Устройство ввода-вывода оптической информации
Изобретение относится к информационно-вычислительной технике и может быть использовано для реализации вычислительных систем, систем построения изображений, а также оптоэлектронных модуляторов. Техническим результатом является повышение качества изображения. Указанный результат достигается за счет того, что устройство содержит оптоэлектронный экран, включающий в себя стеклянную подложку, слой отражателей, два слоя электродов, слой волноводов, светопроводящий слой, два слоя голограмм, модулирующий слой, направляющий, защитный и растровый слои, блок синхронизации, усилители ввода и вывода, коммутатор оптической информации, информационный блок, состоящий из модулятора волнового фронта, модулятора напряжения и блока управления модуляторами. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.
Устройство ввода-вывода оптической информации относится к информационно-вычислительной технике и может быть использовано для реализации вычислительных систем, систем построения изображений, а также оптоэлектронных модуляторов.
Известно техническое решение, связанное с воспроизведением изображения плоским экраном, например, патент RU №2146382, МПК G 02 F 1/1335, G 02 F 6/08, G 02 В 6/10, опубл. 10.03.2000.
Приведенный аналог обладает следующими недостатками: вывод информационного светового потока осуществляется через планарный волновод с коэффициентом преломления n1, матрицу-подложку с коэффициентом преломления n3, слой сегнетоэлектрического жидкого кристалла с n4, цилиндрический волновод с n5 и защитную пластину с n6. При этом необходимо подобрать коэффициенты преломления всех слоев таким образом, чтобы информационный световой поток, пройдя все слои, сфокусировался на противоположной поверхности цилиндрической линзы, роль которой выполняет цилиндрический волновод. Реализовать на практике это крайне трудно. Кроме того, цилиндрическая линза искажает волновой фронт, вытягивая изображение вдоль оси цилиндра.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для ввода и вывода информации, содержащее первый усилитель оптических сигналов (усилитель ввода), оптический вход которого является информационным входом устройства, второй усилитель оптических сигналов (усилитель вывода), выход которого является информационным выходом устройства. Выход усилителя ввода оптически связан с входом блока удвоения изображения (информационный блок), первый и второй выходы которого оптически связаны с входами соответственно усилителя вывода и оптоэлектронного экрана. Устройство содержит также блок синхронизации, выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго усилителей оптических сигналов и оптоэлектронного экрана. Оптоэлектронный экран состоит из стеклянной подложки, слоя нижних электродов и отражателей (зеркал) из Al, слоя прямоугольных волноводов из ZnO, слоя верхних электродов (второй слой) из Al, фотолюминесцентного слоя из ZnAgS, направляющего слоя из кристаллического ZnO, а также растрового слоя, состоящего из кварцевых микролинз, и защитного слоя из стекла. Причем электроды и отражатели выполнены в виде полос, расположенных перпендикулярно направлению волноводов. Каждая полоса первого слоя электродов размещена в промежутке между полосами электродов второго слоя электродов, а отражатели размещены между электродами первого слоя электродов (SU, а.с. №1656587, МПК G 09 G 1/08, опубл. 15.06.91, бюл. №22) - прототип.
Данное устройство позволяет увеличить объем передаваемой информации, однако имеются следующие недостатки:
1. Утрата адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны, которая неизбежна при использовании стеклянных линз.
2. Паразитное рассеяние световой энергии за счет различных показателей преломления кварца, стекла и воздуха.
3. Техническая сложность изготовления и совмещения микролинзового кварцевого растра со стеклянным защитным экраном.
4. Фотолюминесцентный слой играет роль диффузного рассеивателя, что также приводит к утрате адекватности амплитудно-фазовой информации исходного сигнала.
Задачей данного изобретения является усовершенствование конструкции информационно-вычислительного устройства.
Технический результат, который будет достигнут от использования заявляемого технического решения, заключается в повышении качества изображения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве ввода-вывода оптической информации, включающем усилители ввода и вывода, информационный блок, блок синхронизации, электрические и оптические связи, оптоэлектронный экран, содержащий подложку, два слоя электродов, слой отражателей, слои волноводов, направляющий, растровый и защитный слои, перед усилителем ввода дополнительно установлен коммутатор оптической информации, оптический вход которого подключен к оптическому выходу усилителя ввода, а информационный блок состоит из модулятора волнового фронта, модулятора напряжения и блока управления модуляторами. Причем оптический выход модулятора волнового фронта оптически связан с оптоэлектронным экраном, а оптический вход - с оптическим выходом коммутатора. Электрический выход модулятора напряжения соединен с электрическим входом экрана, а электрический вход - с электрическим выходом блока синхронизации. Причем электрические входы обоих модуляторов соединены электрической связью с выходами блока управления. Электрический вход блока управления подсоединен к электрическому выходу блока синхронизации, третий электрический выход которого подключен к электрическому входу коммутатора. Оптоволоконный экран дополнительно снабжен модулирующим и светопроводящим слоями и двумя слоями голограмм. Нижний слой голограмм расположен между модулирующим и светопроводящим слоями. Последний, в свою очередь, размещен над слоем волноводов, а верхний слой голограмм расположен сверху модулирующего слоя. Причем верхние электроды установлены вертикально.
Растровый слой оптоволоконного экрана выполнен в виде приемопередающей пластины из непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов.
Для повышения эффективности собирания света отражатели оптоволоконного экрана выполнены в виде сплошной непрерывной плоскости.
Кроме того, защитный слой оптоэлектронного экрана выполнен в виде воздушной прослойки с демпфирующими прокладками.
Верхние электроды проходят либо через три слоя: светопроводящий слой, нижний слой голограмм и модулирующий слой; либо через два слоя: светопроводящий и нижний слои галограмм; либо только через один слой - светопроводящий.
Сущность изобретения заключается в конструктивном взаимоположении основных компоновочных узлов устройства и конструкции оптоволоконного экрана и поясняется на примере камеры обскура [1].
Точечное отверстие в светонепроницаемом экране может, при определенном размере, играть роль многофокусной (как положительной, так и отрицательной) линзы. Выполняя в камере обскура роль объектива, точечное отверстие обеспечивало изображению объекта резкость почти по всей глубине пространственной перспективы. Только из-за низкой светосилы отверстия и крайне низкой светочувствительности, существующих в то время фотоматериалов, камера обскура не нашла своего применения. Светочувствительность же человеческого глаза в тысячи раз выше светочувствительности не только материалов трехвековой давности, но даже существующих материалов. Поэтому точечное отверстие в сочетании с высокой светочувствительностью глаза может быть с успехом использовано в качестве устройства для ввода и вывода оптической информации. Применимость и универсальность таких отверстий вытекает из формулы Релея [1, 2]. При прохождении света через отверстие, размеры которого во много раз превышают длину волны света, мы имеем дело с законами геометрической оптики, при этом наблюдается резкая граница между светом и тенью. При прохождении света через отверстие, размеры которого соизмеримы с длиной волны света, мы переходим из области геометрической оптики в область волновую, где наблюдаются дифракционные явления в виде чередующихся полос (при дифракции на щели) или концентрических окружностей (при дифракции на круглом отверстии). Но между геометрической и волновой оптиками имеется промежуточная область, которую описал Френель. Если свет проходит через круглое отверстие, размер которого соизмерим с первой зоной Френеля d˜√λf, где d - диаметр отверстия; λ - длина волны света 550 нм; f - фокусное расстояние; то при этом происходит дифракция Френеля, если d≪√λf - дифракция Франгоуфера [2]. Релей, исследуя дифракцию Френеля на отверстии камеры обскура, ввел безразмерный коэффициент 1,95, и формула приняла определенный вид [1]:
Если f выразить через оптическую силу D (диоптрий) как f=1/D, то (1) примет вид:
Для анализа формул (1, 2) преобразуем эти функциональные зависимости в табличный вид [4].
| Таблица 1 | ||||||
| f, м | 1,0 | 0,5 | 0,25 | 0,13 | 0,10 | 0,05 |
| D, Диоптрий | 1,0 | 2,0 | 4,0 | 8,0 | 10,0 | 20,0 |
| d, мм | 1,41 | 1,0 | 0,71 | 0,50 | 0,45 | 0,32 |
Из таблицы 1 следует, что для D=1 фокусное расстояние отверстия f=1 метру, при этом диаметр его d=1,41 мм. При таком отверстии сохраняется адекватность амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны и все предметы, расположенные в диапазоне от 1 метра до бесконечности, будут резкими и без оптических искажений, которые свойственны стеклянным линзам (дисторции, аберрации). При отверстии d=0,71 мм глубина резко изображаемого пространства будет находиться в диапазоне от 0,25 метра до бесконечности, а при d=0,32 мм - от 0,05 метра до бесконечности.
Разрешающая способность экрана с точечными отверстиями может быть рассчитана с помощью формулы Релея [3]:
Формула 3 дает возможность рассчитать линейную величину релеевского предела разрешения, т.е. наименьшее линейное расстояние между двумя самосветящимися точками. Для анализа функциональной связи S=f(d) преобразуем (3) в табличный вид.
| Таблица 2 | ||||||
| d, мм | 1,41 | 1,0 | 0,71 | 0,50 | 0,45 | 0,32 |
| S, мм | 0,48 | 0,34 | 0,24 | 0,17 | 0,15 | 0,11 |
Из таблицы 2 видно, что чем меньше диаметр отверстия, тем меньше линейное расстояние между двумя самосветящимися точками и тем выше разрешающая способность экрана. Например, при d=1,41 мм на двухсотмиллиметровой строке поместится 100 отверстий, при d=0,71 мм - 200 отверстий, а при d=0,32 мм - 450 отверстий. То есть разрешающая способность экрана увеличивается с уменьшением диаметра отверстия, причем не линейно, а по экспоненциальному закону.
Оптическое соединение выхода усилителя ввода дополнительно с оптическим входом коммутатора оптической информации позволяет значительно увеличить разрешение устройства ввода-вывода. Это объясняется тем, что на свой выход коммутатор может подавать целые кадры, позволяя увеличивать разрешение до уровня обычной фотографии.
Выполнение информационного блока из модулятора волнового фронта, модулятора напряжения и блока управления модуляторами и оптическая связь выхода модулятора волнового фронта с оптоэлектронным экраном, а оптического входа - с оптическим выходом коммутатора и электрическая связь выхода модулятора напряжения - с экраном, а входа - с блоком синхронизации, а также электрическая связь входов обоих модуляторов с электрическими выходами блока управления позволяет жестко закрепить за каждой i-й ячейкой оптоволоконного экрана i-й волновой фронт. Поскольку каждую голограмму получают отдельно (индивидуально), то она будет собирать свет только выбранной ячейки. Таким образом, данная оптоэлектронная связь основных элементов устройства позволяет добиться высокого качества передачи информации и ее изображения на экране.
Электрическая связь входа блока управления с электрическим выходом блока синхронизации, а также подключение третьего выхода блока синхронизации к электрическому входу коммутатора повышает синхронность подачи модулирующих напряжений, обеспечивая тем самым необходимое качество вывода информации.
Снабжение экрана дополнительно модулирующим и светопроводящим слоями, а также двумя слоями голограмм, один из которых расположен между модулирующим и светопроводящим слоями, а второй - сверху модулирующего слоя, установление верхних электродов вертикально, а также расположение светопроводящего слоя над слоем волноводов позволяет четко (без рассеивания) фокусировать i-й волновой фронт в соответствующей ему i-й ячейке приемопередающей пластины, увеличивая тем самым эффективность собирания света конкретно выбранной i-й ячейкой. Световая информация при прохождении модулятора волнового фронта проходит модулирующий слой оптоволоконного экрана, изменяет волновой фронт в соответствии с поданными на модулятор напряжениями и свойствами модулирующего слоя, что улучшает селекцию световой информации для каждой выбранной ячейки, а следовательно, повышается качество изображения.
Выполнение растрового слоя оптоэлектронного экрана в виде приемопередающей пластины из непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов, позволяет фокусировать свет строго в заданной ячейке (исключает потерю света), улучшает яркость изображения и совместно с первым и вторым слоями голограмм повышает вероятность попадания света в выбранную (заданную) ячейку.
Выполнение слоя отражателей в виде сплошной непрерывной плоскости позволяет исключить потерю света при прохождении через нижний слой голограмм за счет четкой его фокусировки, что влечет за собой повышение яркости (качества) изображения.
Выполнение защитного слоя экрана в виде дополнительной воздушной прослойки с демпфирующими прокладками дополнительно защищает экран от повреждений, а также обеспечивает беспрепятственное прохождение подаваемого светового потока на экран.
Размещение верхних электродов в трех слоях - светопроводящем, нижнем слое голограмм и модулирующем слое; либо в двух слоях - светопроводящем и нижнем слоях галограмм; либо в одном слое - светопроводящем (варианты установления верхних электродов в оптоволоконном экране) влияет на качество получаемого на оптоволоконном экране изображения.
Из анализа научно-технической и патентной информации заявляемой совокупности признаков устройства ввода-вывода оптической информации нами не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям ″новизна″ и ″изобретательский уровень″.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема устройства ввода-вывода информации;
на фиг.2 - оптоэлектронный экран с вертикальными электродами, проходящими через три слоя;
на фиг.3 - то же самое, но электроды имеют Т-образную форму;
на фиг.4 - то же самое, вертикальные электроды проходят через два слоя;
на фиг.5 - то же самое, Т-образные электроды проходят через один слой;
на фиг.6 - фрагмент экрана, расположение слоев волноводов и электродов;
на фиг.7 - оптоволоконный экран, фрагмент отверстия приемопередающей пластины;
на фиг.8 - матрица напряжений, показывающая подачу дополнительных модулирующих напряжений на ячейку (вариант 1);
на фиг.9 - то же самое, вариант 2;
на фиг.10 - схема коммутации электродов.
Устройство ввода-вывода оптической информации (фиг.1) содержит оптоэлектронный экран 1, блок синхронизации 2, усилитель ввода 3, усилитель вывода 4, коммутатор оптической информации (изображения) 5, информационный блок 6, состоящий из модулятора волнового фронта 7, модулятора напряжения 8 и блока управления модуляторами 9, а также оптические связи в виде волоконно-оптических жгутов 10 и электрические связи 11 (фиг.1).
Оптоэлектронный экран 1 (фиг.2, 3, 4, 5) включает в себя стеклянную подложку 12, слой отражателей 13, выполненных в виде сплошной непрерывной плоскости; нижние электроды 14, слой волноводов 15, светопроводящий слой 16, нижний слой голограмм 17 и модулирующий слой 18. Верхние электроды 19, выполненные из алюминия, могут быть установлены внутри слоев 16, 17 и 18 (фиг.2, 3), либо внутри слоев 16 и 17 (фиг.4), либо внутри слоя 16 (фиг.5). Верхние электроды могут быть выполнены вертикальными (фиг.2, 4), либо Т-образными (фиг.3, 5). Над модулирующим слоем 18 расположен верхний слой голограмм 20, направляющий слой 21, защитный слой в виде демпфирующих прокладок 22 и воздушная прослойка 23. Над защитным слоем расположен растровый слой 24, выполненный в виде приемопередающей пластины из точечных отверстий 25 (фиг.7) в непрозрачном материале, расположенных в виде матрицы строк и столбцов.
Устройство ввода-вывода информации функционирует следующим образом. Устройство осуществляет ввод поступающей по каналу связи информации в виде цветного объемного изображения на оптоэлектронный экран 1, а также одновременный вывод (с использованием разделения по времени) цветного объемного изображения через оптоэлектронный экран для его передачи по каналам связи 10 на усилитель вывода 4 (фиг.1.).
При выводе информации на оптоэлектронный экран 1 оптические сигналы, поступающие по жгуту из N оптических волокон, сначала поступают на оптический вход усилителя ввода 3 (фиг.1), в качестве которого может быть использован, например, электронно-оптический преобразователь. После усиления с выхода усилителя 3 оптические сигналы поступают по оптической связи 10 на вход коммутатора оптической информации 5. Пройдя через коммутатор 5, оптические сигналы по оптической связи 10 через модулятор волнового фронта 7, входящего в информационный блок 6, поступают на оптический вход оптоэлектронного экрана 1. В соответствии с таковыми импульсами, вырабатываемыми блоком синхронизации 2 (фиг.1) происходит последовательное по тактам подключение (по сигналам Т1 и Т2...Tn...) нижних 14 и верхних 19 электродов к источнику напряжения - V1 (фиг.10). При этом в течение каждого промежутка времени (Δt1, Δt2 - Δtn) возникает электрическое поле между соответствующими парами верхних 19 и нижних 14 электродов (фиг.10). В результате этого изменяется показатель преломления изотропной среды той области волновода 15 (фиг.2, 3, 4, 5, 7), которая расположена между данной парой верхних и нижних электродов. В результате в толще каждого из N волноводов возникают области с определенными показателями преломления, которые вызывают изменение хода лучей, распространяющихся в волноводах 15, и их выход через верхнюю грань волновода. При попадании лучей на нижнюю грань волновода 15 происходит их отражение от нижнего слоя отражателей 13, расположенных на стеклянной подложке 12. При выводе информации покинувшие волновод световые лучи от множества m соседних электродов проходят через светопроводящий слой 16, нижний слой голограмм 17, модулирующий слой 18, верхний слой голограмм 20, направляющий слой 21, защитный слой (воздушную прослойку 23 и демпфирующие прокладки 22) и фокусирующее отверстие 25 приемопередающей пластины 24 (фиг.7) выводятся в пространство, формируя объемное изображение. Число m определяется соотношением диаметров точечных отверстий d, линейной величиной релеевского предела разрешения s и числом расположенных под отверстием волноводов. Для получения качественного изображения число m должно быть не менее 25. При этом под каждым отверстием имеется область, состоящая из m волноводов, пересеченных m электродами, и каждое отверстие формирует из m×m световых потоков микроизображение со своим параллаксом. С целью формирования микроизображения в пределах площади под отверстием следует соблюдать условие (1), численные значения которого приведены в табл.1.
На модулятор волнового фронта 7, для дальнейшего улучшения вывода световых лучей из волновода 15 и повышения качества изображения, могут быть поданы дополнительные модулирующие напряжения - V2, V3, V4, которые могут образовывать различные матрицы напряжений для каждой выбранной ячейки и вокруг нее, причем V3 может быть больше или меньше V2 (фиг.8) и V4 больше или меньше V3, а V3 больше или меньше V2 (фиг.9).
В качестве модулирующего слоя можно использовать микромеханическую среду, которая используется фирмой Texas Instruments для изготовления цифровых микрозеркальных устройств (ЦМУ), также можно использовать микромеханическую среду, в которой свет отражается от многочисленных ленточных структур, которые могут двигаться на очень маленькие расстояния, создавая решетку, которая избирательно модулирует волновой фронт света. Данные среды используются фирмой Silicon Light Machines для изготовления дифракционных решеток световых волн. Кроме указанных сред можно использовать другие среды, главным условием при этом является индивидуальность или неповторимость для каждой ячейки получаемого волнового фронта. Здесь используется одно из свойств голографии, когда модулирующий слой 18 будет изменять волновой фронт света под действием V2, (V3 или V4), что позволит при получении голограмм строго соблюдать, для каждого волнового фронта Фi, получение голограммы Гi, что обеспечит улучшение собирание света выбранной ячейкой (фиг.7, 8 и 9).
На входы ключей 251-25N и 261-26N подаются импульсы t1, t2 ... tn (фиг.10) от блока синхронизации 2 (фиг.1). Так как каждый электрод пересекает все N волноводов (фиг.6 и 10), в каждый момент времени t1, t2 ... tn формируется столбец изображения на оптоволоконном экране 1 и за время Т=Σti, формируется кадр изображения. При вводе информации оптические сигналы, поступающие из внешней среды на оптоволоконный экран 1, воспринимаются каждым отверстием 25 (фиг.7). Считывание кадра изображения и его передача по каналам связи (вывод) 10 производится последовательно по столбцам аналогично вводу информации. Операции ввода-вывода разделены по времени сигналами t1, t2 ... tn блока синхронизации 2, который по каналам электрической связи 11 управляет работой усилителей 3 и 4 в каналах ввода-вывода, а также коммутатором оптической информации 5 и через блок управления модуляторами 9 (фиг.1) - модуляторами волнового фронта 7 и модуляторами напряжения 8. Поскольку все элементы устройства являются линейными, процесс преобразования оптических сигналов при вводе информации аналогичен процессу вывода информации.
Реализация предлагаемого технического решения обеспечивает: упрощение конструкции ввода вывода информации при сохранении адекватности амплитудно-фазовой информации исходному фронту световой волны; увеличение глубины резко изображаемого пространства, практически от долей метра до бесконечности, а также сохранение цветности изображаемых объектов. Предлагаемое устройство ввода-вывода информации не требует каких-либо специальных мер для воспроизведения цветных изображений. За счет сохранения адекватности амплитудно-фазовой информации световых потоков на входе и выходе, изображения будут такими же цветными, как в камере обскура.
1. Устройство ввода-вывода оптической информации, включающее усилители ввода и вывода, информационный блок, блок синхронизации, электрические и оптические связи, оптоэлектронный экран, содержащий направляющий, защитный, растровый слои, подложку, над которой расположены слой отражателей, нижний слой электродов, слой волноводов, расположенный между верхним и нижним слоями электродов, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено коммутатором оптической информации, оптический вход которого подключен к оптическому выходу усилителя ввода, а информационный блок состоит из модулятора волнового фронта, модулятора напряжения и блока управления модуляторами, причем оптический выход модулятора волнового фронта соединен с оптоэлектронным экраном, а оптический вход - с оптическим выходом коммутатора оптической информации, электрический выход модулятора напряжения - с электрическим входом экрана, а электрический вход - с электрическим выходом блока синхронизации, причем электрические входы обоих модуляторов соединены с электрическими выходами блока управления модуляторами, электрический вход которого подсоединен к электрическому выходу блока синхронизации, третий электрический выход блока синхронизации подключен к электрическому входу коммутатора оптической информации, оптоэлектронный экран дополнительно снабжен модулирующим и светопроводящим слоями и двумя слоями голограмм, один из которых расположен между модулирующим и светопроводящим слоями, светопроводящий слой размещен над слоем волноводов, над модулирующим слоем расположены второй слой голограмм, направляющий слой, защитный слой, над которым расположен растровый слой, выполненный в виде приемопередающей пластины из непрозрачного материала с отверстиями, расположенными в виде матрицы строк и столбцов.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой отражателей оптоэлектронного экрана выполнен в виде сплошной непрерывной плоскости.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что защитный слой оптоэлектронного экрана выполнен в виде воздушной прослойки с демпфирующими прокладками.
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что верхние электроды проходят через светопроводящий слой, нижний слой голограмм и модулирующий слои.
5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что верхние электроды проходят через светопроводящий слой и нижний слой голограмм.
6. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что верхние электроды проходят через светопроводящий слой.
