В век стремительного роста объема информации вопросы хранения данных приобретают все более актуальное значение. Наряду с большой емкостью, запоминавшие устройства должны обладать высоким быстродействием как при поиске хранимой информации, так и при ее считывании. В связи с преимуществами голографических методов записи информации по сравнению с фотографическими методами в настоящее время разрабатываются системы голографической памяти /1-7/.

1. Применение голографического метода в запоминающих устройствах

Укажем на некоторые особенности голографического метода, способствующие успешному его применению в запоминающих устройствах.

1. Так как информация записывается на голограмме в виде интерференционной картина, разбросанной по всей площади, то восстановленное изображение менее восприимчиво к механическим

- 304 -

2. Возможность записи информации, распределенной по глубине изображаемого пространства.

3. Возможность некогерентного наложения нескольких изображений на одной голограмме (последовательная запись).

4. Следствием предыдущих двух особенностей является получение высокой плотности записи информации.

5. Удобное и надежное хранение информации с возможностью последующего копирования или воспроизведения ее.

6. Использование записанной информации для последующего прямого ввода в оптический тракт с целью обработки данных.

7. Возможность проведения различных логических и математических действий между различными массивами.

8. Голограммная запись и хранение позволяют осуществить практически мгновенное считывание.

9. Запись и считывание информации возможны в реальном времени.

Системы голографической памяти можно классифицировать по методу записи голограмм и по методу считывания их.

1. Последовательная запись.

где n - количество фоточувствительных зерен в среде, n - количество элементов для записи одного М - разрядного числа.

- 305 -

2. Параллельная запись информации.

3. Запись информации, распределенной по глубине изображаемого пространства /9/. В этом случае рассматривается запись всей информации на одной голограмме, но различные массивы распределены по глубине изображаемого пространства. Этот способ записи пригоден для хранения изображений аэрозолей, тумана, треков частиц в следовых камерах и т.п., однако, при считывании изображений предъявляются высокие требования к оптико-механической части считывателя. Такую запись информации можно комбинировать с последовательной записью с целью увеличения плотности хранимой информации.

Рассмотрим возможность хранения голограмм в матрицах. Авторами /8/ рассматриваются два основных метода хранения матриц голограмм, которые различаются по признаку: 1 - несущая частота отдельной голограммы зависит от её положения в матрице, 2 - не зависит.

i. Схема установки для изготовления матрицы голограмм с изменяющейся несущей частотой показана на рис.1. Положение индивидуальной голограмм определяется углом q . Транспарант (2) во время записи помещается в фокусе преобразующей линзы (3) и восстанавливается в этом положении при ее отсутствии, когда голограмма

- 306 -

(4) освещается обращенным опорным пучком i₃. Число голограмм в матрице определяется максимальным углом q _max преобразующей линзы (3);

где l - длина волны источника излучения, u _max - наибольшая пространственная частота.

1,3 - линзы; 2 - транспарант, 4 - голограмма; i_1,2 - предметный и опорный пучки, i₃ - восстанавливающий пучок.

1. Запись голограмм в ортогональной системе координат.

2. Запись голограмм в полярной системе координат.

3. Запись голограмм по заранее заданному закону (спираль и т.п.).

- 307 -

Принципиальная схема установки для записи голограмм данным способом показана на рис.2. Опорный пучок i₁ фокусируется в точку f оптической оси линзы (5). Любая голограмма в матрице может восстанавливаться с помощью обращенного опорного пучка, исходящего из точки f. Все изображения восстанавливаются в одном

Рис.2. Принципиальная схема записи матрицы голограмм в полярных координатах ;

1 - вращающееся зеркало; 2,4,5 – линзы; 3 - транспарант; 6 - экран; 7 - диск; i_1,2 - опорный и предметный пучки.

месте, так как несущая частота имеет сходное значение для каждой голограммы в матрице. Положение индивидуальной голограммы определяется ее радиальной координатой (r) и азимутальным углом (j ). Координаты r и j можно установить вращающимся зеркалом (1) вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, на угол d и вращением самого диска, соответственно.

ii. В случае неизменяющейся несущей частоты матрица получается перемещением фотопластинки параллельно самой себе. Поскольку угол между предметным и опорным пучками постоянен, то все голограммы имеют одну и ту же несущую частоту. Селекция голограмм достигается системой отклонения опорного пучка параллельно самому себе. Для того, чтобы восстановленное изображение помещалось в фиксированном положении на экране (3), между матрицей (1) и экраном (3) устанавливается фазовая корригирующая среда, в простейшем случае это линза (2), как показано на рис.3 /2/.

где d_o - диагональ транспаранта, ¦ ₁ - фокальная длина линзы при записи голограмм, ¦ ₂ - фокальная длина линзы при восстановлении, К₂ - относительное отверстие, равное фокальной длине/диаметр линзы.

Дальнейшее увеличение плотности хранения может быть достигнуто комбинированием способов записи. Вначале записывается матрица 2-ым способом, затем изменяется угол опорного пучка как в 1-ом способе и записывается на том же месте другая матрица с повторением предыдущих перемещений и т.д.

3. Голографическое запоминающее устройство в полярной системе координат

Нами была исследована возможность применения голографического хранения буквенно-цифровой информации в матрице, записанной в полярной системе координат, и ее считывания с помощью импульсного ОКГ с высокой частотой следования импульсов светового излучения.

1. Запись индивидуальной Фурье-голограммы.

Для оптимизации записи Фурье-голограмм была создана установка, показанная на рис.4. В качестве объекта был использован транспарант страницы печатного текста с диагональю 60 мм. Источником света являлась оранжевая линия (l =595,5 нм), выделяемая с помощью светофильтра из, линейчатого излучения импульсного ксенонового ОКГ ЛГИ-37 */. В оптической схеме отсутствовали промежуточные фокусы из-за большой мощности излучения ОКГ. В резонатор была введена диафрагма для выбора режима, близкого к одномодовому. Для увеличения пространственной когерентности и получения

*/ ОКГ ЛГИ-37 излучает 7 длин волн в оптическом диапазоне (l ₁=595,5 нм, l ₂= 539,4 нм, l ₃= 535,3 нм, l ₄= 526 нм, l ₅= 500,8 нм, l ₆= 495,4 нм, l ₇= 431 нм). Мощность излучения в импульсе составляет 2,5 квт, частота следования импульсов ¦ =0¸ 700 гц.

- 310 -

- 311 -

однородного светового поля луч лазера фокусировался на тонкую металлическую пластинку, в которой прожигалось отверстие размером порядка 20 микрон. Эта точечная диафрагма автоматически пропускает самую мощную часть излучения. Способ прожигания диафрагмы на месте является очень удобным, так как не требует настройки в плоскости, перпендикулярной направлению светового пучка. Луч ОКГ падает на светоделящий куб (6) и направляется зеркалами (14) и (15) на голограмму, расширяясь отрицательной линзой (13). Второй луч, отраженный светоделящим кубом, образует предметный пучок, который после предварительной коллимации линзами (8) и (9) проходит через транспарант (10) и фокусируется линзой И-37 (11) в плоскости голограммы (12). Угол между опорным и предметным пучками составляет 12°.

Для выяснения влияния соотношения интенсивностей опорного и предметного пучков на качество восстановленного изображения необходимо измерять их в Фурье—плоскости. Однако, в силу больших перепадов яркостей в фокусе предметного пучка и из-за малых размеров фокусного изображения представляется затруднительным производить измерения в Фурье-плоскости. Ввиду этого ми определяли интенсивность света в параллельном пучке. Измерения интенсивностей в пучках производились с помощью кремниевого фотодиода 1690 и высокоомного самописца ЭППВ-09-60 МЗ. Исследования были проведены на различных отечественных и зарубежных фотоматериалах (Микрат-300, Микрат-900, ВРЛ, ПЭ-1-633, kodak 649f). Критериями выбора фотоматериала для записи Фурье-голограмм была дифракционная эффективность и качество восстановленного изображения. Наилучшими оказались высокоразрешающие фотопластинки ПЭ-1-633, разработанные Н.И.Кирилловым, Н.В.Васильевой. Отличительной особенностью этих эмульсий является наличие ниспадающего участка характеристической кривой. Это обстоятельство оказалось чрезвычайно полезным при получении Фурье—голограмм, т.к. значительно более интенсивные центральные порядки по сравнению с дальними оказываются на голограмме более прозрачными и сохраняют интерференционную картину, т.е. несут информацию, так же как и более высокие порядки, что приводит к увеличению дифракционной

- 312 -

эффективности. Для достижения указанного вида характеристической кривой прозрачные фотопластинки ПЭ-1-633 проявлялись в пирогаллоловом проявителе. При регистрации же подобных голограмм на других фотоэмульсиях для устранения возникающей пересветки центральной части голограммы необходимо вводить амплитудные фильтры.

Контроль изменения мощности излучения лазера с целью внесения соответствующих поправок в процессе записи голограмм осуществлялся при помощи устройства, содержащего фотодиод (1) ФД-9К, блок стабилизированного питания ВСП-50 (2) и высокоомный самописец (3) ЭППВ-09-60МЗ (рис.4,5). Восстановление Фурье-голограмм и измерение отношения сигнала к шуму производилось на установке, принципиальная схема которой показана на рис.5. Было исследовано влияние апертуры голограммы на уровни полезного сигнала, шума и качество восстановленного изображения. С этой целью в восстанавливающем пучке установлена переменная диафрагма (9). Величины сигнала и шума измерялись перед плоскостью восстановления фотодиодом (11) 1690 и высокоомным самописцем (13).

Как показал эксперимент, величина шума растет непропорционально u_c (рис.7).

Интересной представляется зависимость u_c/uw от времени экспозиции, представленная на рис.8. При выбранных нами соотношениях опорного и предметного пучков наибольшее отношение сигнал/шум, равное 43, получается при отношении опорного и предметного пучков, равном 72.

Исследовалось влияние апертуры восстанавливающего пучка на величину сигнала и отношение сигнал/шум. Были выбраны голограммы, дающие наибольший сигнал для оптимальных соотношений опорного л предметного пучков. Как показали измерения, уменьшение апертура восстанавливающего пучка до 4-х мм диаметром вызывает лишь ~10%-ое ослабление яркости восстанавливаемого изображения (рис.9).

1,11 – фотодиод; 2,12 – блоки стабилизированного питания; 3 – микроамперметр; 4 - he-ne ОКГ; 6 – диафрагма; 7,8 – микрообъективы для коллимирования пучка; 9 – полезная диафрагма; 10 – голограмма; 13 – высокоомный самописец.

- 314 -

Рис.6. Зависимость величины полезного сигнала u_c от времени экспонирования фотоматериала.

- 315 -

Для устранения этого нежелательного явления Фурье-голограммы записывались с различной степенью дефокусирования без увеличения размера голограмм. При 2% дефокусирования качество восстановленного

- 316 -

Рис.9. Влияние апертуры восстанавливающего пучка на величину u_c и uw .

2. Запись матрицы голограмм в полярной системе координат

Матрица, состоящая из 57 голограмм в виде одной дорожки, была записана на стеклянном диске диаметром 130 мм. Диск был полит эмульсией ПЭ-1633. На диске предусмотрена дорожка синхронизации в виде непрозрачного кольца с узкой поперечной щелью. Электромеханическое устройство углового перемещения диска при записи позволяет располагать голограммы по углу j на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом требования к точности

- 317 -

- 318 -

Рис.11. Восстановленное изображение с голограммы, записанной с 2% дефокусированием.

- 319 -

размещения голограмм под данным углом, как это будет видно далее, несущественны. Запись осуществлялась по схеме (рис.4) с полевой диафрагмой, установленной перед диском для ограничении апертуры голограммы до размера 4 мм.

При восстановлении любой голограммы с матрицы диск (Г), укрепленный на валу электродвигателя (6), вращается с постоянной скоростью, определяемой параметрами электродвигателя. Принцип импульсного считывания информации о вращающегося диска (рис.12б) заключается в синхронизации момента прохождения голограммы через оптическую ось восстанавливающего луча со световым импульсом ОКГ. При каждом обороте диска при прохождении щели (2) перед фотодиодом (7) им вырабатывается синхроимпульс от источника излучения (4). После усиления синхроимпульс задерживается в блоке фиксированных задержек (9) на время t _j (j - номер голограммы на дорожке), соответствующее интервалу времени между моментом выработки синхроимпульса и прохождением выбранной голограммы до оптической оси считывающего луча. После формирования и усиления в блоках (10) и (5) до необходимой величины этот сигнал запускает импульсный лазер ЛГИ-7. Считывание голограммы происходит за время длительности светового импульса, равное - 300 нсек. Даже

- 320 -

- 321 -

при неравномерном расположении голограмм на диске по углу можно подобрать соответствующее t _j и производить считывание. Медленные изменения скорости вращения диска, вызванные изменением напряжения, частоты сети и т.д., не нарушают работу устройства, ибо в этом случае будет изменяться частота следования синхроимпульса, в то время как t _j является фиксированной величиной для каждой голограммы в отдельности. А весьма незначительное смещение считывающего луча относительно центра голограммы, вызванное девиацией скорости вращения за один оборот диска из-за инварианта Фурье-голограммы к сдвигу, не вызывает изменения положения восстановленного изображения.

При записи многодорожечной матрицы в полярных координатах с увеличением r уменьшается коэффициент заполнения матрицы. Если же записывать голограммы на всех дорожках вплотную, то при считывании в непрерывных лазерах значительно усложняется механизм считывания. При синхронном считывании импульсными ОКГ с высокой частотой следования импульсов переход с дорожки на дорожку требует введения коэффициента К_i (i - номер дорожки) во временные задержки t _j. Этот коэффициент может автоматически вводиться при переходе с дорожки на дорожку.

Максимальное время поиска голограммы на одной дорожке определяется временем, в течение которого совершается один оборот диска, при скорости вращения диска 3000 об/мин это время составляет 20 мсек. При этом рабочая частота следования импульсов светового излучения равна 50 гц. Верхняя граничная рабочая частота лазера ЛГИ-37 равна 700 гц. При такой частоте считывания возможно увеличить скорость вращения диска до 42000 об/мин. При этом максимальное время поиска голограммы на данной дорожке сократится до ~1,5 мсек. При таких скоростях вращения диск должен быть изготовлен из прочных материалов с нанесенным светочувствительным слоем (фотоэмульсия, полупроводниковые слои и т.п.) или путем непосредственной записи интерференционной картины на металлическом диске /10/, и считывание информации может производиться на отражение.

- 322 -

необходимо использовать только однокоординатный дефлектор, который отклоняет считывающий луч. по радиусу r. Все восстановленные изображения при этом получаются в одном месте, т.к. несущая частота имеет близкое значение для каждой голограммы в матрице.

В зависимости от рода записанной информации (буквенно-цифровая, бинарная, перфокарта и т.д.) в плоскости восстановленного изображения могут быть помещены: светочувствительный слой, матрица фотодиодов или передающая трубка телевизионной установки. В случае вывода информации на светочувствительный слой данная голограмма высвечивается необходимое число раз, обусловленное светочувствительностью слоя. Многократное считывание голограммы производится и при непосредственном чтении или поиске нужной информации буквенно-цифрового характера.

Особенно ярко преимущества синхронного считывания проявляются при выводе информации с голограммы, на которой записана перфокарта. Восстановленное за 300 нсек изображение перфокарты попадает на передающую телевизионную трубку, считывается за время кадровой развертки и подается в ЭВМ, после чего выдает команду на поиск следующей голограммы. Управление временем задержки синхроимпульса и дефлектором может осуществляться самой ЭВМ, в которой одновременно хранятся адреса голограмм.

Исходя из оптимальных условий записи индивидуальной Фурье-голограммы (р.3) , на матрице были записаны голограммы перфокарт. На рис.13 представлена фотография с экрана видеоконтрольного устройства (ВКУ), восстановленного с голограммы изображения перфокарты.

- 323 -

В данной работе нами подучена плотность хранения буквенно-цифровой информации в индивидуальной голограмме 5,6∙10⁴ симв/см или 4.5∙10⁵ bit/см² (1 символ = 8 bit).

Экспериментально проверена возможность быстрого поиска (20 мсек) и синхронного считывания с однодорожечной матрицы из 57 голограмм.

Осуществлена регистрация считываемой буквенно-цифровой информации :

- на светочувствительный слой для размножения,

- на экран видеоконтрольного устройства промышленной телевизионной установки,

- на матовый экран для непосредственного наблюдения.

1. А.Л.Микаэлян. В.И.Бобринев, А.П.Аксенчиков, В.В.Шатун, Э.Х.Гуланян, ДАН, 181, 1105, 1868.

2. А.Л.Микаэлян, В.И.Бобринев, С.М.Наумов, Л.З.Соколова. Радиотехника и электроника, 14, 1, 115, 1969.

9. Б.Г.Турухано, ЖГФ, x, 1, 181, 1970.

10. А.П.Комар, Б.Г.Турухано, Н.Турухано, "Оптика и спектроскопия", 23, 827, 1967.