Содержание к диссертации
Введение с. 4
Глава I Голографическая запись оинарной информации с. 10
$1 Принципы построения оптической схемы ГЗУ с. 10
у2 Определение сигнала и шума оптического с. 17 канала ГЗУ
$3 Определение плотности записи и емкости с. 25 ГЗУ с двухмерным носителем
4 Перспективы повышения плотности записи с. 30 информации в ГЗУ при использовании объемных сред
3. Глаьа Іі шйяниє аберраций оптики на плотность за- с. 44
писи бинарной информации в матрицах голограмм 1 Расчет оптической схемы голографического с. 45
запоминающего устройства у2 Расчет плотности записи в матрицах голо- с. 61
грамм для случая Гауссовых пучков,.. 3 Невоспроизводимость в работе отдельных с. 75
элементов оптической схемы и ее влияние
на плотность записи информации в матрицах
Фурье-голограмм 4 Описание экспериментальной установки и с. 87
методика эксперимента 5 Влияние аберраций оптики на плотность за- с. 92
писи и учет влияния нелинейности отклика
фотоматериала
4. Глава III Исследование голографичеокой записи с.Ill
безопорных микроголограмм бинарных объектов в объемной регистрирующей среде
1 Влияние геометрии пучков и аберраций с.114
оптической системы на плотность записи
бинарной информации при использовании
кодированных опорных пучков
2 Расчет дифракционной эффективности с. 123
объемных голограмм с плоскими и кодиро
ванными опорными пучками для поглащаю-
щей среды с нелинейным фотооткликом
3 Методикап проведения экспериментов по с.132
записи Фурье-голограмм с кодированным
опорншл пучком
.4 Запись одиночных Фурье-голограмм бинар- с. 142
ного транспаранта на материале реокеан
5 Плотность записи голограмм при их пол- с.153
ном или частичном наложении
Приложение I с. 166
Заключение с. 176
Литература с. 179
Приложение 2 с. 191
*
Введение к работе
В настоящее время вычислительные комплексы широко внедряются в самые разнообразные области деятельности человека.
Дальнейшее совершенствование устройств вычислительной техники во многом определяется развитием запоминающих устройств (ЗУ).
Важнейшими параметрами, характеризующими ЗУ, являются его ёмкость, быстродействие, надёжность Г і], а также удельная стоимость хранения информации [2,з]. Причём ёмкость и быстродействие являются основными физическими параметрами, определяющими область функционального использования ЗУ.
Так, ЗУ с ёмкостью 10-10 бит со скоростью выдачи дан-ных ІО^-ІО te/сек М0І7Т применяйся как авторские ка-талоги, работающие в реальном времени. ЗУ с ёмкостью 10х -10х бит (и более) даже при скорости выдачи в среднем на шесть порядков ниже могут быть использованы как системы архивной памяти, предназначенные для накопления информации и её долговременного хранения [4].
Промежуточное положение занимают ЗУ с ёмкостью 10 -І010 бит. Такие ЗУ могут совмещать в себе функции автоматического каталога и системы памяти большой ёмкости. Они могут использоваться, в частности, для хранения, поиска, логической обработки и выдачи реферативных материалов [4J.
їккость ЗУ определяется плотностью записи и габаритами. Попытка увеличения ёмкости за счёт увеличения габаритов неизбежно приводит к увеличению стоимости устройства и снижению зго надёжности. Поэтому увеличение плотности записи в ЗУ явля-этся чрезвычайно важной задачей.
В связи с этим в последнее время уделяется большое внимание разработке новых принципов построения ЗУ, в том числе Голографических запоминающих устройств (ГЗУ). Они обеспечивают существенно большую плотность записи и скорость считывания информации по сравнению с традиционными методами.
К достоинствам ГЗУ относятся также высокая помехозащищённость 1 5—7 J, возможность осуществления параллельной обработки информации массивами, обеспечивающая высокую скорость обработки [в-іо], а также возможность поиска записанной информации как в адресном, так и в ассоциативном режиме Гз, 4, 9, I0-I2J. Кроме того, голографическая память более устойчива к постороннему электромагнитному излучению.
Перечисленные преимущества объясняют большой интерес исследователей к проблеме создания ГЗУ. Разработкой ГЗУ в настоящее время активно занимаются как ведущие зарубежные фирмы (ЩМ^ ,Hltackl ), так и предприятия и научно-исследовательские организации в СССР.
Следует отметить, однако, что достигнутые параметры ГЗУ существенно ниже теоретических. Так, в[^] показано, что пре-
дельная плотность записи в ГЗУ составляет величину 10 бят/тг, В то же время, в практических разработках достигнута плотность записи 10 бит/мм2 ГіЗ, 14] , что на пять порядков ниже теоретического предела. Понятно поэтому, что одной из основных проблем, которую необходимо решить для дальнейшего совершенствования ГЗУ, является выяснение факторов, ограничивающих плотность записи информации. Это и является основной целью настоящей работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и приложения, изложенных на 742страницах машино-
. 6
писного текста, содержит 41 страниц иллюстраций (?$ рисунков и Ц таблицы) Список литературы включает 92 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
В первой главе проведён анализ работ, посвященных исследованию влияния параметров оптической схемы ГЗУ на плотность записи. Этот анализ показывает, что вопрос об оптимальных параметрах схемы с учётом дифракционных и энергетических ограничений в предположении идеальности оптической системы можно считать решённым. В то же время, реальные оптические системы обладают аберрациями, которые неизбежно приводят к снижению плотности записи [I5J и появлению шумов.
В доступной технической литературе практически отсутствуют работы, посвященные этой проблеме, хотя её решение позволило бы, с одной стороны, определить реально достижимые значения плотности записи в ГЗУ, а с другой - сформулировать разумные требования к качеству используемых оптических систем.
Оригинальная часть диссертационной работы изложена во П и III главах и посвящена исследованию влияния аберраций оптической системы на плотность записи в ГЗУ.
Во второй главе проводится анализ ГЗУ с использованием двумерного носителя информации. На основе рассмотрения обобщённой схемы записи бинарной информации в матрицах тонких голограмм получены аналитические выражения для оптического сигнала и перекрёстного шума, учитывающие одновременно дифракционное и аберрационное размытие пучков. Показано, что интенсивность восстановленного сигнала и шума определяется разностью лучевых аберраций отображающей системы, формирующей Фурье - образ страницы данных в плоскости голограмм-, и системы, формирующей опорный пучок. Проведён анализ невоспроизво-
димости работы отдельных элементов ГЗУ на плотность записи и показано, что влияние этой невоспроизводимости аналогично влиянию аберрационных искажений, вносимых оптической системой. Эффективный размер голограммы, определяющий плотность записи и шумы, зависит не только от аберрационных искажений, но.также и от степени линейности отклика регистрирующей среды. В связи с этим проведён анализ влияния нелинейности отклика регистрирующей среды на величину перекрёстных шумов и плотность записи.
Основные теоретические выводы проверены экспериментально на оптоэлектронном комплексе, имитирующем работу ГЗУ. Совпадение экспериментальных и теоретических данных оказалось удовлетворительным.
В третьей главе приводятся результаты исследования влияния различных факторов на плотность записи в ГЗУ с использованием трёхмерного носителя информации. Проанализировано влияние аберраций оптической системы на плотность записи информации. Изложены результаты экспериментального исследования процесса записи голограмм с кодированной опорной волной на полимерном материале реоксан. Показано,что в этом случае легко реализуется многократное полное или частичное наложение голограмм, приводящее к увеличению плотности записи. Получены предельные оценки плотности записи такого способа в приближении малых дифракционных эффективностей голограмм. Показано, что при записи безопорных трёхмерных Фурье - голограмм на материале реоксан существенную роль играют динамические эффекты, приводящие к ограничению достижимых значений дифракционной эффективности и росту шумов.
В качестве примера практического использования методики
оценки шумов и плотности записи в приложении к диссертации
анализируются энергетические характеристики реального опто-электронного комплекса, моделирующего работу ГЗУ. Анализ проведён с учётом реальных свойств фотоматрицы, используемой для считывания информации.
Защищаемые положения.
I. Сигнал и перекрёстный шум в ГЗУ определяются суммар
ными лучевыми аберрациями системы формирования объектного пуч
ка 0L, системы формирования опорного пучка - Ot и системы,
формирующей восстановленное изображение - о . В приближении
гауссовых пучков сигнал, регистрируемый единичной ячейкой фо
томатрицы определяется отношением ( q - os) к площади дифрак
ционно ограниченной голограммы Sri а также отношением О0
к суммарной площади безаберрационного изображения ячейки транспаранта So и ячейки фотоприёмника ^q. При увеличении указанных отношений сигнал падает по экспоненциальному закону. Величина перекрёстного шума определяется не только аберрациями системы, но и шагом матрицы голограмм Д, и матрицы фотоприёмников - А^ . В случае гауссовых пучков перекрёстный шум экспоненциально падает с ростом отношений (о0-ц?-Д^ )/5о
II. При наличии аберраций оптической системы предельная
плотность записи информации падает в N/1Z/V— * ,л
раз, где Qi и Qa - коэффициенты, определяемые условиями записи, а И- параметр, определяемый средним геометрическим двух чисел, одно из которых пропорционально разностным лучевым аберрациям оптических систем, формирующих объектный и референтный пучки при записи голограмм, а второе - лучевым аберрациям
оптической системы, используемой при восстановлений. Влияние нестабльностк работы отдельных элементов схемы на предельную плотность записи выражается в увеличении эффективного значения лучевых аберраций на величину смещения пучков в плоскости голограмм и в плоскости фотоматрицы. Требования к аберрациям оптической системы может быть определено исходя из допустимого значения снижения ёмкости.
III. Использование объёмных регистрирующих сред позволяет существенно снизить требования к качеству оптических систем, формирующих объектный и референтный пучок. Так, в случае записи голограмм с плоским опорныгл пучком достижимая величина плотности записи определяется не квадратом разности аберраций ц и Ог , а её первой спепеныэ. При использовании кодированного опорного пучка полностью снимаются ограничения, накладываемые на достижимую плотность записи аберрациями систем, формирующих объектный и референтный пучок. Б результате достижимая плотность записи при использовании объёмных сред и кодированного опорного пучка возрастает, по сравнению с плотностью записи вт традиционных ГЗУ с двумерным носителем, пропорционально квадрату отношения дифракционного размера голограммы к характерному размеру спекл-структуры. Практический реализации указанных предельных параметров плотности записи на материале реоксан препятствуют динамические эффекты, приводящие к уменьшению дифракционной эффективности и усилению шумов. При существующих параметрах материала реоксан при использовании кодированного опорного пучка достижимая плотность записи на порядок превосходит плотность записи существующих ГЗУ.
.10
