Московский государственный университет печати

Сидоров А.С.


         

Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии

Учебное пособие


Сидоров А.С.
Электронные устройства полиграфического оборудования: Ч. 2. Лазеры в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

Лазерное излучение

1.1.

Физические принципы

1.2.

Возбуждение, автоматическая фокусировка, частотный спектр лазерных колебаний

1.3.

Энергетические характеристики, режимы действия лазеров

2.

Лазеры

2.1.

Сведения общего характера

2.2.

Твердотельные лазеры

2.3.

Газовые лазеры

2.4.

Полупроводниковые лазеры

3.

Преобразователи лазерного излучения

3.1.

Базовые физические эффекты

3.2.

Поляризационные призмы и пластины

3.3.

Электрооптические модуляторы и дефлекторы

3.4.

Акустооптические преобразователи

4.

Оптико-электронное оснащение лазеров

4.1.

Принципы и схемы оптического сканирования

4.2.

Способы и средства лазерного сканирования

4.3.

Оптические преобразователи лазерного излучения

4.4.

Оптическое соединение полупроводниковых лазеров и волоконных световодов

4.5.

Схемотехника управления полупроводниковыми лазерами

5.

Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

5.1.

Сканеры, читающие автоматы

5.2.

Голография

5.3.

Измерительная техника

5.4.

Волоконно-оптические линии связи

6.

Лазерная техника отображения и записи информации

6.1.

Фотонаборные машины и автоматы

6.2.

Принтеры, электрофотографические аппараты

6.3.

Системы компьютер - печатная форма

6.4.

Оптические запоминающие устройства и среды

Библиографический список

Указатели
37  именной указатель
349  предметный указатель
534  указатель иллюстраций

5.
Лазеры в устройствах получения, преобразования и передачи информации

Сканеры. Электронная оцифровка оптического изображения. Лазерные сканирующие устройства для считывания штриховых кодов и анализа черно-белых изображений. Лазеры в читающих автоматах.

Лазерная голография. Схемы и процессы записи и воспроизведения голограмм. Голограммы плоской волны и точечного изображения. Искусственные (цифровые) голограммы. Применение голограмм для оптической обработки и хранения полиграфической информации.

Лазерная измерительная техника. Эффект Доплера, биение колебаний. Интерферометры, дальномеры. Измерение малых объектов и движений, дефектов поверхности. Зондирование окружающей среды.

Волоконно-оптические линии связи с лазерными излучателями. Схемы построения. Технические возможности. Формирователи лазерных сигналов.

5.1.
Сканеры, читающие автоматы

5.1. Пояснить назначение сканеров, оценить возможности использования лазеров в технике сканирования полиграфических изображений ссылка на источники литературы.

СканированиеСканирование дает возможность получить информацию об оптических свойствах объекта (изображения) и представить эту изобразительную информацию как совокупность (последовательность, массив) электрических (видео) сигналов напряжения (заряда, тока). Сканеры в достаточно законченных технических вариантах (приборах, системах) должны эффективно взаимодействовать с цифровыми ЭВМ. По существу сканеры обеспечивают считывание (получение, ввод) и предварительное (аналоговое и аналого-цифровое) преобразование изобразительной информации, представляя эту информацию в виде стандартных цифровых электрических сигналов. Дальнейшие «чисто» цифровые операции, связанные с накоплением, преобразованием, улучшением (фильтрацией, коррекцией, реставрацией), хранением изобразительной информации, выполняет цифровая микроэлектронная техника (микропроцессоры и микроЭВМ). Таким образом, сканеры нового поколения выполняют главным образом одну важную техническую задачу - электронную оцифровку оптического изображения.

СканерСканеры успешно применяются для считывания, анализа, преобразования черно-белых и цветных изображений. В более мощных и универсальных цветных сканерах необходимы источники оптического излучения широкого спектрального диапазона (лампы накаливания, галогенные и флуоресцентные лампы); спектральные возможности монохроматического лазерного излучения в таких системах оказываются весьма ограниченными. Однако в черно-белых сканерах использование лазеров эффективно. Специальный интерес представляет применение лазерных сканеров для считывания и распознавания штриховых кодов и других элементов автоматической идентификации.Примечание. Эти вопросы, отраженные далее в п. 5.2 и 5.3, освещены в учебном пособии: Де Ла Море Р. Штриховые коды и другие системы автоматической идентификации/Пер. с англ. Л.Леймонта. М.: Изд-во МГУП, 1999. 195 с.

5.2. Пояснить и иллюстрировать процессы Сканированиелазерного считывания и последующего отображения штриховых кодов.

Штриховые кодыШтриховые коды составляются в виде набора вертикальных темных (черных) элементов (линий, штрихов), разделенных светлыми (белыми) полосами (пробелами). Информация, таким образом, шифруется (кодируется) и распознается компьютером в двоичной (бинарной) форме. Использование оптического сканера позволяет считывать закодированную информацию и вводить ее в компьютер бесконтактно (без использования клавиатуры).

Достаточно характерный (четко выраженный) штриховой код показан на рис. 5.1, аРис. 5.01. Преобразование фрагмента (б) штрихового кода (а) в фотоэлектрические (в) и цифровые импульсные (г) сигналы, причем выделен (очерчен окружностью) фрагмент кодированного рисунка, который (рис. 5.1, бРис. 5.01. Преобразование фрагмента (б) штрихового кода (а) в фотоэлектрические (в) и цифровые импульсные (г) сигналы) является в дальнейшем объектом считывания и фотоэлектрического преобразования. Луч лазера последовательно (перпендикулярно) пересекает линии и пробелы штрихового кода. Отраженный свет через волоконный световод направляется на фотоприемник, который реагирует на темные штрихи и светлые пробелы по-разному: световой поток эффективно отражается от пробелов штрихового кода и создает значительный фототок, но почти не отражается от темных штриховых линий и не создает заметного фототока (рис. 5.1, вРис. 5.01. Преобразование фрагмента (б) штрихового кода (а) в фотоэлектрические (в) и цифровые импульсные (г) сигналы). Полученные фотоэлектрические сигналы не имеют крутых фронтов (резких перепадов) и поэтому в дальнейшем преобразуются в импульсы напряжения прямоугольной формы (рис. 5.1, гРис. 5.01. Преобразование фрагмента (б) штрихового кода (а) в фотоэлектрические (в) и цифровые импульсные (г) сигналы) и стандартной амплитуды специальным формирователем. Такие цифровые информационные сигналы компьютер воспринимает и обрабатывает уверенно и безошибочно.

5.3. Рассмотреть техническую информацию о лазерных сканерах, применяемых для считывания и фотоэлектрического преобразования штриховых кодов.

Изготавливаются и применяются Сканерсканеры различных типов: ручные и стационарные, горизонтальные и вертикальные, с вычислительными и запоминающими устройствами. Большинство лазеров в таких сканерах генерирует излучение красного цвета с длиной волны 633 нм, что позволяет считывать типографскую краску любого цвета (вне красного оптического диапазона). Весьма эффективно лазерное сканирование штриховых кодов, нанесенных черной краской.

Лазерные сканеры формируют Световое пятносветовое пятно хорошего качества и обеспечивают достаточно высокую скорость считывания (от 20 до 1600 раз в секунду). Скорость сканирования максимальна при зеркальном перемещении лазерного луча. Лазерное сканирование штриховых кодов эффективно на расстоянии до 10 м (и более), что особенно удобно в больших складских помещениях и хранилищах.

5.4. Рассмотреть схему (рис. 5.2Рис. 5.02. Лазерный сканер для анализа изображений), пояснить принцип действия лазерного сканирующего устройства, применяемого для анализа полиграфических изображений ссылка на источники литературы.

В процессе Лазерное сканированиелазерного сканирования обеспечивается поэлементное считывание черно-белого изображения. Как правило, применяется метод прямоугольного линейного растрового сканирования. Сфокусированный лазерный луч последовательно перемещается вдоль одной горизонтальной линии (строки) сканирования, в конце которой быстро (скачком) сдвигается к началу следующей (близко расположенной) строки и начинает новую стадию последовательного построчного считывания черно-белого изображения.

В сканирующем лазерном устройстве (рис. 5.2Рис. 5.02. Лазерный сканер для анализа изображений) оригинал 1 черно-белого изображения размещен в каретке 2. В процессе считывания оригинал (непрерывно или импульсно) перемещается механической парой, содержащей гайку (расположенную на каретке 2) и ходовой винт, который приводится во вращение электродвигателем.

В состав устройства включены гелий-неоновый лазер 3, зеркала 4, 5, 8 и 12, модулятор 6, телескопы 7 и 9, вращающийся многогранный зеркальный дефлектор 10, объектив 11, волоконно-оптический жгут 13 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 14. Оптическая схема устройства на участке, содержащем компоненты 3-9, очевидна; отметим лишь, что согласно ссылка на источники литературы модулятор 6 играет вспомогательную роль, перекрывая световой пучок в начале и конце растровых строк (вне рабочего поля оригинала 1). Дефлектор 10 развертывает лазерный луч и с помощью объектива 11 и отражающего зеркала 12 освещает (просматривает) очередную строку оригинала 1. Отраженный пучок света (носитель изобразительной информации оригинала 1) поступает на входной торец жгута 13 и далее к ФЭУ 14, который формирует выходные фотоэлектрические сигналы лазерного сканирующего устройства.

5.5. Пояснить назначение оптических читающих автоматов, определить техническую роль лазерного блока при получении текстовой информации ссылка на источники литературы.

Оптический читающий автомат сканирует (считывает), кодирует и распознает рукописные или печатные материалы (буквы, цифры, другие знаки и символы текста). В процессе кодирования считываемые знаки текстовой информации переводятся на формализованный (цифровой, матричный) язык, который без принципиальных затруднений воспринимает и реализует ЭВМ. При распознавании текстовой информации очередной (новый, неизвестный) знак сравнивается с набором эталонных (графически совершенных) знаков текста, предварительно записанных в цифровой форме в запоминающее устройство ЭВМ. Сравнение реального знака и близкого к нему эталонного (машинного) изображения позволяет определить (распознать, идентифицировать) считываемый знак и записать его в скорректированном (эталонном) виде согласно решению, принятому ЭВМ. Если компьютер не может распознать считанный (нестандартный, существенно искаженный) знак, то формируется отрицательное решение (специальный символ отказа).

В оптических автоматах, «читающих» черно-белые тексты, успешно применяются лазерные сканирующие устройства. Согласно ссылка на источники литературы такие лазерные читающие автоматы сканируют текстовую информацию со скоростью 100-1200 зн/с. Распознавание знаков не всегда безошибочно; однако частота возникновения ошибок не превышает 0,01%.

5.6. Пояснить метод матричного представления знаков (букв, цифр) черно-белого текста в оптических (лазерных) читающих устройствах (автоматах).

Обработка текстовой информации в читающих автоматах предполагает ссылка на источники литературы матричное представление считанного знака и сопоставление полученной матрицы с матрицей эталонных знаков. Операции распознавания осуществляет микроЭВМ на базе цифровой информации об эталонных знаках, которая хранится в оперативном запоминающем устройстве вычислительной машины.

При матричном представлении цифровой информации об изображениях конкретных знаков эти знаки (например, буквы F, O, L) разлагаются на элементы черного и белого цвета (рис. 5.3Рис. 5.03. Матричное представление английских букв F, O и L). Поле знака (площадь прямоугольника) разбивается на одинаковые части горизонтальными и вертикальными линиями, а полученные строки и столбцы нумеруются по порядку aij, где i - номер строки, j - номер столбца. Если элемент поля знака белого цвета, то aij= 0; для элемента черного цвета aij = 1. Таким образом, печатный знак можно представить в виде матрицы. Например, для букв F, O и L, представленных на рис. 5.3Рис. 5.03. Матричное представление английских букв F, O и L, получаются следующие матрицы:

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Непосредственно в компьютер поступает цифровая информация о строке текста; поэтому, по логике машинной (ЭВМ) обработки текста, необходима дополнительная программа, которая позволяет извлекать матрицы отдельных знаков из матрицы целой строки текста.

5.7. Рассмотреть схему построения, пояснить принцип действия лазерного сканирующего устройства читающего автомата «Text reader» ссылка на источники литературы.

Схема Лазерный сканерсканирующего устройства представлена на рис. 5.4Рис. 5.04. Лазерное сканирующее устройство читающего автомата. Устройство содержит газовый лазер 1, оптико-механический зеркальный дефлектор 2, полупрозрачную зеркальную пластину 3, зеркало 7, растровую линейку 8. Введены считывающий фотодиод 6 и фотодиодный формирователь 9 тактовых импульсов. Считывается текст, фиксированный на документе (странице) 4, причем документ перемещается механической системой двигатель 10 - приводной вал 5.

Луч лазера 1 периодически развертывается вращающимся дефлектором 2 и расщепляется пластиной 3 на два луча: основной луч, сканирующий текст документа 4, и вспомогательный луч, управляющий формирователем 9. Основной лазерный луч отражается от документа 4 и воздействует на фотодиод 6, который формирует цифровую информацию о знаках считываемого черно-белого текста. Вспомогательный лазерный луч с помощью растровой линейки 8 передает через фотодиодный элемент 9 цифровую информацию о номере сканируемого столбца матрицы строки текста. Номер сканируемой строки определяется числом управляющих импульсов, поступающих на шаговый двигатель 10. При этом учитывается, что каждое перемещение документа 4 на одну строку требует поворота вала 5 шагового двигателя 10 на фиксированный угол.

5.2.
Голография

5.8. Пояснить существенные особенности голографии ссылка на источники литературы.

ГолографияГолография (от греч. holos - весь, полный и ...графия) дает возможность, используя интерференцию световых волн, получить (в определенном смысле реконструировать) трехмерное изображение объекта, а также накопить и сохранить большой объем оптической изобразительной информации об объекте. Таким образом, голографию естественно рассматривать как весьма эффективный метод записи, хранения и восстановления объемных оптических изображений.

При обычном фотографировании объекта фоточувствительная пластина (или пленка) фиксирует лишь амплитудные значения световых волн, поступающих от объекта; поэтому изображение получается плоским. При построении голограммы кроме амплитуды фиксируется еще и фаза световой волны, т.е. реконструируется волновой фронт света, отраженного (или пропущенного) объектом. Таким образом, на фотоматериале воссоздается и фиксируется рельеф регистрируемого объекта. На этой стадии осуществляется полная фоторегистрация волнового фронта, т.е. вся оптическая информация о поверхности или прозрачности объекта запоминается и может быть в дальнейшем затребована или использована. Далее фотоматериал (голограмма) проявляется и закрепляется. На последующей стадии восстановления (специального просвечивания) голограммы формируется трехмерное изображение объекта.

5.9. Подчеркнуть и пояснить принципиальную техническую роль Когерентность оптического излучениякогерентного лазерного излучения в голографических процессах ссылка на источники литературы.

Световые колебания когерентны при согласованном протекании во времени и пространстве, разность фаз таких колебаний постоянна или изменяется по известному закону. При сложении когерентных колебаний четко проявляется интерференция: амплитуда суммарного колебания зависит от разности фаз составляющих световых волн.

Элементарный Голографияголографический процесс формируется взаимодействием (суперпозицией) двух когерентных световых волн - опорной волны, непосредственно воздействующей на фотоматериал, и объектной волны, которая попадает на фотоматериал через объект (проникая или отражаясь). Результатом взаимодействия указанных когерентных волн является интерференционная картина, которая регистрируется фотоматериалом. Принципиальной особенностью голографического процесса являются сдвиги по фазе, вносимые объектом и связанные с относительной разностью оптических путей, соответствующих рельефу (поверхности, прозрачности) объекта.

Поэтому базовые (опорная и объектная) световые волны должны быть безусловно (абсолютно) когерентными и не вносить «своих» (ложных) фазовых сдвигов.

В процессе восстановления изображения голограмма освещается лазерным пучком той же длины волны и относительной ориентации, которая существовала между опорным пучком и фоточувствительной средой в момент записи голограммы. В результате формируется трехмерное изображение, занимающее то же пространственное положение, что и первоначальный объект.

Получение высококачественных голограмм достигается применением лазеров - мощных источников когерентного оптического излучения. При этом высокая когерентность лазерного излучения весьма существенна на стадии записи голографического изображения, а значительная мощность источника когерентного лазерного излучения безусловно необходима для воспроизведения голограмм.

5.10. Построить схему, рассмотреть процесс записи Голограммаголограммы.

В этом процессе на фотоматериале (например, фотопленке) записывается и фиксируется сложная интерференционная картина, которая создается наложением (взаимодействием) двух световых волн - базовой (опорной) монохроматической волны и вторичной волны, отраженной или рассеянной объектом. Запись голограммы происходит по схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 5.5Рис. 5.05. Оптическая схема записи голограммы.

Монохроматическая волнаМонохроматический когерентный лазерный луч расширяется коллиматором и далее делится расщепителем на два луча. Один (опорный) луч отражается от зеркала и направляется непосредственно на фотопленку. Другой (объектный) луч направляется соответствующим зеркалом на объект, отражается от него и воспринимается (регистрируется) фотопленкой. Именно этот (отраженный, рассеянный) луч несет разнообразную изобразительную информацию об объемных (трехмерных) параметрах и характеристиках (размерах, поверхности, контуре, неровностях, прозрачности) объекта. Такой луч по существу создает объемный образ объекта, который человек может видеть и наблюдать непосредственно (естественным зрением).

Световые волны опорного и рассеянного объектного лучей создают на поверхности фотопленки интерференционную картину, состоящую из множества пятен, форма и интенсивность которых зависят от амплитуды и фазы падающих и взаимодействующих световых волн. Фотопленка экспонируется и затем проявляется по стандартным рецептам. Полученная (проявленная) пленка является голограммой, сохраняющей интерференционную картину регистрируемого объекта. Голограмма имеет вид туманного негатива, на котором детали объекта явно не просматриваются.

5.11. Построить схему, рассмотреть процесс восстановления (воспроизведения) Голограммаголограммы.

Восстановление объемного изображения объекта по его голограмме (проявленной фотопленке) осуществляется по схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 5.6Рис. 5.06. Оптическая схема воспроизведения голограммы. Голограмма освещается одним опорным лучом, причем сохраняются исходные условия, прежняя относительная ориентация опорного луча и фотопленки. При соблюдении указанных условий лазерного освещения голограммы из-за дифракции света возникают два изображения. Следует учитывать, что ранее, в процессе начального образования голограммы объекта, возникла определенная дифракционная картина с тесно расположенными интерференционными полосами, точный вид которых определяется трехмерной структурой объекта. При повторном освещении этой дифракционной картины по схеме (рис. 5.6Рис. 5.06. Оптическая схема воспроизведения голограммы) дифрагированный свет будет иметь параметры и характеристики, заданные исходным объектом голографической съемки.

Одно из двух изображений, полученных при воспроизведении голограммы, является мнимым (рис. 5.6Рис. 5.06. Оптическая схема воспроизведения голограммы), поскольку для его наблюдения требуется линза. Однако для этого достаточна естественная линза человеческого глаза и наблюдатель может видеть мнимое (но неискаженное и трехмерное) изображение объекта, рассматривая его непосредственно через голограмму.

Второе (действительное, реальное) изображение формируется в другом направлении лазерного луча, проходящего через голограмму. Это изображение можно проецировать на экран и наблюдать без промежуточной линзы. Часть воспроизводящего луча проходит через голограмму без дифракции, не изменяя направления. Заметной практической ценности этот недифрагированный луч не представляет.

Рассмотренные схемы записи (рис. 5.5Рис. 5.05. Оптическая схема записи голограммы) и воспроизведения (рис. 5.6Рис. 5.06. Оптическая схема воспроизведения голограммы) голограммы, предложенные Лейт Э.Э.Лейтом и Упатниекс Дж.Дж.Упатниексом, относятся к разряду оптимальных (технически совершенных). В этих схемах используется внеосевая геометрия, в которой опорный и объектный лучи падают на фотопленку под углом друг к другу. Поэтому при воспроизведении голограммы реальное и мнимое изображения оказываются по разные стороны опорного луча, что существенно облегчает раздельное наблюдение изображений.

5.12. Рассмотреть эквивалентное параметрическое распределение пространственных и временных характеристик гармонической световой волны ссылка на источники литературы.

При исследовании и наблюдении голографических процессов существенной оказывается взаимосвязь пространственного и временного развития световых колебаний. На рис. 5.7Рис. 5.07. Пространственное (а) и временное (б) распределение гармонической световой волны, а показано синусоидальное распределение световой волны

с амплитудой а и длиной λ волны, которая распространяется в направлении х. Если такая волна является стоячей (не зависит от времени t), то ее можно зафиксировать (например, на фотопленке).

Бегущая гармоническая волна, которая движется в направлении х со скоростью v, описывается соотношением

Временное распределение s(t) в определенной точке (х = 0) плоскости показано на рис. 5.7, бРис. 5.07. Пространственное (а) и временное (б) распределение гармонической световой волны.

Пространственные и временные характеристики световой волны объединяет период волны Т = λ/ν, что позволяет представить в виде

где фазовый сдвиг

Соотношения и могут описывать две когерентные световые волны, изменяющиеся с одинаковым периодом Т. При этом х естественно считать дистанционным сдвигом (разностью хода) когерентных волн. Если х = mλ (где m - целое число), то фазовый сдвиг φ = 2πm не оказывает влияния на гармоническую световую волну s(t).

5.13. Получить голограмму плоской световой волны, рассчитать распределение интенсивности оптического излучения на поверхности Фотопластинафотопластины ссылка на источники литературы.

Полагаем, что на фотопластину ФП падают две плоские световые волны: объектная S1 (под углом θ) и опорная S2 (рис. 5.8, аРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)). Эти волны являются гармоническими когерентными колебаниями

с одинаковой циклической (круговой) частотой ω, амплитудами A1 , A2, фазами φ1, φ2.

Когерентные колебания S1 и S2 , складываясь и интерферируя, образуют результирующее колебание S с амплитудой А, которое засвечивает фотопластину и создает на поверхности сложный голографический узор. Плотность почернения участка фотослоя определяется интенсивностью I падающего (результирующего) излучения, которая пропорциональна квадрату амплитуды A2.

Рассчитаем искомую интенсивность I, используя базовые соотношения и :

Используя известные соотношения для косинуса разности углов, получаем

Вводя соотношения

записываем результирующие колебания в форме

Для определения интенсивности (пропорциональной A2) следует возвести в квадрат и сложить почленно левые и правые части уравнений и :

где Ψ = φ1 - φ2 - разность фаз интерферирующих колебаний.

Интенсивность I максимальна Imax ~ (A1+A2)2 при Ψ = 2πn (где n - целое число) и минимальна Imin ~ (A1-A2)2, если Ψ = (2n + 1)π.

При экспонировании и проявлении фотопластины получается голограмма плоской световой волны, сформированная интерференцией объектного и опорного оптических лучей.

5.14. Показать, что рассмотренная и рассчитанная в п. 5.13 голограмма плоской световой волны (рис. 5.8, вРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)) содержит достаточно полную информацию об амплитуде и фазе объектной волны ссылка на источники литературы.

Оценивая по формуле крайние значения Imax и Imin интенсивности I, получаем соотношение

Если известны амплитуда A2 опорной волны и отношение Imax/Imin, то из формулы несложно выделить и рассчитать амплитуду А1 объектной волны.

В максимумах интерференционной диаграммы (рис. 5.8, аРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)) согласно cos(φ1 - φ2) = 1, что получается, если

где n = 0, 1, 2, ...

Соотношение позволяет определить фазу φ1 объектной волны, если известна фаза φ2 опорной волны.

Интенсивность оптического излучения в плоскости фотопластины (рис. 5.8, бРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)) определяется соотношением , т.е. изменяется по косинусоиде. При этом сумма постоянна и может обеспечить равномерное почернение всей фотопластины, а переменная составляющая 2A1 A2cosΨ изменяет (модулирует) плотность почернения и формирует реальную голограмму из параллельных темных и светлых полос с косинусоидальным распределением прозрачности проявленной фотопластины.

5.15. Пояснить процесс восстановления плоской волны, зафиксированной на голограмме ссылка на источники литературы.

Для восстановления такого оптического изображения на голограмму по пути опорной волны направляют пучок света с плоским волновым фронтом (рис. 5.9Рис. 5.09. Восстановление плоской волны, фиксированной на голограмме). Голограмма плоской волны, рассмотренная ранее (рис. 5.8, аРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)), действует по существу как обычная дифракционная решетка. Плоская световая волна, падающая на такую голограмму, частично проходит, заметно ослабевает, но не изменяет исходного направления; на рис. 5.8Рис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б), а этот луч соответствует дифракционному максимуму нулевого (0) порядка. Вместе с тем из-за дифракции падающая световая волна преобразуется в две вторичные плоские волны, которые далее распространяются под углами +θ и -θ к горизонтальной оси; одна из этих волн соответствует дифракционному максимуму плюс первого (+1) порядка, а другая - максимуму минус первого (-1) порядка.

Согласно ссылка на источники литературы угол θ определяется шагом d дифракционной (голографической) решетки и длиной λ световой волны:

Световая волна, идущая вниз от горизонтальной линии (рис. 5.9Рис. 5.09. Восстановление плоской волны, фиксированной на голограмме), является точной копией объектной волны, которая ранее использовалась при получении голограммы (рис. 5.8, аРис. 5.08. Получение голограммы плоской волны (а) и распределение интенсивности света на поверхности фотопластины (б)). Поэтому сквозь голограмму видно мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился ранее (при съемке). Световая волна, которая проходит выше горизонтальной линии под углом -θ (рис. 5.9Рис. 5.09. Восстановление плоской волны, фиксированной на голограмме), также содержит изобразительную информацию об объекте, но создает его действительное изображение.

5.16. Для точечного объекта:

  • построить и пояснить оптическую схему получения голограммы;

  • восстановить изображение точки, зафиксированное на голограмме.

ГолограммаГолограмма точечного объекта отражает существенные особенности голографических изображений ссылка на источники литературы. Оптическая схема получения голограммы точечного объекта представлена на рис. 5.10Рис. 5.10. Получение голограммы точечного объекта. Пучок лазерного излучения, сформированный (расширенный) линзами, освещает точечный объект (точку А), который в свою очередь создает (отражает) сферическую объектную волну, освещающую светочувствительный слой (например, поверхность фотопластины).

Одновременно лазерный луч отражается от плоского зеркала и создает опорную волну, также попадающую на фоточувствительный слой. Сферическая объектная и плоская опорная волны интерферируют и создают голограмму в виде системы концентрических темных и светлых колец.

Для восстановления изображения точечного объекта, записанного на голограмме, используется оптическая схема, представленная на рис. 5.11Рис. 5.11. Восстановление изображения точечного объекта, зафиксированного на голограмме. Голограмма просвечивается плоской опорной волной. В результате дифракции формируются две сферические волны. Первая (расходящаяся) сферическая волна 1 создает (на расстоянии l от голограммы) мнимое изображение А' точки, которое наблюдатель видит и воспринимает как реальный точечный объект. Вторая (сходящаяся) сферическая волна 2 формирует (на том же расстоянии l) действительное изображение А" точечного объекта.

5.17. Рассчитать радиусы круглых интерференционных полос (колец), возникающих на голограмме точечного объекта (рис. 5.10Рис. 5.10. Получение голограммы точечного объекта).

Модель для расчета, представленная на рис. 5.12, аРис. 5.12. Интерференционные кольца на голограмме точечного объекта: а - модель для расчета; б - распределение по радиусам rm; в - зависимость радиуса rm от порядка (номера) m интерференционного максимума, оказывается несложной. Источник S когерентного оптического излучения (объектной волны света) располагается на расстоянии l от светочувствительного слоя. Темные (засвеченные) кольца формируются на участках с наибольшей интенсивностью света (в интерференционных максимумах). Для этого дистанционный сдвиг когерентных волн должен быть кратным длине волны λ.

Первый радиус r1 интерференционных колец соответствует (рис. 5.12, аРис. 5.12. Интерференционные кольца на голограмме точечного объекта: а - модель для расчета; б - распределение по радиусам rm; в - зависимость радиуса rm от порядка (номера) m интерференционного максимума) расстоянию l + λ от источника S света. При этом справедливо соотношение

Поскольку l >>λ, первый (минимальный) радиус колец

Для радиуса rm с целым индексом m объектный луч проходит расстояние l + mλ от источника S до светочувствительного слоя. Поэтому

а радиус

Таким образом, радиусы интерференционных колец пропорциональны квадратному корню из целых чисел m, определяющих порядок появления на голограмме интерференционных максимумов.

Кольца интерференционной картины с радиусами, нарастающими согласно , представлены на рис. 5.12, бРис. 5.12. Интерференционные кольца на голограмме точечного объекта: а - модель для расчета; б - распределение по радиусам rm; в - зависимость радиуса rm от порядка (номера) m интерференционного максимума. Зависимость rm/rm = φ(m) показана на рис. 5.12, вРис. 5.12. Интерференционные кольца на голограмме точечного объекта: а - модель для расчета; б - распределение по радиусам rm; в - зависимость радиуса rm от порядка (номера) m интерференционного максимума.

5.18. Рассмотреть этапы формирования и основные свойства пластины (экрана) с Зоны Френелязонами (кольцами) ФренельФренеля.

Концентрическая круговая система с зонами Френеля образуется при интерференции сферической и плоской волн. Этот физический эффект, фундаментальный для явлений интерференции ссылка на источники литературы, наглядно иллюстрируется рис. 5.13, аРис. 5.13. Зонные пластины Френеля: а - процесс получения концентрических зон (колец); б, в - варианты с открытыми нечетными и четными зонами. Если интерференционная картина зарегистрирована, например, на фотопластине, то при проявлении такая зонная пластина может служить экраном специальной формы и использоваться как оптический элемент.

Различают ссылка на источники литературы зонные пластины с открытыми нечетными (рис. 5.13, бРис. 5.13. Зонные пластины Френеля: а - процесс получения концентрических зон (колец); б, в - варианты с открытыми нечетными и четными зонами) и четными (рис. 5.13, вРис. 5.13. Зонные пластины Френеля: а - процесс получения концентрических зон (колец); б, в - варианты с открытыми нечетными и четными зонами) зонами. Радиус rm m-й зоны, как и в случае , связан с радиусом r1 первой зоны соотношением rm = .

Очевидна аналогия между Зоны Френелязонной пластиной Френеля и Голограммаголограммой (рис. 5.10Рис. 5.10. Получение голограммы точечного объекта) точечного объекта, также полученной в результате интерференции плоской и сферической волн. На рис. 5.14, аРис. 5.14. Пластина с зонами (кольцами) Френеля: а - оптическая схема получения; б - воспроизведение точечного изображения (фокусирующее действие) представлена ссылка на источники литературы оптическая схема формирования зон (колец) Френеля на фотопластине. Создание зонной пластины (готового оптического изделия) завершается ее проявлением. Освещение зонной пластины плоской волной (рис. 5.14, бРис. 5.14. Пластина с зонами (кольцами) Френеля: а - оптическая схема получения; б - воспроизведение точечного изображения (фокусирующее действие)) позволяет сфокусировать оптическое излучение в одной точке. В этом варианте применения зонная пластина эффективно действует как фокусирующая линза (см. также рис. 5.11Рис. 5.11. Восстановление изображения точечного объекта, зафиксированного на голограмме).

5.19. Рассмотреть принципы формирования голограмм и восстановления изображений сложных (протяженных, объемных) объектов ссылка на источники литературы.

Реальный (безусловно сложный) объект в первом приближении можно считать комбинацией из конечного числа n идеализированных (дискретных, точечных) объектов P1, P2, ..., Pn. В процессе получения голограммы сложного объекта каждый точечный объект является источником когерентного оптического излучения, которое интерферирует с опорной (плоской) световой волной и создает свою элементарную голограмму. Результирующая голографическая картина формируется как суперпозиция элементарных голограмм, образующих достаточно сложный интерференционный узор. При освещении такой голограммы плоской волной формируется изображение n точек P1 - Pn, которые и восстанавливают исходное (по существу точечное) изображение объекта.

Точность и достоверность голографических преобразований (записи голограммы и восстановления изображения) сложного объекта удается повысить, увеличивая число дискретных точек, изображающих объект.

В пределе число таких точек должно быть весьма большим, что позволит эффективно и естественно записывать и восстанавливать изображение сложного объекта голографическими средствами.

При записи голограммы объект, отражающий лазерное излучение, испускает когерентные волны в пространстве во всех направлениях. Поэтому в каждую точку голограммы поступает оптическая информация о всем объекте. Таким образом, полное изображение объекта можно восстановить, используя лишь отдельную часть (фрагмент, кусок) голограммы.

5.20. Доказать, что изображение, восстановленное голограммой, отражает свойства реального трехмерного объекта ссылка на источники литературы.

Отметим в первую очередь, что каждый фрагмент Голограммаголограммы на стадии записи воспринимает и регистрирует объект по своему оптическому каналу (под индивидуальным «углом зрения»). Этот эффект наглядно демонстрирует рис. 5.15, аРис. 5.15. Наблюдение восстановленных изображений объектов под различными углами зрения, где два выделенных фрагмента голограммы охватывают, фиксируют, а затем и восстанавливают разнообразную оптическую информацию об объекте. Если наблюдатель перемещается относительно голограммы, то видит изображение объекта под разными углами зрения по-новому (не плоским, жестко фиксированным, а более полным, многогранным и многоплановым). Если освещенный участок голограммы наблюдатель рассматривает двумя глазами одновременно, то проявляется стереоскопический эффект, создающий впечатление глубины и объемности голографического изображения.

Трехмерность голографического изображения можно четко показать, наблюдая голограмму объекта ссылка на источники литературы, состоящего из четырех точек (рис. 5.15, бРис. 5.15. Наблюдение восстановленных изображений объектов под различными углами зрения). При просвечивании голограммы плоским опорным лучом появляются два изображения всех четырех точек - мнимое и действительное.

Мнимое изображение (в левой части рис. 5.15, бРис. 5.15. Наблюдение восстановленных изображений объектов под различными углами зрения) можно видеть сквозь голограмму. Шесть точек возможного наблюдения разделены по двум группам: а - в и г - е; вместе с группой изменяются место наблюдения и перспектива изображений. В положениях в и г наблюдатель видит все точки объекта; в положении а - только точку 1; в положении е - лишь точку 3. В некоторых положениях точка 4 заслонена точкой 2 или 3. Если наблюдатель (например, в положении в) переводит взгляд с точки 2 на другие точки - 1, 2 или 3, то он должен изменить фокусировку глаз.

Таким образом, по указанным признакам мнимое голографическое изображение представляется объемным и зрительно воспринимается как исходное изображение. Действительное голографическое изображение также обладает всеми упомянутыми свойствами и поэтому является трехмерным.

5.21. Рассмотреть особенности формирования искусственных (цифровых) голограмм ссылка на источники литературы.

ГолограммаГолограмму объекта можно синтезировать расчетным путем и реализовать с привлечением ЭВМ. Такие искусственно созданные голограммы называются цифровыми.

При машинном (ЭВМ) синтезе искусственных голограмм учитываются особенности получения реального (естественного) голографического изображения. На первой («чисто» оптической) стадии реальная голограмма формируется в ходе аналогового процесса взаимодействия двух когерентных световых волн: рассеянной (отраженной, дифрагированной) волны, объединяющей действие всех элементов (точек, участков) объекта, и опорной плоской волны. Результирующая амплитуда такой суперпозиции оптических волн является непрерывной функцией.

Однако на следующей (фотографической) стадии голограмма экспонируется на фоточувствительный слой и создается (проявляется) как дискретная комбинация множества микрочастиц (зерен) фотоэмульсии. Такое дискретное (точечное) представление реальной голограммы является базовым при синтезе искусственной голограммы.

ЭВМЭВМ по заданной программе формирует искусственную голограмму из набора точек, каждая из которых обладает своей (расчетной) оптической амплитудой. Число таких точек весьма велико (105-106 и более), но заметно меньше числа зерен фотоэмульсии (в рамках реальной голограммы). При этом учитывается, что реальная голограмма содержит значительную долю избыточной информации, которой можно пренебречь без существенных потерь и заметного искажения голографического изображения.

Вместе с тем практический интерес представляют относительно простые голограммы, не содержащие информацию о полутонах (оптических оттенках) объекта, а записывающие лишь его черно-белое изображение (например, темные линии на светлом фоне). Такие голограммы называются бинарными. Изображение, восстановленное с бинарной голограммы, дает лишь силуэт предмета и контуры его фрагментов, но отражает существенные свойства (глубину, объемность) трехмерного объекта.

5.22. Определить возможности применения Цифровая голограммацифровых голограмм.

Искусственная голограмма высокого качества, синтезированная из множества точек с различными оптическими амплитудами, может очень хорошо (почти реально) воспроизводить существующий объект. Вместе с тем благодаря новым степеням свободы, обеспеченным ЭВМ, цифровая голограмма, являясь полноценной моделью реального объекта, позволяет «чисто» аналитическим (расчетным) путем улучшать (корректировать, реставрировать) объемное изображение объекта, изменять условия его функционирования (например, освещение), нейтрализовать влияние оптических помех, геометрического шума и других дестабилизирующих факторов.

Однако цифровые голограммы могут синтезироваться без прямой связи с реальными объектами и в этом плане имеют самостоятельное значение и разнообразное нетривиальное применение. Цифровая голография является мощным инструментом автоматизированного проектирования разноплановых (в первую очередь идеализированных, эталонных, технически и эстетически совершенных) трехмерных объектов (сложных технических систем и конструкций, объемных изображений и панорам).

Таким образом, эффективное применение нестандартных методов и уникальных возможностей Цифровая голограммаискусственной (цифровой) голографии существенно расширяет творческий, аппаратно-программный, экспериментальный багаж специалистов различного профиля (исследователей, разработчиков, конструкторов, дизайнеров и др.).

5.23. Рассмотреть оптические схемы записи голограммы и восстановления изображения прозрачного объекта (транспаранта).

В принятой трактовке ссылка на источники литературы Транспаранттранспарант (от франц. transparent - прозрачный) воспринимается как лозунг или изображение на прозрачном материале, освещаемые сзади. С позиций голографии транспарантом является любой темный (малопрозрачный) объект на прозрачной основе или специальная (как правило, управляемая) комбинация объектов (непрозрачных символов, знаков, полей, конфигураций),размещенных ссылка на источники литературы на прозрачном материале (например, пленке) по определенной (заданной) программе.

В простых (базовых) вариантах ссылка на источники литературы голографическое преобразование прозрачного объекта осуществляется по схеме, представленной на рис. 5.16Рис. 5.16. Оптические схемы записи голограммы (а) и восстановления изображения (б) прозрачного объекта (транспаранта). В схемах записи (рис. 5.16, аРис. 5.16. Оптические схемы записи голограммы (а) и восстановления изображения (б) прозрачного объекта (транспаранта)) и восстановления (рис. 5.16, бРис. 5.16. Оптические схемы записи голограммы (а) и восстановления изображения (б) прозрачного объекта (транспаранта)) источником когерентного оптического излучения является лазер 1. При записи полупрозрачное зеркало 2 расщепляет лазерный луч на две составляющие. Опорный луч о, отражаясь от зеркал 2 и 5, достигает фоточувствительной пластины 4. Одновременно вторая составляющая исходного лазерного луча (объектный луч) просвечивает объект 3 и достигает фотопластины 4, формируя вместе с опорным лучом о голографическую интерференционную картину.

Восстановление записанной Голограммаголограммы прозрачного объекта отличается введением непрозрачного зеркала 5 (вместо полупрозрачного зеркала 3). Наблюдатель 7 в этом случае видит через проявленную фотопластину (голограмму) 4 действительное изображение 6 прозрачного объекта.

5.24. Указать составные части, пояснить принцип действия оптической схемы записи голограммы прозрачного объекта (транспаранта), представленной на рис. 5.17Рис. 5.17. Оптическая схема записи голограммы прозрачного объекта ссылка на источники литературы.

Такая схема содержит источник когерентного излучения (Лазерлазер), Телескопическая системателескопическую систему с линзами Л1 (объективом) и Л2 (окуляром), расширяющую сечение лазерного пучка света, полупрозрачное зеркало З1, разделяющее исходный лазерный луч на два пучка: один из лучей, проникая через зеркало З1 и отражаясь от зеркала З2, освещает фоточувствительную пластину ФП; другой луч, отражаясь от зеркал З1 и З2, освещает транспарант (прозрачный объект) Тр. Проникающий через транспарант объектный луч освещает фоточувствительную пластину ФП. Интерференционное взаимодействие основного луча (от зеркала З2) и объектного луча (через транспарант Тр) формирует голограмму прозрачного объекта.

В рассматриваемую схему введено матовое стекло МС, которое предварительно рассеивает лазерный луч, освещающий транспарант. В такой оптической ситуации каждая точка голограммы содержит информацию о всех элементах транспаранта и изображение, записанное на голограмме, при восстановлении удается наблюдать по-разному (из многих точек). Без матового стекла на фотопластине формируется «жесткое» (почти теневое) оптическое изображение прозрачного объекта и при восстановлении голограммы в этом случае объект необходимо рассматривать вдоль луча, освещающего транспарант.

5.25. Рассмотреть (пояснить, наглядно иллюстрировать) принцип голографической интерферометрии.

ИнтерферометрияИнтерферометрияссылка на источники литературы обеспечивается (реализуется) различными техническими способами и средствами, но организуется по единому принципу. В интерферометре пучок когерентного оптического излучения пространственно разделяется на два (или более) когерентных пучка, которые проходят в различных направлениях неодинаковые оптические пути, а затем сходятся в одном месте (точке, линии, плоскости), где формируется интерференционная картина. Параметры такой картины (в первую очередь форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов) зависят от многих факторов, включая размеры источника и спектральный состав когерентного оптического излучения, число разделенных пучков света и способы их формирования, относительную интенсивность и оптическую разность хода интерферирующих лучей.

Голографическая интерферометрияГолографическая интерферометрияссылка на источники литературы имеет определенную специфику, которую можно пояснить и иллюстрировать, используя несложный, но характерный пример (рис. 5.18Рис. 5.18. Принцип голографической интерферометрии (техническая иллюстрация)). На фотопластине ФП прежде всего создается (регистрируется) голограмма предмета П, фиксированного в исходном состоянии (без нагрузки Р). Голограмма проявляется и возвращается в прежнее положение. Первоначальный опорный луч восстанавливает исходное (уже голографическое) изображение объекта. Это изображение накладывается на реальный объект, занимающий прежнее положение. Таким способом совмещаются и сопоставляются две оптические картины: реального объекта и его голографического изображения.

Если объект по-прежнему не нагружен (Р = 0) и сохраняет исходные размеры и положение, то реальное и голографическое изображения объекта полностью совпадают, интерференция не происходит и не наблюдается. При воздействии нагрузки Р объект деформируется (рис. 5.18Рис. 5.18. Принцип голографической интерферометрии (техническая иллюстрация)) и его реальное изображение уже отличается от исходного (по существу эталонного) голографического изображения. Возникает интерференционная картина, отражающая случившиеся (силовые) изменения формы объекта.

Элементы (полосы, кольца) интерференционной картины изменяются одновременно с деформацией объекта («следят» за действием нагрузки Р). Такая голографическая интерферометрия осуществляется в реальном времени.

Применяется также Интерферометриядвухэкспозиционная интерферометрия. Объект экспонируется в двух различных состояниях. В результате получаются два отдельных голографических изображения, которые при воспроизведении и сопоставлении создают определенную интерференционную картину, отражающую различие сопоставляемых голограмм и, как следствие, оптические изменения исследуемого объекта в двух жестко фиксированных состояниях.

Голографическая интерферометрияГолографическая интерферометрия позволяет обнаруживать и регистрировать весьма небольшие (микронные и даже субмикронные) деформации и перемещения. Достоинством является дифференциальный (разностный) характер голографических измерений. Постоянные и медленно изменяющиеся помехи (световой фон, дефекты оптики и т.п.) вычитаются и на результатах измерений не сказываются.

5.26. Представить и рассмотреть технический пример использования голографической интерферометрии в реальном времени.

Достаточно наглядно действие этого метода измерения можно показать на примере голографической интерферометрии процесса деформации (изгиба, выпячивания) торца сосуда (например, бака), используя оптическую схему ссылка на источники литературы, представленную на рис. 5.19Рис. 5.19. Голографическая интерферометрия в реальном времени (на примере голографического измерения деформации торца сосуда). Торец сосуда деформируется под действием возрастающего давления воздуха, поступающего извне.

На первой стадии избыточный воздух в сосуд не подается и торец не деформирован (имеет плоскую поверхность). Голограмма такого эталонного торца экспонируется на фотопластине по известной оптической схеме (рис. 5.19, аРис. 5.19. Голографическая интерферометрия в реальном времени (на примере голографического измерения деформации торца сосуда)). Далее фотопластина проявляется и полученная таким путем голограмма эталонного (недеформированного) торца возвращается в прежнее положение относительно сосуда (рис. 5.19, бРис. 5.19. Голографическая интерферометрия в реальном времени (на примере голографического измерения деформации торца сосуда)). Одновременно подается избыточный воздух и торец сосуда начинает деформироваться (изгибаться). В этой новой ситуации голографическая интерферометрия торца сосуда в реальном масштабе времени обеспечивается по схеме (рис. 5.19, вРис. 5.19. Голографическая интерферометрия в реальном времени (на примере голографического измерения деформации торца сосуда)).

Физический объект (деформированный торец сосуда) и голограмма эталонного (плоского) торца создают оптические волны, которые, взаимодействуя, формируют интерференционную картину в виде концентрических черно-белых колец. Деформация торца максимальна в центре, поэтому интерференционная картина также сконцентрирована в центре торца. При возрастании давления воздуха возникают новые интерференционные кольца, а интерференционная картина сдвигается (расширяется) к краям торца.

Если на поверхности торца имеются слабые места (изъяны, трещины), то они при повышенном давлении деформируются сильнее, что отражают локальные группы интерференционных колец (вокруг отмеченных дефектов торца). Таким образом, рассматриваемый метод позволяет по интерференционной картине обнаруживать дефекты конкретного объекта в реальном времени (немедленно).

5.27. Указать составные части оптической схемы (рис. 5.20Рис. 5.20. Оптическая схема голографического микроскопа), пояснить принцип действия линзового микроскопа с встроенной голографической системой ссылка на источники литературы.

Рассматривается модернизированный вариант классического линзового микроскопа ссылка на источники литературы. Использование в микроскопии голографических принципов и средств записи и преобразования изображений позволяет, в частности, увеличить поле зрения и глубину (объемность) регистрируемой картины.

Голографический микроскопГолографический микроскоп (рис. 5.20Рис. 5.20. Оптическая схема голографического микроскопа) содержит источник когерентного оптического излучения (лазер), светоделители (призматические расщепители лучей) СД1 и СД2, зеркала З1 и З2, линзы Л1 и Л2, объектив Об и окуляр Ок. Объектом наблюдения является прозрачный предмет П. Основным элементом голографических преобразований является голограмма (на стадии записи - фотопластина) Г.

Луч лазера делится расщепителем СД1 на два луча: опорный (А) и объектный (В). Опорный луч поступает на голограмму Г по каналу с элементами З1, Л2 и СД2. Объектный луч отражается от зеркала З2, проходит через расширяющую линзу Л2 и освещает предмет П. Изображение предмета далее существенно увеличивается объективом Об. Поэтому голограмма Г на стадии записи фиксирует расширенное (увеличенное) изображение объекта наблюдения.

На стадии восстановления голографическое изображение увеличенного предмета П рассматривается через окуляр Ок. Если окуляр смещается вдоль оптической оси, то голографическое изображение изменяется по глубине. Поперечное (перпендикулярное оптической оси) перемещение окуляра расширяет поле зрения.

5.28. Для оптического преобразования Фурье ссылка на источники литературы:

  • представить схему реализации;

  • сформулировать стадии двумерного преобразования.

Преобразование ФурьеПреобразование ФурьеФурье эффективно применяется для оптической обработки информации по базовой схеме ссылка на источники литературы, представленной на рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье. Источником коллимированного оптического излучения служит лазер; пучок такого света состоит из лучей, строго параллельных оптической оси. Устройство содержит на расстоянии 2F две линзы Л1 и Л2 с одинаковым фокусным расстоянием F; поэтому задняя фокальная плоскость линзы Л1 и передняя фокальная плоскость линзы Л2 совпадают и действуют как плоскость преобразования с пространственными координатами x2, y2. Входная плоскость (x1, y1) является передней фокальной плоскостью линзы Л1, а задняя фокальная плоскость линзы Л2 служит плоскостью изображения (x3, y3).

В такой системе согласно ссылка на источники литературы обеспечивается двойное преобразование оптического изображения. Полагаем, что на входе оптической системы (в сечении x1, y1) имеется определенное распределение (x1, y1) световой волны. Тогда распределение света в плоскости преобразования (x2, y2) описывается двумерным преобразованием Фурье:

где φ = - комплексное число, а пространственные частоты р и q связаны с пространственными координатами x2, y2 длиной волны света λ и фокусным расстоянием F соотношениями

При этом постоянный коэффициент (множитель), не изменяющий физической картины процесса преобразования, в соотношении не представлен.

Линза Л2 в оптической системе (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье) в свою очередь осуществляет Фурье-преобразование оптической функции G(p, q), обеспечивая в плоскости изображения новое распределение световой волны:

Таким образом, рассматриваемая система (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье) сохраняет (восстанавливает) исходное оптическое изображение, но в обращенной системе координат; поэтому изображение оказывается перевернутым.

5.29. Рассмотреть технические возможности, привести пример использования преобразования Фурье в системе (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье) для оптической фильтрации изобразительной информации.

Система (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье), обладающая новыми степенями свободы и четким алгоритмом функционирования, успешно применяется для оптической обработки данных. При этом входную оптическую функцию g(x1, y1) можно задать в плоскости (x1, y1) с помощью диапозитива (или подобных технических средств). Если плоскость преобразования (x2, y2) полностью открыта для проходящего оптического потока, то выходное изображение в плоскости (x3, y3) повторяет (но переворачивает) исходную оптическую картину.

Выходное изображение удается изменять, перекрывая часть светового потока в плоскости преобразования. При этом можно устранять ненужные или нежелательные детали, геометрический шум, технические дефекты исходного оптического изображения. Следует, однако, учитывать, что промежуточное изображение G(p, q) в плоскости преобразования весьма существенно отличается от входного изображения g(x1, y1). Согласно ссылка на источники литературы лучи света, соответствующие относительно мелким деталям оптического распределения g(x1, y1) (т.е. высоким пространственным частотам), располагаются в плоскости преобразования (x2, y2) относительно далеко от оптической оси. Вместе с тем оптические фрагменты входного изображения с медленно изменяющимся распределением света (например, с постоянным или вяло текущим оптическим фоном) концентрируются вблизи оптической оси плоскости преобразования. Эти особенности оптического изображения G(p, q) облегчают построение оптических фильтров для коррекции входных изображений.

Далее рассмотрим наглядный и характерный пример использования преобразования Фурье для фильтрации оптических изображений ссылка на источники литературы. Исходный объект (оригинал), покрытый «паразитной» сеткой параллельных горизонтальных линий (рис. 5.22, аРис. 5.22. Применение двойного преобразования Фурье для оптической фильтрации изображения: а - схема фильтрации; б - распределение света в плоскости преобразования; в - маска для фильтрации горизонтальных линий), помещен в линзовую систему с лазером, обеспечивающую двумерное и двух-этапное преобразование Фурье. Коррекция исходного изображения ориентирована на устранение горизонтальных линий и производится в плоскости преобразования.

Согласно набор параллельных горизонтальных линий преобразуется в оптическую дифракционную картину, состоящую из серии светящихся пятен, расположенных вертикально (рис. 5.22, бРис. 5.22. Применение двойного преобразования Фурье для оптической фильтрации изображения: а - схема фильтрации; б - распределение света в плоскости преобразования; в - маска для фильтрации горизонтальных линий). Остальное изображение создает на этой стадии свет, распределенный по всей плоскости преобразования.

Используется маска (рис. 5.22, вРис. 5.22. Применение двойного преобразования Фурье для оптической фильтрации изображения: а - схема фильтрации; б - распределение света в плоскости преобразования; в - маска для фильтрации горизонтальных линий), закрывающая в плоскости преобразования вертикальный ряд светящихся пятен; при этом световой поток, несущий базовое (полезное) изображение, проходит без существенных потерь. В результате вторая линза рассматриваемой системы (рис. 5.22, аРис. 5.22. Применение двойного преобразования Фурье для оптической фильтрации изображения: а - схема фильтрации; б - распределение света в плоскости преобразования; в - маска для фильтрации горизонтальных линий) формирует в выходной плоскости улучшенное изображение оригинала, избавленное («очищенное») путем промежуточной фильтрации от параллельных горизонтальных линий (помех).

5.30. Рассмотреть оптическую схему получения эталонной голограммы объекта для Преобразователь Фурьепреобразователя Фурье.

Использование голографических изображений позволяет в значительной степени автоматизировать оптическую обработку информации в системе с двойным Преобразователь Фурьепреобразованием Фурье. Фильтром, выделяющим конкретный объект в плоскости преобразования (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье, 5.22Рис. 5.22. Применение двойного преобразования Фурье для оптической фильтрации изображения: а - схема фильтрации; б - распределение света в плоскости преобразования; в - маска для фильтрации горизонтальных линий), может служить его голограмма.

Схема записи такой Фурье-голограммы объекта представлена ссылка на источники литературы на рис. 5.23Рис. 5.23. Оптическая схема получения Фурье-голограммы объекта. Используется линза с фокусным расстоянием F. Прозрачный объект (транспарант, слайд) размещается в передней фокальной плоскости линзы, регистрирующая фотопластина - в задней фокальной плоскости. Точечное отверстие или прозрачный транспарант небольших размеров приготовлены в передней фокальной плоскости для опорного луча. При записи голограммы объектный и опорный лучи создаются одним источником когерентного оптического излучения (лазером).

Голограмма конкретного объекта экспонируется по оптической схеме (рис. 5.23Рис. 5.23. Оптическая схема получения Фурье-голограммы объекта) на фотопластине, которая затем проявляется и в дальнейшем служит фильтром, позволяющим в Фурье-преобразователе (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье) выделить или распознать соответствующий объект.

5.31. Пояснить принцип действия Голографическая система распознавания объектов (образов)голографической системы распознавания объектов (образов).

Такая система (по существу оптический голографический коррелятор) строится по схеме, осуществляющей преобразование Фурье (рис. 5.21Рис. 5.21. Оптическая схема двойного преобразования Фурье). Голограмма конкретного объекта (например, буквы Т) фиксируется в плоскости преобразования. Если во входной плоскости установлен слайд с буквой Т, то при соответствующей подсветке опорным лучом на выходе коррелятора возникает яркая световая точка. В рассматриваемой системе выходное изображение не является точной копией оригинала, так как в плоскости преобразования фаза световой волны сохраняется неточно.

Если в качестве объекта используется страница текста (рис. 5.24Рис. 5.24. Голографическое распознавание объектов (образов)), то на выходе системы распознавания получается ссылка на источники литературы набор ярких точек, отмечающих все буквы Т, присутствующие в данном тексте. Очевидно, что такое устройство можно использовать в составе читающего автомата.

5.32. Рассмотреть принципы и голографические схемы записи и восстановления цифровых (двоичных) данных ссылка на источники литературы.

В такой системе первоначально носителем двоичной информации является Транспаранттранспарант - плоская двухкоординатная матрица элементарных оптических ячеек. В управляемых транспарантах оптические свойства ячеек изменяются при воздействии внешних управляющих сигналов. При записи двоичной информации отдельные ячейки транспаранта обеспечивают максимальное пропускание (что соответствует логической единице) или становятся малопрозрачными (обеспечивая логический нуль). В процессе считывания информации транспарант интенсивно освещается и действует (смотрится) как множество ярких светящихся точек, распределенных по заданному закону (в соответствии с массивом двоичной информации, записанной на транспарант).

Схема голографической записи страницы цифровых (двоичных) данных представлена на рис. 5.25, аРис. 5.25. Голографические схемы записи (а) и восстановления (б) страницы двоичных данных. Страницей С служит транспарант с записанной двоичной информацией, который освещается предметным (объектом) пучком ПП. В схеме применяется линза Л, фокусирующая предметный пучок ПП на поверхность фотопластины (голограммы) ФП. Голограмма воспринимает и (после проявления) фиксирует интерференцию опорного пучка ОП и предметного пучка ПП, прошедшего через транспарант и линзу. Таким образом, в схеме (рис. 5.25, аРис. 5.25. Голографические схемы записи (а) и восстановления (б) страницы двоичных данных) выдерживаются условия записи голограммы Фурье (рис. 5.23Рис. 5.23. Оптическая схема получения Фурье-голограммы объекта).

Фурье-голограмма, содержащая всю цифровую информацию, записанную на странице, формируется в сходящемся предметном пучке и поэтому оказывается весьма компактной. Можно осуществить следующую запись новых цифровых данных на ту же голо-грамму, изменив угол падения опорного пучка ОП. К тому же при голографической записи каждый элементарный участок носителя хранит информацию о всем информационном массиве; поэтому плотность голографической записи цифровой информации оказывается весьма высокой (1011-1012 бит/см2).

Голографическая схема восстановления страницы с цифровыми данными представлена на рис. 5.25, бРис. 5.25. Голографические схемы записи (а) и восстановления (б) страницы двоичных данных. Фурье-голограмма (на проявленной фотопластине ФП) просвечивается опорным лучом ОП, падающим под «своим» углом, соответствующим процессу записи. Непосредственно за линзой формируется восстановленное изображение страницы с цифровыми данными, представленными совокупностью светлых и темных пятен.

5.33. Рассмотреть схемы записи и считывания информации в устройстве с голографическими матрицами ссылка на источники литературы.

Запоминающие голографические матрицыЗапоминающие голографические матрицы используются для записи больших объемов информации. На одной матрице удается разместить множество голограмм диаметром 2-5 мм и записать до 104 бит информации. Поступающие данные записываются на всех элементах голографической матрицы. Запись полезной информации на конкретный элемент является «чисто» голографической: фиксируется интерференционная картина взаимодействия опорного и объектного (информационного) пучков.

Оптическая схема записи информации на элементах голографической матрицы показана на рис. 5.26, аРис. 5.26. Голографическая матрица: а - запись данных; б - считывание информации. Устройство содержит лазер 1, управляемый (например, электрооптический) дефлектор 2, вспомогательную голографическую матрицу 3, фокусирующие линзы 4 и 5, управляемый транспарант 6, запоминающую голографическую матрицу 7.

Лазерный луч после дефлектора 2 в процессе записи занимает строго определенное положение. При новой записи заменяется управляемый транспарант 6 и с помощью дефлектора 2 изменяется положение лазерного луча. На рис. 5.26, аРис. 5.26. Голографическая матрица: а - запись данных; б - считывание информации лазерный луч показан в двух положениях: А и В; дальнейший ход этих лучей отмечен одной (в варианте А) и двумя (в варианте В) стрелками.

В процессе записи луч лазера 1 после дефлектора 2 проходит через одну из голограмм вспомогательной матрицы 3. Далее световая волна фокусируется линзой 5 на одном из элементов запоминающей матрицы 7. Непосредственно за линзой 5 действует транспарант 6, который управляется информационными сигналами и преобразует поступающую информацию в соответствующие черно-белые ячейки (пространственные сигналы).

Опорным лучом в рассматриваемой схеме служит горизонтальный (осевой) пучок, который фокусируется линзой 4, проходит через центр линзы 5 и попадает на соответствующую запоминающую голограмму матрицы 7, поскольку линза 5 располагается в задней фокальной плоскости линзы 4.

Считывание записанной информации осуществляется по схеме, представленной на рис. 5.26, бРис. 5.26. Голографическая матрица: а - запись данных; б - считывание информации. Устройство содержит лазер 1, дефлектор 2, запоминающую голографическую матрицу 3, фокусирующую линзу 4 и матрицу фотоприемников 5. На конкретном этапе считывается информация, записанная на одной из голограмм матрицы 3. Для этого на дефлектор 2 подается соответствующий сигнал управления и луч лазера 1 ориентируется на выбранную голограмму. Восстановленное оптическое изображение направляется на фотоприемники матрицы 5, которая преобразует записанный на голограмме пространственный оптический сигнал в совокупность электрических видеосигналов. На следующем этапе по новому сигналу управления считывается информация, записанная на другой голограмме запоминающей матрицы 3.

5.34. Рассмотреть и пояснить схему кодирования информации для цифровой голографической записи ссылка на источники литературы.

Такое цифровое преобразование данных позволяет записать информацию на голограмме в определенном (обычно двоичном) коде. Схема кодирования, представленная на рис. 5.27Рис. 5.27. Кодирование информации для цифровой голографической записи, содержит фокусирующие линзы Л1 и Л3, электрооптический модулятор М, состоящий из n независимых секций, фотопластину ФП и маску Мс.

Цилиндрическая линза Л1 фокусирует предметный (объектный) пучок ПП на модуляторе М в виде узкой полосы света. При кодировании конкретного символа (например, буквы или цифры) открываются только две определенные секции модулятора, которые пропускают предметный пучок ПП, попадающий через фокусирующую линзу Л2 на фотопластину ФП. Голограмма формируется при интерференционном взаимодействии опорного пучка ОП и части предметного пучка ПП.

При кодировании другого символа открывается соответствующая (новая) пара секций модулятора. Размер каждой голограммы фиксируется маской Мс. При смещении маски в горизонтальном направлении записывается строка голограмм; определенный (заданный) сдвиг маски в вертикальном направлении позволяет записать следующую строку голограмм. Каждая голограмма такой матрицы содержит кодированную информацию об определенном символе (цифре, букве и т.п.).

5.35. Рассмотреть схему передачи информации из Голографическое запоминающее устройствоголографического запоминающего устройства в устройство оптической обработки информации ссылка на источники литературы.

Информация об инструкциях, кодированных символах, алгоритмах решения задач, постоянных величинах и других данных хранится в постоянном оптическом запоминающем устройстве - матрице голограмм. Схема ввода информации, накопленной в голографическом запоминающем устройстве, в устройство оптической обработки информации представлена на рис. 5.28Рис. 5.28. Применение голографического запоминающего устройства для ввода данных в оптическое устройство обработки информации. Схема содержит лазер 1, многопозиционный дефлектор 2, матрицу голограмм 3 и входные оптические каналы устройства обработки информации 4.

Устройство адресации лазерного излучения направляет луч в голограмму матрицы 3 с заданным адресом (номером). Адресным устройством служит многопозиционный дефлектор лазерного луча с произвольной адресацией. Двумерное изображение, считанное с голограммы, подается на оптические входы устройства 4 и управляет функциями пропускания и отражения этого устройства. Ввод информации в устройство 4 осуществляется одновременно по всем оптическим каналам.

5.36. Рассмотреть схему, пояснить принцип действия Голографическое запоминающее устройствоголографического запоминающего устройства ссылка на источники литературы.

Принципиальной особенностью такого запоминающего устройства большой емкости является запись множества голограмм на один и тот же фоточувствительный слой. Запись информации организована по схеме, представленной на рис. 5.29Рис. 5.29. Голографическое запоминающее устройство. Устройство содержит лазер, создающий объектный луч, который далее делится на n пучков, действующих в n независимых каналах. В каждом i-м канале используется модулятор Mi, который при воздействии управляющего (коммутирующего) сигнала пропускает или отсекает (не пропускает) i-й луч объектного пучка.

Опорный луч, создаваемый тем же лазером, проходит через управляемую отклоняющую систему. Последующее направление опорного луча ориентировано на фоточувствительный слой (голограмму), но задается индивидуально управляющим (адресным) устройством. В процессе записи конкретной голограммы направление опорного луча строго определено и фиксировано. Поступающая информация воздействует на объектные лучи через модуляторы M1 - Mn. На выходах модуляторов возникает комбинация опорных лучей, которые, взаимодействуя с опорным лучом, экспонируют голограмму, записывая интерференционную картину взаимодействия.

При считывании информации, хранящейся в конкретной голограмме, угол падения опорного луча устанавливается в строгом соответствии с условиями записи этой голограммы. Восстановленная голограмма формирует изображение в виде совокупности ярких светящихся точек определенной комбинации (по количеству и местоположению). Это изображение проецируется на матрицу регистрирующих фотоприемников.

5.3.
Измерительная техника

5.37. Рассмотреть физические принципы применения лазеров в измерительной технике ссылка на источники литературы.

Лазерные измеренияЛазерные измерительные устройства и системы позволяют провести разнообразные прецизионные, во многом уникальные лабораторные исследования, осуществить производственные измерения и испытания, организовать экологический контроль окружающей среды. Далеко не все известные возможности лазерной измерительной техники широко и эффективно используются в полиграфии. Однако, учитывая интенсивный переход современной полиграфии на «электронные рельсы», естественно предположить, что оснащение полиграфических лабораторий, цехов, предприятий, комплексов лазерной измерительной техникой нового поколения - задача ближайшего, безусловно осуществимого будущего.

В измерительной технике используются раздельно (индивидуально) или комплексно разнообразные физические и технические достоинства лазеров. Отметим, в первую очередь, высокую когерентность лазерного излучения. Волновой фронт лазерного пучка не подвержен хаотическим изменениям во времени и в пространстве.

Лазерное излучениеЛазерное излучение является весьма ярким и интенсивным в различных участках сечения лазерного пучка. Такой пучок излучения хорошо сколлимирован, лучи пучка во многом равноценны. Удается эффективно использовать и легко сфокусировать практически все излучение лазера.

В измерительной технике эффективно используются узкая направленность, малый угол расходимости, весьма небольшое сечение лазерного луча; строго определенный узкополосный частотный спектр, высокая монохроматичность лазерного излучения; большая мощность, значительная дальность действия лазерного пучка. Дополнительные технические возможности обеспечивают непрерывный и импульсный режимы действия лазеров, относительно несложные методы и средства управления полупроводниковыми лазерами.

Лазерные измеренияМетоды лазерных измерений базируются на физических (оптических) эффектах взаимодействия лазерного излучения и объектов (среды). Активно используются явления отражения и пропускания света; при этом поглощение оптического излучения в среде оценивается, в первую очередь, по Закон Бугера - Ламберта - Беразакону БугерБугера - ЛамбертЛамберта - БерБера. Во многих лазерных измерениях эффективно и наглядно проявляется интерференция - оптическое взаимодействие когерентных лазерных пучков. Если частоты интерферирующих колебаний мало различаются, то четко проявляется ритмичное смещение интерференционных полос (биение колебаний). При измерении объектов с малыми размерами успешно используется дифракция лазерного излучения.

Изменение частоты лазерного излучения при относительном движении излучателя света и объекта (Эффект Доплераэффект ДоплерДоплера) позволяет измерить скорость движения потока жидкости или газа. Обнаружение и определение концентрации газов, существенное для экологического контроля окружающей среды, базируется на строго определенном (индивидуальном) поглощении и комбинационном рассеянии лазерного излучения.

5.38. Пояснить Эффект Доплераэффект Доплера с ориентацией на оптические колебания ссылка на источники литературы.

Этот эффект проявляется при относительном движении излучателя света и приемника (объекта), причем непосредственно влияет на частоту оптических колебаний, воспринимаемых объектом. При сближении излучателя и объекта происходит повышение частоты колебаний; взаимное удаление излучателя и объекта приводит к уменьшению частоты колебаний.

При распространении оптических волн в вакууме частота n колебаний, отраженных от объекта, изменяется согласно соотношению

где ν0 - частота оптических колебаний, генерируемых излучателем; v - скорость относительного движения излучателя и объекта; с - скорость света; θ - угол между направлением движения (вектором скорости) и линией наблюдения в системе объекта (приемника).

Два варианта оптического взаимодействия неподвижного излучателя света и объекта, движущегося со скоростью v, наглядно иллюстрирует рис. 5.30Рис. 5.30. Взаимодействие при относительном движении излучателя света и объекта (эффект Доплера): а - сближение; б - удаление. В варианте, представленном на рис. 5.30Рис. 5.30. Взаимодействие при относительном движении излучателя света и объекта (эффект Доплера): а - сближение; б - удаление, а, излучатель освещает объект, движущийся влево, под углом θ<π/2; при этом излучатель и объект сближаются. Поскольку cosθ> 0, a (ν/c)2<< 1, согласно

частота ν>ν0 .

В другом варианте (рис. 5.30, бРис. 5.30. Взаимодействие при относительном движении излучателя света и объекта (эффект Доплера): а - сближение; б - удаление) угол θ>π/2 объект удаляется от излучателя. В этом случае cosθ< 0, а частота ν<ν0 согласно

При θ = π/2 объект движется перпендикулярно линии наблюдения, cosθ = 0, расстояние между излучателем и объектом увеличивается, частота

изменяется (уменьшается), но весьма незначительно.

В практических случаях интерес представляет относительное изменение частоты Δ/ν0 = (ν-ν0 )/ν0 , которое с учетом

и условий vcosθ/c << 1, (ν/c)2<< 1 записывается в виде

Доплеровский сдвиг частоты Δν/ν0 невелик. Например, в естественном варианте v = 30 м/с, cosθ = 1 при с = 3 ×108 м/с получаем Δν/ν0 = 10-7. Важно, однако, учитывать, что при достаточно типичной длине волны лазерного излучения λ0 = 1 мкм частота ν0 = c/λ0 составляет 3 ×1014 Гц; в этом случае доплеровский сдвиг частоты Δν = 30 МГц безусловно «осязаем» и может быть зарегистрирован и измерен с высокой точностью.

5.39. Рассмотреть интерференцию двух оптических колебаний с различными (но близкими) частотами, пояснить и описать возникающий эффект биений ссылка на источники литературы.

При взаимодействии таких колебаний интерференционная картина не остается постоянной, а смещается, что приводит к изменению интенсивности света в каждой конкретной точке наблюдаемого пространства. Если частоты оптических колебаний мало различаются, то элементы интерференционной картины ритмично сдвигаются (пульсируют) с относительно небольшой разностной частотой (частотой биений).

Световую волну, движущуюся в отрицательном направлении оси z, можно описать комплексной функцией

где E0 - амплитуда волны; ω - угловая частота; φ - фаза волны. Коэффициент k = 2π/λ определяется длиной волны λ.

При смещении двух пучков света с различными параметрами E0, k, ω и φ искомая интенсивность I (квадрат амплитуды светового поля) определяется соотношением

Используя промежуточный переход

получаем после несложных преобразований итоговую формулу

Таким образом, интерференционные полосы в рассматриваемом случае пульсируют с разностной частотой ω1 - ω2. Если частоты ω1 и ω2 почти одинаковы, то их разность невелика, что дает возможность наблюдать и регистрировать процесс биений несложными техническими средствами.

5.40. Рассмотреть схему построения, пояснить принцип действия лазерного доплеровского анемометра ссылка на источники литературы.

Такое устройство предназначено для измерения скорости потока жидкости или газа. Вариант ссылка на источники литературы схемы измерительного устройства представлен на рис. 5.31Рис. 5.31. Лазерный доплеровский анемометр. Источником 1 когерентного оптического излучения мощностью 10-15 мВт служит гелий-неоновый лазер. Коллиматор лазерного пучка содержит линзы 2 и 3. Зеркало (светоделитель) 9 формирует два самостоятельных пучка, которые отражаются соответственно зеркалами 4, 8 и через фокусирующие линзы 5, 7 направляются в контролируемую область потока, движущегося со скоростью v. Оптическое излучение, рассеянное частицами этой области, регистрируется фотоприемником 6.

В такой оптической системе четко проявляется эффект Доплера. Частота ν0 излучения, поступающего по каналу с линзой 5, при рассеянии увеличивается до уровня (см. рис. 5.30, аРис. 5.30. Взаимодействие при относительном движении излучателя света и объекта (эффект Доплера): а - сближение; б - удаление); доплеровский сдвиг ν1 - ν0 согласно пропорционален скорости v потока. Излучение с частотой ν0 по каналу с линзой 7 соответствует другому случаю (см. рис. 5.30, бРис. 5.30. Взаимодействие при относительном движении излучателя света и объекта (эффект Доплера): а - сближение; б - удаление); при рассеянии частота ν0 этого излучения уменьшается до уровня ν2, но доплеровский сдвиг ν2 - ν0 пропорционален скорости v.

ИнтерференцияИнтерференция оптических волн с частотами ν1 и ν2 приводит к биениям интерференционных полос с разностной частотой ν1 - ν2, которая и выделяется фотоприемником 6. Измерение доплеровского частотного сдвига ν1 - ν2 позволяет измерить (рассчитать) скорость v потока жидкости или газа с высокой точностью.

В другом техническом варианте ссылка на источники литературы лазерного измерителя скорости потока лазерный луч расщепляется призмой на две составляющие, которые сходятся в контролируемой области потока под определенным углом θ. И в этой ситуации четко проявляются эффект Доплера и интерференционная картина биений. Однако фотоприемник регистрирует отраженный свет и располагается в одном месте с излучателем (лазером), что удобно при проведении дистанционных измерений. При этом, однако, необходимо использовать более мощный лазер, чем в варианте (рис. 5.31Рис. 5.31. Лазерный доплеровский анемометр) с регистрацией проходящего света.

Для проведения измерений в лазерном доплеровском анемометре важно, чтобы жидкость или газ эффективно рассеивали свет. Если исследуемый объект весьма прозрачен, то в поток дополнительно (искусственно) вводят рассеивающие частицы.

5.41. Пояснить схему построения и принцип действия лазерного интерферометра для линейных измерений ссылка на источники литературы.

Такие устройства применяют при измерении относительно небольших расстояний (до нескольких метров), включая размеры, перемещения, деформации (сдвиги) объектов. Базовым устройством для линейных измерений служит интерферометр Майкельсона ссылка на источники литературы.

Схема лазерного интерферометра ссылка на источники литературы представлена на рис. 5.32Рис. 5.32. Лазерный интерферометр для измерения линейных перемещений и размеров. Источником излучения 1 обычно служит гелий-неоновый лазер, стабилизированный по частоте; длина волны лазерного излучения 0,6328 мкм.

Зеркало (светоделитель) 2 разделяет лазерный пучок на два луча - опорный и измерительный. Опорный луч возвращается (отражается) уголковым отражателем 3 к зеркалу 2, которое направляет этот луч на фотоприемник 4.

Измерительный луч достигает уголкового отражателя 5, установленного на объекте 6 линейных измерений. Отражаясь, измерительный луч по параллельному оптическому маршруту возвращается к зеркалу 2, которое направляет его на фотоприемник 4. В результате фотоприемник регистрирует интерференционное взаимодействие опорного и измерительного лучей.

Оптическая длина пути опорного пучка известна и постоянна, а измерительный луч проходит свой оптический путь, однозначно связанный с положением уголкового отражателя 5, который «следит» за линейными перемещениями объекта 6. При сдвиге отражателя 5 изменяется оптическая разность хода опорного и измерительного лучей. Если разность оптического хода кратна длине волны l лазерного излучения, то возникает интерференционный максимум света, который воспринимается и фиксируется фотоприемником 4. Число таких оптических максимумов регистрирует счетчик 7, что дает исчерпывающую информацию о величине геометрического сдвига объекта.

Дальнейшую обработку этой информации может осуществлять компьютер 8. Точность интерферометрического измерения линейных перемещений определяется длиной волны лазерного излучения (и для гелий-неонового лазера составляет 0,6 мкм).

5.42. Пояснить принцип действия, представить схемный вариант блока управления лазерного дальномера ссылка на источники литературы.

Схема дальномера ссылка на источники литературы представлена на рис. 5.33, аРис. 5.33. Лазерный дальномер: а - оптическая схема; б - электрическая схема блока управления; в - временные диаграммы. Лазер 1 формирует кратковременный импульс оптического излучения длительностью 10-20 нс (и менее). Часть лазерного излучения полупрозрачным зеркалом 3 направляется на первый фотоприемник 3, который через блок управления 4 подает на счетчик 5 непрерывную последовательность кратковременных высокочастотных электрических импульсов. Одновременно часть лазерного импульсного излучения через зеркало 2 и объектив (коллиматор), содержащий линзы 6 и 7, направляется на объект 8. Импульс лазерного излучения, отраженного от объекта, воспринимается вторым фотоприемником 9, который через блок управления 4 прекращает поступление кратковременных электрических импульсов на вход счетчика 5.

Вариант схемы блока управления дальномера (рис. 5.33, аРис. 5.33. Лазерный дальномер: а - оптическая схема; б - электрическая схема блока управления; в - временные диаграммы) представлен на рис. 5.33, бРис. 5.33. Лазерный дальномер: а - оптическая схема; б - электрическая схема блока управления; в - временные диаграммы. Первый (исходный) лазерный импульс воздействует на фотоприемник ФП1, который через формирователь импульсов ФИ1 переключает RS-триггер Т по S-входу в состояние 1. Логический элемент (схема И) ЛЭ теперь пропускает кратковременные высокочастотные импульсы от генератора ГИ на вход счетчика СТ. Временные диаграммы действия блока управления в узловых точках (на выходах формирователей ФИ1, ФИ1 и элемента ЛЭ) показаны на рис. 5.33, вРис. 5.33. Лазерный дальномер: а - оптическая схема; б - электрическая схема блока управления; в - временные диаграммы.

Зафиксированное счетчиком СТ число импульсов N, поступающих от генератора ГИ с частотой F, позволяет определить время движения лазерного импульса до объекта и обратно: Δt = N/F. За это время лазерный импульс проходит двойной путь 2d (где d - расстояние до объекта) со скоростью света с. Таким образом, искомое расстояние

Например, при зафиксированном (измеренном) интервале Δt = 500 нс расстояние до объекта составляет 75 м. Точность измерений зависит в первую очередь от длительности лазерного импульса и частоты F кратковременных импульсов генератора ГИ.

5.43. Рассмотреть принцип и схему дифракционного измерения диаметра проволоки ссылка на источники литературы.

Освещение ярким лазерным лучом относительно небольшого объекта создает дифракционную картину, которая позволяет измерять и контролировать малые размеры объекта. Характерным примером может служить простая схема измерения диаметра проволоки, представленная на рис. 5.34, аРис. 5.34. Дифракционное измерение диаметра проволоки. Диаметр лазерного пучка света превышает диаметр проволоки. При лазерном освещении проволоки дифракционная картина формируется как набор пятен, расположенных вдоль прямой линии, перпендикулярной оси проволоки. В центре дифракционной картины находится пятно недифрагированного лазерного излучения.

Согласно дифракционной картине (рис. 5.34, аРис. 5.34. Дифракционное измерение диаметра проволоки) каждому (например, n-му) пятну соответствует дифрагированный луч, который направлен от освещенного места проволоки на конкретное пятно под определенным углом (φn), измеряемым относительно исходного направления лазерного луча. В такой ситуации справедливо соотношение

где n - порядок дифракции, а λ - длина волны лазерного излучения.

Таким образом, искомый размер

Конкретные данные для расчетного соотношения формируются по результатам измерения расстояний между пятнами дифракционной картины.

Наблюдаемая дифракционная картина изменяется в зависимости от диаметра D проволоки (рис. 5.34, бРис. 5.34. Дифракционное измерение диаметра проволоки). При относительно большом диаметре D (случай А) расстояние между смежными пятнами невелико; при уменьшении диаметра проволоки (случай В) расстояние между пятнами дифракционной картины возрастает.

Согласно данным ссылка на источники литературы дифракционный метод позволяет измерять диаметры проволок или волокон порядка 2,5 мкм с погрешностью 5%.

5.44. Рассмотреть метод и схему измерения дефектов (чистоты обработки) поверхности объекта ссылка на источники литературы.

При освещении поверхности плоского объекта (металлической пластины, керамической плитки, бумаги, пленки) наклонным пучком лазерного излучения возникает рассеянное (отраженное) излучение, которое в измерительном устройстве регистрируется фотоприемником. При этом дефекты поверхности (царапины, раковины, трещины, выступы и т.п.) отражают оптическое излучение не так, как относительно гладкие участки (с минимальной шероховатостью). Однако практически трудно выделить излучение, рассеянное дефектами, на фоне света, равномерно отраженного от гладких (зеркальных) участков поверхности.

В конкретной схеме измерения, представленной на рис. 5.35Рис. 5.35. Обнаружение дефектов (оценка чистоты обработки) поверхности, для подавления основной (зеркально отраженной) компоненты света используется пространственная фильтрация оптического излучения. Измерительное устройство содержит лазер, фокусирующую линзу и фотоприемник. Пространственным фильтром служит диафрагма с непрозрачной центральной частью, которая эффективно подавляет (не пропускает) основной свет, зеркально отраженный от поверхности. Вместе с тем излучение, рассеянное заметными (значительными) дефектами поверхности, по «своим» маршрутам огибает непрозрачный экран и достигает фотоприемника. Рассматриваемое устройство позволяет, в частотности, четко различать поверхности с различным количеством и неодинаковыми размерами дефектов (например, царапин).

Схему (рис. 5.35Рис. 5.35. Обнаружение дефектов (оценка чистоты обработки) поверхности) несложно модернизировать, обеспечивая лазерное обследование поверхности объекта с целью обнаружения места и типа конкретного дефекта. Такое сканирование лазерного луча можно обеспечить стандартными техническими средствами (с помощью вибрирующего зеркала или вращающегося зеркального дефлектора).

5.45. Рассмотреть принципы и схемы лазерного зондирования окружающей среды ссылка на источники литературы.

Применение лазерной техники позволяет оперативно и нацеленно обеспечивать дистанционный контроль окружающей (воздушной или газовой) среды. Четко выявляются наличие и степень (концентрация) веществ, загрязняющих атмосферу, главным образом аэрозольных частиц (пыли, сажи, золы) и вредных газов (оксидов углерода СО и СO2, двуокиси серы SO2, оксида азота NO, метана СH4, сероводорода H2S). В рамках таких измерений важно, используя пучок мощного лазерного излучения, организовать целенаправленное освещение (просвечивание) определенного объема воздушной (газовой) среды, получить и зарегистрировать результаты такого лазерного зондирования объекта измерения.

Схемы лазерного зондирования окружающей среды (атмосферы) представлены ссылка на источники литературы на рис. 5.26Рис. 5.26. Голографическая матрица: а - запись данных; б - считывание информации. Приняты одинаковые цифровые обозначения: 1 - устройство с лазером; 2 - блок фотоприемника. В варианте (рис. 5.36, аРис. 5.36. Лазерное зондирование воздушной (газовой) среды) контролируемый объем воздушного пространства просвечивается лазерным лучом. Оптическая система, непосредственно связанная с лазером, расширяет диаметр лазерного пучка и посылает лазерный луч по контролируемому маршруту. Лазерное излучение, проникающее через исследуемую среду, воспринимается оптической системой, фокусирующей лазерный луч на фотоприемник.

В варианте (рис. 5.36, бРис. 5.36. Лазерное зондирование воздушной (газовой) среды) дополнительно введен отражатель (например, зеркало) 3. Поэтому оптическое излучение, формируемое лазером 1, достигает фотоприемника 2, отражаясь от зеркала 3, и, таким образом, проходит исследуемую среду дважды (туда и обратно).

По схеме (рис. 5.36, вРис. 5.36. Лазерное зондирование воздушной (газовой) среды) действует лазерное устройство зондирования атмосферы, которое регистрирует лазерное излучение, приходящее из контролируемого объема воздушной среды. Для этого лазерный блок 1, снабженный оптической системой, посылает направленное излучение в контролируемую область. Блок фотоприемника 2 регистрирует и сравнивает по определенным признакам и характеристикам исходное лазерное излучение и оптическое излучение, приходящее из облучаемого устройства.

При лазерном зондировании воздушной среды измеряются разнообразные физические характеристики и свойства: интенсивность, спектральный состав, поляризация прошедшего и отраженного (рассеянного) оптического излучения. Как правило, лазер действует в импульсном режиме, формируя кратковременные импульсы мощного оптического излучения, что позволяет организовать временную селекцию полезной информации, подавляя асинхронные оптические помехи, и улучшить разрешение системы.

Достаточно часто блок фотоприемника в схемах (рис. 5.36Рис. 5.36. Лазерное зондирование воздушной (газовой) среды) дополняется узкополосным частотным фильтром ссылка на источники литературы, позволяющим выделить из широкополосного спектра регистрируемого излучения (оптического фона) искомое излучение с определенной (заданной) длиной волны.

5.46. Пояснить метод обнаружения газа, основанный на поглощении лазерного излучения ссылка на источники литературы.

Газы неодинаково поглощают оптическое излучение с различной длиной волны, причем каждый конкретный газ имеет свои индивидуальные весьма узкие спектральные линии поглощения. На рис. 5.37Рис. 5.37. Спектральные линии поглощения распространенных газов представлен спектр поглощения ряда распространенных (в основном вредных) газов.

В измерительной установке исследуемые газы пропускают через объем (сосуд), освещаемый лазерным пучком оптического излучения. На поток света, проходящего через сосуд с газами, реагирует фотоприемник, размещенный с лазером по разные стороны сосуда. Перестраивая длину волны лазерного излучения, по резкому уменьшению интенсивности проникающего излучения и снижению выходного фототока можно обнаружить спектральную линию существенного поглощения света и определить (идентифицировать) искомый газ по характерной длине волны оптического поглощения.

5.47. Пояснить метод обнаружения молекул газа с использованием комбинационного рассеяния лазерного излучения ссылка на источники литературы.

При комбинационном рассеянии света газовыми молекулами длина волны рассеиваемого оптического излучения изменяется. Каждая рассеивающая газовая среда имеет свой (строго определенный и характерный) спектр комбинационного рассеяния. Для конкретного газа комбинационное рассеяние приводит к появлению дополнительных спектральных линий, которые располагаются вблизи от основных спектральных линий газовых молекул.

При лазерном облучении газовой среды длина волны падающего (лазерного) излучения изменяется, причем появляются оптические колебания с новыми, характерными только для исследуемого газа длинами волн. В таблице представлены ссылка на источники литературы длины волн комбинационного рассеяния лазерного излучения различными газами.

Молекула Длина волны рассеянного излучения, мкм
Азотный лазер (0,3371 мкм) Аргоновый лазер (0,5145 мкм) Рубиновый лазер (0,6943 мкм)
CO 0,3615 0,5713 0,7977
NO 0,3584 0,5642 0,7848
N2O 0,3518 0,5486 0,7565
SO2 0,3502 0,5450 0,7498
CH4 0,3702 0,5916 0,8348
H2S 0,3668 0,5836 0,8202
NH3 0,3751 0,6029 0,8553

Представленные данные позволяют экспериментально определить состав исследуемой газовой среды по результатам комбинационного рассеяния лазерного излучения. В характерном примере ссылка на источники литературы зондирование атмосферы осуществляется рубиновым лазером (λ = =0,694 мкм). В спектре рассеянного излучения обнаружены оптические колебания с длинами волн 0,785 и 0,798 мкм. Сдвиг длины волны 0,785 - 0,694 = 0,091 мкм соответствует колебаниям молекулы NO, а сдвиг 0,798 - 0,694 = 0,104 мкм - колебаниям молекулы СО. Таким образом, в исследуемой газовой среде присутствуют оксид азота NO и угарный газ СО.

В монографии ссылка на источники литературы представлена схема установки, которая применяется для обнаружения спектральных линий комбинационного рассеяния газов, загрязняющих атмосферу. Источником излучения, зондирующего газовую среду, служит лазер на неодимовом стекле, формирующий мощные кратковременные импульсы света с длиной волны 0,53 мкм. Выделение участка спектра, соответствующего спектральной линии рассеяния определенного газа, обеспечивает монохроматор. Интенсивность сигнала рассеянного излучения регистрирует фотодиод.

5.4.
Волоконно-оптические линии связи

5.48. Выделить технические достоинства, указать возможности использования Волокнооптические линии связи (ВОЛС)волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в полиграфии ссылка на источники литературы.

К техническим достоинствам ВОЛС естественно отнести:

  • широкий спектр эффективного взаимодействия оптического излучения с объектами и средами;

  • высокие скорости и малые потери передачи оптических сигналов;

  • большую пропускную способность, возможность интенсивного насыщения информационных каналов оптической связи;

  • устойчивость к электромагнитным помехам и ложным электрическим воздействиям;

  • совместимость с интегральными микросхемами.

В полиграфии Волокнооптические линии связи (ВОЛС)волоконно-оптические линии связи:

  • эффективно и устойчиво осуществляют дистанционную передачу больших объемов текстовой и изобразительной информации;

  • обеспечивают бесконтактное восприятие и прецизионную селекцию оптической информации в автоматизированных системах регулирования и контроля;

  • позволяют оперативно получать и многофакторно анализировать разнообразные сведения о параметрах и характеристиках печатных и отделочных процессов;

  • систематически контролируют состояние окружающей среды полиграфических объектов и предприятий.

5.49. Построить и пояснить типовую структурную схему передачи полиграфической информации по Волокнооптические линии связи (ВОЛС)волоконно-оптической линии связи.

Такая структурная схема, представленная на рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов, содержит источник полиграфической информации 1 (сканер, читающий автомат, цифровую фотокамеру, устройство для измерения, исследования, контроля, регулирования полиграфического процесса или объекта). Основными (базовыми) преобразователями информационных сигналов, как правило, являются аналого-цифровой преобразователь 2, кодер 3, модулятор 4.

Микроэлектронный модуль 5 обеспечивает непосредственно управление малоинерционным излучателем (полупроводниковым лазером). Лазер в такой системе формирует импульсные оптические сигналы в строгом соответствии с преобразованными (модулированными, коордированными) электрическими информационными сигналами, управляющими модулем излучателя 5.

Информационные оптические сигналыИнформационные оптические сигналы, излучаемые лазером 6, поступают в волоконный световод 7 и далее с высокой скоростью и минимальными искажениями достигают малоинерционного фотоприемника 8 (обычно фотодиода с р-i-n-структурой или лавинного фотодиода). Преобразование и усиление сигналов фототока обеспечивает микроэлектронный модуль фотоприемника 9.

Последующие операции обратного преобразования модулированных и кодированных информационных сигналов обеспечивают демодулятор 10, декодер 11 и цифроаналоговый преобразователь 12. Поэтому на вход приемника 13 информационные сигналы поступают в исходной аналоговой форме, заданной источником полиграфической информации 1.

Компонентный состав структурной схемы (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) может существенно видоизменяться (расширяться или сокращаться) в зависимости от конкретных условий и задач. При аналоговой передаче информационных сигналов необходимость в промежуточных преобразователях 2-4 и 10-12 отпадает. Такие аналоговые волоконно-оптические устройства оказываются простыми и недорогими, но имеют невысокую помехоустойчивость, заметную нелинейность, температурный дрейф характеристик и другие известные недостатки, свойственные «чисто» аналоговым устройствам и системам.

Если приемником цифровых информационных сигналов является микропроцессор или микроЭВМ, то исключается цифроаналоговый преобразователь 12. Вместе с тем для контроля и стабилизации волоконно-оптической системы на отдельных участках и в целом (между приемником 13 и источником 1) вводятся локальные (местные) и глобальные (общие) электрические и (или) оптические обратные связи.

Наиболее полно системная организация и схемотехническое «обрамление» ВОЛС оптимизированы (отработаны) в промышленных системах дистанционной передачи информационных сигналов - модемах с волоконно-оптическими связями.

5.50. Для схемы с Волокнооптические линии связи (ВОЛС)ВОЛС (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) представить и рассмотреть временные диаграммы поступления электрических информационных сигналов на микроэлектронный модуль, управляющий излучателем (полупроводниковым лазером), при аналоговом и Аналого-цифровое преобразование иинформациианалого-цифровом преобразовании информации.

В аналоговом варианте устройства (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) информационные сигналы поступают на вход модуля излучателя 5 непосредственно или через аналоговый преобразователь (обычно линейный или логарифмический усилитель) непрерывно и пропорционально, не изменяя формы. Аналоговый сигнал, представленный на рис. 5.39, аРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов, отражает, как правило, относительно медленные изменения исследуемого (контролируемого) процесса. Модуль излучателя и сам полупроводниковый лазер в аналоговом устройстве действуют в линейном (или квазилинейном) режиме. Ток возбуждения и мощность излучения полупроводникового лазера модулируются в строгом соответствии с изменениями аналогового информационного сигнала.

В Аналого-цифровое преобразование иинформациианалого-цифровом устройстве информационные сигналы поступают с выхода АЦП 2 на вход модуля излучателя 5 (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) непосредственно или через промежуточный (развязывающий, буферный) каскад (усилитель, повторитель). Варианты выходных сигналов АЦП представлены на рис. 5.39, б - гРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов. Иллюстрируется распространенный метод аналого-цифрового преобразования сигналов с привлечением генератора линейно изменяющегося напряжения и компаратора. Генератор периодически (например, в момент t1) включается и отрабатывает линейно нарастающее напряжение (рис. 5.39, аРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов). В момент t2 это напряжение достигает уровня (мгновенного значения) аналогового информационного сигнала и компаратор срабатывает, прекращая этап однократного аналого-цифрового преобразования сигнала.

Возможны по меньшей мере три варианта выходных сигналов такого Аналого-цифровое преобразование иинформацииАЦП. В варианте (рис. 5.39, бРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов) формируются импульсы, фиксирующие начало процесса (старт-импульс) и его окончание (стоп- импульс). Временной интервал Δt = t2 -t1 между этими импульсами строго пропорционален мгновенному значению аналогового сигнала в регистрируемый момент t2.

В варианте (рис. 5.39, вРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов) временной интервал преобразования формируется как длительность Δt прямоугольного импульса. Такой выходной сигнал характерен для амплитудно-временного преобразователя.

Если в рассматриваемый АЦП ввести выходной времяимпульсный преобразователь, то интервал длительностью Δt заполняется кратковременными высокочастотными импульсами (рис. 5.39, гРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов). Число N таких импульсов строго пропорционально длительности Δt. Подобная серия кратковременных импульсов формируется на выходе амплитудно-цифрового преобразователя.

Модуль излучателя 5 и полупроводниковый лазер 6 в схеме (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов), реагируя на выходные сигналы АЦП (рис. 5.39, б - гРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов), действуют в цифровом (ключевом) режиме. Наиболее интенсивной является импульсная загрузка полупроводникового лазера в варианте (рис. 5.39, гРис. 5.39. Аналого-цифровое преобразование сигналов).

5.51. Для схемы с ВОЛС (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) представить и рассмотреть временные диаграммы преобразования (кодирования и модулирования) цифровых информационных сигналов.

Если источником информационных сигналов является цифровая электронная система (например, управляющая микроЭВМ или растровый процессор), то необходимость в аналоговых и аналого-цифровых преобразователях отпадает. В тракт с кодером 3 и модулятором 4 (рис. 5.38Рис. 5.38. Структурная схема передачи информации по волоконно-оптической линии связи с лазерным формирователем оптических сигналов) поступают «готовые» комбинации цифровых электрических сигналов, несущие двоичную информацию. Для повышения помехоустойчивости передающей системы в Волокнооптические линии связи (ВОЛС)ВОЛС цифровые информационные сигналы дополнительно кодируют и (или) модулируют.

Варианты преобразования цифровых сигналов, поступающих в конкретной двоичной комбинации 111010010 (рис. 5.40, аРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов), представлены на рис. 5.40, б, еРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов. Простое импульсное представление рассматриваемой цифровой информации показано на рис. 5.40, бРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов, где логической 1 соответствует высокий электрический уровень, а логическому 0 - низкий уровень. Во многих случаях элементы передаваемой информации, соответствующие логическим 1, формируются в виде укороченных импульсов (рис. 5.40, вРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов).

Последовательность цифровых сигналов, представленная на рис. 5.40, гРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов, закодирована и обеспечивает дополнительные возможности для обнаружения и нейтрализации помех. При построении кода используются два полу периода тактовых импульсов. Логический 0 преобразуется в комбинацию 10, которая формируется из одного прямоугольного импульса и одной паузы (с низким уровнем сигнала). В свою очередь логическая 1 преобразуется в комбинацию 11 или 00. Расширение кодовых комбинаций повышает помехоустойчивость кодирования информации ссылка на источники литературы.

Принцип построения кодированной последовательности импульсов, показанной на рис. 5.40, дРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов, сравнительно несложен. Логический 0 представляется прямоугольным импульсом, длительность которого равна полупериоду тактовых импульсов; при этом второй полу период передачи логического 0 занимает низкий уровень сигнала (пауза). Если в передаваемой комбинации появляется логическая 1, то интервал между двумя смежными перепадами сигнала увеличивается вдвое и становится равным периоду тактовых импульсов (а не полупериоду, как в варианте с логическим 0). Следует отметить, что такой же принцип положен в основу относительной фазовой модуляции (ОФМ) информационных сигналов, где переход от 0 к 1 сопровождается скачком фазы на 180°, что эквивалентно сдвигу симметричной последовательности прямоугольных импульсов (меандра) на половину периода.

Активно используется частотная модуляция цифровых информационных сигналов. В этом случае (рис. 5.40, еРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов) интервалы передачи логических 0 и 1 заполняются кратвоременными высокочастотными импульсами; однако частота этих импульсов существенно (обычно в 4-8 раз) различается. На рис. 5.40, еРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов логический 0 представлен импульсами относительно небольшой частоты. Переход к логической 1 сопровождается резким увеличением частоты модулирующих сигналов.

Полупроводниковый лазер, управляемый цифровыми информационными сигналами (рис. 5.40, б - еРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов), также действует в «чисто» цифровом режиме. В состоянии, соответствующем логической 1, лазер возбужден и интенсивно излучает; в состоянии 0 интенсивность излучения лазера невелика. Максимальная импульсная загрузка лазера возникает при частотном модулировании цифровых информационных сигналов (рис. 5.40, еРис. 5.40. Кодирование и модулирование цифровых сигналов).

© Центр дистанционного образования МГУП