Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-технические основы систем мультиплексных объемных ГЗУ 15
1.1. Оптический и голограф ический методы хранения информации 15
1.1.1. Место оптической памяти среди систем хранения информации 15
1.1.2. Дисковые побитовые запоминающие устройства 16
1.1.3. Хранение информации в голографической форме 19
1.2. Свойства систем объемной голографической памяти с учетом характеристик устройств ввода-вывода 28
1.2.1. Устройства ввода информации в системах голографической памяти 28
1.2.2. Устройства вывода и адресации данных в системах голографической памяти — акустооптические дефлекторы 33
1.2.3. Возможности записи нескольких голограмм на одну и ту же поверхность двухмерной голографической регистрирующей среды 40
1.3. Мультиплексирование в объемных ГЗУ как метод повышения информационной емкости 43
1.3.1. Общие принципы мультиплексирования 43
1.3.2. Мультиплексирование голограмм по углу в объемных средах 51
1.3.3. Мультиплексирование голограмм подлине волны света 56
1.3.4. Другие виды мультиплексирования 59
1.4. Архитектура систем объемной голографической памяти с различными видами мультиплексирования и особенности применения акустооптических дефлекторов в таких системах 67
1.4.1. Принципы построения ГЗУ с мультиплексированием на объемных средах 67
1.4.2. Особенности применения акустооптических устройств в голографии 79
1.5. Перспективы развития системы голографической памяти.
Цели и задачи исследования 91
Глава 2. Информационные характеристики голографических систем памяти с мультиплексированием и их физические ограничения 101
2.1. Информационная емкость ГЗУ с постраничным хранением информации и факторы, ее ограничивающие 101
2.1.1. Информационная емкость светоинформационной системы 101
2.1.1. Прохождение информации через ГЗУ с постраничным хранением данных 106
2.1.2. Сигнал и шум в первой группе звеньев ГЗУ —ПВМС — составителе страниц 108
2.1.3. Сигнал и шум во второй группе звеньев ГЗУ - регистрирующей среде 121
2.1.4. Сигнал и шум в третьей группе звеньев ГЗУ - фоточувствительной матрице 127
2.2. Скорость выборки и информационное качество ГЗУ 132
2.2.1. Связь информационной емкости узла хранения ГЗУ со скоростью выборки информации. Информационное качество ГЗУ 132
2.2.2. Время выборки информации в ГЗУ 135
2.3. Основные информационные характеристики ГЗУ 145
Выводы главы 2 153
Глава 3. Особенности использования акустооптических устройств в системах объемной голографической памяти 155
3.1. Возможности акустооптики по обеспечению записи и адресации пространственно разделенных и мультиплексных голограмм 155
3.1.1. Ограничения информационной емкости ГЗУ, обусловленные применением АОД 155
3.1.2. Связь параметров АОУ с быстродействием объемных ГЗУ 160
3.2. Роль акустооптических перестраиваемых фильтров в совершенствовании информационных характеристик объемных ГЗУ 164
3.2.1..Акустооптические перестраиваемые фильтры и их основные свойства 164
3.2.2.Информационные характеристики акустооптических перестраиваемых фильтров 168
3.2.3.Применение акустооптических перестраиваемых фильтров в устройствах объемной голографической памяти 175
3.3. Оптимизация параметров АОД с точки зрения использования их в ОГЗУ 177
3.3.1. Параметры, подлежащие оптимизации 177
3.3.2. Оптимизация дифракционной эффективности 178
3.3.3 .Оптимизация разрешающей способности 181
3.3.4. Оптимизация скорости переключения АОД от одного состояния к другому 184
3.4. Разработка устройств памяти с хранением информации в голографической форме 186
3.4.1. Устройство записи голографической информации для памяти оптических вычислительных машин 186
3.4.2. Быстродействующее устройство записи для голографической памяти 191
3.4.3. Способ записи мультиплексированных голограмм и дисковый накопитель информации 196
3.5. Экспериментальное исследование параметров АОД, предназначенных для применения в ОГЗУ 199
3.5.1. Исследуемые компоненты и задачи исследования 199
3.5.2. Устройство для экспериментального исследования двухкоординатных АОД 202
3.5.3. Результаты экспериментального исследования двухкоординатного АОД 206
3.5.4. Использование акустооптического цифроаналогового преобразования для формирования пучков света заданной интенсивности 211
3.6. К вопросу об оптимизации ввода в ГЗУ и вывода из него сигналов, прошедших акустооптическую предобработку 216
3.6.1, Виды акустооптической предобработки данных 216
3.6.2. Предобработка управляющих сигналов со сложным спектром с помощью акустооптических анализаторов спектра и информационные возможности такой обработки 218
3.7. Преимущества применения акустооптических устройств в системах голографической памяти 226
Выводы главы 3 247
Глава 4. Особенности использования фотополимеризующихся материалов в ГЗУ в качестве регистрирующих сред 249
4.1. Исследование экспозиционных характеристик спекл-голограмм предварительной засветкой регистрирующего слоя 249
4.2. Экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности и отношение сигнал/шум от глубины неоднородностей предварительной засветки 254
4.3. Технические преимущества ГЗУ с применением фотополимеризующихся носителей 259
Выводы главы 4 265
Заключение 266
Литература 274
Приложение 292
- Устройства вывода и адресации данных в системах голографической памяти — акустооптические дефлекторы
- Связь информационной емкости узла хранения ГЗУ со скоростью выборки информации. Информационное качество ГЗУ
- Устройство записи голографической информации для памяти оптических вычислительных машин
- Экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности и отношение сигнал/шум от глубины неоднородностей предварительной засветки
Введение к работе
К началу XXI века объем информации, с которым приходится работать специалистам в различных областях науки и техники, возрос настолько, что на первый план выступает проблема организации хранения сверхбольших объемов информации таким образом, чтобы необходимые данные можно было бы легко найти и быстро извлечь в удобной форме. Поэтому особенно сильное развитие в последние десятилетия минувшего века получили системы памяти, работающие на различных принципах.
Несмотря на то, что наибольших успехов удалось добиться, используя хранение данных на магнитных носителях, а также на оптических носителях с использованием побитового принципа записи и считывания, в последние годы на передний план выходят исследования и разработки, посвященные применению голографического принципа для записи, хранения и выборки информации. Хотя принципы голографической памяти были разработаны, уже 40 лет назад, недостаточное развитие элементной базы долгое время препятствовало широкому развитию этого вида памяти, и только в последние годы число исследований по этой проблеме стало расти в геометрической прогрессии. Поскольку оценки предельных возможностей систем голографической памяти показывают, что она, особенно в варианте объемной голографической памяти, может обеспечить наибольшую плотность хранения информации, то актуальность исследований в этой области становится очевидной.
Особенно актуальными являются исследования, связанные с оптимизацией параметров ключевых звеньев голографической памяти. К таким можно отнести, в числе прочих, адресующие устройства и регистрирующие среды. Поскольку наилучшие результаты адресации голограмм в устройствах памяти демонстрируют акустооптические
дефлекторы (АОД), то с точки зрения актуальности работы постановку задачи исследований особенностей применения акустооптики в гол ографиче ской памяти можно признать правильной. Столь же актуальными являются и исследования применения перспективных материалов для объемных устройств памяти - фотополимерных материалов.
Цель диссертационной работы состояла в развитии системы голографической памяти с применением акустооптического дефлектора и объемных фотополимеризующихся носителей.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ методов построения систем памяти и выбрать перспективный вариант;
дать комплексную оценку прохождения сигнала и шума через систему голографической памяти с учетом особенностей применения акустооптических устройств и объемных носителей для регистрации голограмм;
определить комплекс информационных параметров позволяющий характеризовать систему голографической памяти;
провести анализ построения систем голографической памяти с применением акустооптического дефлектора и экспериментально исследовать акустооптические дефлекторы;
исследовать возможности использования акустооптических перестраиваемых фильтров, акустооптического анализатора спектра и многоканальных акустических модуляторов в системах голографической памяти;
провести теоретический анализ предварительной засветки фотополимеризующихся носителей для улучшения регистрирующих характеристик;
- экспериментально исследовать возможности предварительной засветки фотополимеризующихся носителей для улучшения регистрирующих характеристик.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Разработана физическая модель системы голографической памяти позволяющая провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
Впервые найден комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное качество, позволяющие характеризовать систему голографической памяти.
Впервые разработаны и исследованы двухкоординатные акустооптические дефлекторы на базе двух последовательных ячеек Брэгга, предназначенные для использования в системах голографической памяти.
Впервые показана возможность применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти, позволяющие существенно улучшить информационные характеристики этих систем.
Разработана математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и получено выражение позволяющее определить энергию предварительной засветки.
Разработан способ предварительной засветки фотополимерной объемной регистрирующей среды опорным пучком, позволяющий существенно улучшить информационные характеристики голографической системы памяти.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Физическая модель системы топографической памяти позволяющая
провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
Комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное качество, позволяющие характеризовать систему голографической памяти.
Результаты экспериментальных исследований по применению акустооптических дефлекторов.
Возможность применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти.
Математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и полученное выражение позволяющее определить энергию предварительной засветки.
Метод предварительной засветки фотополимерной объемной регистрирующей среды опорным пучком для существенного улучшения дифракционной эффективности записанных голограмм и повышения отношения сигнал/шум восстановленных данных, что влечет за собой улучшение информационных характеристик голографической системы памяти.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработанная физическая модель системы голографической памяти позволяет провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
Комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное
качество, позволяют характеризовать систему голографической памяти, представляющую собой последовательность звеньев, каждому из которых соответствует определенный физический процесс; каждому звену может быть приписан входной и выходной уровень шума, а также фактор изменения отношения сигнал/шум от входа к выходу звена.
Разработанные двухкоординатные акустооптические дефлекторы на базе двух последовательных ячеек Брэгга позволяют существенно улучшить информационные характеристики системы голографической памяти.
Применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти, позволяют существенно улучшить информационные характеристики этих систем.
Разработанная математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и полученное выражение позволяют определить энергию предварительной засветки и улучшают информационные характеристики голографической системы памяти.
6. Разработанный способ предварительной засветки
фотополимеризугощейся объемной регистрирующей среды опорным
пучком, позволяет существенно улучшить информационные
характеристики голографической системы памяти.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертационной работы получены автором лично.
В работах научным консультантам академику НАН КР Жумалиеву К.М. и почетному академику НАН КР Гуревичу СБ. принадлежит постановка задачи и обсуждение результатов.
Совместными с Алымкуловым С.А. и Сагымбаевым А.А. являются отдельные результаты, связанные с выполнением хоздоговорных НИР и работ по договорам о научно-техническом сотрудничестве со странами СНГ, где автор также являлся научным руководителем.
В совместных работах автору принадлежат постановка задачи, ее экспериментальное исследование и анализ полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ходе следующих конференций:
Международный семинар «Голография и оптическая обработка информации», г. Бишкек, КР, 1997.
Международная научно-теоретическая конференция «Проблемы и перспективы интеграции образования» г. Бишкек, КР, 1998.
Международная конференция, посвященная 45-летию Кыргызского технического университета им. И. Раззакова г. Бишкек, КР, 1999.
SPIE Annual Meeting, Denver, USA, 1999.
International Conference on Optolectronics and Hybride Optical/Digital Systems for Image Processing, Lviv, Ukraine, 1999.
International Conference "Advanced Optical Materials and Devices", 2000, Vilnius, Lithuania, 2000.
Annual Meeting "Advances in Acousto-Optics", Brugge, Belgium, 2000.
International Forum on Wave Electronics and Its Applications, St.Petersburg, Russia, 2000.
SPIE Annual Meeting, San Diego, USA, 2000.
10.Международная конференция «Проблемы управления и информатики»,
г.Бишкек, КР, 2000. 11.Annual Meeting "Advances in Acousto-Optics", Gdansk - Jurata, Poland,
2001.
12.Международная конференция «Телекоммуникационные и информационные технологии. Состояние и проблемы развития» г. Бишкек, КР, 2001.
13.Международный семинар «Голография и оптическая обработка информации» г. Бишкек, КР, 2001.
14.International Time and Frequency Forum, St. Petersburg, Russia, 2002.
По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 26 статей и один
предварительный патент Кыргызской Республики.
Структура и объем работы. Основное содержание
диссертационной работы изложено на 310 страницах машинописного
текста, иллюстрированного 70 рисунками, содержит 1 таблицу.
Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы,
заключение, список использованной литературы и приложение. Список
литературы содержит 205 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, представлены основные результаты, показана их новизна, научная и практическая ценность, кратко изложена структура диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу систем памяти. На основе анализа определено место системы голографической памяти среди других вариантов реализации систем памяти. В конце главы дается постановка теоретических и экспериментальных исследований акустооптического дефлектора и задач по конструированию, реализации и исследованию системы голографической памяти с акустооптическим дефлектором, удовлетворяющих поставленным требованиям.
Во второй главе система голографической памяти рассматривается как светоинформационная система, которая описывается определенным комплексом информационных характеристик. Анализированы особенности протекания информационных процессов в таких сложных многозвенных и многоканальных системах, какой является система голографической памяти. Определены возможные потери информации, связанные с пространственными характеристиками акустооптических дефлекторов и геометрическими особенностями постраничной записи побитовой информации в объемных носителях системы голографической памяти.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований 2-хкоординатного акустооптического дефлектора. В рамках работы проводились экспериментальные исследования 2-координатных акустооптических дефлекторов (АОД), предназначенных для применения в устройствах голографической памяти.
В четвертой главе рассматривается процессы регистрации голограмм на фотополимеризующемся носителе. Исходя из проведенных экспериментальных работ сделан вывод, что увеличение дифракционной эффективности происходит за счет однородности распределения интенсивности предварительной засветки.
В заключении перечисляются главные результаты, полученные в диссертационной работе.
Устройства вывода и адресации данных в системах голографической памяти — акустооптические дефлекторы
Работа ПВМС такого типа осуществляется следующим образом. Входные данные поступают на ПВМС в виде изображения, например, в некогерентном свете. Этот свет освещает структуру справа. Проникая сквозь подложку и прозрачный электрод, свет, модулированный входными данными, засвечивает слой фотопроводника, генерируя в нем носители тока. Тем самым модулируется сопротивление слоя.
В то же время на прозрачные электроды структуры подаются напряжение (обычно переменное, не превышающее нескольких вольт). При этом внутри структуры возникает электрическое поле. Поэтому молекулы жидкого кристалла, исходно ориентированные параллельно подложкам (в данной конфигурации под углом 45 друг к другу у разных подложек), под действием электрического поля несколько изменяют направление своей ориентации. Модуляция сопротивления фотопроводящего слоя приводит к перераспределению напряжения между слоями структуры, и на слое НЖК напряжение оказывается модулированным в соответствии с пространственным распределением интенсивности падающего света. Таким образом, и ориентация молекул НЖК также оказывается аналогично промодулированной.
Слева структура освещается пучком когерентного света. Проходя через слой НЖК, плоскость поляризации света поворачивается в соответствии с ориентацией молекул жидкого кристалла. Однако, модуляция направления ориентации ведет также и к модуляции положения плоскости поляризации света. Когерентный свет проходит через НЖК, отражается от диэлектрического зеркала, а затем вторично проходит через НЖК и выходит наружу. Разделение падающего и отраженного пучков обычно реализуется с помощью светоделительного кубика. Поляроид осуществляет превращение пучка света, модулированного по положению плоскости поляризации в пучок, пространственно модулированный по интенсивности.
Защита фотопроводника от воздействия считывающего света обеспечивается не только диэлектрическим зеркалом с высоким уровнем отражения и дополнительным поглощающим слоем, но и засветкой структуры когерентным светом с длиной волны, лежащей за пределами области спектральной чувствительности фотопроводника. Поглощающий слой должен быть по своим основным физическим параметрам согласован с фотопроводящим слоем; например, в случае, если в качестве фотопроводника используется сульфид кадмия, то в качестве поглощающего слоя применяют селенид кадмия или состав CdSexTei_x.
Таким образом, сигнал, поступивший на вход ПВМС в виде распределения интенсивности пучка некогерентного света, на выходе приобретает вид пространственно-временного распределения интенсивности пучка когерентного света, пригодного для формирования голограмм.
Аналогичным образом действуют и многие другие ПВМС типа "свет - свет", например, ПВМС на базе кристалла DKDP и селенового слоя [15] или ПВМС, в которых фоточувствительный и электрооптический материалы совмещены, как, например, в кристалле Bi SiC o [16]. Отметим также такие приборы, адресуемые светом, как ПВМС с микроканальными пластинами, в которых в качестве светомодулирующей среды используются те же материалы, что и в перечисленных выше приборах, но вместо фотопроводящего слоя применяются микроканальные пластины, обеспечивающие значительное усиление входного сигнала [17].
Для ввода информации в систему голографической памяти также часто применяются ПВМС с электронной адресацией (ПВМС типа «сигнал - свет»). Одним из наиболее распространенных устройств такого типа является жидкокристаллическое телевизионное устройство (ЖКТВ) [18, 19].
На рис. 6 схематически представлена структура ЖКТВ. Нематический ЖК помещен в ячейку между двумя стеклянными подложками с прозрачными электродами, причем ячейка представляет собой твист-структуру с поворотом директора молекул ЖК на 90. В момент, когда электрическое поле к структуре не приложено, свет, поляризованный на входном поляроиде, поворачивает свою плоскость поляризации на 90 вслед за поворотом директора молекул ЖК. При этом, поскольку поляризатор и анализатор ориентированы одинаково, свет не проходит сквозь структуру. Но если электрическое поле приложено, то молекулы ЖК стремятся расположиться параллельно силовым линиям поля, и при этом свет начинает частично проходить сквозь выходной поляроид. Чем выше значение напряженности поля, тем сильнее молекулы ориентируются вдоль него и тем меньше поворот плоскости поляризации света, т.е., больше интенсивность света на выходе.
Представленная на рис.6 ячейка является компонентом матрицы, адресуемой электронным способом. Матрица отличается такими достоинствами как дешевизна и удобство в программировании. Поэтому матрицы ЖКТВ являются одним из наиболее употребительных видов ПВМС для ввода данных в устройства голографической памяти.
Связь информационной емкости узла хранения ГЗУ со скоростью выборки информации. Информационное качество ГЗУ
Таким образом, если эквивалентное изменение длины оптического пути равно половине длины волны падающего излучения в воздухе, то эффективность становится равной 100%. Такая величина дифракционной эффективности может быть достигнута в диэлектрической среде без потерь при условии, что толщина среды достаточно велика, чтобы обеспечить соблюдение равенства (1-13).
Если величина 5 отличается от нуля, т.е., условие Брэгга не соблюдается в точности, то невозможно достигнуть стопроцентной дифракционной эффективности. На рис. 12 представлена зависимость относительной дифракционной эффективности от параметра , рассчитанная Когельником [36]. На рисунке 12 по оси ординат отложена дифракционная эффективность, деленная на дифракционную эффективность, которая бы имела место при соблюдении условия Брэгга. По оси ординат - параметр , пропорциональный угловому отклонению б от угла Брэгга. Три кривые рисунка 12 соответствуют трем значениям параметра v из выражения (1-12). Если толщина среды L и взаимное расположение пучков, формирующих голограмму, неизменны, то параметр v пропорционален амплитуде изменения показателя преломления, вызванной экспонированием регистрирующей среды опорным и объектным пучками и последующей обработкой голограммы. Фактически можно считать, что этот параметр пропорционален уровню входного сигнала.
В соответствии с расчетами Когельника [36], значению у = л/4и v = 37u/4 соответствует максимальное значение тіо=50%, а значению v = л/2 - максимальное значение то = 100%.
Угловую селективность объемных голограмм можно определять по значению отклонения от угла Брэгга, при котором дифракционная эффективность падает настолько, чтобы перекрестные искажения не влияли бы на картину, полученную при восстановлении другой голограммы с соседним значением угла падения опорного пучка. Рассмотрим классический пример записи голограмм в хромированной желатине [37]. Если считать, что голограмма образована двумя плоскими волнами, распространяющимися в воздухе под углом 60 по отношению друг к другу, то угол Брэгга в воздухе равен 30. Внутри регистрирующей среды он равен 19,2 , если принимать во внимание, что невозмущенное значение показателя преломления желатины равно 1,52. Полагаем также, что длина волны света в воздухе Ха = 488 нм, толщина слоя желатины d = 15 мкм, a v = 7t/2, т.е., максимальная дифракционная эффективность достигает 100%.
Для рассматриваемого случая = 96,565, если отклонение 5 измерять в радианах. Из рассчитанных зависимостей, представленных на рис. 12, следует, что дифракционная эффективность падает до нуля, если , = 2,7, при котором 8= 0,028 рад. Это соответствует углу 1,6 внутри желатины, или 2,45 в воздухе. Кривыми, изображенными на рис. 12, можно также воспользоваться для определения характера изменения дифракционной эффективности при изменении длины волны относительно значения, удовлетворяющего условию Брэгга. Предположим, что голограмма, записанная в объемной среде, сформирована двумя плоскими волнами с длиной Х3 вне среды записи. Угол между этими волнами в среде с невозмущенным значением показателем преломления щ равен 28о. Очевидно, что максимальное значение дифракционной эффективности достигается при соблюдении условия Брэгга 2щй sin60 = Яа. Если восстанавливать голограмму светом с длиной волны Ха + ДА , то возникает отклонение от условия Брэгга, и при сохранении неизменными других величин дифракционная эффективность начнет уменьшаться, поскольку будет изменяться величина v, в которую, в соответствии с выражением (1-12), входит длина волны света. При определенном значении АХа величина дифракционной эффективности упадет до нуля. Для этого случая справедлива формула [37] Для случая хромированной желатины это значение девиации длины волны равно 39,3 нм [36]. Эта величина и определяет селективность голограмм по длине волны света. Запись большого количества голограмм в объемную среду через один и тот же участок поверхности среды может быть осуществлена с помощью мультиплексирования, при котором признаком, позволяющим считывать заданную голограмму и не считывать другие голограммы, является угол падения опорного, и, соответственно, восстанавливающего пучков. Такой вид мультиплексирования называется мультиплексированием по углу [38, 39]. Рассмотрим устройство для записи, хранения и восстановления данных в виде голограмм, мультиплексированных по углу с точки зрения оценки максимальной информационной емкости устройства [40]. Полная информационная емкость N может быть выражена как где TVs - число пространственно разделенных положений на поверхности объемной среды, в каждом из которых осуществляется независимая запись мультиплексных голограмм, jVe - число голограмм, мультиплексированных по углу в каждом из этих положений, a JVP — число пикселов в каждой из записанных голограмм. Рассмотрим, какое максимальное количество мультиплексированных по углу голограмм NQ может быть записано через один и тот же участок поверхности регистрирующей среды. На рис. 13 показана геометрия записи голограмм в объемной среде. Опорный пучок представляет собой плоскую волну, падающую под углом GR К нормали к поверхности регистрирующей среды. Сигнальный пучок можно представить в виде суперпозиции плоских волн, которые перекрывают некоторый диапазон углов. Для расчета N& сперва необходимо рассчитать величину A0R, которая представляет собой угловое разделение между соседними голограммами и определяется угловой селективностью голограмм, мультиплексированных по углу. Возвращаясь к работе Когельника [36], можно написать приближенное выражение где 90 - угол падения на регистрирующую среду центральной плосковолновой компоненты объектного пучка. Здесь и в дальнейшем мы рассматриваем преимущественно пропускающие голограммы, поэтому можно считать, что 0 8к я/2. Предполагается также, что объектный пучок падает в диапазоне углов О [0о 7г/2.
Устройство записи голографической информации для памяти оптических вычислительных машин
Рассмотрим вкратце мультиплексирование с фазовым кодированием [47]. В этом способе признаком, которым наделяется опорный пучок, и по которому восстанавливающий пучок выбирает данные именно из необходимой голограммы, является определенное фазовое распределение в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Каждому опорному пучку соответствует один такой фазовый код из ортогонального набора. Если восстанавливающий пучок, модулированный по фазе кодом из этого набора, освещает объемную регистрирующую среду, в которой записаны мультиплексированные таким образом голограммы, то восстанавливается только та из них, которая была записана опорным пучком, модулированным по фазе этим же кодом.
Мультиплексирование с фазовым кодированием сперва применялось для записи тонких голограмм, однако, в связи с низкой их селективностью, восстановление таких голограмм сопровождалось недопустимыми перекрестными помехами. Поэтому данный метод смог найти свое применение только для объемных голографических сред, в которых восстановление голограмм возможно только при более или менее точном соблюдении условия Брэгга.
Фазовое кодирование опорных и восстанавливающих пучков осуществляется в ГЗУ с помощью чисто фазовых ПВМС (т.е., ПВМС, в которых отсутствует амплитудная модуляция). Объектный пучок, модулированный данными, которые предстоит хранить в ГЗУ, освещает объемную регистрирующую среду. Набор п опорных пучков, каждый из которых имеет соответствующее нужному коду пространственное распределение фазы, фокусируется в среде, при этом углы падения пучков отвечают условию Брэгга. Происходит интерференция объектного пучка одновременно со всеми п опорными пучками, формируя в объемной среде голограммы с каждым из них. Если регистрирующая среда с записанными мультиплексными голограммами освещается опорным пучком с некоторым фазовым кодом, то восстанавливается только та голограмма (и, соответственно, только та страница данных), при записи которой принимал участие опорный пучок именно с этим кодом. Предположим, что все пучки могут быть описаны плоскими волнами. Тогда пучок, несущий информацию об/-той странице данных, описываемый комплексной амплитудой интерферирует с п составляющими опорного пучка, что может быть аппроксимировано суммой плоских волновых компонент с относительным фазовым смещением Ф [35]
Набор регулируемых фаз (Ф,і, Ф]2, ФІЗ -- Ф ) можно рассматривать как фазовый адрес у-той страницы данных. Засветка объемной регистрирующей среды всей совокупностью пучков в результате их интерференции создаст модуляцию показателя преломления среды, пропорциональную распределению интенсивности света в интерференционной картине:
Восстановление га-го изображения (страницы данных) может быть осуществлено при помощи освещения объемной регистрирующей среды опорным пучком, содержащим га-тый фазовый код (Фть Фт2, Фтз , Фтп):
Поскольку опорные пучки падают на регистрирующую среду под углами, соответствующими условию Брэгга, волна с волновым вектором km восстанавливает голограмму с волновым вектором k - кт. Амплитуда дифрагированной волны, возникающей в результате считывания опорными пучками с комплексными амплитудами Rm, может быть выражена как Необходимое т-тое изображение без перекрестных искажений будет при восстановлении получено, если фазы опорных пучков удовлетворяют условию [35] где 6mj = 0 при т Ф], и 6mj = 1 при т -j,
С таким набором дельта-функций m-тое изображение может быть восстановлено. Для формирования опорных пучков с такими фазовыми кодами на пути пучка света устанавливается ПВМС, который загружается фазовым кодом (бинарными величинами 1 и —1) от ортогональных наборов. Примером может служить набор кодов Уолша-Адамара.
Отметим, что отношение сигнал/шум, которое ограничивается прежде всего перекрестными искажениями, в случае мультиплексирования с фазовым кодированием получается хуже, чем для случая углового мультиплексирования. На практике возникают определенные неточности при вводе элемента фазового кода в фазовый ПВМС, формирующий опорный пучок. Это связано с тем, что всегда существует определенная неоднородность по полю ПВМС, в том числе и фазовая, в результате чего в каждом пикселе точная фазовая задержка может колебаться относительно необходимых значений 0 и 180.
Это обстоятельство вызывает рост перекрестных искажений, что ограничивает возможности применения рассматриваемого метода мультиплексирования.
Еще один метод мультиплексирования - сдвиговое мультиплексирование - следует отличать от иногда используемого понятия пространственного мультиплексирования, так как во втором случае речь идет о полностью пространственно разделенных голограммах (вдоль поверхности регистрирующей среды), а в первом случае - о голограммах, существенно перекрывающих друг друга, но сдвинутых друг относительно друга на величину порядка нескольких мкм, т.е., на расстояние, значительно меньшее, чем линейный размер голограммы.
Экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности и отношение сигнал/шум от глубины неоднородностей предварительной засветки
Угловое мультиплексирование в данной схеме осуществляется путем изменения угла падения опорного пучка на величину AyR. Эта операция производится путем параллельного смещения опорной волны на расстояние Ах = _/2tyR/cosyR с помощью дефлектора. Здесь / — фокусное расстояние линзы, направляющей в опорном плече схемы пучок света на голографическую дифракционную решетку.
Поскольку угловая селективность трехмерных голограмм весьма высока, то угол падения опорного пучка на накопительную среду должен быть выдержан очень точно. Это является одной из причин того, что в качестве дефлектора в опорном плече рассматриваемой схемы используется цифровой электрооптический дефлектор. Другая причина применения именно электрооптического, а не акустооптического дефлектора связана с наличием допплеровского сдвига частоты дифрагированного света в акустооптических устройствах, и, как следствие, с необходимостью компенсировать этот сдвиг для восстановления взаимной когерентности опорного и объектного пучков. В случае же электрооптического дефлектора такая проблема не возникает. Отметим, однако, что использование электрооптического дефлектора обычно связано с дополнительными расходами, увеличенными габаритами устройства и использованием высоких напряжений.
Таким образом, в одном и том же объеме среды записываются последовательно голограммы, каждая из которых имеет свое информационное содержание, обусловленное теми данными, которые в момент записи данной голограммы выводились на ПВМС - составитель страниц. При этом каждая голограмма характеризуется тремя координатами: xk, ys и уи- Эти индексы в совокупности образуют адрес голограммы.
При считывании данных с голограммы опорная волна адресуется в позицию с линейными координатами дгь ys и с угловой координатой ук1. При этом блокируется прохождение света в объектном плече схемы. Опорная волна восстанавливает голограмму именно с данными линейными и угловыми координатами, что обусловлено высокой угловой селективностью трехмерных голограмм. Часть интенсивности опорного восстанавливающего пучка участвует в дифракции на других голограммах, что вызывает перекрестные помехи, накладывающиеся на полезное восстановленное изображение. Очевидно, уровень этой помехи зависит от углового разделения мультиплексированных голограмм AyR.
Крайняя правая часть схемы, показанной на рис. 17, предназначена исключительно для процедуры выборки данных путем их восстановления с нужной голограммы. Линза формирует полезное изображение, которое проецируется на матрицу фотодетекторов. Эта матрица реализует преобразование восстановленного изображения в электрический сигнал, который в дальнейшем поступает на устройство постобработки, которым может быть АЦП контроллера перед подачей сигнала на вход ЭВМ.
Применение реверсивных регистрирующих сред для записи объемных голограмм, таких, как электрооптические фоторефрактивные кристаллы, позволяет стирать и перезаписывать голограммы практически без ущерба для объема записываемой и хранимой информации. Для стирания может быть использован метод голографического вычитания, заключающийся в подаче прежних опорного и объектного пучков с фазой, измененной на 180. Применение этого метода, однако, возможно лишь в случае, когда есть возможность подать прежний объектный пучок, т.е., при наличии предыдущего записываемого блока данных. Наиболее сложная проблема, возникающая при практической реализации подобных систем - это проблема перекрестных искажений. Чем больше плотность информации, которую мы хотим получить на данной регистрирующей среде, тем выше уровень этих искажений. Проблеме снижения влияния этого фактора посвящены работы многих исследователей [60 - 65].
В работе [59] был использован электрооптический дефлектор. Однако, по причина, отмеченным выше, чаще всего в ГЗУ с записью и хранением голограмм в объемных средах чаще используются акустооптические или электромеханические (основанные на вращающихся зеркалах с электрическим приводом) дефлекторы [39, 66-68]. В частности, авторы [68] описали странично форматированное объемное ГЗУ с произвольной выборкой, позволяющее хранить 1,6.105 голограмм. В этой работе демонстрировалась организация доступа к любой голограмме как с помощью набора секционированных зеркал, так и акустооптических дефлекторов.
Простая система хранения данных в объемных голограммах была предложена в работе [69]. Здесь анализируются возможности углового мультиплексирования в чистом виде, без записи множества голограмм по поверхности регистрирующей среды. В рассматриваемой системе используется акустооптический дефлектор, с помощью которого достигается большая скорость произвольной выборки информации. Угловое мультиплексирование позволяет хранить до 300 голограмм в кристалле ниобата лития, легированного железом. Акустооптический дефлектор, использованный в этой схеме, позволил, наряду с быстрым доступом к нужной голограмме, обеспечить высокую точность выставления угла падения опорного пучка на поверхность регистрирующей среды, и, как следствие, хорошую повторяемость этого выставления. В описываемой работе использовались различные средства, позволяющие компенсировать такие регулярные помехи, как неоднородность, вызванная структурными искажениями в кристалле, а также многократные отражения от граней кристалла.
