Герой не нашего времени

Главным действующим лицом сегодняшней темы номера будет оптический компьютер. И раз уж мы собрались говорить об оптических вычислителях и технологиях оптической обработки данных, целесообразно уделить внимание принципам представления информации в этих устройствах.

Под информацией мы будем понимать не "сведения" или "смысл сообщения", но характеристику, определяющую наличие неслучайных неоднородностей некоторого процесса, называемого сигналом.

Как же свет становится носителем информации? Вероятно, простейшим способом передачи данных при помощи луча света является его модуляция по принципу "есть свет - нет света" (обратите внимание, это и есть привнесение неоднородностей в процесс-носитель).

Если же мы припомним все параметры переменного электромагнитного поля [1], допускающие независимые изменения во времени или в пространстве, то станет ясно, что свет - чрезвычайно богатый возможностями носитель информации.

Электромагнитное излучение может иметь переменную во времени частоту, изменяемый характер поляризации, но главным образом для представления информации применяются такие характеристики, как амплитуда и фаза света как волнового процесса [2]. Иными словами, изменение амплитуды или фазы сигнала во времени может быть использовано для представления информации.

Но у света есть еще одна очевидная особенность: распространяясь в пространстве, он всегда заполняет собой какую-то его часть. Следовательно, существует возможность кодирования информации путем изменения амплитуды и фазы луча не только во времени, но и в пространстве.

Формой реализации этой идеи является оптический элемент, называемый транспарантом. Попросту говоря, это кусочек прозрачного материала, на который каким-либо способом нанесено изображение, представляющее собой пространственное (в координатах, связанных с транспарантом) распределение коэффициента поглощения, коэффициента преломления (или толщины) или же того и другого одновременно. В первом случае получим транспарант, модулирующий пространственное распределение амплитуды проходящего через него света. Примером такого транспаранта может являться кадрик обычной фотопленки.

Рис.

Во втором - получаем так называемый фазовый транспарант. Это очень интересная штука! Как правило, он совершенно прозрачен, и невооруженным глазом невозможно разглядеть на нем никакого изображения. Материал пластинки, будучи неоднороден по величине коэффициента преломления или, чаще всего, по толщине, изменяет (модулирует) распределение фаз проходящей сквозь него световой волны - по той простой причине, что различные участки такого транспаранта пропускают свет за разное время. В конечном итоге это приводит к возникновению за пластинкой транспаранта заданного пространственного распределения фаз. Еще говорят о формировании определенного фазового профиля волнового фронта (см. рис. 1).

Из сказанного выше становится очевидным, что любой самый привычный оптический элемент - будь то линза или целый объектив - представляет собой амплитудно-фазовый транспарант (иногда используют термин "фильтр", но об этом чуть позже) [3].

Транспаранты можно изготавливать на базе технологий, позволяющих управлять оптическими свойствами вещества (жидкие кристаллы или электрооптические материалы), что дает возможность помимо пространственной модуляции осуществлять еще и временную, а также строить адаптивные, в том числе с обратными связями оптические системы.

Как это работает?

А, И, Б сидели на трубе.
А - упала, Б - пропала.
Что осталось на трубе?
Из области оптической фильтрации

Подведем промежуточные итоги. Первый: в технологии оптической обработки данных информацию удобно представлять пространственно-временным распределением амплитуды и фазы светового луча.

Второй: когда мы говорим об амплитудно-фазовой модуляции света, мы, по существу, уже касаемся вопросов не только кодирования или представления информации, но и ее обработки. Почему это так? А вот почему.

Само понятие "модуляция" ничего не говорит о том, что происходит с модулированным сигналом дальше. Привычно думать, что ничего особенного с ним не происходит. Распространяется себе и все.

А вот и не "все"! В данном случае в пространстве за транспарантом световая волна не "просто распространяется". Там, в этой области, интерферируют части волны, прошедшие различные участки транспаранта [4] (в общем случае по принципу "каждый - со всеми"), и формируется новая структура волны, порой совсем не похожая на первоначальную. И этот процесс является управляемым.

Именно поэтому здесь уместно говорить не столько о модуляции, сколько о преобразовании структуры волны, то есть, по сути, об обработке информации, записанной в этой структуре.

Сейчас мы затронули чрезвычайно важный, я бы сказал, принципиально важный момент. Из математики мы знаем, что любые процессы или объекты [5] могут быть представлены как сумма (ряд) некоторых элементарных периодических функций, например, гармонических колебаний. Этот ряд называют еще спектром или спектральным представлением объекта.

Любые изменения некоторого объекта, допустим, оптического изображения, связаны с изменениями его спектрального состава. Поэтому транспаранты в технике оптических вычислений называют еще пространственными амплитудно-фазовыми фильтрами, подчеркивая, что они осуществляют некоторый процесс фильтрации, то есть изменения состава пространственных частот исходного изображения. Именно поэтому и говорят, что комбинация пространственного фильтра и некоторого объема пространства за ним - уже представляет собой оптический процессор.

Рис.

Шуточный пример. Пельмени. Спектр - тесто и мясо. Чтобы преобразовать пельмень во фрикадельку необходимо из спектра пельменя "отфильтровать" компонент "тесто".

Ладно, вернемся к оптике и поглядим, как же все эти принципы работают "на практике". Создадим экспериментальную установку: ширма с тремя источниками света А, В и С, экран (см. рис. 2).

Как сделать, чтобы на экран попадал свет только от источников А и С? Обычная задача из области фильтрации.

Рис.

Попробуем ее решить. Поставим на пути света линзу (фазовый транспарант). В пространстве за собой она построит изображения источников так, как это показано на рис. 3. Если теперь дополнить нашу установку амплитудным транспарантом-фильтром (попросту говоря, стеклянной пластинкой с непрозрачным участком напротив изображения источника В), то в пространстве за фильтром будет по-прежнему присутствовать свет от источников А и С, но света от источника В там не будет. Задача решена.

В случае использования в системе когерентного света при помощи описанного устройства (язык не поворачивается назвать его процессором. А между тем, это так и есть) можно фильтровать изображения источников света и световое поле объектов произвольной конфигурации, то есть даже в тех случаях, когда ими являются просто физические объекты.

Например, такой (см. рис. 4):

Рис.

Три объекта А, В и С освещены когерентным светом. На экран падает свет, отраженный всеми предметами. Вместо экрана, кстати, можно взять фотоаппарат. Тогда на пленке будут сфотографированы все три объекта.

Можно ли сделать так, чтобы фотоаппарат, снимая сцену, не зафиксировал объект В? Как "вычесть" отраженное от него световое поле из общего поля сцены? В рамках методов обычной оптики эта задача неразрешима.

Рис.

Так вот, для решения этой задачи применяют специальный вид амплитудно-фазовых транспарантов, которые называются комплексно-сопряженными фильтрами. Математические подробности (кстати, очень изящные!) я сейчас опускаю, скажу только, что эти оптические элементы обладают свойством собирать в одну точку световое поле, обладающее некоторой заранее заданной структурой. Если нам известна конфигурация (амплитудно-фазовое распределение) поля, рассеянного объектом В, то, изготовив соответствующий фильтр, мы сможем решить поставленную задачу, например, так (см. рис. 5):

Свет, рассеянный объектом В, собирается в точку, где перекрывается амплитудным фильтром. Теперь на пленке в фотоаппарате будет формироваться все та же сцена, что и раньше, но объекта В на ней не будет!

Описанные процессы используются в качестве основы для проектирования оптических устройств распознавания образов или быстрого поиска необходимой информации в больших массивах данных, сформированных на оптических носителях - фото- или голографических транспарантах.

Теперь самое время рассмотреть случаи, когда требуется не просто выделение или распознавание требуемого информационного объекта, но именно преобразование его.

Герой не нашего времени

"Эт-то что за голография?!"
Возмущенное восклицание

Читатель уже достаточно подготовлен, чтобы, взглянув на классическую схему записи (съемки) голограммы (рис. 6), понять, что, во-первых, голограмма в сути своей представляет не что иное, как амплитудно-фазовый транспарант, на котором зафиксировано поле, получившееся в результате интерференции опорного пучка и отраженного от объекта света. А во-вторых, что опорный источник сам может являться некоторым объектом.

Тогда становится очевидным, что если обычная голограмма, освещаемая опорным лучом, восстанавливает изображение объекта съемки, то голограмма, полученная путем записи интерференции света от двух объектов, будет в свете одного из них восстанавливать изображение другого и наоборот (это свойство носит название "принцип обратимости голограмм").

Практическая польза здесь очевидна: мы получаем возможность осуществить "преобразование" любого изображения в заранее заданное другое (строго говоря, не преобразование, а как бы "замену" или "подстановку").

Например, условие таблицы решений поменять на результат. На "входе" транспарант с изображением 2+2, на "выходе" - 4. Или сложнее: "на входе" фотография отпечатка пальца, на "выходе" - фамилия, имя, отчество и прочие сведения о "хозяине" этого пальца.

А сколько возможностей таит включение в схемы оптических вычислителей контуров обратных связей и нелинейных элементов!

А сколько перспектив сулит интенсивно развивающийся в последние годы подход к созданию оптических процессоров как квантовых устройств с распределенными параметрами. В них уже не найти привычных линз, зеркал или пластинок-фильтров. Их функции распределены по объему рабочего пространства процессора. Массовое производство такого рода устройств по своему революционному воздействию на отрасль сравнимо с началом выпуска интегральных микросхем.

К сожалению, приходится констатировать: все это пока в будущем. В далеком или близком - от нас зависит.

1 (обратно к тексту) - Которое и есть свет.

2 (обратно к тексту) - Фаза, впрочем, понятие относительное. Говоря о фазе колебания, всегда имеют в виду расхождение или разницу фаз данного колебания и некоторого эталонного, или опорного. Поэтому часто говорят о взаимной разности фаз двух одночастотных колебательных процессов.

3 (обратно к тексту) - Например, линзу всегда можно представить как комбинацию круглого отверстия в непрозрачной ширме (амплитудный фильтр типа "диафрагма") и прозрачной детали с определенным распределением толщины, допустим, двояковыпуклой со сферическими поверхностями (то есть типичный фазовый транспарант).

4 (обратно к тексту) - В случае, если длина когерентности излучения достаточно велика. Иначе мы будем наблюдать простое сложение интенсивностей. - Г.Б.

5 (обратно к тексту) - Соответственно, во временной или в пространственной форме представления.