к:
ОГЛАВЛЕНИЕ
I. Введение с. 4
В. Глава I Голографическая запись оинарной информации с. 10
^1 Принципы построения оптической схемы ГЗУ с. 10
^2 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. Глава 11 влияние аберраций оптики на плотность за- с. 44
писк бинарной информации в матрицах голограмм
§1 Расчет оптической схемы голографического с. 45
запоминающего устройства ^2 Расчет плотности записи в матрицах голо- с. 61
грамм для случая Гауссовых пучков.,.
§3 Невоспроизводимость е 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 у5 Влияние аберрации оптики на плотность за- с. 92
писи и учет влияния нелинейности отклика фотоматериала
3
4. Глава III Исследование голографической записи
безопорных микроголограш бинарных объектов в объемной регистрирующей среде
§1 Влияние геометрии пучков и аберраций оптической системы на плотность записи бинарной информации при использовании кодированных опорных пучков §2 Расчет дифракционной эффективности
объемных голограмм с плоскими и кодированными опорными пучками для поглащаю-щей среды с нелинейным фотооткликом §3 Методикап проведения экспериментов по записи Фурье-голограмм с кодированным опорным пучком .§4 Запись одиночных Фурье -голограмм бинарного транспаранта на материале реоксан #3 Плотность записи голограмм при их полном или частичном наложении
5. Приложение I
6. Заключение
7. Литература
8. Приложение 2
с.III
с.114
с.123
с.132
с. 142
с. 153
с. 166 с. 176 с. 179 с. 191
ВВЕДЕНИЕ
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 £ I], 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 106-108 бит со скоростью выдачи данных 109-10*8 бит/сек могут применяться как автоматические ка-
тп т?
талоги, работающие в реальном времени. ЗУ с ёмкостью 10-10 бит (и более) даже цри скорости выдачи в среднем на шесть порядков ниже могут быть использованы как системы архивной памяти, предназначенные для накопления информации и её долговременного хранения [4].
О ТП
Промежуточное положение занимают ЗУ с ёмкостью 10-1Сг 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 [4].
Йлкость ЗУ определяется плотностью записи и габаритами. Попытка увеличения ёмкости за счёт увеличения габаритов неизбежно приводит к увеличению стоимости устройства и снижению его надёжности. Поэтому увеличение плотности записи в ЗУ является 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 [5-7], возможность осуществления параллельной обработки информации массивами, обеспечивающая высокую скорость обработки [в-Ю], а также возможность поиска записанной информации как в адресном, так и в ассоциативном режиме [з, 4, 9, 10-12]. 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 (1ВД РИ.1($ср5 , НИаск1 ), так и предприятия и научно-ис-
следовательские организации в СССР.
Следует отметить, однако, что достигнутые параметры ГЗУ существенно ниже теоретических. Так, в[^] показано, что пре-
О
дельная плотность записи в ГЗУ составляет величину 10° бит/мм2. В то же время, в практических разработках достигнута плотность записи Ю3 бит/мм2 [13, 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 f42cтpaницax машино-
писного текста, содержит А1 страниц иллюстраций (^8 рисунков и А таблицы) Список литературы включает 92 наименований. работ отечественных и зарубежных авторов.
В первой главе проведён анализ работ, посвящённых 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 [1б] и появлению шумов.
В доступной технической литературе практически отсутствуют работы, посвящённые 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 Ш 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-
7
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 удо влетворительным.
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
8
оценки шумов и плотности записи в приложении к диссертации анализируются энергетические характеристики реального оптоэлектронного 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 суммарными лучевыми аберрациями системы формирования объектного пучка с?£, системы формирования опорного пучка - $г и системы, формирующей восстановленное изображение - Л. В приближении
С*
гауссовых пучков сигнал, регистрируемый единичной ячейкой фотоматрицы определяется отношением ( с$-4)2 к площади дифракционно ограниченной голограммы Б,.. а также отношением сГ2
Г 2»
к суммарной площади безаберрационного изображения ячейки транспаранта 5% и ячейки фотоприёмника * При увеличении указанных отношений сигнал падает по экспоненциальному закону. Величина перекрёстного шума определяется не только аберрациями системы, но и шагом матрицы голограмм и матрицы фотоприёмников - Л{ . В случае гауссовых пучков перекрёстный шум экспоненциально падает с ростом отношений )/^
И ( (^2 " ) ( 5^ + 5а).
II. При наличии аберраций оптической системы предельная плотность записи информации падает в ш\лл,,—^*
раз, где и 0.а - коэффициенты, определяемые условиями записи, а Г7) - 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
9
оптической системы, используемой при восстановлении. Влияние нестабльностк работы отдельных элементов схемы на предельную плотность записи выражается в увеличении эффективного значения лучевых аберраций на величину смещения пучков в плоскости голограш 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 голограш с плоским опорным пучком достижимая величина плотности записи определяется не квадратом разнос-
зованип кодированного опорного пучка полностью снимаются ограничения, накладываемые на достижимую плотность записи аберрациягли систем, формирующих объектный и референтный! пучок. В результате достигшая плотность записи при использовании объёмных сред и кодированного опорного пучка возрастает, по сравнению с плотностью записи вт традиционных ГЗУ с двумерным носителем, пропорционально ква.црату 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.
первой спепеныэ. При исполь-
ГЛАВА I. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ БИНАРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Высокие отображающие свойства голографического метода регистрации оптической информации были отмечены ещё в пионерских работах по голографии Ггб-гэ], а попытки объяснить это с позиций теории ^информации предприняты в [20]. Появление работ [21-2з], в которых обседаются вопросы создания ЗУ с голографическим носителем информации и оценивается его возможная ёмкость, стимулировало повышенный интерес к голографическим методам хранения информации.
Однако плотность записи ГЗУ в [22,2з] оценивается на основе самых общих соображении и без анализа ряда особенностей, возникающих в конкретных оптических схемах. Выбору оптической схемы ГЗУ и обоснованию этого выбора с целью увеличения плотности записи, уменьшения шумов и увеличения надёжности устройства посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Их анализу посвящена настоящая глава.
§ I Принципы построения оптической схемы ГЗУ.
Наибольший интерес представляют ГЗУ со страничной организацией ^24-28] , когда на каждую голограмму записывается массив информации. При этом на голографическом носителе формируется массив Фурье-голограмм. Этот случай является более общим по сравнению с побитовой записью [23, зо] , недостатком которой являются более жесткие требования к точности позиционирования голограмм [з1].
Кроме того, запись и воспроизведение информации массивами существенно увеличивает быстродействие устройства. Его организацию удобно проиллюстрировать на примере оптической
11
схемы, приведенной в |^26] и наиболее полно отражающей особенности построения ГЗУ описанных в [?, 25, 32—Зб] (рис. I).
Лазерный пучок с помощью дефлектора I отклоняется в двух плоскостях так, что с помощью объектива 2 формируются пучки света, падающие на линзовый растр 3. В каждом из положений дефлектор направляет свет на центр линзы растра. Объективы 4,
5 формируют объектный пучок на транспаранте 6 таким образом, чтобы после прохоадения каждой линзы растра световой пучок падал на транспарант центральносимметрично, но под разными углами. Транспарант представляет собой матрицу регулярно расположенных ячеек, каждая из которых может быть открыта (пропускать свет) и закрыта (поглощать или рассеивать). Сформированная транспарантом информационная волна проходит через систему объективов 7, 8, осуществляющих Фурье-преобразование, и попадает на голографическую среду 9. Причём каждой линзе растра соответствует своё положение объектного пучка на среде. Опорный пучок, сформированный светоделителем 10, после дефлектора с помощью объективов II, 13, 15, зеркала 12 и призмы 14 попадает на голографический материал таким образом, что в каждом положении дефлектора совпадает с объектным пучком. Записанную таким образом матрицу голограмм восстанавливают тем же опорным пучком. При этом объектив 16 осуществляет обратное преобразование Фурье и на фотоприёмную матрицу 17 попадает восстановленное голограммой изображение транспаранта.
Запись информации происходит следующим образом: дефлектор, управляемый от электронной части ГЗУ отклоняет луч лазера в одно из положений. Одновременно на транспаранте формируется двоичный массив, соответствующий записываемой информации.
І2
Линзовый
растр
Патрица
данных
■ о ■ ■ о
□ □ I
М2 &и>п
Матрица
голограм*
а" У^го//о- гранп
Рис. I
Оптическая схема ҐЗУ с двумерным носителем информации. Фурье-образ сигнала от транспаранта (6) формируется в плоскости матрицы голограмм (9). Матрица голограмм, записанная путём изменения направления лучей дефлектором (I), восстанавливает сформированные транспарантом изображения в плоскости фотоматрицы (17).
13
Фурье-образ изображения транспаранта записывается на голографический носитель так, что каждому массиву информации на транспаранте соответствует своё положение голограммы на голографической пластинке.
При восстановлении голограммы сканируются, в необходимом порядке, опорным пучком с помощью дефлектора. При этом на матрице фотоприёмников с заданной частотой меняются изображения, каждое из которых соответствует записанному на голограмме массиву информации. Матричный фотоприёмник накапливает сигнал в соответствии со своей средней чувствительностью и мощностью оптического сигнала, а затем формирует электрические сигналы, соответствующие энергии засветки каждого из фотоприёмников. Далее эти сигналы преобразуются в двоичную форму. Таким образом, в ГЗУ двоичный массив преобразуется в аналоговый сигнал с протяжённым пространственным спектром, что позволяет его компактно записывать, а затем он опять преобразуется в двоичную форму. Степень сжатия (уплотнения) информации определяется отношением площадей транспаранта и голограммы, а информационная ёмкость - произведением числа записанных голограмм на число ячеек транспаранта.
Ёлкость страницы в ГЗУ определяется как количество информации, записанной в одной голограмме. Ёмкость модуля -как количество информации в одной матрице голограмм. Полная ёмкость ГЗУ - как ёмкость набора сменных модулей, количество которых определяется конструкцией механического узла смены модулей и, в конечном счёте, габаритами ЗУ. (Одновременно с ростом количества модулей падает быстродействие ЗУ). Поэтому наиболее объективной, физической информационной характеристикой ЗУ, позволяющей сравнивать между собой разные спо-
и
собн записи, является плотность записи информации.
Плотность записи - это количество информации, записанной в среднем по матрице голограмм на единицу площади голо-графического носителя.
Плотность записи имеет ограничение сверху, при котором электрическая схема на выходе ГЗУ уже не различает логические единицы и нули двоичного сигнала., поступающего на вход. Точнее, появление ошибки происходит с вероятностью большей, чем допустимая [зб]. Это происходит, если уровень собственных шумов фотоприёмников вместе с шумом оптического канала превышает критический уровень. Собственный уровень шумов фотоприёмников ограничивается технологией и должен учитываться наряду с шумом оптического канала. Однако он постоянен при изменении параметров оптической схемы ГЗУ и поэтому, при заданном технологическом уровне фотоприёмных устройств работоспособность ЗУ определяется соотношением оптического сигнала и шума.
Таким образом, отношение сигнала к шуму ( опти-
ческого канала является одним из основных параметров, характеризующих надёжность ГЗУ.
С другой стороны (15/ X/) влияет на величину максимального уплотнения информации, так как при величине уплотнения выше критической перекрёстные и в целом оптические шумы возрастут, и уровень сигнал - шум на выходе оптического канала будет недостаточен для нормальной работы фотоприёмников.
Основная задача при увеличении ёмкости ГЗУ заключается в увеличении плотности записи при сохранении отношения ( 1$/ 1^) больше крического, что позволяет ГЗУ работать без сбоев. Значение 15 наряду с размерностью транспаранта фото-
~/5~—
4
Плотность Плотность
состоянии состоянии
О электролите. 6 тЪерЬо* геле
Рис. 1-1
Энергетическая диаграмма границы раздела твердое тело-электролит: Л4_ и А/у ~ плотность электронных состояний в зоне проводимости и в валентной зоне твердого тела
Кк и^4У- плотность электронных состояний для окисленной и
восстановленной фаз иона С ее ^
£_р. И Ьр- - уровень Ферми в электролите и в твердом теле
15
матрицы и её чувствительностью влияет, при этом, на быстродействие ГЗУ.
На уровень 1$ влияет мощность источника света, потери в оптической схеме и дифракционная эффективность голограмм* Шумы возникают из-за рассеяния света оптической схемой, наличия собственных шумов одиночных голограмм и шумов, возникающих при записи матриц голограмм.
К первому виду шумов, возникающих в ГЗУ, относятся шумы рассеяния, вызванные рассеянием света на оптических элементах схемы и бликами от их поверхностей.
Ко второму - шумы рассеяния света голограммой и шумы, вызванные её нелинейностью. Последние некоторыми авторами называются межмодуляционными [37].
К третьему виду относятся шумы, вызванные увеличением размера ячейки транспаранта и размыванием границ этого изображения за счёт дифракционного и аберрационного уширения.
В ГЗУ такие шумы приводят к засветке ближайших соседних ячеек фотоматрицы и называются перекрёстными шумами на матрице
♦
фотоприёмников бду . Они возникают уже при записи одной голограммы и определяют максимально допустимое количество ячеек в транспаранте фиксированных размеров, при котором каждая ячейка восстановленного изображения ещё достаточно слабо засвечивает соседние ячейки фотоприёмника.
Четвёртый вид шумов, возникающий при записи матриц голограмм, вызван частичным восстановлением голограмм, соседних с восстанавливаемой, за счёт дифракционного и аберрационного размытия опорного пучка. При этом шумы проявляются в виде появляющегося на фотоматрице слабого изображения, восстановленного с соседней голограммы. Если в соседних голограммах
46
А
при их записи соответствующие фиксированному фотоприёмнику
I
ячейки транспаранта были открыты, то при восстановлении одной из них на фотоприёмнике появится шум в виде слабого изображения восстановленной ячейки. Этот шум будет особенно нежелателен в случае, когда в восстанавливаемой голограмме произвольная ячейка транспаранта была закрыта, а соответствующая ячейка в соседних голограммах открыта.
Указанные шумы называются перекрёстными шумами матрицы голограмм .
Все виды шумов оптического канала ГЗУ суммируются и, попадая на элементы фотоприёмной матрицы, могут приводить к сбоям, такш образом определяя работоспособность устройства. Так, изменяя расстояние между голограммами и ячейками фотоприёмной матрицы можно добиться, с одной стороны, максимальной плотности записи, а с другой - требуемого для нормальной работы уровня сигнал - шум, так как при изменении этого расстояния изменяются перекрёстные шумы на голограммах и фотоприёмнике. Очевидно, что первый вид шумов при этом постоянен и не зависит ни от плотности расположения голограмм, ни от плотности ячеек в транспаранте и, следовательно, не участвует в процессе выбора оптимальных параметров матрицы голограмм и транспаранта входных данных.
Рассмотрим подробнее влияние шумов.