3.3.1. Электрически управляемые транспаранты

3.3.2. Принципы работы оптически управляемых транспарантов

3.3.3. Различные типы оптически управляемых транспарантов

Оптический транспарант (ОТ) представляет собой плоское устройство, оптические параметры которого (прозрачность, рассеяние, коэффициент преломления, поляризация) под действием управляющего сигнала изменяются от точки к точке по его площади, т. е. световой пучок, прошедший через такое устройство или отраженный от него, оказывается пространственно промодулированным. Пространственная модуляция света оптическим транспарантам не исключает, кроме того, и временной модуляции сигналов. Транспарант, допускающий и ту, и другую возможности, называют динамическим или пространственно-временным модулятором света (ПВМС). При помощи быстродействующих ПВМС можно производить параллельную обработку больших массивов информации (изображений, картин) в реальном масштабе времени, что трудно осуществить в электронных устройствах и системах. Очевидно, что ПВМС могут применяться не только для преобразования, но и для параллельного ввода массивов информации, а также для ее вывода и отображения, в том числе в визуальной форме. Наконец, если свойства материалов и принцип действия транспаранта позволяют сохранять «оптический рельеф» в течение какого-то времени, ПВМС можно использовать в качестве устройства памяти большой емкости.

Для модуляции сигнала в ОТ используют различные физические эффекты. Модуляцию можно осуществлять, либо подавая к различным участкам транспаранта электрическое напряжение (ЭУТ — электрически управляемый транспарант) или же проецируя на него оптическое изображение (ОУТ-оптически управляемый транспарант). Возможны также устройства, в которых ОТ служит мишенью в электронно-лучевой трубке, а управление его параметрами осуществляется с помощью сканируемого электронного луча. Однако такие приборы (типа Титус, Эйдофор и их модификации), как «нетвердотельные», требующие вакуумирования, высоких ускоряющих и управляющих напряжений, ниже рассматриваться не будут.

Большинство параметров, введенных для оптических модуляторов, применимы и к транспарантам. Важнейшими и характерными именно для транспарантов параметрами являются разрешающая способность, определяемая числом различаемых линий на единице длины (обычно выражается в линиях на миллиметр), и энергетическая чувствительность к управляющему сигналу (джоули на квадратные сантиметры). Отношение Ф_mах/Ф_min) интенсивностей излучения, прошедшего через транспарант при максимальных просветлении и при затемнении, называют оптическим контрастом.

3.3.1. Электрически управляемые транспаранты

При создании транспаранта естественно стремление получить как можно большее пространственное разрешение, и если оно превышает ~ 10 лин/мм, что вполне реально, то при площади транспаранта в несколько квадратных сантиметров индивидуальное электрическое подключение каждого элемента при помощи отдельного проводника становится практически невозможным. Поэтому в ЭУТ используется так называемая X-Y-адресация (двухкоординатная, матричная, мультиплексная). В этом случае на тонкий слой модулирующей среды с обеих сторон наносят параллельные проводящие прозрачные полосы (шины), причем так, чтобы на противоположных поверхностях они были ориентированы взаимно перпендикулярно (рис. 3.5, а). Электрическое поле в нужном месте транспаранта создают, подавая на соответствующие X-Y-шины управляющее напряжение, что вызывает в точке их пересечения локальное изменение оптических свойств модулирующей среды. Чтобы осуществить оптическую модуляцию по всей поверхности транспаранта, электрический сигнал должен «пробежать» по всем точкам пересечения шин (при числе строчек и столбцов 100x100 таких точек уже 1·10⁴!). Для этого используют различную последовательность адресации управляющего напряжения к элементам ЭУТ. Оно может подаваться поочередно ко всем элементам (поэлементная адресация), одновременно ко всем элементам целой строки с нужным распределением по элементам в пределах данной строки (построчная адресация), то же самое по столбцам и т. п. Однако во всех случаях управляющее напряжение подается все же не одновременно ко всем элементам транспаранта, т. е. параллельная обработка информации в реальном масштабе времени, строго говоря, исключается. Тем не менее ЭУТ является важнейшим элементом систем обработки информации уже потому, что обеспечивает преобразование электрических сигналов в оптические, без чего невозможно объединение электронных и оптических устройств (аналогичную роль при преобразовании оптических сигналов в электрические играют многоэлементные фоточувствительные матрицы).

Характеристики и параметры ЭУТ в первую очередь определяются материалом, используемым в качестве модулирующей среды.

Для быстродействующих ЭУТ пригодны многие электрооптические кристаллы. В большинстве случаев в качестве модулирующего эффекта используют поворот плоскости поляризации света под действием приложенного электрического напряжения. Чтобы модуляцию поляризации преобразовать в амплитудную, ЭУТ такого типа помещают между скрещенными поляризатором и анализатором. Под действием напряжения транспарант в соответствующем месте просветляется. Широкому применению в ЭУТ традиционных электрооптических кристаллов мешает высокое управляющее напряжение (более 1 • 10³ В).

Электрически управляемые ПВМС могут быть созданы на основе сегнетоэлектрической керамики — спрессованной при высокой температуре смеси цирконата и титаната свинца с добавлением лантана (PbZrO₃ + PbTiO₃ + La, сокращенно PLZT, в русском написании — ЦТСЛ). В зависимости от соотношения компонентов и режима спекания получают пластины ЦТСЛ-керамики, обладающей теми или иными электрооптическими свойствами. Прозрачность пластин толщиной около 0,1 мм в видимой области превосходит 90%, линейные размеры составляют несколько сантиметров, рабочие напряжения находятся в пределах 100—200 В.

Применение ЦТСЛ-керамики в оптических транспарантах основывается на ориентации (переориентации) под действием внешнего напряжения вектора поляризации доменов — областей спонтанной поляризации, имеющих оптические свойства, аналогичные одноосным кристалликам и хаотически ориентированных в исходном состоянии ЭУТ. В результате преимущественной ориентации доменов наводится двулучепреломление. Если же керамика относительно крупнозернистая (4—5 мкм), под действием внешнего электрического поля изменяются ее рассеивающие свойства. В последнем случае проходящий через транспарант свет оказывается промодулированным по амплитуде без применения скрещенных поляроидов. При температурах выше точки Кюри сегнетоэлектрическая фаза ЦТСЛ-керамики сменяется параэлектрической. В соответствии с этим ЭУТ обладает либо долговременной памятью, либо высоким быстродействием (вплоть до 10^-7 — 10^-9с). Столь эффективное устройство, кроме того, имеет достаточно низкую стоимость.

Наиболее чувствительны к управляющим сигналам и экономичны ЭУТ на основе жидких кристаллов (ЖК) — сложных органических веществ, обладающих свойствами жидкости (текучесть) и одновременно кристалла (анизотропия свойств, в том числе и оптических). Жидкокристаллическое состояние (мезофаза) существует только в определенном температурном интервале. За его пределами ЖК превращается при высоких температурах в изотропную жидкость, при низких — в твердую фазу.

Молекулы ЖК имеют удлиненную, сигарообразную форму (представляют собой своеобразный одноосный «кристалл») и поэтому стремятся к взаимной параллельной упаковке, а в конечном счете к анизотропии слоя ЖК. В зависимости от характера расположения молекул различают несколько типов ЖК: нематические, смектические, холестерические. В ЭУТ ЖК помещают в узкое пространство (3—30 мкм) между двумя прозрачными подложками. На внутренних поверхностях подложек создают взаимно перпендикулярные прозрачные шины—электроды. Эти же поверхности полируют (натирают) при поступательном (а не вращательном) движении подложки относительно шлифующего материала или же на них наносят напылением под углом тонкую пленку SiO₂.Такая обработка приводит к тому, что молекулы ЖК ориентируются параллельно плоскости подложки и, кроме того, в одном направлении. Для света, направленного перпендикулярно подложкам, такой слой обладает максимальным двулучепреломлением. Если к ячейке прикладывать напряжение, превышающее некоторое пороговое, молекулы ЖК поворачиваются параллельно действующему электрическому полю и слой ЖК двулучепреломления уже не вызывает. При V=0 достигается большое различие Δп = п_е —п₀ = =0,2÷0,4, что обеспечивает максимальную глубину модуляции уже при толщине слоя ЖК примерно 1 мкм.

Используя ориентирующее действие подложек, поворачивая их относительно друг друга, молекулы ЖК можно закрутить так, что их длинные оси в слоях, прилегающих к одной и другой подложкам, окажутся взаимно перпендикулярными. Такая структура становится оптически активной и поворачивает плоскость поляризации на 90°. Под действием приложенного к ячейке напряжения молекулы поворачиваются параллельно полю и «закрученное» состояние ЖК исчезает. Это так называемый твист-эффект (от англ. twist—закручивать), широко используемый в индикаторах часов, микрокалькуляторов и т. п.

Для получения амплитудной модуляции в ЖК с использованием двойного лучепреломления или твист-эффекта необходимо применить два пленочных поляроида. Возможна также непосредственная амплитудная модуляция света при помощи ЖК. Для этого в ЖК можно ввести незначительную добавку красителя, ориентация молекул которого зависит от ориентации окружающих молекул ЖК. Так как поглощение света красителем зависит от ориентации длинной оси его молекул, то, управляя ориентацией молекул ЖК, можно изменять оптическое поглощение устройства (эффект гость—хозяин). Можно ввести в ЖК не окрашивающие добавки, а легирующие примеси, приводящие к ионной проводимости вещества. Тогда при приложении внешнего напряжения протекание тока вызывает в ЖК вихревое, турбулентное движение и прозрачный в исходном состоянии слой ЖК становится мутно-серым (эффект динамического рассеяния или электрогидродинамический эффект).

Рабочие напряжения ЭУТ, действующих на различных эффектах в ЖК, варьируются от нескольких десятков до нескольких вольт, причем при достаточно малых протекающих токах (например, 1—3 мкА/см²). Жидкокристаллические устройства, характеризующиеся, кроме того, высокой технологичностью и низкой стоимостью, имеют существенный недостаток — относительно низкое быстродействие. Время электрооптического отклика для некоторых ЖК может составлять микросекунды, однако время возвращения молекул в исходное состояние по крайней мере на один-два порядка больше, так что быстродействие ЖК-устройств обычно приходится на миллисекундный диапазон. Время переключения ЭУТ уменьшается при уменьшении толщины слоя ЖК и увеличении управляющего напряжения. Оптимизируя эти параметры и используя другие приемы (как технологические, так и режим питания), частоту переключения устройства удается увеличить до 1 • 10³, а иногда превысить 1·10⁴Гц. Этого все же недостаточно для решения многих задач оптической обработки информации, хотя и вполне приемлемо, например, для индикаторных приборов.

Другой недостаток ЖК-устройств связан с ограниченным температурным интервалом существования мезофазы, составляющим несколько десятков кельвин (например, от —(10—20) до +(40—50)°С).

Высокое быстродействие, а также практически неограниченный срок службы можно получить, используя в ЭУТ магнитооптические эффекты в ферритах. Трудности применения ферритов, в частности ферритов-гранатов и ортоферритов (отличающихся составом редкоземельных элементов и кристаллической структурой), связаны со значительным поглощением света в видимой области спектра. Тем не менее приемлемое для практики оптическое пропускание (—10% в красной области спектра) достигается, например, в транспарантах на основе ортоферритов YFeO₃, YFeGaO₃, ферритов-гранатов YGaScFeO, YGdGaFeO, Y₂BiFeGaO₁₂ и др. Локальное

магнитное поле, вызывающее изменение оптических свойств феррита, можно создать при помощи так называемой токовой петли (рис. 3.5, б). После кратковременного подключения тока (превышающего некоторое пороговое значение) созданная намагниченность участка транспаранта (на рисунке заштрихован) может сохраняться чрезвычайно долго. При считывании информации используется фарадеевское вращение плоскости поляризации света, проходящего через слой феррита, а также при его отражении (магнитооптический эффект Керра), Вполне реальны магнитооптические ЭУТ со временем перемагничения ~ 1 · 10^-8 с, информационной емкостью по крайней мере 100x100 элементов и практически неограниченным ресурсом. Некоторые сложности с использованием магнитооптических транспарантов связаны с коммутацией достаточно больших управляющих токов (~1А).

3.3.2. Принципы работы оптически управляемых транспарантов

В наиболее распространенном случае ОУТ представляет собой (рис. 3.6, а) тонкую пластину электрооптического материала МС с нанесенными на нее слоем фотопроводника ФП и двух сплошных прозрачных электродов 3 (например, слои оксидов олова, индия, индия-олова ITO, прозрачные пленки платины, золота и др.), к которым подключают напряжение U. Такую многослойную структуру помещают между поляризатором П и анализатором А и на нее направляют параллельный пучок света Ф₀, для которого фотопроводящий слой не чувствителен и прозрачен (считывающая световая волна). Между ОУТ и анализатором устанавливают полупрозрачное зеркало 4, при помощи которого на фотопроводящий слой (сквозь МС) проецируют световую управляющую волну Ф_упр, создающую нужную картину и имеющую спектральный состав, соответствующий в отличие от Ф₀ чувствительности фотопроводящего слоя. В отсутствие управляющего света сопротивление ФП велико и практически все приложенное напряжение падает на нем. Под действием Ф_упр сопротивление ФП уменьшается и напряжение перераспределяется между ФП и электрооптическим слоем, локально изменяя его оптический параметр, например, вызывая двойное лучепреломление (продольный эффект Поккелъса). Если в исходном состоянии поляризатор П и анализатор А скрещены, то в отсутствие Ф_упр считывающий свет Ф₀ на выход всего устройства не попадет. В местах, освещенных управляющей волной, свет Ф₀ окажется промодулированным по фазе или поляризации и устройство в меньшей или большей степени станет прозрачным для светового пучка Ф₀. Рассматриваемое устройство позволяет производить ряд преобразований: картина, созданная волной Ф_упр, имеет другой спектральный состав; неполяризованный управляющий свет может быть трансформирован в когерентный (используя лазер в качестве источника Ф₀); интенсивность пучка Ф может превышать интенсивность Ф_упр, т. е. реализуется усиление света; если главные плоскости поляризатора и анализатора в исходном состоянии не перпендикулярны, а параллельны, то изображение, создаваемое волной Ф_упр, будет преобразовано в негативное, и т. д.

Обычно фотопроводник—слабопроводящий материал, и зарядовый рельеф, созданный в результате проецирования на него изображения, сохраняется в течение некоторого времени (волну Ф_упр называют поэтому также записывающей). При необходимости записанную информацию можно стереть кратковременной равномерной засветкой подходящего спектрального состава. Таким образом, ОУТ с фотопроводящим слоем, обладающим большим временем релаксации, можно использовать и в качестве двумерного оперативного запоминающего устройства, и для обработки быстро изменяющейся информации (если время цикла запись — считывание — стирание мало). Следует также отметить, что запись может производиться не только проецированием изображения, но и сканированием сфокусированного и промодулированного по интенсивности луча.

Возможна работа ОУТ не только на просвет, но и на отражение (рис. 3.6, б). При этом изменена сама структура ОУТ: слои ФГТ и МС разделены непрозрачным диэлектрическим зеркалом 5. Считывающий свет Ф₀, пройдя поляризатор П и отразившись от поворотного полупрозрачного зеркала 4, направляется на ОУТ, а затем, проходя сквозь электрооптический материал, отражается от зеркального разделительного слоя 5, снова проходит сквозь МС и направляется на анализатор А. Управляющий (записывающий) световой пучок Ф_упр направляется на ОУТ с противоположной стороны разделительного слоя. В остальном рассматриваемый транспарант работает так же, как и в схеме работы на просвет. Так как диэлектрическое зеркало непрозрачно, вход и выход устройства оказываются оптически изолированными; возникает свобода в выборе спектрального состава считывающего света. Еще одно преимущество схемы работы ОУТ на отражение состоит в том, что за счет двукратного прохождения считывающего луча глубина его модуляции увеличивается также в два раза.

3.3.3. Различные типы оптически управляемых транспарантов

Многообразие задач, которые можно решать с использованием ОУТ, оптимизация их параметров для каждого конкретного случая привели к поиску различных конструкций, используемых материалов для фоточувствительного и модулирующего слоев, привлечению различных механизмов, приводящих к модуляции света, и т. п.

В оптическом транспаранте типа Фототитус (Fototitus) в качестве фотопроводника используется аморфный селен, а модулирующего материала — кристалл KDP или DKDP. Транспарант помещают в вакуумную камеру и понижают его температуру примерно до - 50°С (обычно при помощи термоэлектрического холодильника). Охлаждение уменьшает рабочее напряжение устройства до 100—200В, а время хранения информации увеличивается до 1 ч по сравнению с ~0,2 с при комнатных температурах, т. е. можно считать, что в течение нескольких минут не происходит заметного уменьшения контраста записанного изображения. Запись производят экспонированием изображения в ультрафиолетовой или синей области спектра, считывание — в красной (например, гелий-кадмиевым и гелий-неоновым лазерами). Стирание зарядового рельефа, а значит, и пространственного распределения двойного лучепреломления осуществляют равномерной засветкой от дополнительного источника, например импульсной ксеноновой лампой. Длительность записи и стирания информации в устройстве Фототитус довольно мала и составляет ~1·10^-4с. При толщине кристалла DKDP около 100 мкм пространственное разрешение транспаранта не хуже 20 лин/мм. Широкому использованию устройства в современных системах обработки информации препятствует необходимость вакуумирования и охлаждения.

Интересны аспекты применения в оптически управляемых ПВМС ЦТСЛ-керамики. В этом случае (рис. 3.6, а) на плоскопараллельную керамическую пластину наносят фотопрово-дящий слой, например поливинилкарбазол (ПВК), а затем на обе внешние поверхности — прозрачные электроды. Структуру приклеивают к оргстеклу, которое несколько изгибают, в результате чего в керамике создается механическое напряжение. Это приводит к тому, что электрические домены в керамической пластине, направление которых было в исходном состоянии хаотическим, ориентируются вдоль направления механического напряжения, причем парами и антипараллельно, так что результирующая поляризация керамической пластины равна нулю. К прозрачным электродам прикладывают электрическое напряжение U, однако несколько меньшее, чем требуется для переориентации доменов вдоль направления внешнего электрического поля. Если, не снимая U, структуру осветить, сопротивление фотопроводящего слоя уменьшится, большая часть напряжения окажется приложенной к керамической пластине, что приведет к ориентации электрических доменов вдоль направления электрического поля. Таким образом, при проецировании на транспарант изображения в освещенных местах двойное лучепреломление исчезает. Считывание записанной информации можно произвести, используя поляризатор и анализатор, стирание—засветкой всей пластины при U =0.

Кроме двойного лучепреломления в ОУТ на основе крупнозернистой ЦТСЛ-керамики используют эффект рассеяния. В этом случае механическое напряжение в пластине не создается. Под действием внешнего электрического напряжения и равномерного освещения пластина поляризуется. Затем полярность внешнего источника изменяют на противоположную, но напряжение устанавливается меньшее, так чтобы переполяризация не происходила. Если теперь на ОУТ направить управляющий световой пучок, то в освещенных местах домены разориентируются, что приведет к локальному рассеянию света. Для стирания записанной информации транспарант равномерно засвечивают при включенном поляризующем напряжении, в результате чего домены ориентируются параллельно полю и пластина становится прозрачной.

Наконец, в ОУТ на основе мелкозернистой ЦТСЛ-керамики можно использовать обратный пьезоэлектрический эффект—изменение геометрических размеров тела под действием внешнего электрического поля. В транспаранте такого типа один из электродов представляет собой зеркально отражающий слой (рис. 3.7, а). Сначала пластину равномерно освещают со стороны фотопроводящего слоя и между прозрачным и непрозрачным электродами прикладывают напряжение, необходимое для поляризации керамики. Затем полярность источника изменяют на противоположную, одновременно уменьшив напряжение до уровня, недостаточного для переориентации электрических доменов в темноте. Если на ОУТ спроецировать изображение, то в освещенных местах сопротивление фотопроводящего слоя станет малым, в результате чего произойдет переориентация доменов. Это вызовет локальные механические напряжения и назеркалено отражающем слое возникнет геометрический рельеф, воспроизводящий записанное изображение (рис. 3.7, 6). Искривление поверхности ОУТ при этом обычно не превышает нескольких десятых долей микрометра. Такой разности хода светового луча, однако, достаточно для считывания изображения.

Описанные ПВМС на основе наведенного двулучепреломления, управляемого рассеяния, геометрического рельефа называют соответственно Ферпик (Ferpic—Ferroelectric Picture), Керампик (Cerampic —Ceramic Picture), Ферикон (Fericon — Ferroelectric leonoscope).

Оптически управляемый транспарант может быть построен на материале, обладающем одновременно и фото чувствительными, и электрооптическими свойствами. Так называемое устройство ПРОМ (PROM — Pockels Readont Optical Modulator) сконструировано следующим образом. На пластину силиката висмута Bi₁₂SiO₂₀ (возможно использование Bi₁₂GeO₂₀, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, ZnO и других материалов, способных длительно сохранять состояние поляризации) толщиной около 100 мкм с двух сторон наносят тонкие диэлектрические слои (~3 мкм), а поверх них —прозрачные слои платины. Специальный слой фотопроводника в устройстве ПРОМ отсутствует, так как используется фотопроводимость электрооптического материала. Чувствительность Bi₁₂Si0₂₀, в частности, приходится на спектральную область 0,4—0,5 мкм, а при λ≥0,5 мкм она резко падает. Структуру подключают к источнику постоянного напряжения (1000—2000 В) и освещают вспышкой ксеноновой лампы. Генерируемые светом в Bi₁₂ SiO₂₀ электроны перемещаются к границе раздела с диэлектрическим слоем, локализуются там на энергетически глубоких центрах и поляризуют пластину (сквозной ток не идет из-за наличия диэлектрических слоев). Перемещение электронов продолжается до тех пор, пока поляризационный заряд не скомпенсирует (заэкранирует) внешнее поле. При закороченных электродах в кристалле за счет поляризации возникает электрическое поле, по направлению противоположное внешнему.

Если на ПРОМ-структуру спроецировать в сине-голубой области (0,4—0,5 мкм) изображение, в светлых местах поляризационное поле исчезнет, а в неосвещенных останется неизменным. Считывание изображения осуществляют линейно поляризованным красным светом (Х> 0,6 мкм), который не вызывает изменений в кристалле, но оказывается пространственно промодулированным по фазе. Фазовая модуляция преобразуется в амплитудную, если, как обычно, структуру поместить между скрещенными поляризатором и анализатором.

Если к структуре подключить источник внешнего напряжения той же полярности, в ранее освещенных местах поляризационное поле скомпенсируется внешним, а в неосвещенных — электрическое поле будет действовать. В результате при считывании позитивное изображение превратится в негативное. Стирание информации производится равномерной засветкой в сине-голубой области спектра при U=0. Время записи — считывания составляет ~1·10^-3с, память может сохраняться 1—2 ч, пространственное разрешение транспаранта составляет несколько десятков или сотен линий на миллиметр. Недостатки устройства ПРОМ — высокое питающее напряжение, низкая частота смены изображений (не более 1 кГц).

Своеобразной модификацией ПРОМ является устройство ПРИЗ (от слов «преобразователь изображения»). Его отличие состоит в том, что пластину электрооптического полупроводникового материала (например, силикат или германат висмута) вырезают не параллельно (как в устройстве ПРОМ), а перпендикулярно оптической оси, т. е. так, чтобы приложенное к структуре внешнее электрическое поле не вызывало модуляции считывающего света. Однако при неравномерном освещении транспаранта в результате миграции генерируемых светом носителей тока возникает поперечная составляющая поля, которая приводит к изменению показателя преломления, обусловленному электрооптическим эффектом. Выделение областей с максимальным градиентом освещенности оказывается очень полезным при обработке изображений, в частности при распознавании объектов. Фактически при помощи устройства ПРИЗ производится пространственное дифференцирование изображения, причем без применения специального оптического процессора.

Еще в одной модификации рассматриваемого ОУТ электродные слои наносят непосредственно на пластину электрооптического кристалла. В этом случае возникающее после начала экспонирования изображения поляризационное поперечное поле из-за прохождения тока постепенно спадает (для силиката висмута с характерным временем около 1 с). Устройство, таким образом, позволяет выделять в изображении изменяющиеся детали, т. е. производить временное дифференцирование изображения.

Самостоятельный интерес представляют жидкокристаллические (ЖК) транспаранты с оптическим управлением. Применяются как структура ЖК-ФП, так и с непрозрачным диэлектрическим зеркалом между слоями. Несомненным достоинством таких транспарантов, как и ЭУТ на основе ЖК, являются низкие рабочие напряжения, простая и дешевая технология изготовления; недостатком—значительная инерционность (~1·10^-2с). Поскольку ЖК — высокоомные материалы, то для электрического согласования в качестве фотопроводника приходится использовать также высокоомные полупроводники (ZnS, ZnSe, CdS, Se и т. п.). Использование низкоомных фотопроводников (в частности, кремния) в сочетании с ЖК (а также другими электрооптическими материалами) возможно в устройствах с фоточувствительными МДП-струк-турами.

В ОУТ могут использоваться не только электрооптические эффекты, но и термооптический (тепловой) способ записи информации, основанный на изменении свойств ЖК при его фазовом переходе под действием нагревания. В ОУТ такого типа тонкую пленку ЖК помещают между электродами из IТО, непрозрачными в инфракрасной области спектра. Если на такую структуру направить лазерный луч, энергия излучения поглотится в электродном слое и вызовет локальный нагрев ЖК. В исходно прозрачном слое ЖК нагрев, а затем быстрое охлаждение приведут к «замороженной» разупорядоченности структуры, интенсивно рассеивающей свет. Запись можно стереть нагревом и последующим охлаждением ячейки в электрическом поле, создаваемом приложенным к электродам напряжением.

Оптически управляемый транспарант может быть построен на основе материала, в котором при определенной температуре происходит переход из металлического состояния в полупроводниковое. Такими пороговыми свойствами обладают, в частности, оксиды ванадия, а среди них наиболее подходящим является диоксид ванадия VO₂ с температурой фазового перехода ~70° С. Изготовление транспаранта сводится к нанесению слоя VO₂ толщиной 0,1—0,2 мкм на подложку из стекла, кварца, ситала или другого подходящего материала. На слой VO₂ направляют сканирующий лазерный луч или же проецируют изображение такой интенсивности, что в освещенных местах в результате поглощения света слой оксида ванадия нагревается и переходит из полупроводникового состояния в металлическое. После прекращения экспонирования изображения транспарант возвращается в исходное состояние. Для считывания информации можно использовать изменение либо коэффициента поглощения, либо показателя преломления. Энергетическая чувствительность транспаранта оказывается не очень низкой (1·10^-2 Дж/см²), пространственное разрешение — несколько тысяч линий на миллиметр, время записи может быть доведено до ~1·10^-8с. Используемое сокращение ОУТ рассматриваемого типа — ФТИРОС (фазово-трансформационный реверсивный отражатель света).

Возможны также другие ОУТ теплового действия, в частности с использованием термопластиков—пластических масс, способных размягчаться при нагревании и сохранять форму после охлаждения (например, полистирол, поливинилхлорид и др.). На стеклянную пластинку с проводящим прозрачным слоем диоксида олова или металла наносят слой фотопроводника (обычно поливинилкарбазол), а поверх него—слой термопластика. Далее поверхность термопластика заряжают при помощи коронного разряда, в результате чего между поверхностью транспаранта и проводящим электродом возникает разность потенциалов. При проецировании на структуру оптического изображения сопротивление фотопроводника в освещенных местах уменьшается и электрическое поле в различных местах термопластика оказывается разным. Если через электрод из SnO₂ пропустить импульс тока, слой термопластика кратковременно нагреется (до точки размягчения) и в местах сильного электрического поля произойдет сжатие пленки, что надолго зафиксируется после охлаждения устройства. В результате образуется поверхностный рельеф, повторяющий записанную картину, а считывающий свет окажется промодулированным по фазе. Стирание изображения производят нагревом пленки в темноте. Возможны ОУТ, в которых используют фоточувствительность самого термопластика (фототермопластика), и тогда необходимость отдельного слоя фотопроводника отпадает. Энергетическая чувствительность устройства на термопластиках высока и сравнима с чувствительностью фотоэмульсии, пространственное разрешение составляет 1000— 4000 лин/мм.

Большинство из рассмотренных ОУТ могут работать в режиме, когда интенсивность как записывающего, так и считываемого света изменяется по координатам сколь угодно плавно. Для обработки цифровой информации в виде двоичных изображений используют матричные ОУТ. Такого типа транспарант включает в себя множество регулярно расположенных ячеек «фотоприемник—электрооптический материал», действующих практически независимо друг от друга и предназначенных для выполнения операций над одним битом информации. Устройство матричного ОУТ отражательного типа поясняется рис. 3.8, а. В отличие от рассмотренных ранее структур светоизолирующий слой между фотопроводником 2 и модулирующей средой 3 выполнен в виде матрицы зеркально отражающих металлических площадок 5, разделенных резистивным слоем 4, непрозрачным и нефоточувствительным. Внешние электроды 1 выполнены в виде металлической маски с окнами, расположенными в створе с отражающими площадками на оптически разделяющем слое. Это обеспечивает независимую работу ячеек транспаранта и высокую надежность записи. Как и в схеме, показанной на рис. 3.1,6, для считывания изображения применяют полупрозрачные зеркала, поляризаторы и т. п. В качестве электрооптического материала в матричных ОУТ могут применяться кристаллы KDP, ADP, LiNbO₃ и др.

Недостатком таких устройств является относительно низкое быстродействие. Чтобы его повысить, электрооптический слой наносят не поверх сплошного резистивного слоя, а на созданную на прозрачной подложке (рис. 3.8, б) интегральную матрицу фоточувствительных кремниевых схем с необходимыми усилительными элементами (транзисторами) 6. Быстродействие таких фоточувствительных ячеек может составлять 10^-6 – 10^-7 с.

Чтобы обеспечить оптическую память, электрооптический материал не обязательно должен обладать гистерезисными свойствами. Для этого подходит, например, сегнетоэлектрическая керамика, но при температуре выше точки Кюри. Оперативная память такого транспаранта (muna Латрииа, как его называют) обеспечивается электронной схемой фоточувствительных ячеек. Ее длительность определяется временем утечки заряда через обратносмещенный кремниевый р-п-переход (обычно до 1· 10^-2 с), что в некоторых случаях вполне достаточно для систем оптической обработки информации.