ДИСКОВАЯ
ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПАМЯТИ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПОИСКОМ
ДОКУМЕНТА
В.Г.Толчин
Рассматривается
устройство голографической записи текстовой информации,
выполненное на саговых двигателях. Исследованы оптимальные
условия записи фурье-голограмм страницы печатного тенета.
Описано устройство для восстановления и размножения изображения
с голографического диска. Приводится описание работы и поиска
документа в автоматическое режиме и в режиме работы с ЭВМ.
Предлагаются некоторые варианты дальнейшего развития голографических
запоминающих устройств.
Ускорение
научно-технического, прогресса, быстрое обновление технологии
и промышленной продукции выдвинули задачу повышения оперативности
поиска документа, совершенствования её структуры, методов,
носителей, средств обработки, размножения и хранения. Преимущества
голографического хранения информации прочно завоевали себе
авторитет, что повлекло за собой разработку и создание ряда
голографических запоминающих устройств для хранения буквенно-цифровой
информации /1-7/.
В
работе /2/ системы голографической памяти рассматриваются
как с точки зрения хранения матриц голограмм - а) зависит
ли несущая частота отдельной голограммы от её положения
в матрице и б) не зависит, - так и по методу считывания
голограмм различными сканирующими устройствами.
Однако
запись и выбор требуемой голограммы из матрицы модно также
достичь перемещением носителя голограмм в той или иной системе
координат около неподвижных лучей. Данный способ обладает
рядом достоинств при визуальном чтении текстовой информации.
-
105 -
1.
Простота оптического тракта как при записи, так и при воспроизведении
изображения. Это уменьшает искажения, вносимые сложными
оптическими системами, и снимает ограничения на объем храни-ной
информации, вызванные этими факторами.
2.
Использование перемещения матрицы относительно считывающего
пучка обеспечивает получение пространственной стабилизации
восстанавливаемого изображения.
3.
Возможность широкого использования ЭВМ в сочетании с электроникой
управления перемещением матрицы как при записи, так и при
поиске документа..0собенно эффективно использование таких
устройств для патентно-информационных систем, что позволяет
перейти на новую ступень как по объему хранимой информации,
так и по скорости выборки нужного документа, заменив традиционные
носители-микрофильмы и т.п.
§1
Устройство голографической записи текстовой информации
Требуемая
точность установки голограммного носителя в задачах указанного
рода составляет порой единицы микрон. Применение всевозможного
рода редукторов в сочетании с обычными двигателями, устройств
устранения люфтов, наличие прецизионных элементов существенно
усложняет и удорожает установку, препятствуя ее широкому
применению, либо зачастую не дает требуемой точности.
Успешному
преодолению такого рода трудностей способствует использование
в указанных устройствах шаговых, двигателей. Высокая надежность,
точность установки, прямая безлюфтовая передача на объект,
большие скорости отработки, малое время абсолютного установления
в заданное положение, высокая жесткость кручеиия, способность
работать при больших значениях момента инерции .нагрузки
на валу двигателя - вот основные признаки, которые делают
КД незаменимой машиной для использования в системах голографической
памяти, особенно при записи и считывании буквенно-цифровой
информации.
-
106 -
Перемещение
матрицы может быть осуществлено:
1.
в декартовой системе координат;
2.
в полярной системе координат;
3.
по заранее заданному закону (спираль и т.п.)
На
наш взгляд представляется более рациональный применение
полярной системы, ибо, учитывая вращение матрицы, требуется
перемещение диска только по одной координате. Несложно осуществить
и любой заданный закон перемещения носителя. Все варианты
записи матрицы предусматривает максимальное заполнение ее
фурье-голограммами и осуществляются перемещением матрицы.
Естественно, что максимальная плотность хранения информации
обеспечивается при Тексагональяом способе организации матрицы,
но, как нетрудно показать, соотношение между Nr-числом
голограмм на матрице при гексагональном заполнении и Nn
- числом голограмм на матрице при полярном способе организации
матрицы следующее:
Nr
= 2Nn/
(1)
т.е.
потери в плотности записи составляют 15%.
При
записи по "зашитой" программе информационная емкость записанной
матрицы составляет 108 бит (1 буква - 8 бит),
что соответствует информационной емкости современной машинной
ленты.
"§2
Запись индивидуальных фурье-голограмм
Хорошо
известно /8/, что ограниченный динамический диапазон реальных
голографических фотоэмульсий не позволяет произвести линейную
запись объектной волны и тем самым получить фурье-голограмму
хорошего качества и высокой эффективности.
Для
сужения диапазона изменения интенсивности объектной волны
используется, в частности, метод дефокусировки /8/ в совокупности
с оптимизацией записи фурье-спектра.
В
работе /9/ было экспериментально показано, что для бинарной
информации лучший результат достигается при степени дефокусировки
| D F/F| = 0.01, где D F - величина смещения
плоскости регистрации от задней фокальной плоскости.
Экспериментально
нами было показано, что для буквенно-цифровой информации
оптимальная степень дефокусировки составляет 2%. На рис.1
представлены распределения интенсивностей объектных волн
в фурье-плоскости: а) транспаранта с полным заполнением
-
107 -
кадра,
б) с половинным заполнением, в) с графическим материалом
и г) дефокусированной на 2%.
Из
приведенных зависимостей следует, что:
1.
изменение величины сигнала для различных по заполнению транспарантов
разнится вдвое, это позволяет не вводить покадровую корректировку
в соотношение опорного и объектного пучков!
2.
видно, что диапазон изменения интенсивности стад иным, но
он по-прежнему не соответствует динамичному диапазону реального
фотоматериала, в связи с чек была проведена оптимизация
записи фурье-голограммы. Она заключается в следующем.
Известны
способы обработки фотоматериалов, приводящих к возникновение
явления соляризации, проявляющейся в появлении восходящего
участка t-Е кривой фотоматериала (рис.7). При разумном выборе
рабочей точки на кривой можно обеспечить линейную запись
как слабых высокочастотных компонент, так и ярких центральных
порядков (на восходящем участке кривой, что приводит к росту
дифракционной эффективности и четкости при восстановлении).
В проделанной работе использовались фотоэмульсии типа ПЭ-1
с обработкой в проявителе ГП-2. Отношение сигнал/шум в восстановленном
изображении для ПЭ-1 составило 43 при соотношении опорного
и предметного пучков R = 72, измеренного в расширенном параллельном
пучке до транспаранта. Для фотоэмульсии ПЛ-2 соотношение
R, измеренное в плоскости регистрации, составило 0,5 при
отношении сигнал/шум того, же порядка. Анализ качества изображения,
восстановленного с этой голограммы, показал, что изменение
в 3 раза относительно оптимального не приводит к ухудшению
качества восстановления. Следовательно, согласно рис.1а
- 1в, нет необходимости вводить покадровую корректировку
предметного иди опорного пучков.
-
108 -
а) б)
в) г)
Рис.1.
Распределение интенсивностей объектной волны.
-
109 -
Рис.2.
Вид t-Е кривой для фотоматериала ПЭ-1-633.
§3
Читально-копировальный аппарат
Когерентный
пучок света, испускаемой маломощным лазером непрерывного
действия, проходя через коллимирующую систему, превращается
в считывающий пучок и падает на матрицу.
На
электронику управления ручным или автоматическим способов
подается адрес искомой голограммы. Согласно этому адресу,
производится отработка шаговых двигателей, которые осуществляют
перемещение матрицы, устанавливая её в требуемое положение.
Таким образом, перед считывавшим пучком устанавливается
требуемая фурье-голограмма. Считывающий пучок, продифрагировав
на фурье-голограмме, восстанавливает изображение объекта
на матовом экране. С помощью телескопической системы и микродиафрагмы
может быть сформирован как сходящийся, так и расходящийся
лазерный пучок. Диафрагма, расположенная в непосредственной
близости к голограмме, устраняет шумы, возникающие за счет
частичного восстановления
-
110 -
соседних
голограмм. Восстановленное действительное изображение наблюдается
на матовом экране, установленном в плоскости наилучшей резкости,
Подбирая
величину сходимости (или расходимости) восстанавливающего
пучка, можно реализовать различные значения увеличения К
= ℓиз/ℓпр, где ℓ
изображения и ℓ предмета соответствуют размерам восстановленного
изображения и предмета.
На
действующем макете восстановление производилось расходящимся
пучком. В считывающем устройстве предусмотрено получение
копии заинтересовавшего документа. Для этого восстановленное
изображение направляется с помощью зеркала на светочувствительный
слой (фотобумагу).Выбор адреса или адресов фурье-голограмм
ЭВМ осуществляется по команде с дисплея через блоки передатчики-приемники.
На дисплее набирается требуемый код в МКИ или национальном
коде, занесенный в память ЭВМ при записи голограмм. Фотография
устройства для воспроизведения информации показана на рис.3.
Рис.3.
Фотография устройства для считывания.
-
111 -
Качество
записанных на диске голограмм проиллюстрировано на рисунке
4.
§4
Электроника управления установки для записи в автономном
режиме покадровой информации
Быстрая,
четкая, надежная установка положения диска достигается применением
шаговых двигателей, которые обеспечивают наибольшую плотность
заполнения матрицы.
Блок
автоматики процесса записи (БАПЗ) обеспечивает синхронную
и последовательную работу перемещения матрицы, - узла запуска
импульсного лазера, узла включения фильмопротяжки, электромагнитных
тормозов. БАПЗ работает в 2-х режимах: в ручном и автоматическом.
В ручном режиме блок автоматики позволяет управлять тем
или иным устройством вне связи с другим.
1).
В автоматическом режиме работа с момента подачи команды
"Пуск" запись матрицы производится по замкнутому циклу,
состоя" тему из операций:
-
успокоение;
-
экспозиция;
-
перемотка пленки;
подача
питания на ШД;
-
выключение электромагнитного тормоза;
-
перемещение матрицы для записи следующей голограмны;
-
включение электромагнитного тормоза;
-
снятие питания с ШД-
Время
успокоения, отсчитываемое с интервалом 0,1с, продолжительность
экспозиции задаются реверсивный программным счетчиком Ф5007.
Перемотка пленки осуществляется с помощью фильмопротяжного
устройства с "мальтийским крестом", перевод которого (электродвигатель)
включается тиристорным ключом.
БАПЗ
через тиристорный ключ управляет электрогормозом в процессе
записи голограммы. Из-за нестабильности мощности излучения
лазера для получения равномерной засветки голограмм из всей
площади диска применена система автоматического контроля
и подстройки экспозиции. С этой целью часть светового
-
112 -
Рис.4а.
Записываемый транспарант страницы патента
-
113 -
Рис.4б.
Восстановленное изображение с голограммы той же страницы
текста
-
114 -
импульсного
излучения ОКГ ЛГИ-37 со светоделительного куба поступает
на ФЭУ. Амплитуда электрических импульсов изменяется пиковым
детектором, преобразуется в код с помощью аналого-цифрового
преобразователя (АЦП) и поступает в виде последовательности
импульсов на Ф5007, выполнявший функции интегратора.
Блок
электроники управления содержит регистр индикации, в который
через вход с десятичной клавиатурой и шифратор двоично-десятичным
кодом вводится информация о нужном номере голограммы. В
регистре индикации также предусмотрена возможность единичного
последовательного увеличения иди уменьшения номера голограммы,
записанное в регистре индикации число в целях визуального
контроля при помощи дешифратора, преобразующего двоично-десятичный
код в код семисегментных индикаторов, отображается на цифровом
индикаторе.
§5
Электроника управления ДГЗУ в режиме поиска и воспроизведения
информации
Работа
по созданию долговременной голографической памяти находится
в начале большого исследовательского этапа, и поэтому требование
к гибкости системы является одним из важнейших параметров.
Возможный способов улучшения гибкости системы является применение
ЭВМ как на стадии записи, так и в режиме поиска и считывания
информации.
Для
автоматического быстрого поиска и управления матрицей в
воспроизводящей голографической установке применяется ЭВМ
ЕС-1010, которая позволяет по ключевым словам иди кодам
делать подборку группы документов.
Работа
ДГЗУ в режиме воспроизведения выглядит следующим образом,
При помощи дисплея пользователь вызывает нужную программу
и, согласно выбранной программе, набирает ключевые слова
или код документа. Заданная информация через приемопередатчик,
кабельную линию и приемопередатчик подается в ЭВМ. Для устранения
влияния внешних помех в приемопередатчиках использованы
оптронные приемники. После подборки всей группы документов,
находящихся на голографической матрице, ЭВМ выдает номер
голограммы первого документа в виде двух числовых значений.
Эти значения поступают в выходной
-
115 -
буферный
регистр, а затем через приемопередатчики и соединяющую их
кабельную линию передается параллельным двоичным кодом в
интерфейс и записывается в соответствующие регистры счетчиков.
В режиме просмотра информации пользователем шаговые двигатели
с целью предотвращения выхода их из строя записываются пониженным
напряжением. Для исключения сбоев двигателей при отработке
ЭВМ перед пустом их подает команду, согласно которой напряжение
повышается до номинального. В качестве регулятора напряжения
применяется силовой оптронный тиристор с изменяемым углом
отсечки. После отработки шаговыми двигателями напряжение
вновь понижается.
Рационально
использование двухуровневой машинной связи с целью экономии
машинного времени. Вторичную обработку информации и все
Функции управления следует возложить на мини-ЭВМ, а первичную
- поиск, компоновку документов, выдачу адресов и т.п. -
перенести на ЭВМ более высокого уровня.
§6
Пути развития голографических запоминающих устройств
Достигнутая
в настоящее время дифракционная эффективность пропускающих
фурье-голограмм на галоидно-серебряных материалах составляет
несколько процентов [2,3,4]. Более перспективными представляются
другие виды носителя: системы полупроводник - металл /9,10/
или металлические пленки /11/ как с точки зрения увеличения
яркости восстановленного изображения, так и по механической
прочности. Весьма удобным в полупроводниковых слоях является
возможность контроля неактиничным светом качества восстановления
в процессе записи.
Для
увеличения плотности хранения информации, кроме уменьшения
размера индивидуальных голограмм, известный интерес представляет
использование цветной многоканальности /2,12/. Записанная
на различных длинах волн на каждой голограмме информация
восстанавливается под различными углами. Изображения попадает
на видиконы, а затем да экраны телевизоров у пользователей.
Коммутацией видиконов производится выбор нужного восстановления.
Первое изображение подается на электронно-лучевую трубку
(ЭЛТ) с
-
116 -
запоминанием,
а матрица в это время обслуживает других заявителей. К моменту
окончания времени запоминания диск вновь высвечивает пользователю
прежнюю информацию, если к этому времени не поступила команда
на смену изображения. Естественно, что очередностью дополнительной
подсветки управляет такие ЭВМ, которая/организует поиск
патентной информации по Международной Классификации Изобретений
(МКИ). Этим решается не только проблема увеличения плотности
хранения информации, .но и задача увеличения количества
пользователей на данной установке. Кроме того, возникает
возможность регионального централизованного хранения информации
в виде дисков в дискотеках и выдачи ответов на запросы по
системам теле- и кабельной связи. Блок-схема предлагаемого
решения представлена на рис.5.
Рис.5.
Схема установки коллективного пользования матрицей голограмм
повышенной плотности.
1
- считывающий ОКГ; 2-матрица голограмм в виде диска; 3,4
- шаговые двигатели; 5,6,7 - видиконы ЭЛТ с запоминанием;
8 - электронный блок коммутации; 9-12 - телевизоры; 13 -
управляющая ЭВМ.
-
117 -
Заключение
Описана
система голографической памяти большой емкости. С целью
получения высококачественных изображений применяются методы
дефокусировки и оптимизации записи фурье-голограмм, использующие
специальный вид характеристики кривой фотоматериала.
Изготовлен
рабочий макет ДГЗУ, на котором записана голографическая
матрица с числом голограмм N = 1984. Диаметр одной голограммы
2 мм, информационная емкость диска – 6·108 бит,
максимальное время поиска при восстановлении - 1 сек.. Таким
образом, голографическое запоминающее устройство имеет такую
же емкость, как и современные машинные ленты, но в 100 раз
меньшее максимальное время поиска.
Показана
возможность записи голографической патрицы, содержащей до
105 страниц текста с информационной емкостью
105 бит .
При
использовании разработанной системы голографической памяти
и развитой техники копирования голограмм возможно создание
оперативной системы записи, хранения и автоматического поиска
документа в больших массивах информации, позволяющей автоматизировать
процесс поиска отечественной и зарубежной патентной и библиографической
информации /13/.
Литература
1.
W.E.Heagerty. Appl.Opt., № 9, 10, p.2291, 1970.
2.
В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано. Материалы VI Всесоюзной школы
по голографии, стр.303, Л., 1974.
3.
В.И.Кива, Е.В.Цукерман, В.М.Шахлевич. ОМП, 10, 48, 1977.
4.
С.Н.Николаев, В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано. III Всесоюзная конференция
по голографии Д., 243, 1978.
5.
Л.В.Вагин и др. Оптика и спектроскопия, 38, 994, 1975.
6.
Л.Н.Вагин, А.Н.Филатов, С.П.Воробьев, В.И.Егоров. ОМП, №
8, стр.32, 1978.
7.
Л.Н.Вагин, В.Л.Гегус, А.М.Филатов. Средства информационной
техники, сер.1, №6, стр.24, 1978.
8.
Г.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин. В книге "Оптическая голография",
М., "Мир", стр.49, 1973.
-
118 -
9.
Y.Takeda, Jap.J.Appl.Physics, № 11, № 5, Р.656, 1972.
10.
М.Т.Костышин. Материалы VII Всесоюзной школы по голографии.
Л., стр.382, 1974.
11.
А.П.Комар, Б.Г.Турухано, Н.Турухано. Оптика и спектроскопия.
23, 827, 1967.
12.
В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано, Н.Турухано, В.Ф.Москаленко, Е.П.Остапченко,
Ю.М.Цуканов, Н.В.Васильева, Н.И.Кириллов, С.В.Натансон.
Проблемы голографии. вып.1, М., МИРЭА, 107, 1973.
13.
Б.Г.Турухано. III Всесоюзная конференция по голографии,
Л., стр.243, 1978.
