RU2160462C2

RU2160462C2 - Image converter

Info

Publication number: RU2160462C2
Application number: RU99102215A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Спирин; И.С. Захаров
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-12-10

Abstract

FIELD: optical information processing. SUBSTANCE: device may be used for designing real-time image converters and optical processors, which perform logical operations. Device provides two-state operation mode due to generation of positive optical feedback using reading light in reflection mode. Effect of optically controlled memory is achieved by means of introduced dielectric analyzer, which is located between high- resistance photo semiconductor and dielectric mirror. Dielectric mirror is designed as interference filter, which passes reading light constituent, which provides activation of photo semiconductor. EFFECT: increased sensitivity to writing light. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти широкое применение для создания преобразователей изображения, работающих в реальном масштабе времени, и оптических процессоров, осуществляющих логические операции. The invention relates to the field of optical information processing and can be widely used to create image converters operating in real time, and optical processors that perform logical operations.

Известен преобразователь изображения (ПИ) с оптической обратной связью (ОС), реализующий бистабильный режим работы [1]. Такой ПИ выполнен на основе биактивной многослойной структуры, состоящей из фоторегистрирующей и модулирующей свет частей. Бистабильный режим работы осуществляется за счет образования оптической ОС посредством системы зеркал и объективов преобразованного электрооптическим кристаллом (ЭОК) изображения с исходным изображением, проецируемым на входную плоскость фоторегистрирующей части. При этом считывающий свет, так же как и записывающий, является фотоактивным для фоточувствительной структуры ПИ, а преобразованное изображение в оптической ОС должно в точности проецироваться на исходное фоторегистрируемое изображение. Known image converter (PI) with optical feedback (OS) that implements a bistable mode of operation [1]. Such a PI is based on a bioactive multilayer structure consisting of photo-recording and light modulating parts. The bistable mode of operation is carried out due to the formation of an optical OS through a system of mirrors and lenses converted by an electro-optical crystal (EOK) image with the original image projected onto the input plane of the photo-recording part. In this case, the reading light, as well as the recording one, is photoactive for the photosensitive structure of the PI, and the converted image in the optical OS must be exactly projected onto the original photo-recorded image.

Основным недостатком такого устройства является низкая разрешающая способность, обусловленная, с одной стороны, аберрацией оптических элементов, образующих оптическую ОС, и, с другой стороны, невозможностью прецизионной передачи с масштабом 1:1 преобразованного изображения по цепи оптической ОС и юстировки проецирования преобразованного изображения с исходным во входной плоскости ПИ. The main disadvantage of this device is the low resolution, due, on the one hand, to the aberration of the optical elements forming the optical OS, and, on the other hand, the inability to accurately transmit the converted image on a 1: 1 scale along the optical OS circuit and aligning the projection of the converted image with the original in the input plane of the PI.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является преобразователь изображения [2], содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, многослойную структуру, состоящую из входного прозрачного электропроводящего слоя, диэлектрического слоя, высокоомного фотополупроводника (ФП), диэлектрического зеркала, электрооптического кристалла и выходного электропроводящего слоя, и светоделительный поляризатор. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed device is an image converter [2], containing a lens sequentially arranged in the direction of recording light propagation, a multilayer structure consisting of an input transparent conductive layer, a dielectric layer, a high-resistance photoconductor (FP), a dielectric mirror, an electro-optical crystal and an output electrically conductive layer, and a beam splitting polarizer.

Преобразователь изображения работает в режиме "на отражение" считывающего света, распространяемого со стороны ЭОК. Считывающий свет проходит через светоделительный поляризатор, где поляризуется, и попадает на слой ЭОК, пространственная текстура которого сформирована на основе ориентационного или гибридного электрооптических эффектов. Вследствие пространственной модуляции фотопроводимости в объеме ФП при проецировании записывающего света приложенное к электропроводящим слоям и сконцентрированное, в основном, на слое высокоомного ФП внешнее напряжение перераспределяется на слой ЭОК. При достижении пороговых значений напряжений в слое ЭОК на участках, соответствующих освещенным участкам ФП, происходит разрушение текстурированной толщи ЭОК. Плоскополяризованный считывающий свет, просвечивающий слой ЭОК на участках текстурированных разрушений, изменяет фазу поляризации, которая посредством светоделительного поляризатора преобразуется в модуляцию по интенсивности. Поскольку считывающий свет отражается от диэлектрического зеркала, то его спектр может включать и фотоактивную для фотополупроводника засветку, не влияющую на фоторегистрацию исходного изображения. The image converter operates in the "reflection" mode of the reading light propagated from the side of the EOK. The reading light passes through a beam-splitting polarizer, where it is polarized, and enters the EOK layer, the spatial texture of which is formed on the basis of orientational or hybrid electro-optical effects. Due to the spatial modulation of photoconductivity in the volume of the phase transition when projecting recording light applied to the electrically conductive layers and concentrated mainly on the high-resistance phase layer, the external voltage is redistributed to the EOC layer. Upon reaching the threshold stress values in the layer of the EOK in the areas corresponding to the illuminated areas of the FP, the textured thickness of the EOK is destroyed. The plane-polarized readout light, the translucent layer of the EEC in the areas of textured destruction, changes the polarization phase, which is converted into intensity modulation by means of a beam-splitting polarizer. Since the read light is reflected from the dielectric mirror, its spectrum may include photoactive for the semiconductor backlight, which does not affect the photorecording of the original image.

Основными недостатками этого ПИ являются, во-первых, отсутствие оптически управляемой памяти, и, во-вторых, взаимозависимость времени экспонирования записывающего света от нестационарности кинетики фотоотклика в ФП и релаксации электрооптического отклика в ЭОК. Вследствие этого на режимы работы ПИ накладывается ряд ограничений как по питанию, так и по экспозиции записывающего света. The main disadvantages of this PI are, firstly, the lack of optically controlled memory, and, secondly, the interdependence of the exposure time of the recording light on the non-stationary kinetics of the photoresponse in the phase transition and relaxation of the electro-optical response in the EOC. As a result, a number of restrictions are imposed on the PI operating modes both in terms of power and the exposure of recording light.

Технической задачей изобретения является оптическое управление временем хранения преобразуемого изображения, не зависящее от времени экспонирования записывающего света, увеличение пороговой чувствительности, а также упрощение конструкции устройства. An object of the invention is the optical control of the storage time of the converted image, which does not depend on the exposure time of the recording light, increasing the threshold sensitivity, and also simplifying the design of the device.

Это достигается за счет формирования оптической ОС по считывающему свету и бистабильного режима работы благодаря введению в ПИ [2], содержащий последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, многослойную структуру, содержащую входной прозрачный электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный ФП, диэлектрическое зеркало, ЭОК и выходной прозрачный электропроводящий слой, и светоделительный поляризатор, диэлектрического анализатора между высокоомным ФП и диэлектрическим зеркалом. При этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего в ФП часть считывающего света, фотоактивного для высокоомного ФП. This is achieved due to the formation of an optical OS by reading light and a bistable mode of operation due to the introduction into a PI [2], which contains a lens sequentially located in the direction of propagation of the recording light, a multilayer structure containing an input transparent conductive layer, a dielectric layer, a high-resistance phase transition, a dielectric mirror, EOK and the output transparent conductive layer, and a beam-splitting polarizer, a dielectric analyzer between the high-impedance phase transition and the dielectric mirror. In this case, the dielectric mirror is made in the form of an interference filter that transmits part of the read light, photoactive for the high-resistance phase transition, into the phase transition.

Преобразователь изображения с оптической ОС по считывающему свету представлен на фиг.1 и содержит: 1 - объектив, 2 и 9 - соответственно, входной и выходной прозрачные электропроводящие слои, 3 - диэлектрический слой, 4 - высокоомный фотополупроводник (ФП), 5 - область пространственного заряда (ОПЗ), 6 - диэлектрический анализатор, 7 - диэлектрическое зеркало, 8 - электрооптический кристалл (ЭОК), 10 - светоделительный поляризатор. The image converter with an optical OS by reading light is shown in Fig. 1 and contains: 1 - a lens, 2 and 9, respectively, input and output transparent conductive layers, 3 - dielectric layer, 4 - high-resistance photoconductor (FP), 5 - spatial domain charge (SCR), 6 - dielectric analyzer, 7 - dielectric mirror, 8 - electro-optical crystal (EOK), 10 - beam splitting polarizer.

Преобразователь изображения работает следующим образом. The image converter operates as follows.

В исходном состоянии при отсутствии записывающего света E(x,y,Δλ)=0 - напряжение U_пит, приложенное к электропроводящим слоям 2 и 9, делится на высокоомном ФП 4 и ЭОК 8 обратно пропорционально их емкостям. Значительная часть напряжения сосредоточена на диэлектрическом слое 3, на границе раздела диэлектрик-фотополупроводник, частично в объеме ФП и на диэлектрических слоях 6 анализатора и 7 зеркала. Напряжение на ЭОК 8 меньше порогового напряжения, и он "выключен", т.е. его текстура по толщине оптически активна для просвечивающего считывающего света. При использовании в качестве ЭОК нематического жидкого кристалла оптическая активность может осуществляться за счет ориентационных S-, B- эффектов, а также гибридных и других электрооптических эффектов. При этом на выходе поляризатора 10 и диэлектрического анализатора 6 со стороны ФП считывающий свет отсутствует, соответственно I(dλ)≈0 и i(δλ)≈0, либо его интенсивность минимальна и равномерна по кадровому окну.In the initial state, in the absence of recording light, E (x, y, Δλ) = 0 - the voltage U _pit applied to the electrically conductive layers 2 and 9 is divided by the high-resistance FP 4 and EOK 8 inversely proportional to their capacitances. A significant part of the voltage is concentrated on the dielectric layer 3, at the dielectric-semiconductor interface, partially in the volume of the phase transition and on the dielectric layers 6 of the analyzer and 7 of the mirror. The voltage on the EEC 8 is less than the threshold voltage, and it is “off”, i.e. its thickness texture is optically active for translucent readout light. When using a nematic liquid crystal as an EOC, optical activity can be carried out due to orientational S and B effects, as well as hybrid and other electro-optical effects. In this case, at the output of the polarizer 10 and the dielectric analyzer 6 from the FP side, there is no reading light, respectively, I (dλ) ≈0 and i (δλ) ≈0, or its intensity is minimal and uniform across the frame window.

При наличии фотоактивного для ФП записывающего света E(x,y,Δλ), падающего со стороны диэлектрика 3 при приложении к электропроводящим слоям 2 и 9 напряжения питания U_пит, происходит фоторегистрация изображения. Объектив 1 проецирует записывающий свет (изображение), промодулированный в пространстве, на ФП 4. Концентрация фотогенерированных зарядов в соответствующих участках 5 ФП 4 пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности E(Δλ) записывающего света в каждой точке (x,y) кадрового окна и сосредоточена у границы раздела диэлектрический 3 слой - высокоомный ФП 4. Фотогенерированные в ФП заряды перераспределяют падение напряжения с участков 5 ОПЗ на соответствующие участки 8 ЭОК. По достижении напряжения выше порогового пространственная текстура ЭОК на этих участках перестраивается.In the presence of recording photoelectric light EF (x, y, Δλ), incident on the dielectric 3 side when a supply voltage U _{pit is} applied to the electrically conductive layers 2 and 9, photo-registration of the image occurs. The lens 1 projects the recording light (image), modulated in space, on the FP 4. The concentration of photogenerated charges in the corresponding sections 5 of the FP 4 is proportional to the spatially modulated distribution of the intensity E (Δλ) of the recording light at each point (x, y) of the frame window and is concentrated at the boundary of the dielectric 3 layer - high-resistance phase transition 4. The photogenerated charges in the phase distribution redistribute the voltage drop from sections 5 of the SCR to the corresponding sections of 8 EEC. Upon reaching a voltage above the threshold, the spatial texture of the EEC in these areas is rebuilt.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим светом I₀(dλ) широкого спектра. Считывающий свет I₀(dλ) проходит через светоделительный поляризатор 10 (в качестве которого может быть использована поляризационная призма Глана), где он поляризуется, выходной прозрачный электропроводящий слой. 9, оптически активный слой 8 ЭОК, и попадает на диэлектрическое зеркало 7, которое выполнено в виде интерференционного светофильтра. Большая часть I₀(dλ) записывающего света отражается от диэлектрического зеркала 7 и распространяется в обратном направлении. При этом падающий на диэлектрическое зеркало 7 и отраженный от него считывающий свет испытывает двойное воздействие оптической активности ЭОК 8. На выходе каждого участка многослойной структуры считывающий свет промодулирован по фазе в соответствии с распределением падений напряжений в слое 8 ЭОК по участкам, соответствующим распределению концентрации фотогенерированных носителей заряда в ФП 4. Модуляция считывающего света по фазе с помощью светоделительного поляризатора 10 преобразуется в модуляцию по интенсивности I(x,y,dλ).Reading the latent image is carried out by a constant light I ₀ (dλ) of a wide spectrum. The readout light I ₀ (dλ) passes through a beam splitting polarizer 10 (which can be used with a Glan polarizing prism), where it is polarized, an output transparent electrically conductive layer. 9, the optically active layer 8 of the EEC, and hits the dielectric mirror 7, which is made in the form of an interference filter. Most of the I ₀ (dλ) recording light is reflected from the dielectric mirror 7 and propagates in the opposite direction. In this case, the incident light incident on the dielectric mirror 7 and reflected from it undergoes a double effect of the optical activity of the EOK 8. At the output of each section of the multilayer structure, the read light is phase modulated in accordance with the distribution of voltage drops in the 8 EOK layer over the regions corresponding to the distribution of the concentration of photogenerated carriers charge in phase 4. Modulation of the read light in phase with the help of a beam splitting polarizer 10 is converted to modulation in intensity I (x, y, dλ).

Бистабильный режим работы ПИ с оптической ОС по считывающему свету осуществляется следующим образом. В отсутствие записывающего света E(x,y, Δλ)= 0 и при наличии фотоактивной для ФП 4 засветки δλ≠0 в спектре считывающего света I₀(dλ) ПИ находится в ждущем режиме. При этом ЭОК 8 "выключен". Считывающий свет I₀(dλ) проходит через поляризатор 10, где он поляризуется, выходной электропроводящий слой 9, оптически активный слои 8 ЭОК и попадает на интерференционное диэлектрическое зеркало 7, которое пропускает фотоактивную для ФП 4 засветку δλ. Вследствие оптической активности ЭОК 8 и определенной ориентации плоскости поляризации анализатора 6 относительно светоделительного поляризатора 10 на выходе анализатора 6 (со стороны ФП 4) часть считывающего света i(δλ)≈0 отсутствует, либо его интенсивность, равномерно распределенная по кадровому окну, минимальна и соответствует предпороговому состоянию ЭОК.The bistable mode of operation of a PI with an optical OS by reading light is as follows. In the absence of recording light, E (x, y, Δλ) = 0 and in the presence of a photographic active for PD 4 illumination δλ ≠ 0 in the reading light spectrum I ₀ (dλ), the PI is in standby mode. In this case, the EOK 8 is “off”. The readout light I ₀ (dλ) passes through the polarizer 10, where it is polarized, the output electrically conductive layer 9, the optically active layers 8 of the EEC and enters the interference dielectric mirror 7, which transmits the δλ backlight photoactive for FP 4. Due to the optical activity of the EOK 8 and the certain orientation of the polarization plane of the analyzer 6 with respect to the beam splitting polarizer 10 at the output of the analyzer 6 (from the FP 4 side), part of the reading light i (δλ) ≈ 0 is absent, or its intensity uniformly distributed over the frame window is minimal and corresponds to prethreshold state of EOK.

При наличии записывающего света E(x,y,Δλ)≠0 напряжение, перераспределяемое с ФП на ЭОК, включает участки, соответствующие освещенным участкам 5 ФП со стороны диэлектрика 3. При этом модуляция считывающего света по фазе с помощью диэлектрического анализатора 6 преобразуется в модуляцию по интенсивности i(x,y,δλ), и фотоактивный свет δλ, промодулированный в пространстве ЭОК 8, попадает со стороны ЭОК на ФП 4, вызывая в нем дополнительную фотогенерацию зарядов. Их концентрация в соответствующих участках 5 ОПЗ со стороны ЭОК пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности фотоактивной части записывающего света i(x,y,δλ) в каждой точке кадрового окна и сосредоточена у границы раздела фотополупроводник - слой 6 диэлектрического анализатора. Фотогенерированные добавочным светом i(x,y,δλ) заряды в ФП дополнительно перераспределяют падение напряжения с ОПЗ на соответствующие участки ЭОК, осуществляя, таким образом, оптическую ОС. При окончании времени экспонирования записывающего света, т.е. при E(x,y,Δλ)=0, и при наличии фотоактивной составляющей записывающего света i(x,y,δλ)≠0 ПИ переходит в бистабильное состояние. При этом соответствующие участки ЭОК остаются "включенными", поскольку необходимое напряжение, перераспределенное со слоя ФП на слой ЭОК, поддерживается управляющим пространственно промодулированным светом i(x,y,δλ). Время хранения преобразованного изображения определяется временем непрерывного действия фотоактивной составляющей записывающего света или напряжения питания U_num≠0. При выключении записывающего света i(x, y, δλ)= 0 или напряжения питания U_пит=0 на время, превышающее время релаксации ЭОК, преобразователь изображения возвращается в исходное состояние - в режим ожидания.In the presence of recording light E (x, y, Δλ) ≠ 0, the voltage redistributed from the AF to the EOK includes sections corresponding to the illuminated sections 5 of the FI from the side of the dielectric 3. In this case, the modulation of the read light in phase using the dielectric analyzer 6 is converted to modulation in intensity i (x, y, δλ), and photoactive light δλ modulated in the space of the EOK 8 enters from the EOF side of the FP 4, causing additional photo-generation of charges in it. Their concentration in the corresponding sections 5 of the SCR from the side of the EOC is proportional to the spatially modulated distribution of the intensity of the photoactive part of the recording light i (x, y, δλ) at each point of the frame window and is concentrated at the interface between the semiconductor and layer 6 of the dielectric analyzer. The charges generated by the additional light i (x, y, δλ) in the phase transitions additionally redistribute the voltage drop from the SCR to the corresponding sections of the EOC, thereby realizing an optical OS. At the end of the exposure time of the recording light, i.e. at E (x, y, Δλ) = 0, and in the presence of the photoactive component of the recording light i (x, y, δλ) ≠ 0, the PI goes into a bistable state. In this case, the corresponding sections of the EOK remain “on”, since the necessary voltage redistributed from the phase transition layer to the EOK layer is supported by the control spatially modulated light i (x, y, δλ). The storage time of the converted image is determined by the continuous time of the photoactive component of the recording light or the supply voltage U _num ≠ 0. When the recording light is turned off i (x, y, δλ) = 0 or the supply voltage U _pit = 0 for a time longer than the relaxation time of the EOK, the image converter returns to its original state - to standby mode.

При малой интенсивности записывающего света, соответствующей пороговой чувствительности ПИ, оптическая положительная ОС усиливает фотоотклик ФП, при этом изменяется и плотность оптического пропускания ЭОК 8. При изменении интенсивности I₀(d λ) записывающего света или его спектрального состава будет изменяться и тональность преобразованного изображения.At a low recording light intensity corresponding to the threshold sensitivity of the PI, an optical positive OS enhances the photoresponse of the AF, and the optical transmittance of the EOK 8 changes as well. When the intensity I ₀ (d λ) of the recording light or its spectral composition changes, the tonality of the converted image also changes.

Существенными отличительными признаками заявленного устройства являются: формирование оптической ОС по считывающему свету при работе ПИ "на отражение" и бистабильного режима работы благодаря введению между ФП и диэлектрическим зеркалом диэлектрического анализатора. При этом диэлектрическое зеркало выполнено в виде интерференционного фильтра, пропускающего фотоактивный для высокоомного ФП свет и отражающий оставшуюся часть видимого света. Significant distinguishing features of the claimed device are: the formation of an optical OS by reading light during operation of the PI “for reflection” and a bistable mode of operation due to the introduction of a dielectric analyzer between the phase transition and the dielectric mirror. In this case, the dielectric mirror is made in the form of an interference filter that transmits photoactive for high-resistance FP light and reflects the remaining part of visible light.

Данные отличительные признаки являются новыми, поскольку не использовались в известных преобразователях изображения. These distinguishing features are new because they were not used in known image converters.

Преимущество заявляемого ПИ по сравнению с прототипом заключается в следующем: во-первых, достигается оптическое управление временем хранения преобразованного изображения (оптически управляемая память), во-вторых, время хранения не зависит ни от времени экспонирования записывающего света, ни от кинетико-релаксационных процессов, происходящих в многослойной структуре ПИ, в-третьих, наличие фотоактивной составляющей в спектре считывающего света повышает пороговую чувствительность ПИ, поскольку осуществляется положительная ОС, в-четвертых, интенсивность и спектральный состав фотоактивной составляющей в спектре считывающего света позволяет эффективно воздействовать на диапазон передаваемых оптических плотностей. The advantage of the claimed PI compared with the prototype is as follows: firstly, optical control of the storage time of the converted image (optically controlled memory) is achieved, and secondly, the storage time does not depend on the exposure time of the recording light, nor on kinetic-relaxation processes, occurring in the multilayer structure of PIs, thirdly, the presence of a photoactive component in the spectrum of readout light increases the threshold sensitivity of PIs, since a positive OS is implemented, fourthly Secondly, the intensity and spectral composition of the photoactive component in the spectrum of the reading light allows you to effectively affect the range of transmitted optical densities.

Кроме того, достоинствами заявляемого ПИ являются: во-первых, его упрощенная конструкция, поскольку управляющим оптическим сигналом служит непосредственно считывающий свет, имеющий в своем составе фотоактивную для ФП составляющую, во-вторых, автоматическое совмещение проецируемых на ФП записывающего E(x,y,Δλ) света и фотоактивной составляющей i(x,y,δλ;) считывающего света, и, следовательно, высокая разрешающая способность, ограниченная собственной разрешающей способностью ПИ, в-третьих, отсутствует необходимость в прецизионной передаче с масштабом 1:1 преобразованного изображения по оптической ОС, в-четвертых, отсутствие аберраций, поскольку отсутствуют оптические элементы, образующие оптическую ОС по преобразованному изображению. In addition, the advantages of the claimed PI are: firstly, its simplified design, since the direct optical signal is the direct reading light, which has a photoactive component for the AF component, and secondly, the automatic registration of the recording E (x, y, Δλ) of light and the photoactive component i (x, y, δλ;) of the read light, and, therefore, high resolution limited by the intrinsic resolution of the PI, thirdly, there is no need for precision transmission with asshtabom 1: 1 converted image by the optical OS, fourthly, lack of aberrations, since there are no optical elements forming the optical image converted by the OS.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Collins S.A., Wasmundt K.G. Optical Feedback and Bistability: a Review//Opt.Eng. - 1980. V. 19, N4. (Аналог).SOURCES OF INFORMATION:
1. Collins SA, Wasmundt KG Optical Feedback and Bistability: a Review // Opt.Eng. - 1980. V. 19, N4. (Analog).

2. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь, 1987. (Прототип). 2. Vasiliev A.A., Casasent D., Kompanets I.N., Parfenov A.V. Spatial light modulators. - M .: Radio and communications, 1987. (Prototype).

Claims

An image converter comprising a lens sequentially arranged in the direction of recording light propagation, a multilayer structure comprising an input transparent conductive layer, a dielectric layer, a high-resistance semiconductor, a dielectric mirror, an electro-optical crystal, an output transparent conductive layer, a beam-splitting polarizer, characterized in that a dielectric analyzer is inserted between high-resistance photoconductor and dielectric mirror, while the dielectric The optical mirror is made in the form of an interference filter that transmits a part of the readout light, photoactive for a high resistance photoconductor.