройство, представленное на рис. 225, включает в себя рас-
.щепитель луча 1 и две призмы с входными плоскостями 2 и 3,
расположенными в двух взаимно перпендикулярных направле-
ниях. Световые лучи, вторично расщепленные с помощью призм,
поступают на фотоэлементы 4 и 5. Ребро каждой из призм яв-
ляется линией вторичного разделения светового потока. Распо-
ложение этих ребер по взаимно перпендикулярным осям обеспе-
чивает независимую регистрацию смещений луча по двум орто-
гональным направлениям, так как при смещении объекта изме-
няется площадь изображения объекта, попадающего на каждый
чувствительный элемент.

Квадрантный детектор, показанный на рис. 226, содержит че-
тыре чувствительных элемента 1,2, Зи 4, подключенных к оми-
ческим делителям напряжения. Значения выходных напряже-
ний, снимаемых с зажимов Д, Д', ВВ' относительно зажима Е,
зависят от потоков световой энергии, поступающих на фотоэле-
менты 1,2,3 и 4.

Регулировочные потенциометры R\, R2, R3 и /?4 настраивают-
ся так, чтобы выполнялось равенство

(7ле(Е0, 0, 0, 0) = (7ле(0, Ео, 0, 0) = (7ве(0, 0, Ео,0) = (7Ве(0, 0, 0, Ео).

Аналогично потенциометры R[, R'2, R'z и R'± настраиваются
так, чтобы выполнялось равенство

(7д^(Е0, 0, 0, 0) = tW(0, Ео, 0, 0) = tW(0, 0, Ео, 0) =

= « 0, 0,Е0).

Напряжения UAB и UА'вг представляют собой независимые
выходные сигналы, характеризующие перемещение светового
пятна по взаимно перпендикулярным направлениям х и у.

Была разработана следящая система такого принципа дейст-
вия [107]. Угловая чувствительность системы при использовании
лазерного источника света с проекционным устройством состав-
ляет около 10-8 рад.

Диаметр луча составлял = 2,23 мм и зазор между фото-
элементами 2ДХ = 0,81 мм.

На рис. 227 крестиками отмечена экспериментально получен-
ная зависимость ДЕ от перемещения пятна х (в единицах w).
Сплошными линиями обозначены теоретические кривые, соответ-
ствующие зазорам между фотоэлементами, равными ДХ = 0 и
ДХ = 0,36ш (датчик имел такой зазор между фотоэлементами).

При малых перемещениях, составляющих не более 30% диа-
метра светового пятна, расхождение между экспериментальной
и теоретической зависимостями не превышает 1 % диаметра пят-
на и нелинейность зависимости ДЕ от х не более 2%.
ДИФРАКЦИОННЫЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

На рис. 228 представлено устройство, в котором перемеще-
ния изображения вдоль каждой оси определяются по изменению
соотношения сигналов с двух фотоэлементов [155]. В устройстве
имеются два канала для слежения вдоль осей х и у, которые
идентичны по своему принципу действия. Каждый канал имеет
фотоэлементы прямоугольной и треугольной формы.

Выходные сигналы фотоэлемента треугольной формы изме-
няются в зависимости от относительного положения линии изо-
бражения объекта, создаваемого с помощью цилиндрической оп-
тики. Выходной сигнал прямоугольного элемента остается по-
стоянным и не зависит от положения изображения объекта. От-
ношение сигналов с треугольного и прямоугольного фотоэлемен-
тов показывает изменение положения объекта вдоль соответст-
вующей оси системы. В этой системе также есть устройство ка-
либровки.

Достаточно широкое распространение получили амплитудные
следящие устройства, в которых в качестве разделителя светово-
го потока используется зеркальная пирамида L

Устройство с анализирующей пирамидой представлено на
рис. 229. Излучения объекта собираются телескопом 1 и направ-

1 Полонников Р. И. Фотоследящая система. «Бюллетень изобретений».
Авторское свидетельство № 140226, 1961, № 15.
fi)

Рис. 228. Следящее устройство с двумя квадратными и треугольными
фотоэлементами:

а — общая схема; б — оптические детали одного канала слежения: 1 — кор-
пус; 2, 3 — цилиндрические линзы; 4, 5 — треугольные фотоэлементы; 6, 11 —
полупрозрачные зеркала; 7, 10 — тарировочные лампы; 8, 9 — квадратные
фотоэлементы

ляются на четырехгранную зеркальную пирамиду 3. Отразив-
шись от ее граней и вспомогательных зеркал, световой поток
попадает на катоды четырех фотоумножителей 5. Разность на-
пряжений с выходов противоположных фотоумножителей по-
дается на соответствующий усилитель 6. Усиленные сигналы
приводят в действие два двигателя 7, перемещающие ось систе-
мы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если све-
товой пучок, идущий от объекта, симметричен относительно вер-
шины зеркальной пирамиды, то световые потоки, падающие на
фотоумножители, равны, и напряжение на входах усилителей
следящей системы равно нулю. При отклонении телескопа от
направления на объект луч смещается и вследствие неравномер-
ности засветки граней пирамиды на входе одного или обоих уси-
лителей появляется сигнал рассогласования.

В схеме желательно применять модулирование светового по-
тока. Это вызвано тем, что темновой ток фотоумножителей со-
измерим с рабочим током и его величина сильно зависит от раз-
личных факторов (в основном от температуры). Практически
весьма трудно подобрать такие пары фотоумножителей, у кото-
рых темновые токи и их изменения были бы одинаковы и не вно-
сили погрешности в измерение. В качестве модулятора может
быть использована ячейка Керра.

Точность схемы не зависит от колебаний напряжения пита-
ния поступающего на фотоумножители, так как на усилитель
364
подается разностный сигнал. Погрешности устройства склады-
ваются:

1)	из технологических погрешностей, вызываемых смещением
вершины анализирующей пирамиды относительно оси телеско-
па, и погрешностей центровки оптики;

2)	из погрешностей, возникающих из-за разного изменения
параметров фотоумножителей со временем, например, коэффи-
циента усиления противоположных фотоумножителей (это явле-
ние приводит к тому, что световое пятно в равновесном состоя-
нии всей системы может быть смещено относительно вершины
анализирующей пирамиды);

3)	из погрешности, вызванной шумами фотоумножителя и
усилителя.

Рассмотрим кратко особенности процесса обработки рассо-
гласования с разделением поля зрения зеркальной пирамидой
при условии, что все четыре канала работают одновременно и
независимо друг от друга [93]. Каждый канал включает в себя
приемник излучения, усилитель и пороговое устройство (релей-
ный элемент). При этом скорость отработки считаем постоянной
для всех каналов.

При расположении излучателя в некоторой области около оп-
тической оси системы лучистый поток падает на все грани и
в зависимости от превышения падающего потока над пороговым
все каналы или работают, или не работают. При нахождении из-
лучателя вне этой центральной области, но в зонах, близких
к линиям раздела поля зрения, лучистый поток попадает одно-

Рис. 229. Следящее устройство
с анализирующей зеркальной пи-
рамидой:

1	— телескоп; 2 — ячейка Керра; 3 —
анализирующая зеркальная пирамида;

4	— зеркала; 5 — фотоумножители;

6	— усилитель; 7 — двигатель
временно на две грани пирамиды. В этом случае также в зави-
симости от величины потока и некоторых параметров системы
отработка выполняется или одним каналом, или двумя сразу.

Определяющим в процессе работы такого следящего устрой-
ства являются значения порогов чувствительности каждого из
четырех каналов [93]. При этом представляют интерес следую-
щие значения порога чувствительности каждого канала

Р>0,5 и 0 < Р < 0,5,
где

р = фл/ф0;

Фп — пороговое значение светового потока для одного ка-
нала;

Фо — величина падающего светового потока.

1.	Р > 0,5. В этом случае возникают «мертвые» зоны около
линий раздела поля зрения. При нахождении в этих зонах излу-
чателей система не работает, так как лучистый поток падает на
две грани одновременно, а той части потока, которая падает на
каждую грань, недостаточно для срабатывания порогового уст-
ройства.

2.	0 < Р 0,5. Следящее устройство работоспособно при
расположении излучателя в любой точке поля зрения. В этом
случае характеристика отработки зависит от положения излуча-
теля в поле зрения системы в данный момент времени. На
рис. 230 показаны возможные траектории движения в процессе
отработки рассогласования для четырехканальной идеализиро-
ванной (безынерционной) следящей системы. При расположении
излучателей в заштрихованных зонах отработка происходит
одновременно по двум осям. В остальных случаях отработка на-
чинается по одному каналу. При этом для точек, лежащих на
366
осях х и у, она и заканчивается при работе только одного кана-
ла, а для других точек при достижении заштрихованной зоны
включается второй канал.

При нахождении проекции точечного излучателя в центре
поля зрения, когда вершина пирамиды представляет собой точ-
ку и установлена в центре фокальной плоскости, каналы не
должны работать при всех значениях порога чувствительности,
так как в этом случае от граней ничего не будет отражаться. Но
в реальных условиях из-за того, что вершина пирамиды не мо-
жет быть изготовлена идеально и устанавливается в центр фо-
кальной плоскости с какой-то погрешностью и реальная оптиче-
ская система обладает погрешностями и излучатель проекти-
руется в виде пятна рассеяния, лучистый поток будет отражать-
ся от граней и пападать на соответствующие приемники
излучения. При этом одновременно работают или все каналы,
попарно компенсируя друг друга, или не работает ни один. Из-
лучатель будет находиться в какой-то области поля зрения, ко-
торая и определяет точность отработки рассогласования.

Таким образом, точность отработки рассогласования являет-
ся функцией погрешности изготовления вершины пирамиды,
разрешающей способности оптической системы, погрешности ус-
тановки вершины призмы в центр фокальной плоскости и равен-
ства порогов чувствительности парных каналов между собой.

К этой же группе следящих устройств может быть также от-
несено устройство с зеркальной пирамидой и коммутирующим
диском (рис. 231), осуществляющим поочередную подачу излу-
чений на один чувствительный элемент. В этом устройстве излу-
чения от объекта направляются на четырехгранную зеркальную
пирамиду 7. После отражения от ее граней излучения проходят
через систему зеркал, вращающийся дисковый коммутатор 1
с отверстием и попадают, отражаясь от граней пирамиды и про-
ходя через светофильтр 5, на один общий фотоэлемент 2. Уси-
ленный сигнал с фотоэлемента подается на фазочувствительный

Рис. 231. Следящее устройство
с разделением светового пото-
ка на четыре канала и их по-
очередной коммутацией на чув-
ствительный элемент:

1 — дисковый коммутатор; 2 — фо-
тоэлемент; 3 — фазочувствительный
выпрямитель; 4 — канал формиро-
вания опорного сигнала; 5 — све-
тофильтр; 6, 7 — зеркальные пи-
рамиды; 8, 9 — зеркала; 10 — ис-
точник излучения; 11 — фотоэле-
мент
выпрямитель 3. С помощью специального источника излучений
10 и фотоэлемента 11 создается опорный сигнал, который также
попадается на фазочувствительный выпрямитель.

При расположении объекта на оптической оси устройства
излучения, поступающие от всех граней пирамиды, одинаковы
по интенсивности, и на фотоэлементе формируется сигнал, со-
стоящий из импульсов одинаковой амплитуды. Если объект сме-
щается с оптической оси системы, то от различных граней на
фотоэлемент поступают излучения разной интенсивности, и элек-
трический сигнал состоит из импульсов различной амплитуды.
Из соотношения последовательности этих импульсов с учетом
опорного сигнала определяется направление и величина смеще-
ния объекта.

Разновидностью рассмотренной схемы является схема с квад-
рантным модулятором, выполняющим функции вращающегося
дискового коммутатора. В этом случае поочередная подача из-
лучений, отраженных от четырех граней пирамиды, на один фо-
тоэлемент достигается применением четырех оптических моду-
ляторов, расположенных перед чувствительным элементом. В ка-
честве модулирующих устройств в такой схеме могут быть
использованы электрооптические (ячейка Керра, ячейка Пок-
кельса и др.) или полупроводниковые модуляторы.

На примере одномерной (однокоординатной) оптико-элек-
тронной следящей системы со светоразделительной зеркальной
пирамидой рассмотрим метод определения позиционной харак-
теристики (34]. На рис. 232, а представлена однокоординатная
следящая система этого типа. Суммарный выходной поток ФАб
складывается из двух последовательностей импульсов светового
потока ФА и Фб, образующихся в каждом из плеч системы при
поочередном их перекрытии обтюратором 1 (рис. 232, б). Точ-
ному наведению на излучатель соответствует случай, когда ам-
плитуда первой гармоники сигнала на выходе приемника излу-
368
чения 2 равна нулю. Такого рода системы обладают принципи-
альной особенностью, заключающейся в нелинейности позицион-
ной характеристики — зависимости амплитуды первой гармони-
ки выходного сигнала от величины углового рассогласования на
входе. Причина нелинейности позиционной характеристики за-
ключается в нелинейности характеристик составляющих ее
звеньев.

В общем виде зависимость между световым потоком ДФ,
соответствующим одновременному сигналу рассогласования х,
и величиной светового потока Ф, приходящего на вход системы,
определяется следующим образом [34]:

(х	b	\ / b

]7(х)Лс—J f(x)dx) / у /(х)</х = ФД(х)//(х) = А(х),
а	х	/ / а

где f(x)—функция, описывающая распределение освещен-
ности;

а и b — границы изображения источника;

х — текущая координата.

Как уже отмечалось, здесь рассматривается случай слежения
по одной координате хх.

Так как сечения пучков в плоскости обтюратора имеют ко-
нечные размеры, а световой поток распределен неравномерно по
сечению пучка, то имеет место нелинейная зависимость ампли-
туды первой гармоники Ui выходного сигнала от величины
разности ДФ в каждом из плеч схемы. Для построения зависи-
мостей Д/71 = ^(ДФ) можно воспользоваться разложением в ряд
Фурье световых импульсов, поступающих на чувствительный
элемент. Получив выражение для первой гармоники разностного
сигнала Д1Л = Uex, следует найти его экстремальные значения
при различных значениях ДФ.

При переходе от значения потоков к значениям напряжения
в выражениях для Д£Л следует воспользоваться энергетической
характеристикой приемника Se = МФ), причем рабочая точка
на этой характеристике должна выбираться по среднему
значению

(Фа + Фб)/2 = Ф/2.

В случае использования усилителя позиционная характери-
стика определяется как

ивх=кушь

где Ку = /4(Д1Л) —амплитудная характеристика усилителя.

Таким образом, аналитическое определение позиционной ха-
рактеристики можно осуществить путем последовательной под-
становки в выражение ивых = /(Д£Л) зависимостей Ку =
= Л(Д^1):

^ = /3(Ф); Д[71 = /2(ДФ) и ДФ = Л(х).

24 Заказ 375

369
На рис. 233 приведены графики позиционной характеристики
следящей системы, рассмотренного типа, подсчитанной по изло-
женной выше методике (34] (кривая /) и определенные экспери-
ментально (кривая 2).

К этой же группе следящих устройств может быть отнесено
устройство (П. Коллер. Патент США № 3133200, 1964) (рис. 234),
в котором с помощью специальной оптики световой поток, иду-
щий от объекта, разделяется на два.

Поток излучений собирается объективом /, в фокусе кото-
рого расположены две линзы 2, склеенные по сточенной поверх-
ности (рис. 234). Эти линзы создают два изображения всего поля
370
зрения на чувствительных элементах 3. Эти элементы включа-
ются дифференциально. Если объект слежения находится на
оптической оси, то засветка обоих элементов одинакова и сигнал
рассогласования отсутствует. При отклонении объекта от опти-
ческой оси на чувствительных элементах происходит перераспре-
деление падающей энергии. При ограниченных смещениях
объекта его изображение занимает одинаковую площадь на
обоих чувствительных элементах. Это является достоинством
рассматриваемого устройства. В ранее рассмотренных устрой-
ствах при определении отклонения объекта его изображение или
перемещается по поверхности чувствительного элемента или при
разделении потока на несколько чувствительных элементов за-
нимает на разных элементах различные площади. Это приводит
к погрешностям измерения из-за неравномерности чувствитель-
ности по поверхности чувствительного элемента и неодинакового
изменения их характеристик под влиянием температуры, старе-
ния и т. д. Так как в данном устройстве изображение не переме-
щается и занимает на чувствительном элементе всегда одинако-
вую площадь, чувствительный элемент может быть выполнен
малых размеров. Это выгодно как для увеличения чувствитель-
ности приемника, так и для обеспечения постоянства его
характеристик.

Мы рассмотрели оптико-электронные следящие устройства,
в которых для определения рассогласования осуществлялось
разделение световых потоков на два или четыре канала. Разра-
ботана также группа следящих устройств, в которых вначале
осуществляется преобразование оптического изображения в фо-
тоэлектронное, а затем фотоэлектронное изображение разде-
ляется на ряд потоков для определения величины рассогласо-
вания.

Для использования в астрономических исследованиях было
разработано электронное устройство, предназначенное для ком-
пенсации смещений звездных изображений при длительных
экспозициях. Устройство представляет собой супериконоскоп,
у которого в центре мишени есть небольшое отверстие. За этим
отверстием установлена четырехгранная металлическая пирами-
да, вокруг которой расположены эмиттеры четырех электронных
умножителей. Все эти элементы заключены в общий вакуумиро-
ванный стеклянный баллон. На фотокатод такого супериконо-
скопа проецируется изображение ряда звезд, попадающих в поле
зрения телескопа. Любую из этих звезд можно спроецировать
в отверстие мишени и сделать «контрольной звездой». Электрон-
ное изображение этой звезды, проходя через отверстие, попадает
на пирамиду. Электроны отражаются от плоскостей пирамиды
в четырех направлениях и попадают в четыре электронных
умножителя.

Выходы умножителей через соответствующие усилительные
схемы соединены с четырьмя катушками, расположенными
24*	371
в секции переноса изображения. Катушки своим магнитным по-
лем могут смещать электронное изображение по двум взаимно
перпендикулярным направлениям. Когда электронное изображе-
ние контрольной звезды находится в центре отверстия мишени
(на вершине пирамиды), электронные потоки на входе умножи-
телей одинаковы. При этом одинаковы и их выходные токи, и
действия магнитных полей катушек взаимно компенсируются.

Если оптическое изображение на фотокатоде смещается, то
смещается и электронное изображение на пирамиде. При этом
нарушается равенство токов в четырех катушках и электронное
изображение «контрольной» звезды снова приводится к центру
мишени.

На основе рассмотренного принципа действия может быть
построено фотоэлектронное следящее устройство, в котором
отсутствуют элементы, предназначенные для передачи изобра-
жения (сканирующий электронный луч и мозаичный экран супе-
риконоскопа). Такое устройство представляет собой диссектор,
за отверстием диафрагмы которого расположена рассмотренная
выше четырехгранная пирамида, снабженная четырьмя элек-
тронными умножителями.

ЭКРАНИРУЮЩИЕ СЛЕДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА
И УСТРОЙСТВА С ПРОФИЛИРОВАННЫМИ
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Особую группу амплитудных позиционно-чувствительных
датчиков образуют устройства, которые для измерения угла
рассогласования не требуют оптической системы, формирующей
изображение объекта.

К устройствам этого типа относятся экранирующие датчики,
использующие явление полного внутреннего отражения, некото-
рые датчики, основанные на использовании законов кристалло-
оптики, и др.

К этой же группе устройств относится несколько чрезвычайно
простых, хотя и не обладающих высокой точностью, датчиков,
находящих широкое применение в системах грубого слежения.

Одно из одномерных устройств этого типа показано на
рис. 235, а. Перед приемником излучения 3 установлено матовое
стекло 2 и светофильтр 1. Матовое стекло перераспределяет
поток излучения таким образом, что зависимость сигнала от угла
падения потока становится близкой к косинусоидальной
(рис. 235, б).

Следующая возможность построения датчика, чувствитель-
ного к углу падения потока излучения на чувствительный эле-
мент, заключается в использовании экранирующих схем,
аналогичных схеме, изображенной на рис. 236, а. В таких устрой-
ствах экраны 1 затеняют часть чувствительного элемента при
отклонении потока излучения от направления, совпадающего
372
Рис. 235. Позиционно-чувст-
вительный датчик для гру^
бого слежения:

а — схема датчика; б — за-
висимость выходного напряже-
ния от угла падения потока
излучения

с осью датчика [104, 148]. Такие устройства содержат четыре или
два селено-кадмиевых чувствительных элемента 2 и 3. Элементы
включены в мостовую цепь и по преимущественной засветке од-
ного из них определяется смещение по соответствующей оси.

Рассмотрим следящее устройство, имеющее три чувствитель-
ных элемента (рис. 236,6). Использованы три фотоэлектронных
умножителя 4, поле зрения которых закрыто маской 5, имеющей
три прорези. Сравнение сигналов с фотоумножителей позволяет
определить отклонение изображения объекта относительно
оптической оси следящего устройства.

Недостаток рассмотренных устройств заключается в их низ-
кой чувствительности (порядка нескольких градусов).

Рассмотрим следящее устройство, относящееся к этой же
группе, но обладающее значительно более высокой точностью
слежения.

Для слежения за перемещением объекта может быть приме-
нено устройство, основным элементом которого является призма
полного внутреннего отражения (X. Севард. Патент США
№ 3137794, 1964). Такое устройство позволяет осуществлять
Рис. 237. Следящее уст-	Рис. 238. Позиционная

ройство с призмой полно-	характеристика датчика,

го внутреннего отраже-	основанного на явлении

ния	полного внутреннего от-

ражения

непосредственное измерение угла падения светового луча в диа-
пазоне от нескольких градусов и ниже. Принцип действия такого
устройства сводится к следующему (рис. 237). Параллельный
пучок света 1 падает на основание стеклянной призмы 2. Углы
при основании призмы равны критическому углу материала, из
которого изготовлена призма. Вследствие этого все лучи, падаю-
щие перпендикулярно основанию, претерпевают полное внутрен-
нее отражение. Небольшое количество света из-за дифракции
и хроматизма все же проходит через боковые грани призмы и
попадает на два симметрично расположенных фотоприемника
3 и 4, соединенных по балансной схеме. Так как сигналы фото-
приемников в этом случае равны по величине и противоположны
по знаку, то выходной сигнал равен нулю 1. Если луч света, па-
дающий на основание призмы, отклоняется от нормали, то угол
падения на одной из граней становится меньше критического и
поэтому энергия одного из преломленных пучков резко возраста-
ет. В результате на выходе устройства появляется сигнал. В этом
случае амплитуда выходного сигнала пропорциональна углу
рассогласования, а полярность определяется направлением
отклонения.

1 В случае четырехгранной пирамиды в схеме используются четыре фото-
приемника.
Наибольшую чувствительность такой датчик имеет при
слежении за источником монохроматического излучения, так как
из-за дисперсии показателя преломления при работе в белом
свете критический угол оказывается разным для различных длин
волн. Для ослабления влияния немонохроматичности света
может быть использована ахроматическая призма, состоящая из
элементов, обладающих различной дисперсией.

Приближенно характеристику такого датчика (рис. 238)
можно выразить следующей формулой, справедливой при малых
углах рассогласования:

/ = 8,7/0]/а,
где а — угол рассогласования.

Для определения двухкоординатного смещения источника
излучений используются два рассмотренных датчика, установ-
ленные под углом 90° друг к другу.

Завершим рассмотрение амплитудных следящих устройств
изложением принципов действия и основных характеристик
группы следящих устройств, в которых используются профили-
рованные приемники излучения. К этой группе могут быть от-
несены устройства с профилированными фоторезисторами и
устройства, использующие обычные фотоприемники, но снабжен-
ные специальной профилированной маской.

Не обладая высокой точностью, такие устройства тем не менее
находят применение в различных оптических следящих системах
благодаря своей чрезвычайной простоте.

К этой группе датчиков относится полупроводниковый эле-
мент, использующий диффузионные свойства носителей тока
в полупроводнике (Р. А. Шуттелворт. Патент США № 3033073,
1962). Позиционно-чувствительный элемент датчика (рис. 239, а)
представляет собой пластину 4 из фотопроводящего материала
с непараллельными противоположными гранями. К этим граням
присоединены электроды 1 и 3 с токовыми выводами, которые
вместе с источником постоянного тока и измерительным прибо-
ром образуют замкнутую цепь тока. Такое устройство позволяет

Рис. 239. Позиционно-чувстви-
тельный элемент трапециевид-
ной формы:

а — схема; б — позиционная ха-
рактеристика
регистрировать смещение изображения объекта 2 вдоль оси %,
перпендикулярной к направлению вектора напряженности элек-
трического поля в полупроводнике. Так как приложенное
к фоторезистору напряжение постоянно, то величина электриче-
ского поля между электродами обратно пропорциональна рас-
стоянию между ними и, следовательно, величина поля различна
вдоль оси х (возрастает слева направо). Поэтому, если световое
пятно будет двигаться вдоль оси х слева направо, то ток через
миллиамперметр будет линейно расти. Таким образом, при про-
ектировании на поверхность полупроводника изображения
светящегося объекта малых размеров величина фототока будет
различной в зависимости от координаты х светового пятна.

При регистрации небольших смещений вдоль оси х характе-
ристика устройства является линейной (рис. 239, б).

Для получения двуполярной позиционной характеристики
можно использовать два полупроводниковых устройства, развер-
нутых на 180° один относительно другого и включенных навстречу
друг другу.

Позиционно-чувствительный фотоэлемент треугольной формы
применяется, например, в устройстве слежения за солнцем. Изо-
бражение солнца проектируется с помощью цилиндрической
оптики на фоточувствительную поверхность в виде световой
полоски.
Раздел 3

Оптико-электронные
системы анализа
изображении

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АНАЛИЗА
ИЗОБРАЖЕНИЙ

При построении оптико-электронных систем по-
кадрового анализа изображений возможно использование двух
классификационных схем.

1.	Классификация по принципам сканирования (по последо-
вательности операций сканирования) без учета физической
сущности используемых явлений.

2.	Классификация по физическим явлениям, положенным
в основу работы сканирующих устройств. Это обусловлено тем,
что системы анализа изображений в подавляющем большинстве
случаев являются различного рода сканирующими системами.

По принципам сканирования обзорно-поисковые сканирующие
устройства можно разделить следующим образом.

1.	Устройства поэлементного сканирования. С их помощью
сканирование контролируемого участка поля осуществляется
в любой последовательности по каждому элементу поля. При
этом каждый элемент такого матричного сканирующего устрой-
ства мгновенно отпирается, передает информацию о местном
значении параметра поля и затем мгновенно запирается. Далее,
такая же процедура выполняется со следующим элементом.
Таким образом, в данном случае процесс сканирования имеет
дискретный характер. Рассматриваемые сканирующие устрой-
ства дают возможность не только осуществлять полный просмотр
контролируемого поля, но и в случае необходимости воспроиз-
вести полное изображение поля.

2.	Устройства последовательно-зонального сканирования.
Устройства этого типа можно выполнить, например, с помощью
двух сканирующих щелей, которые перемещаются по сканируе-
мому участку с различной скоростью. В таких устройствах на
чувствительный элемент попадают излучения лишь с того уча-
стка поля, на котором пересекаются две сканирующие щели.
При последовательном перекрытии перемещающихся щелей
фактически осуществляется последовательное поэлементное ска-
нирование поля с возможностью воспроизведения полного скани-
руемого изображения. Однако процесс сканирования в этом
случае, в отличие от предыдущего, имеет не дискретный, а непре-
рывный характер. К этому классу относятся устройства телеви-
зионного типа, где последовательная развертка изображения
осуществляется с помощью непрерывно перемещающегося со
скоростью уск электронного луча или отверстия в диафрагме
(в диссекторе).

3.	Устройства параллельно-зонального сканирования. Такие
устройства осуществляют одновременное сканирование (с одина-
ковой частотой) во взаимно перпендикулярных направлениях
с помощью двух щелей. При пересечении изображения объекта
каждой щелью формируются импульсы. У каждой сканирующей
щели есть свой чувствительный элемент и свой канал передачи
информации. В этом случае по двум полученным сигналам (при
наличии опорных сигналов) можно быстро определить коорди-
наты объекта. Однако такие устройства не позволяют воспроиз-
вести полное изображение контролируемого поля. Подобные
устройства могут применяться для поиска объекта только в том
случае, когда известно, что на контролируемом поле находится
только один объект.

4.	Устройство зонально-поэлементного сканирования. С по-
мощью таких устройств сначала осуществляется сканирование по
зонам до того момента, пока не выяснится, в какой зоне распо-
ложено изображение объекта, а затем выполняется поэлементное
сканирование выбранной зоны для выяснения элемента, на
котором расположен объект. Таким образом, общая процедура
сканирования разделяется на два этапа. Воспроизведение пол-
ного контролируемого изображения в этом случае не представ-
ляется возможным.

Таковы четыре основных принципа осуществления процесса
сканирования, которые могут быть применены в обзорно-поис-
ковых сканирующих устройствах.

Теперь введем классификацию рассматриваемых систем по
физическим явлениям, положенным в основу их действия.

Существует следующий ряд основных классов сканирующих
устройств анализа изображений [50, 51]: оптико-механические,
оптико-электрические, полупроводниковые, фотоэлектронные и
волоконно-оптические.

Класс оптико-механических сканирующих устройств появился
раньше всех других классов сканирующих устройств. Первые
оптико-механические сканирующие устройства были созданы
для телевизионных целей. Класс оптико-механических устройств
весьма обширен и включает в себя устройства различных
принципов действия.
В оптико-механических сканирующих устройствах исполь-
зуются элементы отражательной и преломляющей оптики,
которые совершают вращательные, колебательные и возвратно-
поступательные движения. В таких устройствах используются
сканирующие зеркальные элементы различной формы (плоские,
сферические, параболические и др.), совершающие развертываю-
щие перемещения. Применяются также преломляющие оптиче-
ские элементы: клинья, многогранные барабаны, несимметричные
линзы, призмы (Дове, Пехана и др.), которые также совершают
вращательные, колебательные и другие перемещения. Общим
недостатком- этого класса сканирующих устройств является их
повышенная сложность и вследствие этого пониженная скорость
и надежность при длительной эксплуатации.

Положительным свойством таких устройств является то, что
в них можно использовать чувствительные элементы со спек-
тральной чувствительностью, простирающейся от УФ до ИК
области спектра. Это позволяет создавать оптико-механические
устройства для самых различных целей.

Одними из наиболее ранних устройств этого типа являются
спирально-щелевой и многоспирально-щелевой развертыватели
изображения. С их помощью при практически приемлемых
размерах можно анализировать 2000 элементов в строке. При-
мером таких устройств может служить диск Нипкова, который
представляет собой систему спирально расположенных отвер-
стий, находящихся на равном расстоянии друг от друга на непро-
зрачном вращающемся диске. Диск Нипкова анализирует весь
кадр за один оборот и обладает теми же достоинствами, что
и другие оптико-механические сканирующие устройства. Однако
у него есть ряд недостатков: большой диаметр диска, значитель-
ный размер объектива и трудности, возникающие при изготовле-
нии диска с приемлемой точностью.

К настоящему времени разработано большое число различ-
ных оптико-механических устройств и, по-видимому, их
возможности уже исчерпываются. Перспективы развития этого
класса устройств ограничены. Они могут с успехом использо-
ваться только при малых скоростях сканирования [50].

На рис. 240, а—з изображены сканирующие устройства, осно-
ванные на применении элементов отражательной оптики. На
рис. 240, а представлен вращающийся зеркальный барабан, грани
которого наклонены под различными углами к оси вращения.
Такое устройство производит построчную развертку изображе-
ния. При этом каждая зеркальная грань служит для развертки
одной строки изображения.

На рис. 240, б представлено сканирующее устройство,
в котором построчная развертка изображения осуществляется
с помощью электромагнитного вибратора В. Двустороннее зер-
кало совершает колебательные движения относительно оси,
перпендикулярной его оси вращения.
Рис. 240. Различные типы оптико-механических сканирующих
устройств

Недостатком такого устройства является увеличенный период
холостого хода.

Представленное на рис. 240, в сканирующее устройство
осуществляет развертку изображения по спиральной или розе-
точной траектории с помощью плоского зеркала, совершающего
380
вращательное и колебательное движения. Зеркало вращается от-
носительно оси, перпендикулярной к его поверхности.

На рис. 240, г представлено устройство (Т. Г. Джонис.
Патент США № 2951658, 1960), в котором для осуществления
построчного сканирования изображения использованы два зер-
кала, колеблющихся относительно двух взаимно перпендикуляр-
ных осей.

На рис. 240, д показано устройство [130], в котором построч-
ная развертка кадра выполняется с помощью плоского колеб-
лющегося зеркала, а развертка элементов строки — с помощью
зеркала, совершающего пространственные нутирующие движе-
ния с помощью резонансного элемента, на котором оно установ-
лено. При этом с помощью волоконно-оптического преобразова-
теля изображение строки из линии преобразуется в окружность,
которую и сканирует нутирующее зеркало, отражая излучения
на чувствительный элемент.

На рис. 240, е изображено устройство (А. Даугнет. Патент
США № 2929061, 1956), в котором сканирование изображения
осуществляется с помощью двух вращающихся зеркал. В зави-
симости от соотношения угловых скоростей вращения зеркал
такое устройство может осуществлять как спиральную, так и
розеточную траекторию сканирования.

Устройство, представленное на рис. 240, ж осуществляет
сканирование изображения по розеточной траектории с помощью
вогнутого зеркала, несимметрично установленного на оси вра-
щения и совершающего сложные пространственные движения
(X. Эйсенхут. Патент ГДР № 7253, 1954). Привод зеркала вы-
полняется с помощью ротора электродвигателя, совершающего
планетарное движение.

На рис. 240,з представлено зеркальное сканирующее устрой-
ство, которое позволяет осуществлять сканирование полусферы
(X. Хайке. Патент США № 3023662, 1962). Развертку изобра-
жения в этом случае получают с помощью двух зеркал, вращаю-
щихся с различными угловыми скоростями. При этом одно
(центральное) зеркало — плоское, второе — кольцевое зеркало
имеют отражательную поверхность, выполненную в виде слож-
ной пространственной фигуры.

Теперь перейдем к рассмотрению класса сканирующих
устройств, работа которых основана на использовании элементов
преломляющей, оптики (рис. 240, и—н). На рис. 240, и изобра-
жено сканирующее устройство, в котором развертка изображе-
ния выполняется за счет вращения двух оптических призм
с различными угловыми скоростями [144]. При различных соот-
ношениях угловых скоростей призм могут быть получены различ-
ные типы траекторий сканирования.

Устройство, представленное на рис. 240, к, осуществляет
спиральное или розеточное сканирование изображения с помо-
щью объектива, несимметрично установленного во вращающемся
тубусе, ось которого одновременно совершает движение по
конической поверхности *. Привод такого тубуса осуществляется
с помощью планетарного шестеренчатого механизма.

На рис. 240, л представлено сканирующее устройство, которое
построчно сканирует изображение с помощью двух многогран-
ных прозрачных призм, вращающихся с различными скоростями
(В. Малм. Патент США № 2543463, 1951). На рис. 240, м пред-
ставлено подобное сканирующее устройство, в котором для
осуществления спиральной или розеточной траектории сканиро-
вания изображения использована одна многогранная прозрачная
призма, вращающаяся относительно двух взаимно перпендику-
лярных осей (Р. Остергрен. Патент США № 2967246, 1961).

На рис. 240, н показано сканирующее устройство, в котором
построчная развертка изображения осуществляется с помощью
вращающегося барабана, в котором расположен набор линз,
установленных под различными углами (X. Блакстон. Патент
США № 2997539, 1961). В этом случае каждая линза сканирует
отдельную строку изображения.

Класс экранирующих сканирующих систем представлен дву-
мя устройствами (рис. 240, о и п). В первом устройстве построч-
ное сканирование осуществляется с помощью вращающегося
волоконно-оптического преобразователя, который при вращении
с помощью световодов направляет на чувствительный элемент
излучения с различных участков изображения 1 2. Во втором уст-
ройстве построчное сканирование изображения выполняется
с помощью двух барабанов, имеющих прорези различной формы
и вращающихся с различными угловыми скоростями 3.

Применение оптико-механических сканирующих устройств
для осмотра пространства определяется тем, что в принципе
оптико-механические сканирующие устройства могут быть
созданы для любого участка оптического диапазона спектра
(достаточно эффективные чувствительные элементы созданы
почти для любого диапазона электромагнитных излучений).
Передающие телевизионные трубки разработаны только для
ряда ограниченных участков оптического диапазона.

Недостаток рассмотренных одноэлементных систем, сводя-
щийся к тому, что они обладают достаточной чувствительностью
только при передаче практически неподвижных изображений,
может быть значительно уменьшен в случае использования ла-
зерных источников излучения.

1 Катыс Г. П., Мельниченко И. К. Оптико-механический сканирующий
прибор. «Бюллетень изобретений и товарных знаков». Авторское свидетель-
ство № 164033, 1964, № 14.

2 Мельниченко И. К., Катыс Г. П. Оптико-механическое сканирующее
устройство. «Бюллетень изобретений и товарных знаков». Авторское свиде-
тельство № 175997, 1965, № 21.

3 Мельниченко И. К., Катыс Г. П. Оптико-механическое сканирующее
устройство. «Бюллетень изобретений и товарных знаков». Авторское свидетель-
ство № 174661, 1965, № 18.
Более перспективными по простоте и быстродействию
являются оптико-электрические сканирующие устройства. В оп-
тико-электрических устройствах в основном применяется принцип
«подвижного окна», заключающийся в том, что с помощью той
или иной используемой физической закономерности и с помощью
соответствующих электрических развертывающих сигналов
в «нормально закрытой» по всему полю оптико-электрической
ячейке создается «подвижное окно», через которое излучения
с различных мест объекта последовательно поступают на чув-
ствительный элемент.

В некоторых случаях используются два оптических элемента,
в которых под действием соответствующих электрических
сигналов образуются две подвижные щели. Если два элемента
расположить так, чтобы направления этих щелей были взаимно
перпендикулярны, то при различной частоте перемещения этих
щелей можно осуществить построчную развертку поля.

В последнее время появилось много новых оригинальных
разработок оптико-электрических сканирующих устройств. Такие
устройства просты, надежны, как правило, не боятся ускорений
и вибраций и в принципе могут обеспечить высокую четкость
изображения и малые размеры сканирующего пятна. В связи
с этим оптико-электрические сканирующие устройства, безуслов-
но, можно считать весьма перспективными.

Разработаны оптико-электрические отклоняющие элементы,
позволяющие осуществлять сканирование изображения по траек-
ториям, форма которых изменяется в процессе сканирования
в зависимости от получаемой при этом информации.

Широкие возможности в области создания оптико-информа-
ционных систем открываются при использовании полупроводни-
ковых сканирующих устройств.

Разработаны полупроводниковые одномерные и двумерные
развертывающие устройства и индикаторы положения светового
пятна. Особенность таких устройств заключается в простоте схем
и технологии их изготовления при сравнительной сложности
выполняемых функций.

Предложены полосчатые полупроводниковые одномерные
сканирующие устройства, которые обладают весьма простой
схемой и простым конструктивным исполнением. Из набора
таких полосчатых элементов может быть создано двумерное
сканирующее устройство.

Достаточно перспективными можно также считать емкостные
полупроводниковые сканирующие устройства с разверткой све-
товым лучом (см. ч. II, гл. 4).

Наиболее изучены полупроводниковые устройства с боковым
фотоэффектом. Разработаны различные варианты схем, исполь-
зующих этот эффект, и проведены теоретические исследования
режимов работы и оптимальных параметров устройств, рабо-
тающих на основе бокового фотоэффекта.
Весьма перспективным в классе полупроводниковых скани-
рующих устройств является так называемый линейный сканистор.
Такое устройство может найти применение, например, в си-
стемах опознавания буквенно-цифровых знаков или в специали-
зирующих телевизионных системах с невысокой разрешающей
способностью, где группа из нескольких подобных устройств
может обеспечить покадровую развертку.

В заключение можно отметить, что класс полупроводниковых
сканирующих устройств является весьма перспективным и уже
в настоящее время использует разнообразные физические явле-
ния (см. ч . II, гл. 4).

Класс фотоэлектронных вакуумных сканирующих устройств
также весьма многочислен и разнообразен. Он включает все
передающие студийные телевизионные трубки, специальные пе-
редающие трубки повышенной чувствительности, различные
запоминающие трубки и другие вакуумные устройства.

Для научного и технического применения необходимы
телевизионные трубки, имеющие высокую чувствительность
в ограниченном спектральном диапазоне (например, инфракрас-
ном, ультрафиолетовом). Проводятся весьма интенсивные ра-
боты по исследованию возможностей создания таких устройств.
Интенсивные работы ведутся также по созданию различных ти-
пов запоминающих трубок. Разрабатываются электронно-луче-
вые трубки с накоплением зарядов, трубки прямого видения,
полутоновые трубки прямого видения и др.

Вакуумные электронно-лучевые сканирующие устройства
занимают ведущее положение среди сканирующих устройств.
Если эти устройства в ряде случаев и уступают по простоте
некоторым другим типам (например, оптико-электрическим или
полупроводниковым), то по чувствительности они превос-
ходят их.

Разработка волоконно-оптических сканирующих устройств
связана с развитием волоконной оптики, различные аспекты ко-
торой подробно рассмотрены в ч. II, гл. 2. Отметим только, что
с помощью волоконной оптики можно оригинально решить целый
ряд задач анализа изображений.

Использование элементов волоконной оптики в оптико-инфор-
мационных устройствах позволяет применить новые принципы
сканирования изображения, осуществить разделение изображе-
ния, изменение его формата, размеров и ряд других преобразо-
ваний. Уже создано много различных типов волоконно-оптиче-
ских преобразователей, позволяющих таким образом изменить
контролируемое изображение (по форме или размеру), что про-
цесс его сканирования и передачи максимально упрощается.

Волоконная оптика также позволяет решать разнообразные
информационные задачи, такие, как анализ и обращение изо-
бражений, разбивку изображений по заданному закону, расщеп-
ление изображений, устранение некоторых аберраций оптических
384
систем (например, дисторсии и кривизны изображения), кодиро-
вание и декодирование изображений, повышение световой эффек-
тивности светособирающих и излучающих систем и т. д.
Исследуется также возможность применения передачи света
посредством волокон для обработки данных в вычислительных
машинах. При этом счетно-решающие устройства можно упро-
стить, а рабочие скорости значительно увеличить, если вместо
обычных электронных импульсов применить световые.

Использование элементов волоконной оптики и новых прин-
ципов сканирующей техники позволяет создавать самонастраи-
вающиеся (адаптирующиеся) информационные системы, пара-
метры которых (разрешение, траектории сканирования и т. п.)
могут изменяться в широких пределах.

Однако изготовление волоконных трансформаторов связано
в настоящее время со значительными технологическими труд-
ностями.

Глава 2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ АНАЛИЗА

И ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ

Проблема экономичной дистанционной передачи
изображения с его промежуточной обработкой представляет
большой интерес для ряда областей информационной техники,
причем в различных областях эта проблема решается различны-
ми путями. В зависимости от конкретных применений систем
передачи и обработки визуальной информации определяющими
могут быть следующие вопросы:

рациональное сочетание способов одновременного и последо-
вательного анализа изображения;

использование методов не построчного анализа изображения
(например, методов следящей развертки);

предварительная обработка видеоинформации на первичном
рецепторном уровне;

использование адаптирующихся систем передачи визуальной
информации с параметрами, перестраиваемыми во время работы;

осуществление цифрового кодирования изображений с целью
сокращения избыточности информации и повышения помехо-
стойкости;

запоминание видеоинформации на первичном рецепторном
уровне с целью неоднократного выборочного считывания инфор-
мации и ее различной обработки;

использование специальных спектральных диапазонов вос-
приятия и передачи видеоинформации и др.

Как уже отмечалось, функции обзорно-поисковых сканирую-
щих систем, как правило, не ограничиваются только воспроизве-
дением визуально-воспринимаемых изображений. Информация
25 Заказ 375	3 85
о наличии объекта, его координатах, размерах, форме, цвете,
числе видимых объектов, находящихся в поле зрения системы,
может быть выделена из видеосигнала и подвергнута различной
обработке. Среди рассматриваемого класса систем определенное
место занимают сканирующие системы, в которых на основе
обработки визуальной информации выделяется какой-либо
характеристический обобщенный параметр анализируемого изо-
бражения. Отличие этих устройств от устройств, предназначен-
ных для передачи изображения, заключается в осуществлении
автоматической обработки видеосигнала, после которой изобра-
жение уже не восстанавливается в первоначальной форме, а из
него извлекаются наиболее существенные признаки и свойства.
Такие оптико-электронные информационные системы можно
разделить на две группы:

а)	системы, входящие в состав систем автоматического
распознавания изображения. Эти системы предназначены для
извлечения из изображений объектов тех или иных характерных
признаков, знание которых позволяет решать задачу автомати-
ческого определения типа объекта, предъявленного для распо-
знавания;

б)	сканирующие системы — измерители и счетчики, которые
используются для автоматического определения размеров и
координат объектов, для изменения распределения физических
величин в отдельных зонах плоских и пространственных объек-
тов, а также для счета каких-либо частиц и деталей.

В обеих группах информационных систем точность получен-
ной информации в значительной степени определяется парамет-
рами сканирующих датчиков, используемых методом обработки
информации, параметрами системы обработки, а также индика-
торными и выходными устройствами. В системах переработки
визуальной информации в качестве сканирующих датчиков
используются видиконы, ортиконы, диссекторы, трубки бегущего
луча и полупроводниковые преобразователи, причем у каждого
из этих устройств есть свои области оптимального применения.
Во многих случаях предпочтение отдается диссектору: он обла-
дает наибольшей простотой, надежностью и имеет линейную
характеристику в широком диапазоне освещенностей. Однако
в ряде систем этого класса приходится использовать трубки
с накоплением, обладающие достаточно высокой чувствительно-
стью: видиконы и суперортиконы. В таких системах также ис-
пользуются передающие трубки с цифровыми развертками,
позволяющими осуществлять произвольное сканирование. Для
этих целей наиболее удобны трубки с электростатическим
отклонением.

Высокие требования по точности, предъявляемые к таким си-
стемам, приводят к необходимости использования трубок с раз-
решающей способностью до нескольких тысяч линий. При этом
датчик сканирующей системы, предназначенной для обработки
386
визуальной информации, должен работать в автоматическом
режиме в широком диапазоне освещенностей, обладать ма-
лыми геометрическими искажениями, иметь высокую ста-
бильность размеров растров и их центровок и малую нелиней-
ность усилительного тракта. Только в этом случае такая система
может давать многократно повторяющиеся идентичные и досто-
верные результаты. В большинстве систем этого класса точность
измерения размеров или координат объектов, существенно зави-
сящая от методов отсчета, может быть значительно повышена
благодаря применению базового метода, когда измеряется не-
большой отрезок объекта наблюдения, или метода оптической
дискретизации, позволяющему повысить на один-два порядка
точность измерения за счет использования волоконно-оптических
или других дискретизаторов изображения.

Вопросам автоматического анализа информации о геомет-
рических размерах, конфигурации, числе объектов, их плотности
и других параметрах изображения серьезное внимание начало
уделяться в пятидесятые годы. Предпринимались попытки созда-
ния устройств, осуществляющих развертку изображения с целью
автоматизации процессов, связанных с подсчетом элементов,
определением координат габаритных размеров структуры
элементов. При этом применялись системы развертки с помощью
бегущего луча, например, проекционный кинескоп в качестве
источника излучения, а также с помощью диска, вращающихся
зеркал и других устройств. Затем были разработаны системы
анализа изображений на основе передающих телевизионных
трубок. Значительное место среди этих систем занимают системы
определения координат одиночных объектов, находящихся в поле
зрения анализирующей системы.

Измерение координат элементов плоского изображения
с высокой точностью представляет интерес для многих областей
науки и техники. Большой объем информации, подлежащей обра-
ботке, вызвал развитие автоматических методов определения
координат.

Разработан ряд систем, предназначенных для автоматическо-
го анализа координатной информации, действующих на основе
принципа двухрастрового разложения [10]. В таких системах
непосредственное измерение координат элемента изображения
осуществляется малым растром. Этот растр считывает зону,
в которой находится указанный элемент, обнаруженный при
предварительном поиске. Таким образом, измерение разбивается
на два этапа: определение зоны и отсчет координат внутри зоны.
Если зона определяется при предварительном просмотре, то
в этом случае из ЦВМ, где хранятся после просмотра данные
о зонах, подлежащих сканированию, в адресное устройство
выдаются необходимые команды. Адресное устройство устанав-
ливает малый растр в заданную зону. Размеры малого растра
и его ориентацию можно изменять по команде от ЦВМ.

25*	387
Сочетание дискретного смещения малого растра и аналого-
вой непрерывной развертки внутри него целесообразно не только
из соображений точности, но и для сокращения требуемой ин-
формационной емкости ЦВМ. При этом в ЦВМ вводится
с большой точностью не все поле изображения, а лишь «инфор-
мативные» участки, выделенные при предварительном просмотре.

Значительный интерес представляет автоматический анализ
биологических объектов, обладающих весьма малым контрастом
с фоном. До недавнего времени изображения подобных объектов
на выходе анализирующего устройства сопровождались значи-
тельным уровнем шума. Низкий контраст объекта и наличие
в кадрах других предметов, обладающих такой же плотностью,
что и изучаемый объект, затрудняло работу вычислительной
машины. Однако применение новых передающих трубок — плюм-
биконов и трубок с кремниевой мишенью позволило удвоить кон-
трастность изображения. Применение оптических и электронных
компенсаторов, а также запоминающих устройств с запоминани-
ем всего поля изображения позволило решить проблему полу-
чения однородного изображения. Это позволяет анализировать
объекты, контрастность которых весьма мала. В результате этого
различимость объекта вычислительной машиной, осуществляю-
щей анализ изображения, сравнима с различимостью человече-
ского глаза [Н5].

Разработаны сканирующие системы, предназначенные для
контроля размеров объектов, для счета объектов, одновременно
находящихся в поле зрения, и дифференцирования их по разме-
рам, для обнаружения визуальных изменений на объектах, для
контроля формы и профиля изделий и др. Среди таких систем,
перерабатывающих визуальную информацию, значительное
место занимают системы, осуществляющие различные функцио-
нальные преобразования изображения. Такие системы являются
весьма перспективными, так как позволяют использовать новые
методы и средства функционального преобразования информа-
ции и выделять наиболее существенную информацию, классифи-
цировать ее и распознавать.

В связи с этим весьма интересно отметить, что в зрительных
анализаторах животных в течение длительной эволюции возник-
ли сложные нейронные образования, которые осуществляют
первичную фильтрацию и обработку информации в сетчатке гла-
за, не направляя в мозг животного второстепенную информацию.
Эти нейронные образования фактически выполняют простран-
ственную фильтрацию изображений, спроектированных на сет-
чатку, и их функциональные преобразования. В сетчатках
зрительных органов лягушки, суслика, голубя, обезьяны и других
животных обнаружены так называемые «детекторы контуров»,
«детекторы движения», «детекторы направленного движения»,
«детекторы ориентированных линий» и др. Эти нейронные
образования осуществляют соответственно выделение контуров
388
Рис. 241. Схема двухтрубочной пе-
редающей телевизионной камеры,
действующей как «детектор дви-
жущегося края»

изображений объектов, выделение объектов, движущихся в опре-
деленном направлении, выделение прямых линий, ориентирован-
ных определенным образом, и т. д.

Создание технических оптико-электронных аналогов таких
нейронных структур позволяет перерабатывать значительный
объем визуальной информации в первичных рецепторных полях.

Многими исследователями предпринимаются попытки созда-
ния моделей «детектора движущегося края» на основе использо-
вания телевизионных способов анализа изображения. В таких
телевизионных системах используются, как правило, накопитель-
ные мишени передающих трубок и запоминающие люминесцент-
ные поверхности приемных трубок.

Рассмотрим одну из моделей «детектора движущегося края»,
основанную на использовании двухтрубочной передающей теле-
визионной камеры [77]. Упрощенная блок-схема такой системы
представлена на рис. 241. Изображение с помощью полупрозрач-
ного зеркала /, зеркала 2 и объективов 3 проектируется на фо-
топроводящие поверхности двух видиконов 4 и 5, производящих
синхронную развертку с помощью генератора 8. Режим работы
передающей камеры установлен таким, что постоянная времени
мишени видикона 4 значительно превышает постоянную времени
мишени видикона 5. Так как значения видеосигналов, посту-
пающих видиконов 4 и 5, в установившемся режиме равны по
величине и противоположны по знаку, то на выходе суммирую-
щего устройства 6 сигналы, отличные от нуля, формируются
лишь в короткие интервалы времени после включения и выклю-
чения возмущения на соответствующих элементах мишеней
видиконов.

Если на входе двух передающих камер движется светлая
полоса, то ее передняя грань при движении поочередно включает,
а задняя поочередно выключает свет на элементах мишени
передающих трубок. При этом изменения яркости на экране
видеоконтрольного устройства 7 возникнут лишь на движущихся
границах входного изображения и, следовательно, на экране
выделится контур движущихся световых границ изображения,
спроектированного на вход системы. Реакция рассмотренной
телевизионной модели «детектора движения» обусловливается
разностью двух экспоненциально изменяющихся во времени
процессов (с разными постоянными времени) на мишенях двух
передающих трубок.

Функции детектора движения может также осуществлять
дифференцирующая передающая трубка [3]. Как известно, видео-
сигнал, полученный с помощью этой трубки, является функцией
изменения яркости исходного изображения, т. е.

Ue = f(B', В"),

где В' и В" — первая и вторая производные яркости элементар-
ных участков изображения во времени.

Следовательно, трубка воспроизводит только динамическую
картину, т. е. не передает неподвижных и не изменяющих яркость
участков изображений. Все границы перепадов яркости выделя-
ются двухполярным контуром. В крупных деталях любые неиз-
менные уровни яркости, начиная от самого темного и кончая
самым светлым, воспроизводятся трубкой равномерно серыми
и соответствуют участкам изображения, не несущим полезной
информации.

Предложен также способ выделения на изображении дина-
мично изменяющихся зон путем компенсации потенциалов,
возникающих при запоминании позитивного и негативного изо-
бражений объекта. Этот способ основан на том, что при нало-
жении позитива и негатива одного и того же изображения друг
на друга и при просматривании их вместе «на просвет» наблюда-
тель будет видеть равномерный черный или серый фон
(в зависимости от плотности затемненных частей негатива или
позитива). Если позитив и негатив соответствуют изображениям,
хотя и имеющим общие черты, но чем-то отличающимся друг от
друга, то все общее при просмотре «на просвет» будет представ-
лять равномерный фон, а все различное — сохраняется в виде
различимых деталей изображения.

Возможно также создание «детекторов движения» на основе
переключения световых и электрических режимов работы мишени
передающей трубки. Рассмотрим одно из телевизионных уст-
ройств этого класса *. В качестве фотодатчика в этом устройстве
применена передающая телевизионная трубка 1 (рис. 242, я),
зависимость выходного сигнала которой от освещенности имеет
ярко выраженный максимум Ет (рис. 242,6). Снаружи трубки
расположена отклоняющая система 2, соединенная с генерато-
ром 3 кадровой развертки и с генератором 4 строчной развертки.
Перед трубкой размещена оптическая система, состоящая из
объектива 5 и электрооптического элемента 6. Электроды этого

1 Катыс Г. П., Здор С. Е. Поисковое устройство. «Изобретения, промыш-
ленные образцы, товарные знаки». Авторское свидетельство № 312240, 1971,
№ 25.
элемента подключены ко входам генератора 7 ступенчатого
напряжения. Величина ступенек и их длительность могут изме-
няться в процессе работы. Прозрачность электрооптического
элемента зависит от прикладываемого напряжения. Сигнальный
выход трубки 1 через усилитель 8 соединен со входом видеокон-
трольного устройства, выполненного на основе приемной элек
тронно-лучевой трубки 9 с отклоняющей системой 10.

Работа устройства состоит из трех этапов. На первом этапе
длительностью 1\ к электродам электрического элемента 6 при-
кладывается напряжение U\ (рис. 242, а). При этом элемент
имеет большукэ прозрачность и просматриваемое изображение 11
создает на фотокатоде трубки 1 среднюю освещенность £ь
На втором этапе длительностью Т2 к электродам прикладывается
напряжение U2. Это уменьшает прозрачность элемента 6 настоль-
ко, что трубка работает в области средней освещенности
Е2 < Ет. После этого элемент 6 полностью запирается напря-
жением U3 на время Т3 и выдается команда на запуск генерато-
ров 3 и 4, т. е. начинается считывание запомненного на фото-
катоде изображения. В результате того, что в течение первых
двух этапов трубка работает на участках характеристики,
имеющих разный наклон (положительный и отрицательный),
сигнал, возникающий от неподвижных деталей изображения,
будет иметь некоторый средний уровень, одинаковый для всего
изображения, а сигнал, возникающий от объектов 12 и 13, будет
больше либо меньше этого уровня.
Рис. 243. Взаимное располо-
жение сканирующих пятен в
двух передающих трубках:
а — при выделении границ; б —
при определении направленного
движения; 1 — сфокусирован-
ное пятно; // — расфокусиро-
ванное пятно

• При этом на экране приемной электроннолучевой трубки 9
получается выходное изображение 14, которое представляет
собой серый фон, обусловленный средним уровнем сигнала.
На этом фоне будут выделяться траектории 15 и 16 подвижных
объектов, причем та часть траектории, которую объект проходит
в течение времени темнее фона, а часть траектории, прохо-
димая объектом в течение времени Т2 — светлее фона.

В связи с большой потребностью в проведении автоматиче-
ской обработки различной визуальной информации приобретает
большое значение проблема создания технической модели
«детектора контуров», обладающей достаточной простотой
и высокой надежностью. Предложены различные модели уст-
ройств, осуществляющие операции выделения контуров на изо-
бражениях с различной степенью зашумленности. Существует
несколько методов выделения контуров изображений с помощью
телевизионных систем. В частности, известны методы получения
межкадровой разности, методы задержки видеосигнала и другие
методы. При этом, как правило, приходится иметь дело с необхо-
димостью создания дополнительных специальных устройств той
или иной сложности.

Рассмотрим одно из устройств выделения контуров [78],
выполненное на основе двухтрубочной передающей телевизион-
ной камеры, представленной на рис. 241. Световой поток от
изображения разделяется на две части и проектируется на ми-
шени двух видиконов 4 и 5. Развертка изображения в обеих
трубках выполняется синхронно. Оба видикона имеют одинако-
вую инерционность мишеней. При этом сканирующий электрон-
ный луч в одной из передающих трубок расфокусирован, а в
другой сфокусирован нормально. Выделение контуров осущест-
вляется путем вычитания из видеосигналов нерасфокусирован-
ного видикона, видеосигналов расфокусированного видикона.
Эффективные диаметры пятен коммутирующих лучей, совмещен-
ных в плоскости изображения, представлены на рис. 243, а.

В случае равенства абсолютных значений видеосигналов
передающих камер в установившемся режиме, на выходе сум-
392
мирующего устройства формируются сигналы только нй грани-
цах спроектированного изображения (например, световой
полосы). При этом на экране видеоконтрольного устройства
будут выделены контуры входного изображения.

К детекторам контуров весьма близки по выполняемым ими
функциям устройства, предназначенные для выделения изофот
на анализируемом изображении. Принципы действия таких
устройств весьма разнообразны, но в большинстве схем введение
базового (опорного) уровня, соответствующего выделяемой изо-
фоте, производится электрическим путем (а не оптически).

Точная количественная оценка уровней интенсивности
освещения в изображении может быть осуществлена с исполь-
зованием быстродействующих компараторов, выполненных в виде
дискретных интегральных схем [ПО]. Компараторная схема
производит точное сопоставление напряжения видеосигнала
с установленным уровнем, и в том случае, когда видеосигнал
превышает этот уровень, в компараторной схеме осуществляется
переключение; если же видеосигнал меньше контрольного
уровня, то схема компаратора переключается в прежнее состоя-
ние. Таким образом, выходной сигнал компаратора может слу-
жить дискретным показателем соотношения напряжения видео-
сигнала и заданного уровня.

В информационной технике существует ряд важных задач,
связанных с выделением среди множества подвижных объектов
только таких объектов, которые движутся в строго заданном
направлении. В связи с этим в последнее время существенно
возрос интерес к созданию телевизионных устройств, выпол-
няющих функции детекторов направленного движения.

Рассмотрим одно из устройств этого типа [42], выполненное,
как и предыдущее, на основе двухтрубочной передающей теле-
визионной камеры, представленной на рис. 241. На мишенях
видиконов 4, 5 формируется два одинаковых изображения,
которые синхронно разворачиваются электронными лучами. При
этом электронный сканирующий луч в передающей трубке 5
расфокусирован, а в трубке 4 сфокусирован нормально. Пятна
лучей совмещены краями (на уровне эффективных радиусов)
в плоскости входного изображения (рис. 243,6). Отношение
эффективных радиусов пятен коммутирующих лучей видиконов
равно 10. При этом постоянная времени мишени видикона 5
увеличена до значения, в 5—7 раз превышающего постоянную
времени мишени видикона 4. Видеоконтрольное устройство 7
такой телевизионной системы реагирует на прямолинейное
перемещение светлой точки в определенном (предпочтительном)
направлении и не реагирует на движение в противоположном
(нулевом) направлении (предпочтительное направление движе-
ния указано стрелкой на рис. 243, б).

Достаточно часто при анализе и дистанционной передаче
изображения возникает такое положение, когда значительная
часть деталей изображения не представляет никакого интереса
и только некоторые элементы изображения несут полезную ин-
формацию. В этом случае, если речь идет о системе передачи
изображения, то очевидно не имеет смысла загружать канал
связи передачей заведомо ненужной информации. Если речь идет
об анализе уже полученного изображения с попыткой его клас-
сификации или распознавания, то также необходимо преобразо-
вать изображение, чтобы отфильтровать всю ненужную инфор-
мацию. Таким образом, одной из важных задач, решаемых
сканирующими системами этого класса, является такое преоб-
разование поступающей информации, которое обеспечивав! на-
илучшее ее усвоение оператором или блоком, распознающим
синтезируемое изображение. В зависимости от того, какая
информация об общем состоянии параметрического поля пред-
ставляет в данном случае наибольший интерес, может быть
выбрана соответствующая операция преобразования, которая
даст возможность отбросить всю избыточную информацию, за-
трудняющую анализ состояния поля, и представить на синтези-
руемом изображении только полезную информацию.

Большое внимание привлечено к поиску методов передачи
видеосигналов, более эффективных, чем метод, применяемый
в обычных телевизионных системах. Так как цифровая передача
видеосигналов более экономична, чем аналоговая, значительное
внимание было уделено цифровому кодированию. Одним из
известных методов улучшения импульсно-кодовой модуляции
(ИКМ) является дифференциальное кодирование, при котором
используется подобие последовательных выборок.

Еще сравнительно недавно для того, чтобы воспользоваться
корреляцией между кадрами для повышения эффективности
передачи, необходимо было применять сложное оборудование.
Сейчас при наличии дешевых запоминающих устройств и инте-
гральных схем этот метод представляется в ряде случаев
экономически целесообразным и пригодным для создания
специальных телевизионных систем (например, видеотелефона).

В одной из реализаций этого метода используются корреля-
ционные связи, как между последовательными кадрами, так и
между последовательными элементами [111].

Рассматриваемый метод основывается на двух обстоятель-
ствах:

1)	большие площади изображения за время между последо-
вательными кадрами в среднем изменяются весьма мало или
совсем не изменяются. Следовательно, в каждом кадре для
описания этих площадей при передаче к приемнику требуется
небольшое количество информации;

2)	большое количество информации необходимо для описа-
ния площадей изображения, где происходят изменения. Однако
при их воспроизведении не требуется обеспечивать столь же
высокую разрешающую способность, как при воспроизведении
394
Рис. 244. Упрощенная блок-схема
передачи изображения, действую-
щая на основе метода «условного
заполнения»:

1 — передающая камера; 2 — фильтр
нижних частот; 3 — кодирующее уст-
ройство с кодово-импульсной модуля-
цией; 4 — переключатель; 5 — блок
памяти опорного изображения; 6 —
схема вычитания; 7 — логический
блок контроля; 8 — буферный каскад;

9 — импульс записи; 10 — генератор
адресного сигнала; 11 — канал пере-
дачи

Рис. 245. Упрощенная блок-схема
приема изображений по методу
«условного заполнения»:

1 — канал передачи; 2 — буферный
каскад; 3 — сигнал нового кадра; 4 —
переключатель; 5 — ЗУ опорного изо-
бражения; 6 — генератор адресного
сигнала; 7 — цепь сравнения адресов;
8 — адресный сигнал; 9 — схема деко-
дирования; 10 — фильтр нижних час-
тот; 11 — видеоконтрольное устройство

стационарных участков изображения, поскольку накопительное
свойство, присущее трубке передающей камеры, осуществляет
размывание движущихся деталей, и зритель, воспринимающий
выходное изображение, не может точно разрешить мелкие дета-
ли, находящиеся в движении.

Этот метод, названный «условным пополнением», заклю-
чается в том, что элементы различия между последовательными
кадрами (изменение амплитуды и местоположения элемента)
кодируются для передачи по цепи в цифровой форме, тогда как
опорное изображение хранится в системе памяти в передающем
и приемном устройствах. Таким образом, в данном случае пере-
дается только информация, необходимая для описания яркости
элементов, которые изменяются за промежуток времени между
кадрами.

На рис. 244 показана упрощенная блок-схема передачи изо-
бражения, действующая на основе такого метода.

В системе для хранения необходимого опорного изображения
применяются два блока памяти 5 — один в схеме приема, вто-
рой — в схеме передачи изображения. Видеосигнал от передаю-
щей камеры кодируется в цифровую форму и подается на схему
вычитания 6, где поэлементно сравнивается с информацией
опорного кадра, находящейся в блоке памяти 5. Когда величина
разности, соответствующая двум последовательным кадрам, ока-
зывается больше некоторого порога, эта разность считается
значительной и новое значение сигнала заменяет опорное зна-
чение в блоке 5. Новое значение также передается к схеме
приема, где оно корректирует содержимое блока памяти 5
(рис. 245). Таким образом, блок памяти приема следит за блоком
памяти передатчика, выдавая сигнал на устройство отображе-
ния. Всякий раз при изменении состояния элемента передаются
два числа, одно из которых описывает новую амплитуду, а дру-
гое положение элемента.

Кодирующее устройство 3 (рис. 244), по крайней мере, один
раз в 3 сек передает информацию, описывающую стационарные
участки изображения. В приемнике эта информация хранится
в кадровом запоминающем устройстве, сигналами которого воз-
буждается устройство отображения. Элементы изображения,
которые изменяются значительно, немедленно после их приема
корректируют накопленную информацию.

Порог, определяющий значительность изменения изображе-
ния от одного кадра к другому, может меняться в зависимости
от количества информации, накопленной в буферном каскаде 8.
С увеличением скорости движения объекта в кадре все большее
число данных накапливается в буферном каскаде, величина
порога увеличивается, и лишь более значительные изменения
изображения от одного кадра к другому передаются по каналу.

На приемной стороне буферный каскад 2 (рис. 245) накап-
ливает информацию и подает ее в блок памяти 5 всякий раз,
когда импульс генератора адресного сигнала 6 совпадает с ад-
ресом 8 элемента изображения. Это совпадение определяется
с помощью цепи сравнения 7. После декодирования сигнал
подается на видеоконтрольное устройство 11.

Для большинства телевизионных изображений метод переда-
чи данных, относящихся только к изменяющимся элементам,
дает значительный выигрыш в стоимости передачи. Выигрыш
имеет место, когда большая часть изображения является не-
подвижной или когда движущиеся объекты содержат большие
площади с одинаковой яркостью. В том и в другом случае
требуется небольшое количество передаваемых данных. Однако
часть выигрыша при этом расходуется на определение поло-
жения изменившихся элементов и их новых значений.

В первоначальном варианте аппаратурной реализации метода
«условного пополнения» примерно половина передаваемых
данных служила для указания адреса положений изменившихся
элементов. Однако было обнаружено, что значительные измене-
ния обычно наблюдаются в группах, сконцентрированных вблизи
ярких краев движущихся объектов. Поэтому оказалось выгодно
описывать положение изменившихся элементов в группах, а не
индивидуально каждого элемента. При этом было установлено,
что большинство местных изменений можно игнорировать, не
ухудшая качество изображения. В системе был принят следую-
щий критерий отбора элементов: изменения состояния элемента
независимо от его величины считаются несущественными, если
396
перед этим элементом и за ним расположены два элемента,
изменение состояния которых меньше порога значимости.

Дальнейшую экономию можно получить путем объединения
серий, изменившихся элементов, разделенных небольшим числом
неизменившихся элементов. Метод объединенных серий элемен-
тов называется «связыванием». Связывание часто улучшает
качество изображения, как и эффективность передачи. При этом
изолированные шумовые импульсы подавляются.

Групповое кодирование весьма значительно уменьшает объем
информации, необходимой для указания адреса. На рис. 246
представлена зависимость среднего числа групп N в кадре от
числа изменившихся элементов п при определенной величине
порога. Как видно из графика, число групп увеличивается зна-
чительно медленнее числа элементов. Более того, когда число
элементов превосходит 10 000, число групп остается относительно
постоянным. Следовательно, групповое кодирование весьма
эффективно для снижения величины информации, необходимой
для указания адреса.

Экспериментальные исследования показали, что качество
воспроизводимого изображения при незначительном движении
объектов достаточно хорошее. Увеличение подвижности объектов
приводит к некоторому снижению качества изображения, однако
оно остается вполне удовлетворительным. Таким образом, рас-
смотренный метод передачи изображений сводится к передаче
различий от кадра к кадру, он вполне пригоден для использо-
вания в ряде специальных телевизионных систем.

В некоторых устройствах передачи изображений, а также
в распознающих и читающих устройствах используются методы
следящей развертки изображения [87]. Следящая развертка
может быть рационально использована при передаче контуров
двухградационных (например, черно-белых) изображений с су-
щественным сокращением избыточности информации по сравне-
нию с обычной строчной разверткой. Следящая развертка конту-
ров отличается от обычных разверток изображения (так
называемых принудительных разверток с жесткой программой
сканирования: построчной, спиральной и др.) тем, что в ней
применяется обратная связь. Однако в следящей развертке,,
несмотря на ее общую подчиненность структуре считываемого
изображения, в большинстве случаев также используется
заранее заданная программа управления лучом при его обходе
контура. Действие этой программы локализовано в малой зоне
поля зрения и сводится в основном к определенному методу
выявления направления отслеживаемого контура на малом его
отрезке (например, к методу пробных движений). В ряде случаев
ввиду того, что пробные движения луча связаны с определенной
затратой времени, для экономии времени отказываются от
заранее навязанной локальной развертки, придавая программе
пробных движений большую или меньшую адаптивность.
В последнее время также разработаны системы развертки,,
в которых прослеживание вообще не связано со специальными
пробными движениями луча.

В общем случае при следящей развертке луч должен устой-
чиво перемещаться вдоль контура в непосредственной близости
от него. Для этого необходимо в каждой точке отслеживающей
траектории оценивать смещение относительно ближайшего
элемента контура и определять направление этого элемента.
Величина смещения с учетом его направления используется для
коррекции положения луча на контуре, а направление контура —
для смещения луча вдоль контура. Оба параметра можно опре-
делить с помощью, например, локальной круговой развертки,,
траектория которой пересекает контур в окрестности интересую-
щей нас точки.

При следящей развертке прослеживаемый контур аппрокси-
мируется либо траекторией движения луча, либо траекторией
центра локальной развертки, либо ломаной линией, последова-
тельно соединяющей точки пересечения контура лучом. Такая
аппроксимация будет хорошей, если средняя кривизна дуги
локальной развертки между точками пересечения с контуром
значительно превышает среднюю кривизну контура на том же
участке, так как только в этом случае точки пересечения будут
расположены достаточно часто, а отклонения луча от контура
окажутся достаточно малыми.

Необходимо отметить, что траектория отслеживания контура
должна обладать свойством самостабилизации, т. е. способно-
стью «сходиться» относительно отслеживаемого контура неза-
висимо от возмущений и выбора начальной точки. Только в этом
случае может быть обеспечена высококачественная следящая
развертка.

Самостоятельное направление составляют адаптивные систе-
мы анализа визуальной информации, в которых происходит
автоматическое приспособление к условиям передачи изображе-
398
ния путем перестройки параметров системы. Основная задача
адаптивных систем с перестраиваемыми параметрами заклю-
чается в согласовании характеристик телевизионного датчика
с изменяющимися характеристиками анализируемого изображе-
ния и канала связи.

Известно, что решение проблемы адаптации связано с исполь-
зованием априорных сведений об изучаемом объекте [13].
В принципе возможны три случая априорно известных данных об
объекте: 1) форма объекта априорно не известна; 2) форма
объекта априорно известна; 3) объект схематически известен.

При отсутствии априорных сведений о форме наблюдаемого
объекта (известна лишь спектральная плотность мощности
сигнала) решение проблемы адаптации может быть связано
с изменением метода развертки Актуальным также становится
вопрос о сочетании одновременного и последовательного анализа
изображения, а также вопрос об анализе изображения перемен-
ной апертурой. Такие подходы приводят к созданию принци-
пиально новых систем, что связано с большими затратами
и допустимо далеко не во всех случаях.

Если задачу адаптации необходимо решить хотя бы частично,
но при минимальных затратах возможны некоторые паллиатив-
ные решения, основывающиеся на традиционных способах
телевизионной передачи. Эти методы позволяют по мере увели-
чения информации о наблюдаемом объекте за счет изменения
плотности строк перейти от режима обнаружения (максимали-
зации чувствительности при заданной разрешающей способ-
ности) к режиму максимализации разрешения. Переход от
режима обнаружения к режиму максимализации разрешения
может быть осуществлен как в условиях поддержания постоян-
ства полосы видеочастот, так и при изменении этой полосы.

В последнем случае осуществляется согласование телевизи-
онного датчика не только с характеристиками анализируемого
изображения, но и с каналом связи.

Различные аспекты согласования характеристик телевизион-
ного датчика с характеристиками каналов связи исследованы
подробно [84, 95] и на их рассмотрении останавливаться не
будем. Отметим только, что использование для этой цели.пере-
стройки разверток сводится к сочетанию в одной узкополосной
системе многокадровой передачи движения объекта с низкой
четкостью и малокадровой передачи отдельных изображений
движущегося объекта с высокой четкостью [47].

Рассмотрим теперь второй случай построения адаптивных
систем анализа изображения, когда априорно известна форма
объекта. В этом случае оптимизацию характеристик телевизион-

1 Катыс Г. П., Здор С. Е. Сканирующее устройство. «Изобретения, про-
мышленные образцы, товарные знаки». Авторское свидетельство № 250254.
1969, № 26.
ной системы можно осуществлять даже ценой искажения формы
искомого объекта [13]. Селекция объекта может осуществляться
как оператором, так и автоматически. В первом случае опера-
тор, переводя систему из режима обнаружения в режим макси-
мализации разрешения, может выделить объект, а затем сопро-
вождать его малым растром, который соответствует размерам
объекта. Это позволяет повысить оперативность передачи или
сузить полосу видеочастот. При безоператорной работе для
согласования с каналом связи по динамическому диапазону
и полосе частот передаются только координаты выделенного
объекта. В этом случае для селекции и последующего сопровож-
дения объекта используются либо устройства памяти и логики,
либо ЭВМ.

Для селекции объекта, известного по смысловому содержа-
нию, необходимо семантическое согласование, которое, например,
реализуется при голографическом способе селекции. Преимуще-
ства последнего вида адаптации заключаются в том, что он
охватывает более широкий класс объектов, чем предыдущий.

Г л а в а 3. ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ, МАЛОКАДРОВЫЕ
И СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИИ

В фототелевизионных системах анализируемое
изображение запоминается на фотопленке. Основное преиму-
щество фотопленки — возможность накопления видеоинформа-
ции на больших площадях. Площадь кадра фотопленки может
значительно превосходить площадь кадра в передающих труб-
ках. Поэтому фототелевизионной системе доступна передача
изображений с числом элементов в кадре, превосходящим воз-
можности современных передающих трубок.

Важным преимуществом фототелевизионных систем является
обеспечение возможности неограниченного повторения передачи
одного и того же изображения, выбора отдельных его участков
для передачи (масштабирования) и возможность предвари-
тельного анализа передаваемого изображения.

Принципиальная схема передающей аппаратуры фототелеви-
зионной системы изображена на рис. 247.

Требования к обработке пленки для фототелевизионной
системы определяются необходимостью оптимального сопряже-
ния характеристик пленки и параметров считывающего телеви-
зионного канала с целью обеспечения оптимального отношения
сигнал/шум, передачи максимального числа градаций яркости
и обеспечения передачи малоконтрастных перепадов.

Для пленки, обеспечивающей среднюю четкость передачи
(600—1200 линий), оптимальным следует считать процесс,
400
Рис. 247. Принципиальная схема
фототелевизионной системы:

1 — подающая кассета; 2 — объектив;

3 — промежуточные накопители фото-
пленки; 4 — блок обработки экспони-
рованной фотопленки; 5 — считываю-
щее устройство; 6 — приемная кассета

в котором совмещены операции проявления и фиксирования
эмульсии.

В последнее время определились два варианта принципов
действия устройств считывания информации с фотопленки:
оптико-механический и электронный. Оптико-механический
принцип развертки изображения предъявляет высокие требова-
ния к точности механизма развертки, но позволяет получить
большую равномерность сигнала и высокое отношение
сигнал/шум.

В электронном варианте считывающего устройства осущест-
вляется электронная развертка при «скачкообразной» протяжке
пленки. При этом предъявляются высокие требования к рав-
номерности люминофора считывающей трубки.

Разработаны также оптико-механические развертывающие
устройства этого класса, в которых для просвечивания пленки
используются светоэмиттирующие диоды. Использование в све-
тоэмиттирующих диодах в качестве рабочего материала
арсенида галлия, а также последние усовершенствования их
конструкции существенно повысили эффективность работы этих
устройств и позволяют использовать их в качестве источников
света в системах развертки пленки.

Основным преимуществом таких источников света является
то, что они обеспечивают весьма высокую стабильность уровня
выходного светового сигнала, используемого для получения
развертывающего пятна, в течение длительных периодов времени.
Кроме того, при использовании светоэмиттирующих диодов
модуляция выходного сигнала источника света осуществляется
непосредственно током задающего устройства диода.

В таком устройстве световой сигнал после прохождения через
пленку преобразовывается в электрический сигнал с помощью
фототранзистора, который обладает наиболее высокой спек-
тральной чувствительностью в области длин волн света, эмит-
тируемых диодами из арсенида галлия.

В последнее время в США разработана также фототелекаме-
ра с записью изображений на диэлектрической пленке. В этой
камере оптическое изображение записывается и сохраняется
длительное время в форме рельефа электрических зарядов на

26 Заказ 375	401
/	2	4

5)

Рис. 248. Телевизионная передающая трубка с электроста-
тической сеткой:

а — схема; б — запись информации на пленке; / — подающая
кассета; 2 — устройство стирания рельефа; 3 — устройство первич-
ной обработки пленки; 4 — приемная кассета; 5 — объектив; 6 —
фотокатод передающей трубки; 7 — записывающая часть передаю-
щей трубки; 8 — электростатическая накопительная лента; 9 —
считывающая часть передающей трубки

диэлектрической многослойной пленке [98]. Оптическое изобра-
жение объекта проецируется объективом 5 на фотокатод 6 спе-
циальной передающей трубки 7 (рис. 248). Эмитируемые фото-
катодом электроны ускоряются напряжением около 10 000 в
и попадают на накопительную ленту 8. Перед началом записи
лента проходит через устройство для стирания 2 и первичной
обработки 3 и заряжается отрицательно. Под действием фото-
электронов на ленте создается потенциальный рельеф из-
электрических зарядов, образуемых в результате вторичной
электронной эмиссии или появления наведенной проводимости
на ленте. После записи лента наматывается на приемную кас-
сету 4, откуда она может быть перемотана обратно для считы-
вания. С помощью электронного затвора можно осуществлять
покадровую запись и запоминание изображения на пленке.

Структура накопительной ленты, выполненной из пленки
никеля или меди толщиной около 0,04 мм, показана на рис. 248, б.
На длине ленты в 1 см нанесено около 2300 резко очерченных
канавок. На длинную сторону каждой ступеньки наносится
пленка диэлектрика с высоким удельным сопротивлением. Ко-
402
роткая сторона ступенек свободна от диэлектрика, что позволяет
избежать разрушения информации и наведения зарядов при
считывании, а также препятствует замыканию соседних витков
ленты при намотке ее на ролик.

Считывающее устройство 9 аналогично считывающей части
обычного суперортикона.

Показатели работы этой трубки весьма высокие. Главные
достоинства трубки — ее высокая удельная разрешающая спо-
собность, доходящая до 1500 линий на 1 см (размер кадра
5X5 см), и возможность многократного считывания информа-
ции с записанного кадра изображения (2000 раз). Время хране-
ния записанной информации 80 ч.

Нужно отметить, что такая передающая трубка несомненно
весьма перспективна, так как в ней совмещены функции преоб-
разования световой энергии в электрическую, записи информации
для хранения до момента передачи и функции считывания
с высокой разрешающей способностью.

Хотя способы образования видеосигнала в различных
технических устройствах существенно отличаются, в основе их
лежат процессы преобразования светового потока в электриче-
ский, накопления информации и развертки изображения.

Принцип накопления энергии является средством борьбы
с шумом. Это основано на использовании различия законов
суммирования повторяющегося сигнала и хаотического шума.
Различие этих законов приводит к превышению сигнала над
шумом при суммировании их энергий. Принцип накопления
энергии может быть реализован в телевизионной камере различ-
ными способами.

Необходимо отметить, что существенное уменьшение влияния
помех в таких системах также может быть достигнуто путем
реализации рациональной пространственной частотной харак-
теристики сканирующей системы, осуществляющей считывание
кадра. Аппаратурная реализация требуемой пространственной
частотной характеристики, в частности, сводится к выбору
оптимальных параметров сканирующего пятна. Такой подход
основывается на том, что на передачу пространственных частот
влияют следующие факторы: форма пятна, его размеры, ориен-
тация, скорость перемещения и траектория, по которой пятно
перемещается. В большинстве случаев сканирование выполняет-
ся круглыми или квадратными пятнами. Уменьшение размеров
этих пятен при соответствующем уменьшении шага сканирования
приводит к изотропному усилению верхних пространственных
частот по всему полю. Однако на уменьшение пятна наложены
два существенных ограничения.

Первое ограничение заключается в том, что уменьшение
пятна ведет к увеличению общей длины траектории сканирова-
ния, по которой пятно должно без разрывов покрыть контроли-
руемое поле. А так как скорость движения пятна ограничивается
26*	403
инерционностью фотоприемника и конструктивными особенностя-
ми сканирующего устройства, то общее время сканирования
кадра возрастает. Следовательно, полоса пропускаемых про-
странственных частот ограничена временем, на протяжении
которого должен совершаться один цикл сканирования кадра
изображения.

Вторым ограничением является то, что при уменьшении
размера сканирующего пятна уменьшается количество лучистой
энергии, попадающей на фотоприемник. Это приводит к умень-
шению чувствительности устройства.

При разработке фототелевизионных систем важное значение
имеет оптимизация параметров анализирующих устройств.
В работе [28] рассмотрены вопросы определения апертур счи-
тывающего луча, оптимальных по отношению сигнал/шум
и оптимальных по световой эффективности.

При считывании изображения с фотопленочного накопителя,
если анализирующий элемент имеет размеры в несколько десят-
ков микрометров и меньше, основным фактором, определяющим
отношение сигнал/шум и, следовательно, число градаций, яв-
ляется зернистая структура фотопленки. При этом величина
шумов зависит от типа пленки и от коэффициента поглощения
считываемого участка. Пути определения апертур, дающих
наивысшее отношение сигнал/шум, указаны в работе [28].

При разработке экономичных фототелевизионных систем
важной задачей также является обеспечение максимальной
эффективности использования световой энергии. Поэтому опре-
деление площади апертуры для получения оптимальной световой
эффективности передающей системы является весьма важной
задачей. Известно, что увеличение размеров апертуры приводит,
с одной стороны, к увеличению регистрируемого светового пото-
ка, с другой — к уменьшению глубины модуляции сигнала на
мелких деталях изображения.

Самостоятельную группу среди систем передачи визуальной
информации с разделенными процессами накопления и считы-
вания изображения составляют малокадровые телевизионные
системы, В этих системах для сужения полосы частот телевизи-
онной передачи накапливаются и передаются только изображе-
ния, существенно отличающиеся по содержанию. Для этого
передающая камера дополняется фотозатвором, экспонирующим
изображения наблюдаемой сцены в моменты смены ее содержа-
ния. При этом передающая камера работает с циклом, время
которого устанавливается равным времени смены смыслового
содержания в наблюдаемой сцене. Время цикла Тц разделяется
на три интервала: время экспозиции Тэ, необходимое для накоп-
ления видеоинформации на мишени передающей трубки, время
считывания Тсч накопленной видеоинформации по памяти и вре-
мя стирания и приведения Тпр мишени к накоплению новой
видеоинформации (рис. 249). В принципе малокадровые системы
404
Рис. 249. Временной цикл работы
телевизионной трубки в малокад-
ровом режиме:

Т полный цикл работы трубки; Тэ —
время экспозиции (процесс накопле-
ния); Тсч — время считывания по па-
мяти; Тпр — время приведения мишени
(процесс форсированного стирания изо-
бражения)

должны иметь автоматическую регулировку времени цикла Тц,
следйщую за скоростью смены смыслового содержания изобра-
жения. Однако в настоящее время получили распространение
малокадровые системы с постоянным временем цикла (или
с программно-изменяющимся временем цикла). Эти системы
проектируются на основе априорных сведений о скорости смены
смыслового содержания исследуемых изображений.

В малокадровом методе произведено разделение во времени
процессов накопления и считывания. Это допускает введение
специальной операции стирания и подготовки мишени передаю-
щей трубки, которая является эффективным средством борьбы
с инерционностью трубки. Тем самым малокадровый метод
Открывает путь накоплению больших зарядов на мишенях
передающих трубок, что позволяет существенно повысить отно-
шение сигнал/шум.

Практически может быть достигнут выигрыш в сжатии спек-
тра видеосигнала за счет превышения времени считывания над
временем экспонирования (накопления) в сотни и тысячи раз.

Таким образом, сужение спектра видеосигнала и отделение
его от шума являются важнейшими особенностями процесса
образования видеосигнала в малокадровом методе. Эти особен-
ности обусловливают перспективность решения двух основных
проблем: повышение дальности связи и увеличение разрешаю-
щей способности телевизионных систем.

В малокадровых телевизионных системах в основном исполь-
зуются фотоэлектронные передающие трубки типа видикон.
Видикон является вакуумной трубкой, действие которой осно-
вано на внутреннем фотоэффекте, т. е. на изменении проводимо-
сти некоторых полупроводников под действием световой энергии.
Такие передающие трубки могут быть с низкоомными и высоко-
омными проводящими слоями. Разработаны различные виды тру-
бок с высокоомными проводящими слоями и коммутацией мед-
ленными электронами. Их фотопроводящие слои выполняются
Рис. 250. Блок-схема малокадровой
телевизионной камеры:

1 — оптический затвор; 2 — источник
подсветки; 3 — видикон; 4 — отклоняю-
щая система; 5 — усилитель видйо-
сигнала; 6 — блок автоматики

из различных материалов — трехсернистой сурьмы, аморфного
селена и др. Такие трубки могут быть изготовлены для работы
как в видимой части спектра, так и в инфракрасной области,
более далекой, чем это можно достичь при помощи трубок, ис-
пользующих внешний фотоэффект.

Основной трудностью при разработке малокадровых види-
конных камер с повышенной памятью является остаточное
изображение. Ликвидировать его можно двумя путями: разра-
боткой специальных фотослоев, уменьшающих остаточное изо-
бражение, и схемным способом форсированного сгирания
и подготовки мишени видикона.

Блок-схема малокадровой видиконной камеры со схемой
форсированного стирания показана на рис. 250. Блок автомати-
ки 6 формирует ряд напряжений, необходимых для управления
фотозатвором 1 и форсированным стиранием остаточного изо-
бражения. Процесс стирания и подготовки заключается
в последовательности операций облучения фотослоя светом от
источника 2 и мощным электронным пучком с ускоренной
разверткой.

Перспективы повышения разрешающей способности малокад-
ровых телевизионных систем во многом зависят от разработки
способов повышения отношения сигнал/шум за счет оптимизации
разделенных во времени процессов накопления и считывания.
Такая оптимизация возможна как в выборе длительностей этих
процессов, так и в выборе режимов передающих трубок. Мало-
кадровые камеры могут работать в режиме форсированного
накопления зарядов, при котором процесс накопления на мишени
протекает при наличии большой разности потенциалов. Для
этого требуется программное переключение потенциалов на
соответствующих электродах передающей трубки, что несколько
усложняет устройство блока автоматики.

Основными параметрами, определяющими характеристики
системы, являются: время кадра, число строк разложения и пере-
даточная функция видеоканала. Как правило, в малокадровых
406
системах с постоянными или регулируемыми по программе
параметрами время цикла выбирается на основе априорных
сведений о скорости смены сюжета в поле зрения системы.

Число строк разложения определяет четкость телевизионного
изображения. Учитывая ограничения по площади светочувстви-
тельного слоя, основным условием увеличения предельно дости-
жимого числа строк разложения следует считать улучшение
разрешающей способности путем увеличения отношения сигнал/
шум на выходе передающей трубки за счет использования более
тонких пленочных накопителей, позволяющих накапливать
большие заряды, и оптимального согласования секции считы-
вания с видеоусилителем при снижении скорости считывания;

путем уменьшения линейных искажений передающей трубки
за счет устранения поверхностного растекания зарядов при
использовании для накопления тонких высокоомных пленок
и улучшения фокусировки считывающего электронного луча,
которое возможно благодаря уменьшению тока луча при замед-
ленном считывании и с помощью построения видеоканала
с оптимальной передаточной функцией, осуществляющей кор-
рекцию линейных искажений передающей трубки.

Выбор параметров разложения телевизионного изображения
определяется в значительной степени целями, поставленными
перед системой. Возможное упрощение системы передачи изобра-
жения зависит от того, насколько допустимо в данных условиях
ухудшение качества изображения. В одном случае можно сокра-
тить число строк разложения, а в другом число кадров, в треть-
ем — снизить требования к точности работы развертывающих
устройств. В некоторых случаях компромиссное решение
позволяет упростить установку, сделать ее более компактной.

Число строк разложения телевизионной системы, наряду
с другими ее параметрами, определяет разрешающую способ-
ность, т. е. минимальные размеры обнаруживаемого с помощью
телевизионной системы объекта.

При определении числа строк разложения в специальных
телевизионных системах иногда можно мириться с тем, что
растровая структура заметна, так как определяющим в этом слу-
чае является величина минимальной детали, которая должна
быть уверенно и правильно обнаружена в поле зрения, причем
значение имеет не абсолютная величина детали, а отношение
размера детали к полю зрения.

Чувствительность телевизионной системы определяется чув-
ствительностью выбранных передающих трубок, от которых
зависит и контрастность (число градаций) изображения и мини-
мальное время экспозиции мишени.

Перейдем к рассмотрению класса телевизионных систем
с импульсным экспонированием передающей трубки [28]. Харак-
терной особенностью таких систем является дискретная запись
информации, которая осуществляется при кратковременном
экспонировании мишени передающей трубки с последующим
длительным считыванием потенциального рельефа по памяти.
В состав такой системы входит специальное устройство экспо-
нирования передающей трубки, в качестве которого используют-
ся обтюраторы, механические и электрические затворы, а также
импульсные источники света или сочетание тех и других. .

Телевизионные системы с импульсным экспонированием могут
работать как в малокадровом, так и в многокадровом режимах,
в последнем смысловое содержание изображений соседних кад-
ров существенно не различается.

Телевизионные системы с импульсным экспонированием
мишени находят применение в ряде областей техники. Среди
таких применений можно назвать телекинопроекцию, наблю-
дение за быстропротекающими процессами, наблюдение
за объектами через рассеивающие лучистую энергию сре-
ды и др.

Одной из перспективных областей применения телевизионных
систем с импульсным экспонированием передающей трубки
являются телевизионные стробоскопы [28]. Телевизионными стро-
боскопами принято называть прикладные телевизионные систе-
мы, предназначенные для наблюдения за периодически
перемещающимися объектами различного характера и на-
значения.

В качестве телевизионных стробоскопов могут быть исполь-
зованы телевизионные установки замкнутого типа со стандарт-
ным разложением, работающие в сочетании с импульсными
источниками света. Главной особенностью таких систем является
режим работы передающей трубки, заключающийся в периоди-
ческом кратковременном (порядка десятков или сотен микро-
секунд) экспонировании накопителя и последующем считывании
потенциального рельефа по памяти.

Телевизионные стробоскопы с успехом используются для на-
блюдения за самолетными винтами, лопастями турбин, Отдель-
ными частями движущихся механизмов и т. д.

Существует также ряд зачач, при решении которых необхо-
димо получать визуальную информацию о состоянии движуще-
гося объекта только в одной фазе его движения, т. е. необходимо
получать «телевизионную фотографию» движущегося объекта.
Решение этой задачи требует введение в систему элемента дли-
тельной памяти объемом в один кадр. В качестве этого элемента
наиболее целесообразно использовать либо передающую трубку
с памятью, либо кинескоп с послесвечением. Специальный дат-
чик, управляющий устройством экспонирования передающей
трубки, позволяет фотографировать объект в нужный момент
времени.

Одним из многообещающих применений телевизионных си-
стем с импульсным экспонированием является пространственная
селекция объектов [28]. Задача импульсной телевизионной селек-
408
Рис. 251. Блок-схема импульсной ла-
зерно-телевизионной системы:

1 — лазер; 2 — фотоголовка; 3 — схема
регулируемой задержки; 4 — устройство
управления частотой излучения ОКГ; 5 —
электронный затвор; 6 — передающая
трубка; 7 — синхронный генератор; 8 —
электрический канал связи; 9 — прием-
ная трубка

ции заключается в выделении объекта, представляющего интерес,
путем освещения его световыми импульсами. Длительность эк-
спонирования t3 выбирается из условий

= 2Д//с; /,<<2А/с,

где Д/ — глубина селектируемого объекта;

с — скорость света;

L — расстояние до объекта.

При этом осуществляется запирание входа телевизионного
устройства на все время, кроме времени непосредственного воз-
действия отраженного от объекта светового импульса. В резуль-
тате этого уменьшается влияние рассеивающей среды и повы-
шается контрастность изображения.

На рис. 251 показана блок-схема импульсной лазерно-телеви-
зионной системы. Излучаемый лазером 1 световой поток освеща-
ет наблюдаемый объект. Одновременно импульс света с помощью
фотоголовки 2 создает электрический импульс, запускающий
схему 3 регулируемой задержки. Задержанный на время, рав-
ное 2L/c импульсный сигнал запускает схему электронного за-
твора 5, выходной отрицательный импульс которого подается
непосредственно на передающую трубку 6. Частота излучения
световых импульсов синхронизируется с частотой кадровой раз-
вертки от синхронного генератора 7.

Кратко рассмотрим вопросы выбора передающей трубки
и режима ее работы в системе с импульсным экспонированием.
Работа передающих трубок в таких системах обладает рядом
специфических особенностей, существенно влияющих на качество
передачи изображения и параметры системы. Выбор типа пере-
дающей трубки зависит от назначения и эксплуатационных
требований к последней, а также от мощности источников осве-
щения объекта и ряда других условий. В телевизионных стробо-
скопах в качестве передающих трубок могут применяться супе-
рортиконы и видиконы. Преимуществом использования суперор-
тиконов, помимо повышения чувствительности системы, является
возможность применения электронного затвора в камере, кото-
рый выполняет функции устройства экспонирования трубки. Для
видиконов в подобных случаях должен быть предусмотрен спе-
циальный управляемый световой затвор, что несколько усложня-
ет систему.

Особенности работы видиконов в системах с импульсным
экспонированием мишени связаны в основном с проявлением
фотоэлектрической инерционности, которая приводит к тому, что
процесс накопления зарядов происходит в переходном режиме.
С точки зрения повышения световой чувствительности в телеви-
зионных стробоскопах целесообразно применять видиконы с уве-
личенной инерционностью. При этом необходимо отметить, что
поскольку в стробоскопической системе наблюдаемое изображе-
ние объекта длительное время остается неподвижным, наличие
высокой инерционности не будет сказываться на качестве изо-
бражения.

Более того, инерционность передающей трубки положитель-
но сказывается на уменьшении видимых мельканий изображе-
ния на экране кинескопа при частотах экспонирования, сущест-
венно меньших частоты кадров.

Таким образом, при малом уровне посторонних засветок
использование в телевизионных стробоскопах видиконов с повы-
шенной инерционностью вполне рационально.

В системах наблюдения за апериодически движущимися
объектами и в системах телевизионного «фотографирования»
использование видиконов при малых временах экспонирования
менее целесообразно. В этих случаях световая чувствительность
системы оказывается низкой, так как интегрирующее свойство
мишени не используется. В этом случае суперортиконы обладают
преимуществом.

Рабочий режим передающей трубки в таких системах опре-
деляется помимо прочего длительностью и частотой экспониро-
вания мишени, а также законом изменения светового потока,
падающего на мишень трубки, во времени.

Изображение, передаваемое системой, работающей в режиме
телевизионного «фотографирования» или стробоскопа, при
использовании в ней передающей трубки с накоплением энергии
характеризуется наличием зон смещения границ деталей объек-
та. Это явление, вызываемое движением изображения во время
процесса экспонирования трубки, приводит к снижению резкости
изображения и ухудшению качества передачи мелких дета-
лей [28].

При этом длительность экспонирования передающей трубки
является важным параметром. Выбирать длительность экспони-
рования t3 трубки необходимо в зависимости от назначения
системы. Для систем наблюдения за быстродвижущимися объек-
410
Рис. 252. Кривые зависимости t3 —
'MCM\

= П——	для различных скоростей

1	/

Удб перемещения изображения объекта в
плоскости фотокатода супертикона (вы-
сота фотокатода h$ = 2,4 см, число ак-
тивных строк разложения
za = 575):

1 — vф= 0,5 м!сек\ 2 — vф= 1,0 мсек; 3 -
иф= 2,Ь м/сек; 4 — v ф = 5,0 м!сек; 5 —
v ф= 10,0 м/сек

тами основным критерием при расчете времени t3 следует считать
допустимое ухудшение качества передачи изображения, обу-
словленное смещением объекта во время процесса экспониро-
вания.

В качестве примера на рис. 252 показано семейство кривых,
представляющих собой зависимость времени t3 от относительного
увеличения зоны размытости переходной характеристики систе-
мы на суперортиконе Ысм1Ысп [29]. Кривые построены для сиг-
нала изображения, соответствующего области перегиба харак-
теристики накопления трубки, в предположении, что зона
размытости переходной характеристики системы при неподвиж-
ном объекте остается в требуемых пределах изменения осве-
щенности примерно одинаковой и равной A/CtM = 2 элементам
разложения.

В заключение отметим, что режим импульсного экспониро-
вания суперортиконов в целом менее благоприятен, чем обычный
режим, и имеет следующие особенности:

1)	выходной сигнал при считывании относительно крупных
деталей изображения оказывается на 10—40% ниже, чем при
обычном режиме;

2)	ухудшается качество передачи мелких деталей из-за
невосполнимого растекания зарядов по мишени трубки после ее
экспонирования;

3)	в случае использования электронного затвора происходит
некоторое ухудшение качества передачи изображения;

4)	смещение объекта во время процесса экспонирования пере-
дающей трубки приводит к снижению разрешающей способности
системы в любом направлении и уменьшению контрастности
передаваемых изображений одиночных мелких деталей. Однако
ухудшение разрешающей способности системы и уменьшение
контрастности изображений одиночных деталей могут быть час-
тично скомпенсированы увеличением освещенности объек-
та [29].
Глава 4. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИИ
В ИК ДИАПАЗОНЕ

Рассмотрим принципы, действия и основные ха-
рактеристики некоторых специальных информационных систем,
предназначенных для разложения и передачи изображения в ИК
диапазоне. Источником ИК излучения может служить любое на-
гретое тело, причем интенсивность ИК излучения и характер
спектрального распределения определяются температурой и ха-
рактеристиками тела. По спектральному составу ИК излучения,
его интенсивности и форме картины излучения может осущест-
вляться идентификация (а в ряде случаев и распознавание) ши-
рокого класса технических объектов.

В настоящее время автоматический контроль температурных
полей получил широкое распространение в различных областях
техники [55]. Тепловая картина, снятая с поверхности объекта,
несет в себе информацию не только о поверхностных свойствах
объекта, но и об его внутреннем состоянии. Распределение
температуры по полю характеризует такие свойства объектов,
как присутствие примесей при выращивании кристаллов; суще-
ствование локальных дефектов в радиосхемах; направление
кристаллизации и наличие напряженностей при плавке, прокате,
термической обработке и других технологических операциях.
Контроль температурных полей осуществляется также при испы-
таниях двигателей, анализе радиационного поля Земли, в меди-
цинской диагностике и т. д.

Для получения информации о состоянии объекта применяется
как пассивный, так и активный методы теплового контроля.

Пассивный метод основан на использовании собственного
излучения контролируемого объекта, поэтому он находит приме-
нение лишь в случаях превышения излучения объекта над окру-
жающим фоном, например при контроле работающих электрон-
ных схем, нагретых слитков металла и т. п.

Активный метод теплового контроля предполагает предвари-
тельный нагрев и последующее измерение температурного поля
поверхности объекта. При этом повышенная температура (по
сравнению с заданной величиной) некоторых зон объекта будет
характеризовать их пониженный теплоотвод (теплообмен, тепло-
проводность), т. е. изменение физико-химического состава,
толщины и других характеристик данных зон. Правильный выбор
типа нагревателя и режима нагрева позволяет воспользоваться
этим методом для решения задач контроля объектов различного
назначения.

При активном методе теплового контроля используется или
одновременный нагрев всего объекта, или последовательный
(сканирующий) нагрев элементарных участков объекта. При-
менение контроля с одновременным нагревом ограничен труд-
412
ностью создания однородного теплового поля по всему объекту.
При сканирующем контроле воздействие на объект осущест-
вляется локальным источником тепла, перемещающимся по
объекту вдоль некоторой траектории. По этой же траектории
с некоторым сдвигом во времени измеряется температура объек-
та и обнаруживается дефект. Сканирующий активный контроль
обладает более широкими аппаратурными и функциональными
возможностями, чем пассивный контроль.

Поля по уровню измеряемых температур можно условно
разделить на низко- (Т = Он- 150° С), средне- (Г = 150 4-800° С)
и высоко-температурные (Г = 800н-3000° С и выше). Для
контроля высокотемпературных полей применяются в основном
фотоэлектронные телевизионные системы. Среднетемпературные
поля контролируются оптико-механическими сканирующими пи-
рометрами с неохлаждаемыми приемниками и телевизионными
системами с охлаждаемым фотокатодом, а низкотемператур-
ные — оптико-механическими сканирующими пирометрами с
охлаждаемыми приемниками.

Перейдем к рассмотрению основных типов фотоэлектронных
сканирующих устройств контроля тепловых полей: передающих
телевизионных трубок с накоплением (видиконы, суперортиконы
и др.) и без накопления (диссекторы). Разработаны трубки типа
секон, сочетающие элементы суперортикона и видикона и обла-
дающие высокой чувствительностью. Изготовлена разновидность
видикона с мозаикой из фотодиодов (эпикон); мозаика нара-
щивается эпитаксиальным способом на поверхность монокристал-
ла кремния. На базе мишени с мозаикой из кремниевых диодов,
коммутируемой пучком медленных электронов, разработан види-
кон с переносом изображения, работающий при малых освещен-
ностях (до 10-4 лк). Другая мишень изготовлена на монокри-
сталле кремния с шагом мозаики 15—20 мкм и размером
элементарных диодов 8 мкм, полная разрешающая способность
ее 400 линий [55].

Большое внимание обращается на создание мишеней пере-
дающих трубок, чувствительных к средней области ИК излучения
(1,5—20 мкм). Для этих целей используются в основном ИК
видикона с охлаждаемым фотокатодом.

Например, в качестве накопительной мишени ИК видикона
предложено применять монокристаллический кремний р-типа,
легированный бором и цинком. При температуре жидкого азота
мишень имеет чувствительность к излучению «черного тела»
с температурой — 143° С порядка 1 мквт/мм2. Преимущество
кремниевой мишени — стабильность и повышенная чувствитель-
ность в диапазоне 2,2 — 4,0 мкм.

Созданы два варианта охлаждаемой мишени для ИК види-
кона: поликристаллическая из оксисульфида свинца и монокри-
сталлическая из германия. Фотослой из оксисульфида свинца из-
готовлен на кремниевой подложке, выполняющей одновременно
413
функции входного окна и сигнального электрода видикона..
Кремний хорошо передает холод для охлаждения фотослоя и,
кроме того, действует как светофильтр, срезающий коротковол-
новое излучение, мешающее наблюдению ИК изображений.
Спектральная характеристика мишени имеет два максимума
(при 0,9 и 1,7 мкм) и красную границу 2,5—2,7 мкм. Такие си-
стемы могут с успехом применяться при контроле быстропро-
текающих тепловых процессов при плавке, прокате металлов,
и т. д.

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИК СИСТЕМЫ

Наиболее распространенными системами контроля темпера-
турных полей являются оптико-механические сканирующие
пирометры. Они характеризуются наличием оптико-механической
сканирующей системы, осуществляющей с помощью подвижных
элементов развертку изображения поля относительно приемника
излучений. В качестве приемников излучения применяют фото-
умножители, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы,
болометры (металлические и полупроводниковые), оптико-аку-
стические, диэлектрические, пироэлектрические, абсорбционные,
фотогальванические, фотогальваномагнитные и некоторые другие
приемники. Не имея возможности подробно останавливаться на
их характеристиках, отметим лишь что можно подобрать доста-
точно чувствительные и достаточно быстродействующие прием-
ники излучения для широкого диапазона спектра излучений.
К сожалению, многие из них требуют глубокого охлаждения. Эта
задача сейчас решается посредством охладителей с кипящей при
низкой температуре жидкостью (сжиженными газами: азотом,
неоном, водородом, гелием и др.).

На рис. 253 приведены кривые спектральной чувствительности
некоторых фотоэлектрических приемников с собственной (TUS,
PbS, PbSe) и примесной проводимостью.

Современный уровень техники обеспечивает возможность
разработки сканирующих тепловизоров, позволяющих обнару-
живать разности температур, равные десятым и даже сотым до-
лям градуса на уровне комнатной температуры. При этом поле
обзора системы может иметь поперечный размер от единиц до
десятков угловых градусов, мгновенное поле зрения — несколько
угловых минут, а время воспроизведения изображения находится
в пределах от сотых долей секунды до нескольких минут.

В тепловизорах поверхность исследуемого объекта просмат-
ривается с помощью сканирующего оптического устройства, осу-
ществляющего пространственную развертку изображения, вслед-
ствие чего изучение от элемента объекта поочередно попадает
на ИК приемник. Кратко рассмотрим некоторые оптические
системы сканирования, наиболее часто используемые в тепло-
визорах, и сравним их оптические характеристики.
Рис. 253. Спектральные харак-
теристики фотоэлектрических
приемников лучистой энергии

Сканирование по всему полю обзора может осуществляться
колеблющимися и вращающимися оптическими элементами. Так
сканирование поверхности объекта обеспечивается качанием
большого плоского зеркала, расположенного перед объективом
под углом 45° к оси. Качающееся плоское зеркало или вращаю-
щуюся зеркальную пирамиду перед объективом можно заменить
зеркалом, расположенным в сходящемся пучке. Кроме того,
исследуемый объект может просматриваться 2п-гранной призмой,
выполненной из материала прозрачного в ИК области. Призма
помещается в сходящемся пучке в заднем отрезке объектива
и вращается вокруг своей оси, ориентированной параллельно
плоскости сканирования. Сканирование вращающимися клинь-
ями, расположенными перед объективом, применяется реже.

Сканирование может осуществляться также вращением таких
деталей, как децентрированные линзы в линзовых или зеркально-
линзовых объективах.

Рассмотрим некоторые системы сканирования с целью оценки
их характеристик. Виды оптико-механических сканирующих
систем, применяемых для контроля температурных полей (в ос-
новном низко- и среднетемпературных), показаны на рис. 254.
При контроле низкотемпературных полей обыкновенно приме-
няют зеркальные объективы, состоящие цз двух элементов:
параболического (или сферического) зеркала 1 с центральным
отверстием и плоского (или гиперболического) зеркала 2. В свя-
зи с этим для развертки относительно фотоприемника 3 теплово-
го изображения объекта, создаваемого объективом, часто ис-
пользуют колебания в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях элементов зеркального объектива (рис. 254, а). Эти
Рис. 254. Схемы оптико-механических сканирующих пи-
рометров:

а — с качающимися зеркалами; б — с качающимися зеркалом
и вращающейся призмой; в — с зеркальными барабаном и ка-
чающимся зеркалом; г — с зеркальным барабаном Вейлера

колебания осуществляют обычно с помощью кулачкового приво-
да или электромагнитной системы. Иногда вместо колебаний
одного из зеркал объектива (или обоих) для развертки исполь-
зуют колебания плоского зеркала 4, устанавливаемого перед или
после объектива. Быстродействие этих систем невелико, время
кадра обычно составляет 0,5—4 сек, число строк 50—200.

Для повышения точности измерения видеосигнал 5 в боль-
шинстве сканирующих систем модулируют с помощью модуля-
тора 6. Обычно модулятор выполняется секторным с зеркальным
покрытием, на которое подают излучение от опорного источни-
ка 7. В результате этого на фотоприемник попеременно попадает
излучение то от объекта, то от опорного источника. Для настрой-
ки усиления часто пользуются эталонным источником 8.

На рис. 254, б показана схема более быстродействующего ска-
нирующего устройства. В нем строчная развертка изображения
осуществляется с помощью вращающейся четырехугольной
призмы 9, расположенной на пути фокусируемого излучения.
Фотодетектор выполнен из InSb и охлаждается жидким азотом.
Сигналы с детектора усиливаются и подаются на индикаторную
аппаратуру, модулируя яркость электроннолучевой трубки
(ЭЛТ). Развертка электронного луча ЭЛТ синхронизируется по
кадрам и строкам с колебанием зеркала 2 и вращением призмы 9
от синхродатчиков.

Развертка изображений тепловых гёрлей в пирометрах может
выполняться с помощью различных зеркальных барабанов.
На рис. 254, в приведена схема сканирующего пирометра с боль-
416
шим углом обзора. Для этого шестигранный зеркальный бара-
бан 10 вместе с колеблющимся зеркалом 11 установлен перед
зеркальным сферическим объективом 12. Частота колебаний
зеркала 4 гц, скорость вращения барабана 4500 об!мин. Эта
система обеспечивает контроль полей в пространственном угле
12,5 X 25° с мгновенным углом зрения 6 X 6'.

Для двумерной развертки может быть использован также
зеркальный барабан Вейлера 13 (рис. 254, г), имеющий зеркаль-
ные грани с разным наклоном по отношению к оси вращения.
За счет этого при вращении барабана каждая грань развертыва-
ет свою строку изображения поля. Среди оптико-механических
систем системы с барабаном Вейлера наиболее быстродействую-
щие (fK = 10 ч-200 гц). Однако число строк в них ограничено
числом граней в барабане и обычно не превышает 100.

Кроме перечисленных устройств, для двумерной развертки
изображения в сканирующих пирометрах также могут исполь-
зоваться вращающиеся 2п-гранные призмы из материала, про-
зрачного в ИК области, вращающиеся клинья и призмы. Ска-
нирование также может осуществляться вращением децентриро-
ванных линз в линзовых или зеркально-линзовых объективах из
клиньев, расположенных в заднем отрезке объектива.

Сканирование плоскими зеркалами, расположенными перед
объективом, имеет то преимущество, что зеркала не вносят
никаких аберраций и, таким образом, не требуют усложнения
оптической системы. Недостатком этого способа являются боль-
шие размеры сканирующих подвижных элементов и жесткие
допуски на качество изготовления их поверхностей. Если зеркало
наклонено на угол порядка 45° к оси объектива (что имеет место
в большинстве таких систем), то плохое качество поверхности
приведет к астигматизму в изображении точки.

При сканировании плоским зеркалом, расположенным
в сходящемся пучке, неизбежно увеличение кружка рассеяния,
обусловленное поворотом зеркала и аберрациями оптической
системы, помещенной перед сканирующим зеркалом. Увеличение
кружка рассеяния происходит также из-за того, что поверхность
изображения в результате аберраций системы не плоская,
а сферическая с определенным радиусом кривизны [63].

При одномерном сканировании с помощью 2п-гранной
призмы, расположенной в сходящемся пучке, неизбежно так же,
как и в предыдущем случае, значительное увеличение кружка
рассеяния в изображении точки. Аберрации такой системы возни-
кают с увеличением толщины призмы, которая определяется
числом граней призмы, ее материалом, заданным углом сканиро-
вания. При повороте призмы в заданную точку изображения
приходит уже не вся энергия, падающая на объектив, а только
ее часть. Однако отмеченные недостатки часто окупаются про-
стотой устройства, малой скважностью и небольшими размерами
призмы [63].

27 Заказ 375	4 1 7
При сканировании посредством вращающихся клиньев, по-
мещенных в сходящихся пучках, вносятся добавочные аберрации,
подобные аберрациям призмы. К недостаткам вращающихся
клиньев, используемых для сканирования, относятся нелиней-
ность развертки во времени и размытие кружка рассеяния,
обусловленное движением клиньев.

Сканирование посредством качания или вращения оптических
элементов системы (сферических зеркал, линз) вызывает появ-
ление больших аберраций, попытки устранения которых приводят
к существенному усложнению системы. Такие системы жела-
тельно использовать только при небольших углах сканирования.

Таким образом, помещенные в параллельном ходе лучей
сканирующие зеркала и призмы не приводят к аберрациям, но
требуют громоздкой конструкции и хорошего качества изготов-
ления. В то же время преломляющая сканирующая призма мала
по размерам, легче в изготовлении, но имеет большие аберрации.
Вращающиеся клинья, расположенные в параллельном ходе
лучей, дают меньшие по сравнению с преломляющими призмами
аберрации, однако заметные по сравнению с аберрациями
зеркал [63].

При контроле тепловых полей тел, уровень температуры
которых близок к температуре окружающей среды, приходится
учитывать влияние побочных потоков излучений, попадающих
на приемник. Величины этих потоков обусловлены, во-первых,
собственным излучением элементов оптической системы, во-
вторых, излучением, отраженным или рассеянным оптическими
элементами внутренней полости оптической головки радиометра,
объектов и фона, находящихся вне поля зрения прибора.

Величина побочных потоков излучения изменяется с измене-
нием температуры окружающей среды. В большинстве схем
сканирующих пирометров вводится эталонный источник, который
позволяет в значительной степени исключить погрешности этого
рода. В таких схемах на приемник поочередно направляются
излучения от объекта и эталонного источника, что дает возмож-
ность измерять лучистые потоки методом компенсации. Однако
динамические свойства такого пирометра ограничиваются ча-
стотой коммутации потока излучений, идущих от объекта
и эталонного источника. При отсутствии эталонного излучателя
повышаются требования к стабильности элементов, но появляют-
ся возможности повышения быстродействия. Для увеличения
быстродействия пирометра необходимо расширить полосу пропу-
скания электронного тракта и соответствующим образом повы-
сить несущую частоту сигнала, т. е. частоты прерывания
модулятором потока излучений. Если в схеме используются
оптико-механический дисковый модулятор, то для достижения
высоких скоростей вращения диска при практически приемлемых
затратах мощности модулятор должен иметь небольшие размеры.
Существенно уменьшить размеры модулятора удается лишь при
418
Рис. 255. Схема оптической
головки радиометра:

1 — сканирующее зеркало; 2,
3 — зеркала объектива; 4 — мо-
дулятор излучения; 5 — ди-
афрагма; 6 — охлаждаемый эк-
ран; 7 — приемник излучения;

8 — внутренняя полость опти-
ческой головки; 9 — контроли-
руемый объект

установке его как можно ближе к приемнику излучения, где
диаметр прерываемого лучистого потока минимален. Следует
отметить, что наличие излучателя сравнения не избавляет ИК
радиометр от побочных потоков излучений и необходим либо учет
этого влияния, либо принятие специальных мер для его
устранения.

Оценим степень влияния побочных лучистых потоков на
работу радиометра, построенного по схеме, приведенной на
рис. 255, и имеющего дисковый модулятор [73]. Сигнал приемника
пропорционален разности лучистых потоков в моменты, когда
модулятор пропускает излучения от объекта и когда путь этим
излучениям перекрыт ламелью модулятора.

Рассмотрим, из каких компонентов складывается эта
разность.

Когда модулятор пропускает излучение объекта, лучистый
поток, падающий на приемник, равен

= ^об + Фос + Фоо,

где ФОб — подлежащий измерению поток излучений объекта;
Фос — поток излучений, определяемый собственным излуче-
нием сканирующего зеркала, а также большого и ма-
лого зеркал объектива;

27*

419
Фоо — падающий на приемник поток излучений, обусловлен-
ный зеркальным диффузным отражением элементов
оптической системы, излучениями объектов и фона,
находящихся вне поля зрения радиометра, а также
отражением излучений внутренней полости прибора.
Если излучение объекта перекрыто ламелью модуля-
тора, то лучистый поток, падающий на приемник,

^2 Фмс +

где Фмс — поток, определяемый собственным излучением моду-
лятора;

Фмо — поток излучений, отраженный модулятором.

Разность потоков

Ф = Ф1 —ф2 == Фоб 4- Фдоп,
где

Фдоп = Фос 4" Фоо Фмс~Фмо*

Слагаемые правой части предыдущего выражения могут
быть представлены в следующем виде [73]:

фОб = ST08o6fl^T(sin2 щ — sin2 u2);

фдол = SRa34T [(8Э + p38„)sin2u2 4- 383(sin2 щ—sin2 u2)—

—83 sin2 Ui —e^p^sin2 u{ — sin2 u3)],

где S — площадь чувствительного элемента приемника;
то — коэффициент пропускания оптической системы;

боб, 8а, 8П — излучательная способность соответственно объ-
екта, зеркала, диафрагмы, полости прибора;

^o6Tf ^зЧТ — эффективная плотность излучения абсолютно
черного тела, температура которого равна тем-
пературе объекта и зеркала соответственно:

рз, рэ — коэффициент отражения зеркала экрана 6
(рис. 255).

Вышеприведенное уравнение получено при допущении, что
температура всех элементов оптической головки устройства оди-
накова и равна температуре окружающей среды.

Для того чтобы оценить влияние изменения температуры ок-
ружающей среды, было определено отношение приращений по-
токов Фоб и Фдоп при условии, что температура окружающей
среды и объекта одинакова и изменяется на одну и ту же вели-
чину [73]:

АФдоп/ЛФоб = [(е3 + p38„)sin2 ы2 + 3e3(sin2 щ—sin2 и2)—

—е3 sin2 щ—edp3p3(sin2 их — sin2 м3)]: [-v08o6(sin2 щ — sin2 ы2)1 •

Из анализа этого выражения следует, что чувствительность
радиометра (выполненного по схеме, описанной на рис. 255)
420
к изменению температуры окружающей среды примерно всего
лишь в 2 раза меньше, чем чувствительность к изменению тем-
пературы объекта. Поэтому наличие в сканирующем пирометре
побочных потоков излучений может обусловливать зависимость
получаемых результатов от температуры окружающей среды.
Это особенно чувствительно при контроле тепловых потоков низ-
котемпературных объектов.

Рассмотрим влияние излучательной способности тела, темпе-
ратурное поле которого определяется, на величину погрешности,
получаемой при измерении местной температуры [11]. Энергия,
получаемая прибором от объекта, складывается из энергии, из-
лучаемой самим объектом, и энергии окружающей среды, отра-
жаемой им.

Энергия, излучаемая объектом в ограниченном диапазоне
спектра, равна

где — энергия, излучаемая в узком интервале спектра с цент-
ром в X;

е — коэффициент излучения в этом интервале спектра;

К — постоянный коэффициент;

Т — температура объекта*;

п — положительный показатель степени, зависящий от %
и Т.

Энергия, отражаемая объектом,

где р = (1 — е) — коэффициент отражения;

То — температура окружающей среды.

Общая поступающая в сканирующий пирометр энергия (из-
лученная и отраженная объектом) определяется как

UZ^/Cter + U-s)^].

Чтобы найти влияние изменений Т и е, возьмем полный диф-
ференциал от полагая То постоянной:

= К [пе7'"~1А7’ + (Г—То) Ав].

Очевидно, при температуре объекта, равной температуре ок-
ружающей среды, изменения коэффициента излучений не ока-
зывают влияние на энергию, излучаемую и отражаемую объ-
ектом.

Определим, каковы должны быть изменения температуры и
коэффициента излучения, чтобы они вызывали одинаковое по ве-
личине изменение энергии, поступающей в систему от объекта.

421
При этом должно выполняться равенство, следующее из пре-
дыдущего выражения:

пе7’п-|Д7' = (Тл—То) Де,
откуда

Де/е = пДТ/Т [1 —(Т0/Т)п]-1.

При сканировании поверхности человеческого тела Де/е ~
« 0,106.

Таким образом, изменение коэффициента излучений на 10%
соответствует изменению температуры на 1°. Поэтому при точ-
ном измерении температуры необходимо учитывать изменения
коэффициента излучения. Но если требуется измерять лишь раз-
ность температур, то можно не учитывать изменения коэффици-
ента излучения, так как разность температур мало зависит от
них. Например, если с двух участков объекта, имеющих различ-
ные температуры Л и Т2, но одинаковый коэффициент излуче-
ния, излучаются энергии соответственно и W2, то

И7, = Д’[eTj+ (1—s)To],

1Г2 = К[еГ2 + (1-8)Т8].

Тогда

ДН7Г = 1Г1—IF2 = Кг(Т1 — Т2) 

Поскольку величина разности температур Л и Т2 мала по
сравнению с величинами абсолютных значений температур, то
функцию Д1Гт разложим в ряд, отбрасывая члены высшего по-
рядка:

ДЦ7Г =/СепДТТ”-1.

Решая полученное выражение относительно Т, получим

ДТ = Д^'т/АепТ’”-1.

Чтобы установить влияние ошибки на измерение разности
температур, продифференцируем полученное выражение:

</Д7'/4/е= — ДГг/Л’п7’п-1е2.

Представляя полученный результат в относительных величи-
нах, получим

d\T/&T= —d^.

Отсюда видно, что относительная погрешность в определении
Т равняется относительной погрешности в определении е.

Разработан ряд сканирующих систем, предназначенных для
контроля температурных полей. Разработаны оптико-механиче-
ские системы, работающие в инфракрасном диапазоне, которые
находят применение в различных областях науки и техники.
422
В металлургической и химической промышленностях такие си-
стемы позволяют контролировать однородность поля темпера^
тур и измерять эти температуры. Для этого яркость изображения
наблюдаемого объекта сравнивают с яркостью эталонного ис-
точника, находящегося в поле зрения системы.

С помощью оптической приставки можно контролировать
объекты, находящиеся на малом расстоянии от камеры, что не-
обходимо для наблюдения за деталями малых размеров. Таким
образом, можно контролировать поле температур элементов
схем и микросхем. Применение сканирующих инфракрасных си-
стем в медицинской термографии позволяет определять картину
распределения тепла в живом организме, что помогает выявить
местные очаги инфекции, которые всегда имеют температуру
более высокую, чем соседние с ними участки тела.

Современные тепловизоры с точки зрения их эксплуатацион-
ных качеств характеризуются следующими основными парамет-
рами [74]:

а)	пороговой чувствительностью — минимальной разностью
радиационных температур, обнаруживаемой на поверхности ис-
следуемого объекта при заданной температуре последнего;

б)	полем обзора — телесным углом, в пределах которого раз-
мещается совокупность точек изображаемого пространства;

в)	мгновенным полем зрения — телесным углом, в пределах
которого воспринимается излучение объекта наблюдения и окру-
жающего его фона в данный момент времени;

г)	быстродействием — временем преобразования изображе-
ния (кадра) и числом кадров, воспроизводимых в единицу вре-
мени;

д)	спектральным диапазоном — интервалом длин волн, в ко-
тором тепловизор имеет заметную чувствительность к излучению.

В разработанных тепловизорах анализируемое инфракрас-
ное изображение объекта преобразуется на экране электронно-
лучевой трубки в видимое изображение с возможностью регули-
рования его параметров в широком диапазоне. В тепловизорах
яркость изображения можно регулировать таким образом, что-
бы светлые участки поля, определяемые максимальной темпера-
турой, соответствовали разной величине температуры (ТШах ==
= —25 4- +150° С). С развитием цветного телевидения расши-
рились возможности дифференцирования изотермных зон на
поверхности объекта путем закрепления за выбранными интер-
валами температур определенных хроматических цветов. Это
позволило также наглядно осуществлять спектро-термографиче-
ский анализ излучения объектов, характеризуя интенсивности
излучения в определенных спектральных диапазонах яркостью
соответствующих хроматических цветов на термограммах.

При оптическом контроле температурных полей наиболее
важным является вопрос выбора рациональных методов контро-
ля температуры в точечных участках среды в зависимости от ее
свойств. Так как при создании сканирующих систем необходи-
мо применять первичные преобразователи, обладающие наи-
меньшей методической и аппаратурной погрешностью, разработ-
ке таких систем должен предшествовать тщательный сравни-
тельный анализ различных оптических методов контроля темпе-
ратур в применении к конкретным условиям измерения.

Для контроля тепловых полей представляют интерес радиа-
ционный, яркостный и цветовой методы измерения температуры.
При использовании радиационного и яркостного методов контро-
ля температуры общая схема устройства получается более про-
стой, но точность при этом значительно ниже, чем у цветового
метода. Однако при использовании цветового метода сложность
системы значительно возрастает.

В последнее время разработаны принципы построения скани-
рующих тепловизоров, осуществляющих визуализацию темпера-
турных полей с различными видами функционального преобра-
зования синтезируемых изображений. Предложен ряд ориги-
нальных сканирующих систем, предназначенных для контроля
полей радиационных яркостных и цветовых температур. Рас-
смотрим класс системы контроля температурных полей, действу-
ющих на основе пассивного метода контроля.

Оптико-механические сканирующие системы этого класса,
работающие на основе радиационного и яркостного метода из-
мерения температуры, могут быть разделены на две группы.
Первую группу составляют системы с одним чувствительным
элементом, относительно которого выполняется двумерное ска-
нирующее перемещение изображения. Вторую группу составля-
ют системы, в которых сканирование изображения осуществ-
ляется с помощью линейного набора фотоэлементов. Так как
системы второй группы в ряде применений обладают существен-
ными преимуществами, рассмотрим их более подробно.

Основное преимущество использования линейного много эле-
ментного приемника инфракрасного излучения заключается
в том, что он позволяет избежать применение устройства быст-
рого сканирования и получить хорошее разрешение по темпера-
туре благодаря уменьшению полосы пропускания усилителя сиг-
налов каждого элемента [109]. Так как скорость сканирования
невелика (20 кадров в секунду), то появляется возможность ис-
пользования широкоугольного сканирующего устройства
(рис. 256). Если для наблюдения получаемого изображения ис-
пользуется однолучевая ЭЛТ, то выходные сигналы приемных
элементов поочередно подключаются с большой частотой к од-
ному видеоусилителю. Переключения должны выполняться при
возможно более низком уровне сигнала, чтобы избежать высо-
кого предварительного усиления в цепи каждого элемента.

Элементы линейного набора выполнены из сурьмянистого
индия с сопротивлением порядка 1 ком и питание получают от
источника постоянного тока. Они имеют емкостную связь с вы-
424
Рис. 256. Сканирующее устройство с линейным набором чув-
ствительных элементов:

1 — модулятор; 2 — линейный набор фотоприемников; 3—4 — непод-
вижные зеркала; 5 — сканирующее зеркало

соким входным сопротивлением усилителей. Высокое входное
сопротивление выбирается для того, чтобы уменьшить емкость
конденсатора связи, обеспечивающего получение хорошей час-
тотной характеристики на частотах, меньших 2 гц. Величина ко-
эффициента усиления предварительных усилителей по напряже-
нию составляет около 1000, что позволяет усилить минимальный
сигнал 5 мкв до уровня 5 мв, при котором осуществляется ком-
мутирование сигналов.

Лучшим переключающим элементом для рассматриваемой
схемы является транзистор типа МОП (рис. 257). В каждом бло-
ке переключателя используются 10 таких транзисторов, соеди-
ненных последовательно с 10 элементами, и один шунтирующий
транзистор типа МОП, соединенный с общим выходом блока.
Шунтирующий транзистор типа МОП обеспечивает мгновенное
гашение сигнала и запирание канала в промежутках между вы-
борками. Выходная емкость всех десяти каналов складывается
из суммы емкостей исток — сток транзисторов типа МОП. Что-
бы ограничить эту емкость и, следовательно, достигнуть прием-
лемо малого времени нарастания, транзисторы типа МОП груп-
пируются в блоки по 10 шт. Десять выходных сигналов, полу-
ченных при первой выборке, далее переключаются с помощью
десятипозиционного переключателя. Такое двухстепенное пере-
ключение уменьшает число линий управления до 20 и упрощает
логику управления.

В большинстве случаев тепловизионные системы создают на
экране изображение подобно телевизионному и работают на не-
подвижном основании. При этом развертка анализирующего и
воспроизводящего лучей производится по строкам и по кадрам.
К визуализации изображения предъявляются два требования:
отсутствие мельканий и обеспечение передачи отдельных фаз
движения объектов. Удовлетворение этим требованиям обычно
достигается путем применения черезстрочной развертки, при ко-
торой полный кадр изображения передается и воспроизводится
за 2—3 поля.

В устройствах, анализирующих температурное поле с помо-
щью набора чувствительных элементов, сканируемых колеблю-
щимся зеркалом, для формирования черезстрочного растра чув-
ствительные элементы коммутируются электрическим путем че-
рез один ряд.

Для получения кадровой развертки, состоящей из отдельных
полей, используется также приемник излучения, содержащий
линейный ряд чувствительных элементов (рис. 258), расположен-
ных так, что между ними есть промежутки фк, величина которых
зависит как от размеров этих элементов так и от числа по-»
лей в кадре т:

фк = 6K(m—-1).

При этом в качестве сканирующего устройства может быть
использована трехгранная зеркальная пирамида (46], выполнен-
ная так, что ее грани имеют разные углы наклона по отношению
к оси вращения, например:

04 = 45°; а2 = 45° + 6к/2; а3 = 45°—6к/2.

В процессе развертки строк одна грань зеркальной пирами-
ды образует поле кадра. Благодаря разному наклону граней
в промежутки между строками одного поля укладываются стро-
ки остальных полей, создавая целый кадр.
Нетрудно прийти к выводу о преимуществах схем, реализую-
щих принцип черезстрочной развертки, так как по сравнению
с обычными схемами здесь число элементов приемника Может
быть в m раз меньше (т — число полей в кадре или числр зер-
кальных граней в развертывающей пирамиде).

Выбор схемы с черезстрочной разверткой влияет на инфор-
мационные характеристики прибора, в частности, на полосу час-
тот коммутационно-усилительного тракта.

Использование черезстрочной развертки позволяет прибли-
зительно в т раз уменьшить полосу частот общего усилителя и
Облегчает тем самым условия регистрации сигналов (особенно
цри дистанционной передаче). Одновременно значительно упро-
щается и уменьшается по габаритным размерам и весу узел
приемника излучения с предварительными усилителями и ком-
мутатор.

При разработке тепловизоров с многогранными сканирующи-
ми зеркйлами необходимо повышать коэффициент г] использо-
вания грани зеркала, так как от этого в итоге зависят многие
наиболее существенные параметры аппаратуры (46]:

т]= 1—arctg(D3/D0—1)Л7л.

На рис. 259 приведена зависимость коэффициента т) исполь-
зования грани зеркала от отношения диаметра основания зер-
кальной пирамиды к диаметру объектива D3IDo,n числа граней
N. Анализ графика показывает, что при сравнительно малых

Рис. 258. Сканирующая система для черезстрочной
развертки:

1 — многоэлементный приемник излучения; 2 — объектив; 3 —
сканирующее зеркало
Рис. 259. Зависимость
коэффициента т) исполь-
зования грани зеркала от
числа граней N и отно-
шение диаметра основа-
ния зеркала к диаметру
объектива D3ldQ

габаритных размерах (D3/D0 = 2	4) большое значение т] до-

стигается только при N < 3, что соответствует значительным уг-
лам обзора (ф>40°). При малых углах обзора используются
зеркала с большим числом граней. Для них значительную вели-
чину коэффициента использования т] можно получить при высо-
ких значениях D3IDO, что связано с большими габаритными раз-
мерами зеркала.

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИК СИСТЕМАХ

Ввиду возросших требований к оптико-электронным систе-
мам контроля температурных полей весьма перспективно ис-
пользование различных типов функциональных преобразований
изображений температурных полей, формируемых на выходном
экране блока синтезирования изображения.

Функциональные преобразования изображений температур-
ных полей могут быть разделены на два типа. При выполнении
функциональных преобразований первого типа производится
только некоторое ограничение доступа на экране синтезирующе-
го блока части элементов изображения, воспринятых анализи-
рующим блоком. При этом новых элементов в изображение не
вносится. К таким преобразованиям относится формирование
контурных, изофотометрических и изотермических линий, выде-
ление зон заданного параметра и т. д. В таких системах, как
правило, используется один анализатор и один синтезатор изо-
бражения.

К функциональным преобразованиям второго типа относятся
преобразования, при которых происходит формирование по су-
ществу нового изображения, синтезируемого из нескольких пер-
428
вичных изображений (например, формирование поля цветовых
или истинных температур). В таких системах может использо-
ваться несколько одновременно работающих анализаторов и
синтезаторов изображения.

Рассмотрим более подробно операцию функционального пре-
образования изображения температурного поля, при которой вы-
деляются изотермические линии.

В системах, определяющих изотермические линии, осуществ-
ляется такое преобразование изображения поля, при котором из
всего комплекса информации о его состоянии оставляется лишь
информация о состоянии участков поля с величиной температу-
ры, соответствующей заданному уровню. При этом информация,
получаемая анализирующим блоком, как правило, разделяется
на несколько уровней и представляется синтезирующим блоком
в виде дискретного изображения, состоящего из комплекса изо-
термических линий. Существует несколько методов выделения
изотерм.

Системы, выделяющие изотермические линии температурно-
го поля, могут быть выполнены как с чисто электрическими схе-
мами определения значений сигнала, соответствующих заданно-
му уровню, так и с коммутирующими фотоэлектрическими схе-
мами, осуществляющими непосредственное сравнение величин
излучений сканируемых участков поля с излучением калибровоч-
ного источника.

В качестве источника эталонного уровня можно использо-
вать проградуированную по абсолютно черному телу лампу.
Световой поток этой лампы соответствует некоторой температуре
и подается попеременно с излучением сканируемых участков
температурного поля на чувствительный элемент. При этом ча-
стота коммутаций выбирается значительно выше частоты кад-
ров и строк.

Сигнал с чувствительного элемента поступает на преобразо-
ватель, определяющий моменты равенства температуры скани-
руемого участка поля и эталонной лампы и выдающий в эти
моменты импульсы на синтезатор изображения. На синтезаторе
эти импульсы образуют точечную изотермическую линию, соот-
ветствующую температуре эталонной лам!ты.

Очевидно, что точность у таких компенсационных сканирую-
щих пирометров всегда выше, чем у пирометров прямого изме-
рения, так как она не зависит от нестабильности параметров
чувствительного элемента, преобразователя, источников питания
и других элементов, а определяется только точностью предва-
рительной градуировки эталонной лампы и стабильностью ее
работы.

В последнее время также исследованы пути осуществления
функционального преобразования изображения с помощью ме-
тодов многоуровневого квантования изображения и различных
резонансных методов.
Рис. 260. Система выделения изофот с полупроводнико-
вым преобразователем изображения

Например, предложен способ квантования изображения, по-
зволяющий выделять линии изофот J. Изображение параметри-
ческого поля 1 (рис. 260) через объектив 2 проектируется на
сканируемую мозаику 3 фототранзисторов МОП-структуры, ра-
ботающих в режиме накопления. В нагрузку RH из схемы ИЛИ
и формирователя отметок 7 сигнал подается только в моменты
времени, когда амплитуда видеосигнала находится в заданном
диапазоне. Это обеспечивается амплитудными ограничителями 5
и 6. Если уровень видеосигнала выше опорного напряжения, на-
пример ограничителя 5, то сигнал поступит в нагрузку. Если
уровень сигнала выше опорного напряжения не только ограни-
чителя 5, но и ограничителя 6, то сигнал в нагрузки не посту-
пает. Уменьшая или увеличивая величину видеосигнала измене-
нием коэффициента усиления усилителя 4, видеосигнал можно
квантовать по уровню.

Таким образом, видеосигнал в течение кадра развертки огра-
ничивается двумя уровнями, разность между которыми задает
шаг квантования. При этом в нагрузке формируется сигнал в мо-
менты нахождения амплитуды видеосигнала между двумя опор-
ными уровнями. Затем в течение последующих кадров развертки
путем изменения коэффициента усиления усилителя 4 умень-
шается или увеличивается амплитуда видеосигнала при фикси-
рованных уровнях ограничения, и вся операция повторяется. Та-
ким образом могут быть выделены линии равной освещенности
(изофоты).

На основе исследования различных резонансных методов,
используемых в многослойных структурах, разработан ряд спо-
собов выделения изопараметрических линий. Так разработан

1 Катыс Г. П., Поликарпов С. П. и Зотов В. Д. Способ квантования изо-
бражения. «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки». Автор-
ское свидетельство № 278259, 1970, № 25.
способ выделения изотермических линий на основе мозаичных
слоев сегнетоэлектрика и люминофора !.

Устройство (рис. 261, а) состоит из воспринимающего 1 и
регистрирующего 2 экранов и блока питания. В качестве воспри-
нимающего экрана используется разделенный на ячейки слой
сегнетоэлектрика, который обладает свойством изменения ди-
электрической проницаемости в зависимости от температуры.
С внешней стороны слой сегнетоэлектрика соприкасается с за-
черненным проводящим покрытием 3, на внутреннюю его сторо-
ну наложены графитовые электроды 4.

Наибольшая зависимость диэлектрической проницаемости
сегнетоэлектрика от температуры наблюдается вблизи точки
Кюри, причем при температуре, меньшей температуры точки Кю-
ри, проницаемость в большой степени зависит и от напряжен-
ности приложенного к сегнетоэлектрику электрического поля.

Для получения однозначной зависимости диэлектрической
проницаемости от температуры рабочая область сегнетоэлектри-
ка выбирается выше точки Кюри, в которой диэлектрическая
проницаемость изменяется по закону Кюри — Вейса:

8 = 8g + C/t-Т к,

где Тк — температура при максимальной диэлектрической про-
ницаемости;

С — постоянная Кюри — Вейса, зависящая от характери-
стик данного сегнетоэлектрика.

1 Катыс Г. П., Строков В. А. Способ преобразования теплового излучения
в фотоэлектрические сигналы. «Изобретения, промышленные образцы, товар-
ные знаки». Авторское свидетельство № 179652, 1966, № 5.
В качестве сегнетоэлектрического материала использовался
триглицинсульфат, зависимость диэлектрической проницаемости
которого от температуры изображена на рис. 261, б.

Регистрирующим экраном служит слой электролюминофора,
состоящий из ZnS, взвешенного в диэлектрике. На слой электро-
люминофора наложены проводящие покрытия. С внешней сто-
роны проводящее покрытие выполнено сплошным и прозрачным;
внутреннее проводящее покрытие изготовлено в виде изолиро-
ванных равных квадратиков.

Внешние покрытия сегнетоэлектрика и электролюминофора
подсоединены к источнику синусоидального напряжения, внут-
ренние проводящие покрытия соединены друг с другом через
равные по величине индуктивности.

При отсутствии излучения в каждом контуре протекает ток,
не превышающий порогового тока излучения и не вызывающий
излучения люминофора. Поток излучений Фь попадая на слой
сегнетоэлектрика, нагревает его до некоторой температуры Т\ за
счет преобразования энергии излучения в тепловую энергию.
Это вызывает изменение диэлектрической проницаемости и, сле-
довательно, изменение емкостного сопротивления сегнетоэлек-
трика, которое изменяет сопротивление всей цепи. При равен-
стве емкостного и индуктивного сопротивления общее сопротив-
ление цепи резко падает и ток цепи при данном напряжении и
частоте скачкообразно достигает своего наибольшего значения
/max, ограничиваемого лишь активным сопротивлением цепи. На-
пряжение на емкости электролюминесцентного элемента при
этом превысит пороговый предел, при котором на электролюми-
нофоре создается напряженность, достаточная для его свечения.

Таким образом, подводя к цепи, состоящей из элементов
сегнетоэлектрика, люминофора и индуктивности, напряжение
определенной частоты /ь можно получить цепь, резонансную
к приходящему излучению потока Фь создающему освещенность
на сегнетоэлектрике Еь Чтобы получить цепь, резонансную
к другому излучению, создающему освещенность на сегнето-
электрике Е2, достаточно изменить частоту напряжения питания
на f2. Аналогично это может быть выполнено для ряда освещен-
ностей Е3, Е4,..., Еп.

Работа ряда параллельно соединенных резонансных конту-
ров аналогична работе одного резонансного контура.

Если на сегнетоэлектрический экран спроектировано изобра-
жение температурного поля, то емкостное сопротивление каж-
дого элемента экрана изменяется пропорционально величине па-
дающего на него светового потока. На экране возникает рельеф
емкостных сопротивлений, причем различие сопротивлений в от-
дельных точках приводит к модуляции токов, протекающих че-
рез последовательные контуры. Синусоидальное колебание с ча-
стотой f0 заставляет резонировать все цепи, реактивное сопро-
тивление которых равно нулю при освещенности Ео, создаваемой
432
на сегнетоэлектрике зонами объекта, имеющими температуру
То. Резонанс цепей вызывает свечение электролюминесцентных
ячеек, входящих в эти цепи, и со стороны слоя электролюмино-
фора при этом можно наблюдать последовательность светя-
щихся точек (или зон), которые составляют изотермические
линии.

Если проградуировать подаваемую частоту по температуре
в °К, то, подавая напряжение той или иной частоты f0, можно
получать изотермические линии, соответствующие различным
температурам.

Как уже отмечалось, в функциональных преобразованиях
второго типа, используемых в сканирующих периметрах, каж-
дый элемент выходного изображения связан с соответствующи-
ми элементами входного изображения с помощью определенных
закономерностей. Такие функциональные преобразования явля-
ются более сложными, чем функциональные преобразования пер-
вого типа, так как в этом случае, как правило, по двум изобра-
жениям, воспринимаемым двумя анализаторами, воспроизводит-
ся одно комплексное изображение. К функциональным преобра-
зованиям изображения второго типа, например, может быть
отнесено формирование полей цветовой и истинной температуры
(по двум исходным изображениям).

В ряде областей техники возникла большая потребность
в проведении контроля полей цветовых температур', исследова-
ны принципы построения сканирующих систем контроля полей
цветовых температур, разработан ряд систем этого типа и про-
ведено их сравнение по ряду показателей (51].

Разработана система контроля цветовых температур, в кото-
рой формирование последовательности сигналов, пропорциональ-
ных двум местным яркостным температурам поля, измеренным
при различных длинах волн, выполняется с помощью двух фо-
тоэлектронных сканирующих устройствВ этой системе
(рис. 262) с помощью объектива 2 и светоразделительного зер-
кала 3 световой поток, идущий от объекта /, разделяется на два
луча, которые проходят через разные светофильтры 6 и 7 и по-
падают на два сканирующих устройства 4 и 5, производящих
синхронную развертку изображения с помощью отклоняющих си-
стем 8 и блока развертки 11. Сигналы с чувствительных элемен-
тов после усиления в усилителях 9 поступают на пересчетную
схему 10, в которой формируется результирующий сигнал, про-
порциональный цветовой температуре точки поля, сканируемой
в данный момент времени. Этот сигнал подается на монитор 12,
на экране которого синтезируется изображение поля цветовой
температуры объекта.

1 Катыс Г. П. Прибор для измерения цветовой температуры. «Бюллетень
изобретений и товарных знаков». Авторское свидетельство № 156718, 1963,
№ 16.

28 Заказ 375	4 33
Рис. 262. Система контроля полей цветовой темпера-
туры с фотоэлектронной разверткой изображения

Рассмотренная система имеет двухканальную структурную
схему, что предъявляет определенные требования к идентично-
сти и стабильности характеристик каждого канала.

Для контроля полей цветовых температур также предложена
сканирующая система, имеющая одноканальную структурную
схему (рис. 263). Формирование измерительного сигнала, про-
порционального местным цветовым температурам, в схеме вы-
полняется с помощью вращающегося многогранного зеркально-
го барабана 5, плоскости граней которого имеют различный
наклон к оси вращения. С помощью объектива 4 и зеркала, яв-
ляющегося одной из граней зеркального барабана, участок изо-
бражения проектируется на коммутирующий фотоэлемент S, ко-
торый позволяет осуществлять фотоэлектронную коммутацию
двух монохроматических световых потоков различного спек-
трального диапазона, подаваемых на различные участки его фо-
токатода L В цепи фотоэлемента формируется модулированный
электрический сигнал, амплитуда которого попеременно пропор-
циональна интенсивностям двух коммутируемых световых по-
токов.

1 Катыс Г. П. Способ определения полей цветовой температуры объекта.
«Бюллетень изобретений». Авторское свидетельство № 130213, 1960, № 14
434
Для того чтобы при сканировании формировались два рядом
расположенных амплитудных значения сигнала, соответствую-
щие одной и той же точке температурного поля, обеспечены
одинаковые линейные скорости сканирования изображения вдоль
строки и коммутирования элемента изображения на двух участ-
ках фотокатода. Получаемые с фотоэлемента электрические сиг-,
налы подаются на вычислительное устройство. Так как в данном
случае величина цветовой температуры пропорциональна вели-
чине коэффициента глубины модуляции электрического сигнала,
формируемого на фотоэлементе, в качестве вычислительного уст-
ройства использована схема для измерения глубины модуляции
сигнала.

Среди рассматриваемого класса систем самостоятельную
группу составляют системы активного теплового контроля со
сканирующим воздействием и съемом информации. Такие си-
стемы находят наибольшее применение при выявлении отслаи-
ваний в многослойных структурах, при обнаружении внутренних
трещин, раковин и т. д. В качестве локального источника тепла
используются электронный луч, плазменная струя, оптическое
излучение (когерентное и некогерентное) и др. Разработан ряд
методов введения тепла и измерения ответной температуры, по-
зволяющих исключить влияние коэффициентов поглощения и
излучения объектов.

Разработаны системы, осуществляющие энергетическое воз-
действие с помощью оптических излучений, широкого спектраль-
ного диапазона (от ИК до УФ излучения). В настоящее время
удельная мощность промышленных образцов источников опти-

Рис. 263. Система контроля по-
лей цветовой температуры с оп-
тико-механической разверткой
изображения:

/ — синий фильтр; 2 — светоне-
проницаемый экран с отверстием;

3, 4 — объектив; 5 — барабан Вей-
лера; 6 — усилительно-преобразова-
тельный блок; 7 — красный свето-
фильтр; 8 — коммутирующий фо-
тоэлемент
ческой энергии (в основном, лазеров) достигает 107—109 вт!см2,
а минимальные размеры пятна воздействия могут быть порядка
1 мкм [55]. Модуляция оптического излучения может осуще-
ствляться электрооптическими средствами с высокой частотой
(до 1010 гц). Отклонение оптического луча осуществляется раз-
личными сканирующими средствами как оптико-механическими,
так и электрооптическими. В большинстве случаев сканирующие
системы активного контроля тепловых полей являются оптико-
механическими. Основная причина этого заключается в том, что
разработанные к настоящему времени немеханические системы
отклонения световых пучков обладают ограниченными возмож-
ностями. Например, угол отклонения светового луча немехани-
ческими средствами не превышает 6—8°, что в большинстве слу-
чаев сканирующего воздействия является недостаточным.

Одним из наиболее удобных нагревателей для анализа объ-
ектов сложной конфигурации является высокоэнергетический
луч лазера, с помощью которого несложно обеспечить постоян-
ство величины воздействия на зоны объекта, расположенные на
неодинаковом расстоянии от излучателя. Кроме того, функции
сканирующего элемента при оптическом воздействии и при съе-
ме ИК информации можно объединить в одном блоке.
Разработаны системы, осуществляющие оптическое сканиру-
ющее энергетическое воздействие на контролируемую поверх-
ность с целью инициирования выхода вторичной информации
о состоянии этой поверхности. Созданы, например, сканирующие
системы, позволяющие определять внутренние дефекты (рако-
вины, трещины, полости и др.) в монолитных деталях по дефор-
мации равномерного температурного поля, специально создавае-
мого на поверхности объекта. В такой системе путем последова-
тельного сканирования поверхности объекта энергетическим
(например, инфракрасным лучом) создается равномерное тем-
пературное поле. Через некоторое время это поле определенным
образом деформируется вследствие различных условий тепло-
проводности, имеющих место в объекте из-за внутренних дефек-
тов. Получающееся температурное поле, несущее в себе инфор-
мацию о внутренней структуре материала объекта, считывается
информационной сканирующей системой и воспроизводится на
экране блока, синтезирующего выходное изображение.

На рис. 264 приведена оптико-механическая сканирующая
система активного контроля с использованием луча лазера 1
для нагрева объекта 2. Система создана на основе низкотемпе-
ратурного пирометра. Она обладает простотой и надежностью
работы за счет использования синхронного сканирования поля
информационным устройством и устройством воздействия. Тем-
пература, до которой нагревается объект под действием лазер-
ного луча, с помощью колеблющегося зеркального объектива 3
и 4 и приемника излучений 5 синхронно измеряется в точке И
через некоторый промежуток времени после воздействия В, На
оси вращения зеркального объектива устанавливается зеркало 6
сферической формы, направляющее луч лазера в зону воздей-
ствия.

Подобные сканирующие системы активного теплового кон-
троля обладают универсальностью применения и возможностью
сканирования объекта практически по любой траектории. Они
позволяют проводить обработку поступающей информации сред-
ствами современной вычислительной техники, что обеспечивает
автоматизацию процесса контроля.

Необходимо отметить, что в рассмотренных системах так же,
как в системах пассивного контроля температурных полей, мо-
гут быть использованы различные методы функционального пре-
образования изображения поля, формируемого на выходном
экране синтезирующего блока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Адирович Э. И. Основные идеи и перспективы оптоэлектроники.— «Из-
вестия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника», т. XI, 1968, № 7, 680 с.

2.	Айвазова Л. С., Горбач Т. Я., Кролевец К. М. Четырехэлементные по-
зиционно-чувствительные фотодиоды. В кн. «Полупроводниковая техника и
микроэлектроника». М., «Наука», 80 с.

3.	Ахутин И. В. Преобразование оптических изображений дифференци-
рующей передающей телевизионной трубкой.— «Оптико-механическая про-
мышленность», 1969, № 4, 18 с.

4.	Базаров В. К. Полупроводниковые лазеры и их применение. М.; «Энер-
гия», 1969, 56 с.

5.	Басов Н. Г. и Попов Ю. М. Полупроводниковые квантовые генерато-
ры.— «Физика полупроводников», вып. II, 1967.

6.	Беляков Л. В., Золотарев В. Ф. Однослойный телевизионный преобра-
зователь на основе аморфного селена.— «Вопросы радиоэлектроники», сер. IX,
1966, № 4, 97 с.

7.	Берковская К. Ф., Крайцер В. Л. Новый фотоэлектрический преобра-
зователь-сканистор.— «Техника кино и телевидения», 1967, № 4, 40—46 с.

8.	Берковская К. Ф. Безвакуумный телевизионный преобразователь изо-
бражения— сканистор. В кн.: «Полупроводниковые приборы и их примене-
ние». Под ред. Я. И. Федотова. М., «Советское радио», 1968, вып. 20.

9.	'Берковская К. Ф., Кирилова Н. В., Конакова Р. В. Повышение разре-
шающей способности телевизионного преобразователя — сканистора.— «Тех-
ника кино и телевидения», 1969, № 12, 50 с.

10.	Берлин Н. И. и др. Высокоточная измерительная телевизионная си-
стема.— «Техника кино и телевидения», 1970, № 3, с. 43—44.

11.	Биванс Е. Сканирующий радиационный пирометр.— «Экспресс инфор-
мация». Приборы и элементы автоматики», 1965, № 42, с. 22—26.

12.	Богославский Г. Е. и др. Некоторые возможности использования
принципов оптоэлектроники для совершенствования средств измерительной
техники.— «Измерительная техника», 1970, № 1, с. 5—8.

13.	Борбуков Г. С., Брацлавец П. Ф. и др. Телевизионные системы с пе-
рестраиваемыми параметрами.— «Техника кино и телевидения», 1971, № 4,
50 с.

14.	Васильев А. М., Лисин А. С. Динамические свойства кремниевых фо-
тоэлементов с продольным фотоэффектом. — «Радиотехника и электроника»,
1966, № 10, с. 1851—1855.

15.	Вафиади В. Г. Фотоэлектрическая автоматика. Минск, «Высшая шко-
ла», 1966, 130 с.
16.	Вейберг В. В., Саттаров Д. К. Оптика, световодов. Л., «Машинострое-
ние», 1969, 312 с.

17.	Веников Г. В. Сверхбыстродействующие вычислительные устройства.
М., «Энергия», 1966, 158 с.

18	Гарбуни М. Физика оптических явлений. М., «Энергия», 1967, 496 с.

19.	Герасимова Т. М., Лямичев И. Я., Орлов И. Н. Электролюминесцент-
ные преобразователи изображения и влияние характеристик фотопслупровод-
никового слоя на их параметры.— «Физико-технологические вопросы киберне-
тики». Труды семинара, вып. I, Киев «Наукова думка», 1968, 51 с.

20	Головин Б. М. Новый электрофотографический процесс, осуществляе-
мый с помощью комбинированных электретных слоев. ДАН СССР, . т. 129,
1959, с. 1108—1011.

21.	Головихина В. И., Золотарев В. Ф. Анализ безвакуумных способов
телевизионного преобразования изображений с накоплением заряда. В кн.:
«Микроэлектроника», вып. 4. М., «Советское радио», 1971, с. 229—239.

22.	Головихина В. П., Золотарев В. Ф. Многослойные фотоэлектрические
преобразователи изображения.— «Техника кино и телевидения», 1969, № 7,
64 с.

23.	Головихина В. П., Золотарев В. Ф. Фотоэлектрические преобразова-
тели изображения с оптической коммутацией.— «Техника кино и телевиде-
ния», 1970, № 2, с. 54.

24.	Головихина В. П., Золотарев В. Ф. ФЭПИ на основе сегнетоэлектри-
ков. — «Ученые записки Ульяновского государственного политехнического
ин-та», т. 24, 1969, вып. III, ч. 2.

25.	Головихина В. П., Золотарев В. Ф. Анализ записи, хранения и вос-
произведения информации с использованием фотоэлектретных свойств. В кн.:
«Физические основы электрофотографии», Вильнюс, «Техника», 1969,
139 с.

26	Головихина В. П., Золотарев В. Ф. Безвакуумный аналог телевизион-
ной трубки с ленточной мишенью.— «Ученые записки Ульяновского государ-
ственно-политехнического ин-та», т. 24, 1969, вып. III, ч. 2.

27.	Горбач Т. Я. и др. Позиционно-чувствительные фотодиоды для сле-
дящих систем.— «Автоматика и приборостроение», 1964, № 4, с. 54—56.

28.	Грязин Г. Н. Телевизионные системы с импульсным экспонированием
передающей трубки.— «Техника кино и телевидения», 1971, № 7, 58 с.

29.	Грязин Г. Н. Исследование телевизионных стробоскопов на передаю-
щих трубках с внутренним фотоэффектом.— «Известия высших учебных заве-
дений. Приборостроение», 1968, № 5, 14 с.

30.	Денисюк Ю. Н. Об отображении оптических свойств объекта в вол-
новом поле рассеянного им излучения.— «Оптика и спектроскопия», т. XVIII,
1965, вып. 2.

31.	Деркач В. П., Корсунский В. М. Электролюминесцентные устройства.
Киев, «Наукова Думка», 1968, 301 с.

32.	Джемисон Дж. Э. и др. Физика и техника инфракрасного излучения.
М., «Советское радио», 1965, 641 с.

33.	Джун-Ити Нисидзава. Создание оптоэлектронных приборов для циф-
ровой техники.— «Электроника» (пер. с англ.), т. 40, 1967, № 25, 28 с.

34.	Елизаренко А. С. и др. Расчет пеленгационной характеристики опти-
ко-электронной угламерной системы.— «Оптико-механическая промышлен-
ность», 1968, № 6, с. 14—16

35.	Елинсон С. И. Современное состояние и перспективы пленочной элек-
троники и некоторых разделов оптоэлектроники.— «Радиотехника и электро-
ника», т. 13, 1968, № 1,2 с.

36.	Ефимов М. В. Следящие системы с оптическими связями. М., «Энер-
гия», 1969, 184 с.

37.	Замфир Г. Н., Золотарев В. Ф. Фотоэлектрический преобразователь
изображения, использующий эффект Суля.— «Автоматика и телемеханика»,
1970, № 8.
38.	Замфир Г. Н., Золотарев В. Ф., Рабинович Ц. М. Разложение изобра-
жения отклонением носителей тока магнитным полем.— Ученые записки
Ульяновского государственного политехнического ин-та», 1969, т. 24, вып. III,
ч. 2, 144 с.

39.	Замфир Г. И., Золотарев В. Ф., Рабинович Ц. М. Разложение изо-
бражения с помощью дрейфа неосновных носителей тока.— «Ученые запис-
ки Ульяновского государственного политехнического ин-та», т. 24, 1969,
вып. III, ч. 2.

40.	Замфир Г. Н., Золотарев В. Ф. Фотоэлектрическое преобразование
изображения на основе доменов сильного поля.— «Физика и техника полупро-
водников», 1970, № 8, с. 1714—1719.

41.	Зверев В. А., Орлов Е. Ф. Оптические анализаторы. М., «Советское
радио», 1971, 240 с.

42.	Зозуля Ю. И., Нефедов Ю. И. и др. Детектирование движения в сет-
чатке лягушки. — В кн.: Проблемы бионики, Харьков, «Техника», 1971, вып. 5.

43.	Золотарев В. Ф. Безвакуумные способы телевизионного преобразо-
вания изображений.— «Успехи физических наук», т. 104, 1971, вып. 1.

44.	Золотарев В. Ф., Ларичев В. Н. О р—n-переходных в фоточувстви-
тельных слоях Pb. S.— «Физика твердого тела», т. 2, 1960, № 8, 1741 с.

45.	Золотарев В. Ф. Сравнение способов преобразования изображений с
накоплением заряда.— «Физика твердого тела», 1970, № 8.

46.	Кариженский Е. Я., Мирошников М. М. Сканирующие системы для
тепловизоров.— «Оптико-механическая промышленность», 1970, № 9, 39 с.

47.	Катаев С. И. Возможность передачи телевизионной картины с по-
мощью узкой полосы частот.— «Радиотехника», 1937, № 2, с. 71—80.

48.	Катыс Г. П. Методы и системы автоматического контроля нестацио-
нарных параметров и параметрических полем. М., Машгиз, 1963, 360 с.

49.	Катыс Г. П. Сканирующие фотоэлектрические устройства поиска и
слежения. М., «Наука», 1964, 178 с.

50.	Катыс Г. П. Информационные сканирующие системы. М., «Машино-
строение», 1965, 448 с.

51.	Катыс Г. П. Автоматический обзор и поиск в оптическом диапазоне.
М., «Наука», 1966, 156 с.

52.	Катыс Г. П. Автоматическое сканирование. М., «Машиностроение»,
1969, 620 с.

53.	Катыс Г. П., Кравцов Н. В., Чирков Л. Е. Модуляция и отклонение
оптического излучения. М., Изд-во АН СССР, 1967, 176 с.

54.	Катыс Г. П. Автоматический контроль нестационарных параметров
и параметрических полей. М., Изд-во АН СССР, 1962, 472 с.

55.	Катыс Г. П., Чубаров Е. П. Современные методы и системы контроля
температурных полей. — «Приборы и системы управления», 1971, № 10,
17 с.

56.	Клеменсон В. И. Самосканирующий преобразователь изображения,
использующий домен сильного поля.— «Труды института инженеров по элек-
тронике и радиоэлектронике», т. 55, 1967, 105 с.

57.	Коновалов С.. М., Лалабеков В. И., Чубаров Е. П. Некоторые новые
возможности создания высоточных датчиков оптических следящих систем.
В кн.: «Современные проблемы кибернетики». М., «Наука», 1970, 125 с.

58.	Кравцов Н. В., Чирков Л. Е. и Поляченко В. Л. Элементы оптоэлек-
тронных информационных систем. М., «Наука», 1970, 222 с.

59.	Кравцов Н. В., Стрельников Ю. В. Позиционно-чувствительные дат-
чики оптических следящих систем. М., Наука», 1969, 117 с.

60.	Крайзмер Л. П., Бородаев Д. А., Гутенмахер Л. И. Ассоциативные
запоминающие устройства. М., «Энергия», 65 с.

61.	Криксунов Л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные системы. М., «Совет-
ское радио», 1968, 320 с.

62.	Кролевец К. М. Основные расчетные соотношения для фотодиодных
позиционно-чувствительных фотоприемников.— «Радиотехника и электрони-
ка», т. 7, 1963, 1750, № 10.
63.	Куликовская Н. И., Гальперн Л. А., Курышева В. М. Оптические
характеристики сканирующих систем тепловизоров.— «Оптико-механическая
промышленность», 1970, № 10, 21 с.

64.	Лазарев Л. П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения
и наведения летательных аппаратов. М., «Машиностроение», 1970, 540 с.

65.	Левшин В. Л. Пространственная фильтрация в оптических системах
пеленгации. М., «Советское радио», 1971, 198 с.

66.	Лейт Э., Упатниекс Ю. Фотографирование с помощью лазера.— «Ус-
пехи физических наук», т. 87, 1965, вып. 3, с. 521—539.

67.	Лисица М. П., Бережинский Л. И., Волах М. Я. Волоконная оптика.
Киев, «Техника», 1968, 279 с.

68.	Люстров Ю. М., Таубкин И. И. Оценка линейности инверсионных ха-
рактеристик продольных фотоэлементов.— «Радиотехника и электроника»,
1965, № 1.

69.	Малахов И. К. Безвакуумные преобразователи телевизионных изо-
бражений.— «Техника кино и телевидения», 1969, № 9, с. 78—84.

70.	Мерц Л. Интегральные преобразования в оптике. М., «Мир», 1969,
181 с.

71.	Микаэлян А. Л. Голография. М., «Знание», 1968, 50 с.

72.	Микаэлян А. Л., Тер-Микаэлян М. Л., Турков Ю. Г. Оптические ге-
нераторы на твердом теле. М., «Советское радио», 1967, 384 с.

73.	Мирошников М. М., Овчаренко Г. М. Влияние побочных потоков из-
лучения на работу ИК-радиометра.— «Оптико-механическая промышленность»,
1970, № 10, 3 с.

74.	Мирошников М. М., Черняев Ю. С. Телевидение в медицинских ис-
следованиях.— «Оптико-механическая промышленность», 1970, № 3, 14 с.

75.	Моррисон С. Р. Фоточувствительные полупроводниковые приборы но-
вого типа.— «Зарубежная радиоэлектроника», 1964, № 5, с. 95—98.

76.	Налимов И. П. Лазерная голография — основные принципы и при-
менение.— «Зарубежная радиоэлектроника», 1966, № 2, с. 3—28.

77.	Нефедов Ю. И., Нервов В. Г., Абдула В. Г. Телевизионная модель
детектора движения.— В кн.: Проблемы бионики, вып. 7, Харьков, «Техни-
ка», 1971.

78.	Нефедов Ю. И., Червов В. Г., Бугай КХ П. Исследование возможно-
сти изотропного, выделения контуров изображений в передающей телевизион-
ной системе. — В кн.: Радиотехника, вып. 2, Харьков, «Техника», 1969.

79.	Николаев П. В., Сабинин Ю. А. Фотоэлектрические следящие систе-
мы. Л., «Энергия», 1969, 135 с.

80.	Оптическая обработка информации. Сб. статей под ред. С. П. Ерко-
вича. М., «Мир», 1966, с. 133—165.

81.	Орлов И. Н., Попова Г. Е., Сощин Н. П. Электролюминесцентные
индикаторные панели матричного типа с нелинейным сопротивлением. В кн.:
«Физико-технологические вопросы кибернетики». Труды семинара, вып. 1,
Киев, «Наукова думка», 1968, с. 99—120.

82.	Паночевный Е. В., Ковшанюк Н. Ф., Кокорев Д. Т. О прохождении
тока через границу зерна в германии.— «Радиотехника и электроника», 1966,
т. 11, № 10, 1888 с.

83.	Петренко А. И. Автоматический ввод графиков в электронные вычи-
слительные машины. М., «Энергия», 1968, 423 с.

,	84. Петрович Н. Т., Размахин М. К. Системы связи с шумоподобными
сигналами, М., «Советское радио», 1969, 232 с.

85.	Полунов Ю. Л. Полупроводниковые позиционно-чувствительные фо-
топриемники.— «Оптико-механическая промышленность», 1969, № 3, 51 с.

86.	Полупроводниковый видикон. «Электроника», т. 41, 1968, № 21, с. 53.

87.	Поляков В. Г., Переверзев-Орлов В. С. Электронные системы следя-
щей развертки. М., «Энергия», 1968, 191 с.

88.	Рапопорт Б. И. Возможности передачи голографического изображения
малокадровой телевизионной системой.— «Техника кино и телевидения», 1970,
№ 6, 51—52 с.
89.	Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.,
Физматгиз, 1963, 136 с.

90	Свет В. Д. Оптические методы обработки сигналов. М., «Энергия»,
1971, 104 с.

91.	Свечников С. В. Элементы оптоэлектроники. М., «Советское радио»,
1971, 272 с.

92.	Снайвли Б. Б. Лазеры на органических красителях с накалкой ст
импульсных ламп.— «Труды института инженеров по электротехнике и радио-
электронике» (пер. с англ.), т. 57, 1969, № 8, 32—51 с.

93.	Солдатов Ю. И. О следящем оптико-фотоэлектрическом устройстве
с разделением поля зрения зеркальной пирамидой.— «Оптико-механическая
промышленность», 1968, № 1, 31 с.

94.	Сороко Л. М. Голография и интерференционная обработка информа-
ции.— «Успехи физических наук», т. 90, 1966, вып. 1, 3—47 с.

95.	Тайц Т. И. Об автоматической регулировке параметров видеоусили-
тельного тракта телевизионной системы.— «Вопросы радиоэлектроники»,
сер. IX, 1962, вып. 2.

96.	Таубкин И. И. Радиационный порог фотоэлементов с продольным эф-
фектом.— «Радиотехника и электроника», т. XII, 1967, № 6, 1123—1126 с.

97.	Темников Ф. Е. Автоматические регистрирующие приборы. М., «Ма-
шиностроение», 1968, 384 с.

98.	Херберт Дж. Считывание и запись электронным лучом.— «Электро-
ника» (перевод), т. 39, 1966, с. 3—13.

99.	Хортон И. Н., Мацща Р. В., Дим Н. Сканистор — твердотельное раз-
вертывающее устройство.— «Труды института радиоинженеров» (пер. с англ.).
1964, № 12.

100.	Цукербраун И. С. Высоконадежное сканирующие устройства для
астронавигационных систем.— «Электроника» (пер. с англ.). 1962, № 19,
с. 45—50.

101.	Шестов Н. С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных
помех. М., «Советское радио», 1967, 347 с

102.	Широков В. 'Б., Зотов В. Д. Полупроводниковый позиционно-чувст-
вительный приемник излучения с использованием эффекта фокусировки
в германии. — В кн.: Теория и средства технической кибернетики, М., «Нау-
ка», 1967.

103.	Янг С. Дж. Лазеры на стеклах.— «Труды института инженеров пс
электронике и радиоэлектронике» (пер. с англ.). 1969, № 7, с. 36—57.

104.	Albus J. S. Digutal solar—aspect sensore. Astronautics, 1962, Jan, 18 p.,

105.	Arm M., King M. Holographic storage of electric signals Appl. Opt.,
1969, July., vol. 8, N 7, p. 1413—1419.

106.	Atwill W. D. Star tracker uses electronic scanning. Electronics, 1960,
vol. 33, N 40, p. 88—91.

107.	Bennet S. J., Gates J. W. C. The design of detector arrays for laser
alignment systems. «J. Phys.», 1970, E3, N 1, p. 65—68.

108.	Birnbaum N. M., Salomon P. M. The astroguide — a space vehicle
havigation system. IRE International Convent Record, 1962, v. 10, N 5,
p. 137—153.

109.	Borley G. R., Guilford L. H. A 100 line thermal viewer. Infrared Phv-
sics, 1968, v. 8, p. 131—134.

110.	Bruder loseph A. Instrumentation for mapping light intensity contours
«IEEE Trans Vehicular Technol», 1970, v. 19, N 3, 225 p.

111.	Candy I. S., Franke M. A., Haskell. Transmitting television as clusters
of frame — to—frame differences. «Bell. Syst. Techn. I», 1971, v. 50, N 6,
p. 1889—1917.

112.	Davis L. W. Semiconductor junctions as positional indicators of radia-
tion. Proc. IRE Austr., 1961, v. 22, N 8, 509 p.

113.	Dickinson A. Holography and Character recognition. «Marconi Rev.»,
1967, 30, N 164, 131 p.

114.	Engelbrecht R. S. Solid—state bulk phenomena and their application
to integrated electronics. IEEE Trans, 1968, Sept. SC—3, p. 210—212.
115.	Fisher Colin. Analysing images by computer «New Sci, and Sci. I»,
1971, 51, N 770, p.p. 676—678.

116.	Furumoto Horace W., Ceccon Harry L. Ultraviolet organic liquid lesers
IEEE Qnant Electron, 1970, v. 6, N 5, p. 262—268.

117.	Gabor D. Information processing with conherent light. Optica Acta,
1969 Jnly—August, vol. 16, N 4, p. 519—533.

118.	Gabor D. Associative holographic memories. «IBM. J. Res. and De-
velopm.», 1969, vol. 13. N 2, p. 156—159.

119.	Gedance A. R. Compariton of IR-tracking system. J. of the Opt. Soc.
of Am., 1961, vol. 5, N 10, 18 p.

120.	Goel James E., Standley Robert D. Optical wavёquides bring Lasser
communication closer «Electronics», 1970, v. 43, N 18, p. 60—67.

121.	Hagen W. F. Diffraction—limited high—radiance Nd-glass laser system.
«J. Appl. Phys», 1969, 40, N 2, p. 511—516.

122.	Kailman H. P. Date storage and display with polarised phosphors.
Electronics, 1959, v. 32, N 35, p. 39—42.

123.	King M. G. A new Approach to computer—generated holography. Appl.
Optics, 1970, vol. 9, N 2, p. 471—475.

124.	Kirshner U. Optishe datenver—arbeitung. «Elektron Datenverarb»,
1969, 11, N 4, p. 187—193.

125.	Koester Ch. J., Snitrer E. Amplification in a fiber laser. «Appl. Optics»,
1964, vol. 3, N 10, p. 1182—1186.

126.	Koester C. J., Swope С. H. Some laser effects potentially useful in
optical logic functions. Optical and electrooptical information processing, ch. 15,
M. I. T. Press, 1965, 71 p.

127.	Kok Winston E. Fundamentals of holography. «Laser Focus», 1969,
vol. 5, N 3, 12 p.

128.	Kopany N. S. Fiber optics activity expanding. «Electronic News», 1961,
vol. 6, N 265, 36 p.

129.	Kruse I. R. Automatic TV tracker keeps eye on missiles. Electronics,
1964, vol. 37, N 13, p. 82—87.

130.	Laser beam scan systems detailed by more forms. «Electronic News»,
1966, N 554, 36 p.

131.	Lin L. H., Beanchamp H. L. Write—read—erase in situoptical memory
using thermoplastic holograms. Appl. Optics, 1970, Sept, vol. 9, p. 2088—
2092.

132.	List W. E. Solid—state imaging—methods at approach. JEEE Trans
1968, Apr. ED—15, N 4, p. 256—261.

133.	Marquis D. C. Optical tracking a brief aurvey of the field. Appl.
Optics, 1966, v. 5, N 4, p. 481—487.

134.	Mezrich R. S. Magnetic holography. Appl. Optics, 1970, oct. vol. 9,
N 10, 2275 p.

135.	Nelson T. J. Digital light deflection. Bell System Tech, 1964, v. 43,
N 3, 821 p.

136.	Panish Mortin B., Hayashi Izuo. A new class of dide laser Sci. Amer,
1971, v. 225, N 1, p. 32—40.

137.	Patterson C. Application of the lateral photoeffect to a tracking system.
Infrared Physics, 1962, vol. 2, N 2, p. 75—84.

138.	Poppelbaum W. J., Faiman M. Uncommon electro—optice for display
and processing. «Wescon Techn. Papers», 1968, N 1, 16 p.

139.	Preston Kendall Ir. A coherent optical computer system using the mem-
brane light modulator. «IEEE Trans. Aerospace and Electron. Syst.», 1970, v. 6,
N 4, p. 458—467.

140.	Raichman I. A. An optical read—werite mass memory. Appl. Optics,
1970, Oct. vol. 9, N 10, p. 2269—2271.

141.	Ramberg E. G. The hologram—properties and applications. «R. C. A.
Rev.», 1966, 27, N 4, p. 467—500.

142.	Roberston Gordon J., Sandbank С. P. Integrated solid state display
needs no complex circuity. «Electronics», 1969, vol. 42, N 3, p. 100—104.
143.	Rome M., Fleck M. G., Hines D. C. The quadrant multiplier phototube,
a new star—tracker seansor. Applies Optics, 1964, v. 3, N 6, p. 691—695.

144.	Rosell F. A. Prism scanner «I. of the opt. soc. of America», 1966,
vol. 50, N 6, 521 p.

145.	Saideman E. K. F. M. star-lock system using mask with linear sectors.
IRE Trans, on aerospace and navigational electronics, 1962, vol. ANE—9, N 1,
p. 24—34.

146.	Sakaguchi M., Nishida N., Nemoto T. A. New associate memory system
utilising holography IEEE Trans., 1970, Dec. C—19, N 12, p. 1174—1181.

147.	Special ussie on solid—state imaging. IEEE Trans Electron devices,
1968, v. ED—15, N 4, 7 p.

148.	Stanbler Irwin. Ranger: first US moon impact vehicle. Space/astronau-
tics, 1961, Febr. N 2, 28 p.

149.	Stewart W. C., Cosentino L. S. Optics for a read—write holographic
memory. AppL Optics, 1970, vol. 9, N 10, p. 2271—2275.

150.	Van Heerden P. Y. Theory of optical information storage in solids.
AppL Opt., 1963, April, vol. 2, N 4, p. 393—400.

151.	Weimer P. K. Multielement self—scanned mosaic sensors. IEEE Spec-
trom, 1969, v. 6, N 3, 14 p.

152.	Weimer P. K-, Pike W. S., Sadasiv G. Multielement selfscanned mosaic
sensore. IEEE Spectrum., 1969, v. 6, N 8, p. 52—65.

153.	Williams T. L. Electro-optical measurement and detection of small
displacements of a light spot. Instrum. Rev., 1966, v. 13, N 171, p. 88—90.

154.	Williams T. L. Development and application of positionsensitive photo-
cells. Instr. Practice, 1965, v. 19, N 8, 733 p.

155.	Wilson Donald K., Wuensch Richard. Sun tracker with moon and planet
tracking modification. Techn. Session Preprints Amer. Astronaut. Soc., I960,
N 77, p. 1—25.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение	3

Часть. I. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

РАЗДЕЛ 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Глава 1.	Получение, обработка и представление информации в оптико-
электронных системах	10

Г лава 2.	Голографическая обработка информации	26

Основные принципы голографии	26

Схемы получения голограмм	33

Голографическая запись и считывание информации	37

Голографические методы распознавания обработки и представ-
ления информации	53

Глава 3.	Ассоциативная выборка информации	59

Принцип ассоциативности	59

Голографическая ассоциативная обработка информации	65

Глава 4.	Способы двумерного сканирования	76

Параллельный съем информации	77

Параллельно-последовательный съем информации	81

Последовательный съем информации	89

РАЗДЕЛ 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ
ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

Глава 1.	Оптические квантовые	генераторы	96

Твердотельные лазеры	97

Жидкостные лазеры	101
Газовые лазеры	102

Полупроводниковые лазеры	103

Глава 2.	Волоконная и интегральная оптика	111

Волоконная оптика	111

Интегральная оптика	121

Глава 3.	Электролюминесцентные устройства	132

Глава 4.	Полупроводниковые оптико-электронные	устройства	144

Полупроводниковые позиционно-чувствительные	устройства 145

Полупроводниковые устройства, предназначенные для анализа
и передачи изображений	147

Преобразователи, действующие без накопления	заряда	153

Полупроводниковые оптико-электронные анализаторы, дейст-
вующие с накоплением заряда	157

Матричные анализаторы изображения	183

Часть II. ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ

ИНФОРМАЦИИ

РАЗДЕЛ 1. ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА

Глава 1. Основы построения оптико-электронных вычислительных уст-
ройств	202

Глава 2.	Лазерные элементы вычислительных устройств	211

Глава 3.	Электролюминесцентные элементы вычислительных устройств 223

Глава 4.	Электрооптические элементы вычислительных устройств	230

Глава 5.	Оптико-электронные вычислительные устройства	233

Глава 6.	Оптико-электронная обработка двумерной информации	243

РАЗДЕЛ 2 ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ
СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ

Глава 1.	Классификация и принципы построения следящих	устройств 254

Глава 2.	Основные параметры и характеристики следящих	устройств	262

Глава 3.	Время-импульсные следящие устройства	269

Глава 4.	Частотные следящие устройства	287

Глава 5.	Фазовые следящие устройства	302

Глава 6.	Амплитудные следящие устройства	329

Фотопотенциометры*	331

Устройства, основанные на использовании фотоэффекта на
границе кристалла	333
Устройства, основанные на эффекте продольного фототока
в полупроводниках	337

Квадрантные следящие устройства	349

Дифракционные следящие устройства	363

Экранирующие следящие устройства и устройства с профи-
лированными чувствительными элементами	372

РАЗДЕЛ 3. ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ
АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Глава 1. Классификация систем анализа изображений	377

Глава 2. Перспективные способы анализа и передачи видеоинформации 385

Глава 3. Фототелевизионные, малокадровые и стробоскопические систе-
мы передачи изображений	400

Глава 4.	Системы передачи изображений в	ИК	диапазоне	412

Оптико-механические ИК системы	414

Функциональное преобразование изображений	в ИК системах 428-

Список	литературы	438-
Георгий Петрович Катыс
ОПТИКО ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА
ИНФОРМАЦИИ

Редактор издательства инж. 3. С. Баранова

Оформление художника А. Я. Михайлова
Художественный редактор В. В. Лебедев
Технический редактор В. Д. Элькинд
Корректор И. М. Борейша


Сдано в набор 14/VII 1972 г.

Подписано к печати 11/1 1973 г.

Т-01813 Тираж 6500 экз.
Печ. л. 28 Бумага № 1
Уч -изд. л. 28,25 Формат 60 X 90/16
Цена 1 р 98 к Зак. № 375

Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ*
Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3.

Экспериментальная типография ВНИИ
полиграфии Государственного комитета
Совета Министров СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли

Москва, К-51, Цветной бульвар, 30