Выполнил студент 09 ОЗИ2
Куриленко И.В.
Проверил
Дракин А.Ю.
Введение
«Голография (от греческого holos-весь, полный и grapho – пишу, рисую) представляет собой метод записи, воспроизведения и преобразования оптических световых полей. В основе голографического метода записи лежат регистрация интерференционной картины, образованной волной отраженной от предмета (предметная волна) и когерентной с ней волной от источника света (опорная волна).
При взаимодействии опорной и предметной волн получается новая волна, амплитуда которой является результатом сложения амплитуды опорной волны и амплитуды предметной волны в каждой точке плоскости голограммы; сложение амплитуд происходит в зависимости от фазы каждой волны. Результатом сложения являются точки, в которых наблюдаются интенсивности в пределах от суммы амплитуд до их разности. Пространственное распределение интенсивностей называют интерференционной картиной». /1, стр. 678-679/
С помощью методов голографии можно создать голограмные оптические элементы (голограммные линзы, голограммные фильтры, голографический коррелятор) способные осуществлять различные преобразования волновых полей. Их действие основано на явлениях дифракции и интерференции света. Обычно голографичееские элементы получают на основе фотопластинок с последующей обработкой.
Глава 1. История создания и развития голографии
Голографию изобрел (и придумал название) английский физик Дэннис Габор в 1947, исследуя законы построения изображений в оптике и работая над совершенствованием электронного микроскопа. Он пришел к выводу, что зарегистрировать полное изображение предмета можно без объектива, используя только пучок когерентного монохроматичного света.
«Первые голограммы были получены им при помощи ртутной лампы, из спектра излучения которой «вырезалась» очень узкая полоса частот. Диаметр пучка составлял 1–2 микрона, а время экспозиции – несколько часов. Между источником света и фотопластинкой помещался либо прозрачный объект, либо предмет небольшого размера, так что излучение источника выполняло одновременно функции и предметного, и опорного пучков. Поэтому при восстановлении голограммы возникали сразу два изображения на одной линии, которые создавали взаимные помехи при регистрации. Все это делало невозможным практическое применение голографии, и о ней надолго забыли»./4, электронный ресурс/
«После появления мощного источника когерентного света – лазера интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта – Упатниекса стала основой современных голографических установок». /4, электронный ресурс/
Рис.1. Схема Лейта – Упатниекса
В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Он создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. «Предметный и опорный пучки приходят к пластинке с разных сторон и интерферируют. В объеме ее эмульсионного слоя на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображения предмета. При этом из голограммы выходят только свет, частота которого равна частоте записывающего лазерного излучения, а все остальные частоты автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение». /4, электронный ресурс/
«В своей работе Ю.Денисюк опирался на способ получения цветных фотографических изображений, разработанный французским физиком Габриэлем Липпманом в 1891. Луч света из объектива его фотоаппарата попадал на пластинку, залитую с обратной стороны ртутью (ее слой служил зеркалом). Отраженные световые волны интерферировали с падающими, создавая в толще фотографической эмульсии стоячие волны. В местах их пучностей возникали области почернения – отражающие поверхности, каждая из которых отражала свет только «своего» цвета. Изображение было цветным, но не объемным.
Рис.2. Схема Денисюка
Современная технология позволяет копировать объемные голограммы «по Денисюку» типографским способом. Для этого голограмму получают в особом светочувствительном материале – фоторезисторе. После экспонирования материал обрабатывают растворителем, который смывает его слой до зон почернения. Образуется микрорельеф, с которого снимают отпечаток – матрицу. При помощи этой матрицы в пластическом материале печатают копии голографического рельефа, покрывают их слоем металла и прозрачной защитной пленкой. Таким способом изготавливают защитные марки на упаковках пищевых продуктов и документах. Подделать их практически невозможно». /4, электронный ресурс/
Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.
Глава 2. Образование голографического изображения
Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики — законам интерференции и дифракции. Интерференцией называется явление наложения волн, в результате которого образуются устойчивые области усиления и ослабления амплитуды колебаний. Явление интерференции имеет место для всех видов волн, так что интерференционную картину можно получить от любых двух источников колебаний, но наиболее четко выраженные усиления и ослабления результирующих колебаний наблюдаются в том случае, когда источники обладают своего рода определенной синхронностью излучения, называемой когерентностью. Когерентными считаются колебания одной частоты, разность фаз которых не меняется в течение рассматриваемого промежутка времени.
«Для того чтобы извлечь информацию из интерференционной картины — голограммы, можно провести микроанализ интерференционной картины с помощью различных методов, путем замеров определить распределение интенсивности. Подобные методы используют, когда голограмма применяется в интерферометрии, например при исследовании вибрации и малых перемещений.
Однако в большинстве случаев для извлечения информации из голограммы используют явление дифракции света, т. е. свойство светового пучка огибать препятствие, размеры которого соизмеримы с длиной волны светового излучения. Устройство, формирующее таким путем новый волновой фронт, называется дифракционной решеткой.
Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса-Френеля, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени». /3, стр.78-80/
В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля действие исходной, первичной, волны в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А поверхности. Эти источники должны колебаться с той же амплитудой рассеянной каким-либо предметом и той фазой, которые заданы дошедшей до них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом. Элементарные сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за поверхностью копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом, и наблюдатель, таким образом, увидит мнимое изображение этого предмета, хотя он уже убран.
Рис.3.Принцип Гюйгенса - Френеля
Получение голограммы объекта и восстановление записанного на ней изображения. Чтобы получить голограмму, необходимо два когерентных световых пучка.
«Предмет, освещенный лазерным лучом, отражает волновой фронт, который принято называть объективным. Благодаря свойству когерентности такой волной фронт, взаимодействуя с другим когерентным волновым фронтом (обычно простейшей формы, например, плоским или сферическим), выполняющим роль опорного пучка, создают сферическую единственную в своем роде интерференционную картину.
В реальных оптических системах для получения изображения трехмерного объекта на первом этапе предмет устанавливают вблизи фотопластинки и освещают пучком света от лазера. Часть волнового фронта, который отражается от предмета во всех направлениях, падает на фотопластинку. Одновременно на нее под некоторым углом к объективной волне проецируют опорный волновой фронт (или опорный пучок).
Необходимая когерентность двух волновых фронтов — опорного и объектного — достигается делением луча лазера на две части; это осуществляет расщепитель пучка. Каждый из полученных таким образом пучков можно дополнительно расширять с помощью специальной линзовой системы и направлять зеркалами и в нужную сторону: один — на фотопластинку, другой на предмет»./3/
Рис.4. Голографические схемы
а – схема получения; 1- лазер; 2 – расщепитель пучка; 3 и 6 – линзовые системы; 4 и 5 – зеркала;7 – объект; 8- фотопластинка;
б – схема восстановления; 1 – лазер; 2 – линзовая система; 3 – зеркало; 4 – голограмма.
«Продолжительность экспозиции фотопластинки определяется ее чувствительностью и мощностью лазера. Облучением фотографической пластинки процесс регистрации заканчивается. Записанное на ее поверхности изображение и есть голограмма. Она представляет собой чрезвычайно сложную картину, состоящую из множества тонких причудливых линий, в которых невозможно усмотреть никакого сходства с реальным предметом.
Второй этап состоит в восстановлении изображения с помощью голограммы. При восстановлении изображения используется та же схема, что и при получении голограммы, с той лишь разницей, что предмет и освещающий его пучок убирают. Голограмму устанавливают так, чтобы опорный пучок, формируемый от лазера с помощью линзовой системы и зеркала, падал на нее примерно под тем же углом, что и на стадии регистрации. Часть пучка проходит через голограмму, «не реагируя» на ее присутствие, но часть его отклоняется, формируя по обе стороны пластинки два новых волновых фронта, один из которых представляет собой точную копию первичного волнового фронта, отраженного от предмета. Чтобы увидеть восстановленный волновой фронт, мы должны смотреть на голограмму под соответствующим углом. Когда этот волновой фронт по¬падает нам в глаза, создается впечатление, что мы видим реальный предмет, расположенный за пластинкой точно в том же положении, в каком он находился во время регистрации голограммы.
Стеклянная пластинка с записанной голограммой исполняет при этом роль «окна», открывающего вид на сцену, реально существовавшую за пластинкой при регистрации голограммы. Голографическое изображение, полученное таким образом, оказывается в точности Подобным реальному предмету. Оно объемно, и мы можем заглянуть за «предметы», расположенные на переднем плане, просто слегка двигая головой в сторону (явление параллакса)»./3, стр.50-52/
Рассмотренная выше схема получения голограммы является частным случаем. Вообще же схема получения голограммы зависит от метода ее регистрации. В настоящее время этих методов несколько.
На рис. 5 цифрами I—VI обозначены характерные для получения голограмм положения фотографических пластинок.
Рис. 5.Интерференция волн от двух точечных источников и запись голографического поля.
«Голограмма, изображенная в положении I, получается при интерференции осевых опорного и объектного пучков. Такие голограммы требуют минимальной когерентности источников и низкой разрешающей способности регистрирующей среды, так как угол φ близок к нулю и ξ мини¬мальна, (ξ пространственная частота интерференционной структуры).
В положении II голограмма получена при интерференции объектного и опорного пучков, сходящихся под углом φ. Для таких голограмм значения ξ выше. Поэтому при их записи требуются регистрирующие среды с более высоким пространственным разрешением.
При малых углах φ между интерферирующими волнами и регистрации интерференционной структуры на поверхности светочувствительного слоя голограмму можно рассматривать как двумерную дифракционную решетку. Это верно лишь до тех пор, пока толщина светочувствительного слоя б сравнима с расстоянием D между соседними интерференционными полосами. Такие голограммы называют двумерными. Поместив регистрирующую среду в область III, получим двумерную голограмму с так называемым обращенным опорным пучком.
В положении IV интерферирующие волны падают на светочувствительный слой с противоположных сторон (φ ~180°). В этой области получают трехмерные голограммы. Для их регистрации необходимо, чтобы толщина светочувствительного слоя была много больше расстояния D между соседними поверхностями интерференционных максимумов.
Так называемая безлинзовая голограмма Фурье записывается в области V, где регистрирующая среда расположена симметрично по отношению к обоим источникам и параллельно соединяющей их линии.
При удалении регистрирующей среды от источников О1 и О2 в бесконечность (область VI) получим голограмму, которую принято называть голограммой Фраунгофера. Практически регистрирующая среда не удалится в бесконечность, это условно выполняется с помощью оптических элементов, расположенных между объектом и регистрирующей средой»./3/
Если объект лежит в плоскости регистрирующей среды или сфокусирован на нее, то голограммы называют голограммами сфокусированного изображения.
Различают еще голограммы Френеля, которые образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на регистрирующую среду сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и регистрирующей средой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния — в голограммы сфокусированных изображений.
Глава 3. Свойства голограмм
Голографическое изображение характеризуется рядом особенностей, связанных с тем, что для его получения используется высококогерентное излучение лазера.
«Одна из главных особенностей голограммы состоит в том, что она не имеет точечного соответствия, которое характерно для фотографического изображения. Одной точке объекта соответствует вся площадь голограммы, как это следует из рассмотрения голограммы точки».
Если объект сложной формы или шероховатый, то при получении голограммы вся поверхность фотоэмульсии подвергается действию лучей, исходящих от каждой точки объекта. Поэтому в целом на фотоэмульсии получается, столько различных голограмм, сколько точек имеет объект. Все голограммы претерпевают наложение. Однако на стадии восстановления каждая из них ведет себя как отдельная дифракционная решетка.
«Голограмма обладает более высокой надежностью хранения информации об объекте, чем, например, фотография. Очень интересным свойством голограммы является то, что любой (даже небольшой) участок голограммы способен восстановить изображение всего объекта. Эта особенность голограммы понятна, так как информация о каждой точке диффузно отражающей поверхности равномерно распределена по всей плоскости голограммы, поэтому каждый ее участок восстанавливает практически все изображение объекта. Отсюда и следует, что голограмму можно закрыть в нескольких отдельных местах, можно даже разбить, но изображение все же будет получено.
При этом, мы не заметим каких – либо существенных изменений: изображение предмета восстановится почти таким же, как и от большой голограммы. Благодаря такой избыточности процесса записи голограмма имеет высокую помехозащищенность и помехоустойчивость. Это особенно ценно при использовании ее в устройствах, в основе построения которых лежит принцип запоминания микроизображений, так как здесь не сказывается влияние помех в виде пыли, грязи или царапин, ограничивающих минимальные размеры изображений на обычных фотонегативах. Однако уменьшать используемую для восстановления изображения часть голограммы бесконечно нельзя, так как одновременно уменьшается объем записанной на ней информации. В результате изображение становится вначале крупнозернистым, а по мере уменьшения размера голограммы начинают пропадать мелкие детали, затем более крупные и, в конце концов, от изображения остаются только расплывчатые контуры. Поэтому размеры голограммы определяются требованиями к степени различимости (разрешению) деталей объекта.
Необходимо отметить, что действительное изображение имеет псевдоскопичность, т.е. впадины объекта кажется выпуклостями и наоборот. Это легко объяснить, так как более дальние точки предмета в действительном изображении должны образовываться дальше от голограммы. Но это точки рассматриваются с противоположной стороны. Поэтому они будут образовывать выпуклости вместо впадин. Для наблюдения мнимого изображения с наилучшим контрастом надо, чтобы источник монохроматического излучения располагался там же, где он находился во время получения голограммы. Для возможности наблюдения действительного изображения голограмма должна освещаться пучком, сходящимся в точке, где был расположен источник при записи.
Форма, размеры и положение в пространстве восстановленного изображения находятся в прямой зависимости от положения в пространстве восстанавливающего источника и характеристик восстанавливающей волны: формы фронта, дины волны и ее поляризации»./3/
«Для голографического процесса подразумевается использование одного и того же опорного пучка, так что мнимое изображение объекта имело полную аналогию с самим объектом и размеры изображения совпадали с размерами объекта. При изменении формы опорного пучка, применяемого для восстановления, и длины волны света такое соответствие нарушается, однако при этом проявляется другое полезное свойство голограммы – возможность изменения размеров изображения при восстановлении. Расширяющийся пучок дает возможность увеличить размеры изображения подобно тому, как это происходит при проекции диапозитива на экран или при увеличении фотоизображений с помощью фотоувеличителя. Дополнительное увеличение можно получить, если увеличить длину волны света восстанавливающегося пучка. Применяя оба эти способа можно получить увеличение во много раз больше, чем у современных оптических микроскопов.
Следующая особенность голограммы относится к передаче распределения освещенности объекта. Пропускание света негативом связано с экспозицией H (освещенность × время) определенной зависимостью, поэтому фотопластинка реагирует на распределение яркостей объекта лишь в относительно узком интервале от Hmin да Hmax, а, следовательно, не позволяет воспроизвести весь диапазон яркостей объекта, который намного шире диапазона (Hmin , Hmax)»./3, стр.120-122/
«Равномерное распределение по голограмме света, рассеянного объектом, не вызывает локальных переэкспозиций регистрирующей среды и в то же время, голограмма имеет фокусирующие свойства. Это приводит к тому, что при восстановлении в одни точки изображения может быть сфокусировано много больше света, чем в другие. Следовательно, в изображении объекта можно получить много больший диапазон яркостей, чем это позволяют свойства самой регистрирующей среды. В результате голографическое изображение может передавать интервалы яркостей в объекте на 2—3 порядка больше, чем, например, фотография.
Голограмма имеет громадную информационную емкость. В пределе для бинарной информации (т. е. для информации, принимающей только два значения, например 0 или 1) и при использовании гелий-неонового лазера с Х=0,6328 мкм она составляет jV= 1,8 ∙ 109 бит/см2 (бит — единица бинарной информации), т.е. на одной фотопластинке можно получить множество голограмм различных предметов путем некогерентного последовательного наложения волновых фронтов и затем раздельного восстановления изображений. Одна из возможностей такой записи заключена в использовании при каждой экспозиции опорных пучков, падающих под различными углами.
Полезным свойством голограмм является их способность компенсировать искажения, которые могут возникать при записи волновых фронтов объектов. Например, голограмма не чувствительна к изменению плотности атмосферы, если объектный и опорный пучки проходят через одну и ту же неоднородность. Введение же целенаправленных искажений в один из пучков дает широкие возможности для осуществления кодирующих операций»./3, стр.123/
Глава 4. Голографические запоминающие устройства
Предполагается, что оптическая память на базе голографической записи будет перспективной благодаря потенциальной возможности обеспечения большого объема записи, простоте считывания и, как следствие этого, благодаря высокому быстродействию.
«Проведение работ по созданию оптических запоминающих устройств обусловлено насущными потребностями вычислительной техники. Существующие устройства на магнитных лентах, барабанах и дисках или ферритовых элементах обладают существенными недостатками, например сложностью осуществления произвольной выборки и относительно низкой плотностью записи. Использование микроэлектронных схем с ферритовыми элементами также не обеспечивает высокой плотности записи. Использование в системах памяти многослойных полупроводниковых структур в какой-то степени решает проблему обеспечения большой емкости при произвольной и быстрой выборке информации. Однако на пути применения таких устройств стоят весьма значительные технологические трудности.
С точки зрения обеспечения высокой плотности записи использование оптических ЗУ наиболее целесообразно, так как при использовании оптического излучения плотность записи можно довести до 108 бит/см2, а ограничения здесь накладываются длиной волны света. Реализация оптического запоминающего устройства не голографическими путями сталкивается с рядом существенных трудностей. Например, для того, чтобы записать единицу информации (1 бит), желательно сфокусировать световое излучение в пятно с размером порядка длины волны. В этом случае достигается высокая плотность записи. Чтобы сфокусировать излучение в такое пятно, необходимо использовать уникальную оптику, что достаточно сложно. Значительные трудности существуют здесь и при считывании информации». /2, стр.50-52/
«Голографические запоминающие устройства ГЗУ позволяют обойти ряд существенных трудностей. Имеется возможность создания ГЗУ с плотностью записи порядка 10е ... 1O7 бит/см2. При использовании электрооптических переключателей света скорость считывания записанной информации в ГЗУ может достигать нескольких микросекунд. ГЗУ обладают также рядом других достоинств, делающих проблемы разработки и использования ГЗУ весьма важными.
Как и другие типы запоминающих устройств, голографические ЗУ состоят из устройства ввода, элементов памяти и устройств вывода. Общая функциональная схема ГЗУ представлена на рис.6. Элементы, входящие в ГЗУ, выполняют преобразование информации в оптический сигнал; формирование голограммы; регистрацию голограммы; восстановление информации и регистрацию восстановленного сигнала. Набор этих операций и их последовательность сохраняются во всех системах ГЗУ».
Рис.6. Общая функциональная схема ГЗУ
1 - блок преобразования информации в оптический сигнал; 2 – блок формирования голограммы; 3 – блок регистрации голограммы; 4 – блок восстановления информации; 5 – блок регистрации.
«Устройством ввода в системах ГЗУ является устройство, формирующее голограмму входного изображения. Пропускная способность устройства ввода должна быть согласована с производительностью источника информации. Голограмма регистрируется на светочувствительном материале, который выбирается в соответствии с назначением системы. Для долговременного хранения информации можно, например, использовать галогенидосеребряные фотографические слои.
Кроме того, весьма существенным является вопрос согласования предельной емкости регистрирующей среды с пропускной способностью устройства ввода. Это означает, что максимальная пространственная частота голограммы должна соответствовать разрешающей способности материала, а динамический диапазон материала должен обеспечивать запись интервала яркостей входного изображения без искажений.
Процесс вывода данных из ГЗУ — это процесс восстановления записанной информации при освещении голограммы считывающим пучком. Обычно на одной фотопластинке записывается определенное количество голограмм, причем каждая со своим адресом. При считывании необходима соответствующая адресация. Восстановленное изображение можно регистрировать и подвергать дальнейшей обработке. Такова основная идея построения ГЗУ.
В общую схему устройства входят также устройство отклонения светового пучка и источник когерентного излучения — лазер. Предельно возможное число дискретных положений светового луча на выходе дефлектора определяет количество голограмм, которое можно зарегистрировать, ограничивая тем самым информационную емкость системы»./2, стр.60-62/
Разработано несколько схем ГЗУ как постоянных, так и оперативных. «Основой большинства постоянных ГЗУ является носитель, на котором расположена совокупность подголограмм (матрица голограмм), восстанавливаемых лучом лазера, который можно отклонять на различные участки носителя, выбирая нужную подголограмму. Восстановленное изображение обычно проецируется на фотодиодную матрицу, преобразующую распределение освещенности в электрические сигналы, которые поступают для дальнейшей обработки на ЭВМ или другие электронные устройства»./3/
Различные модификации постоянных ГЗУ в большинстве не отличаются по построению от типичной функциональной схемы запоминающего устройства. «Конструктивные отличия определяются только разными типами устройств отклонения луча (дефлекторов), запоминающих сред и устройств преобразования оптических сигналов в электрические».
Рис. 7. Схема постоянного голографического запоминающего устройства:
1 — лазер; 2 — дефлектор; 3 — матрица голограмм; 4 — голограмма; 5 — вос¬становленная информационная карта; 6 — фотодиодная матрица
При создании оперативных ГЗУ основной проблемой является получение запоминающей среды, которая позволила бы оперативно записывать и стирать интерференционные картины. С этой точки зрения в настоящее время перспективными считаются магнитооптические среды.
«Например, магнитооптические пленки материала MnBi, запись информации на которые осуществляется за счет нагрева лучом лазера ее локальных участков до температуры точки Кюри. Возврат пленки в исходное состояние осуществляется воздействием магнитного поля. Другая оперативная запоминающая среда, ферроэлектрик.
Схема построения оперативных ГЗУ приблизительно такая же, как и постоянных запоминающих устройств. Основная разница заключается в наличии устройства для оперативной пространственной модуляции (УПМ) светового пучка и голографической схемы»./3/
«Существует классификация ГЗУ по ряду независимых признаков:
• по способу ввода информации (одноканальный или многоканальный ввод);
• по принципу ввода информации (поэлементный ввод или ввод с накоплением информации);
• по способу записи (локальная запись на отдельном участке носителя или пространственно-распределенная запись, когда каждый элемент записывается по всей поверхности носителя, или объемная запись в объеме носителя);
• по длительности хранения информации (долговременные, оперативные или промежуточные);
• по способу обращения к памяти (выборка по адресу или ассоциативная выборка);
• по способу считывания (последовательное считывание или параллельное, одномоментное)»./1, стр. 702-703/
Существует несколько основных параметров, по которым оценивают ГЗУ. «Наиболее существенным параметром является информационная емкость системы, т. е. максимальное количество информации, которое одновременно может хранить ГЗУ». /2, стр. 245,246/ « Эта величина будет тем больше, чем с большей плотностью информация записывается на носитель с регистрирующей средой и чем больше размеры самой голограммы».
«Как известно, информация об объекте фиксируется на голограмме в виде совокупности интерференционных полос, причем расстояние между соседними полосами имеет порядок длины волны света, используемого в процессе получения голограммы. Следовательно, максимально возможная плотность записи информации обратно пропорциональна квадрату длины волны света с коэффициентом пропорциональности порядка единицы»./3/
«Однако реализовать на практике столь высокую плотность записи не удается. Это объясняется тем, что лазерное излучение с ограниченной пространственной и временной когерентностью вызывает смазывание интерференционной картины и уменьшение когерентности, так как особо мелкие детали восстановить становится невозможно. На уменьшении контрастности сказываются также различного рода пространственные шумы, заключающиеся в наличии на голограмме трещин, пыли и других дефектов. Некоторое ограничение плотности записи обуславливается также несовершенством входящих в состав голографических установок оптических приборов, например объективов, применяемых при получении голограмм. Кроме того, для увеличения надежности практических, систем приходится вводить различные коэффициенты запаса, что также уменьшает плотность записи.
Еще одним важным фактором, определяющим информационную емкость голограммы, является ее размер, который тоже, как оказывается, ограничен. Дело в том, что во всех известных голографических запоминающих устройствах (ГЗУ) применяют оптические элементы (линзы объектива и электрооптической системы отклонения луча лазера), размеры которых должны быть сравнимы с размерами голограммы. В настоящее время практически невозможно изготовить качественную линзу диаметром 20—30 см. Отсюда следует, что максимальная площадь голограммы может быть несколько сотен квадратных сантиметров, а ее информационная емкость — около 109 бит»./3/
«Одним из возможных способов увеличения информационной емкости может служить использование трехмерных голограмм. Таким способом можно увеличить удельную информационную емкость голограммы более чем на порядок. Однако повышенный интерес к голографическим запоминающим устройствам объясняется не только большой информационной емкостью голограмм. Основным решающим фактором является большая помехоустойчивость голограмм». /3/
При оценке общей емкости следует обращать внимание на предельную емкость носителя информации и пропускную способность систем ввода и вывода.
«В правильно построенном ГЗУ пропускная способность должна быть согласована с предельной емкостью, хотя эти' параметры и определяются различными звеньями системы. Поэтому увеличение общей емкости системы требует совершенствования не только параметров носителя информации, элементов собственно памяти, но и устройств ввода и вывода.
Предельная пропускная способность устройства ввода должна быть не меньше предельной емкости среды, что является необходимым условием согласования. Однако практическая реализация, как правило, накладывает ограничения, которые определяются максимальной пространственной частотой голограммы, несовершенством оптики, неравномерностью светового распределения в плоскости регистрации голограмм, приводящей к искажениям»./2, стр. 198-200/
«Важным параметром ГЗУ следует также считать надежность записи информации, т. е. заданную вероятность ошибки при записи всех реализаций источника сообщений. Эта характеристика учитывает согласование динамического диапазона носителя и динамического диапазона изменений интенсивности в плоскости голограммы при заданном интервале интенсивностей на объекте.
С надежностью связаны еще два параметра системы: время хранения информации, в течение которого в системе гарантируется заданная надежность записи; количество циклов «запись — считывание». Цикличность целиком определяется свойствами регистрирующей среды.
оо
— | w(x)dz. (8.3.5)
Tmax
Другим важным параметром ГЗУ является время обращения, характеризующее быстродействие системы. В зависимости от структуры ГЗУ, время обращения может быть различным. Если ГЗУ построено так, что процессы записи и восстановления информации разделены, то понятие времени обращения относится только к процессу восстановления».
В этом случае время обращения определяется временем поиска нужного адреса, которое в свою очередь определяется быстродействием дефлектора. Время считывания складывается из времени воздействия восстановленного изображения на фотоприемное устройство и времени электронного считывания.
«Процесс записи в ГЗУ характеризуется временем формирования входного изображения и времени записи. Время формирования зависит от скорости поступления информации и параметров оптического модулятора. Время записи – это среднее время передачи одной реализации источника сообщений. Оно определяется минимальным временем, необходимым для записи голограммы входного изображения и, следовательно, зависит от способа записи. При параллельной записи это время зависит от интенсивности потока, от входной матрицы, от чувствительности регистрирующего материала и от типа записываемой голограммы.
При последовательной записи время записи есть время регистрации отдельной голограммы, умноженное на число экспозиций. Количество экспозиций определяется числом адресов и динамическим диапазоном носителя информации. Время записи одной голограммы также определяется интенсивностью светового потока на входе, чувствительностью носителя и типом голограмм. При использовании реверсных носителей быстродействие системы определяется суммой времени записи, считывания и стирания»./2, стр. 222,223/
Глава 5. Области практического применения голографии
Можно определить следующие области применения голографии: в качестве изобразительного средства; в технике передачи и обработки информации, включая применения в радиодиапазоне и ультраакустике, в особенности гидроакустике; в кибернетике, автоматике и вычислительной технике; как средство исследования в оптическом и физическом приборостроении, в технологии.
«Применение голографии в качестве изобразительного средства затрагивает фотографию, кино и телевидение. Получение объемных портретов и кинофильмов, при просмотре которых создается полная иллюзия участия, представляется весьма интересной задачей. В этой области уже достигнуты определенные успехи: созданы установки для получения объемных портретов людей, созданы первые голографические фильмы.
Еще более важными представляются задачи, которые могут быть решены в технике передачи и обработки информации и вычислительной технике: здесь имеются перспективы создания целого класса специализированных аналоговых оптических вычислительных машин, способных перерабатывать большие массивы информации»./2, стр. 110-112/
«Перспективными являются и такие применения голографического метода, как голографическая интерферометрия, позволяющая исследовать вибрации и деформации, газовые потоки и ударные волны, плазму и другие объекты. Использование методов голографии и голографической интерфе¬рометрии в технологии позволяет решать задачи неразрушающего контроля качества изделий, а также осуществлять дефектоскопию изделий в ультразвуковом и рентгеновском диапазонах. Восстановление ультразвуковых голограмм в световом диапазоне позволяет сравнительно просто визуализировать внутреннее строение и дефекты контролируемых изделий, устраняя основную трудность ультра¬звуковой дефектоскопии — расшифровку полученных данных.
Широкие перспективы для вычислительной техники открывает возможность создания голографических систем памяти с большой информационной емкостью. Такую память можно использовать в новом поколении вычислительных машин».
«В радиодиапазоне голография принципиально позволяет решать большую группу задач, среди которых можно указать на создание систем объемного телевидения, создание устройств радиолокационного типа с синтезированной апертурой для получения радиоизображения со сверхвысоким разрешением и др. Применительно к акустике голографию можно использовать для создания систем звуковидения, в том числе объемного. И в радиодиапазоне, и в акустике голография используется как средство получения большого объема информации и как удобное средство преобразования невидимого изображения в видимое.
Большие работы ведутся по использованию голографии в кибернетике и автоматике. В литературе имеются данные о построении систем слепой посадки самолетов, тренажеров, различных типов и т.п.».
Голография может найти широкое применение в оптике и оптическом приборостроении. Сюда относятся возможности коррекции аберраций оптических систем; наблюдение и регистрация изображений сквозь неоднородные и рассеивающие среды; создание оптических приборов на принципах голографии, например микроскопов; использование голографии для контроля операций в оптической технологии; возможность создания принципиально новых оптических элементов, например мультипликаторов и т. п.
Глава 6. Примеры голографических запоминающих устройств
«Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC).
Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных. Емкость носителя (сто слоев) размерами с почтовую марку – 1 Gb». /6, электронный ресурс/
«Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные»./6, электронный ресурс/
«Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации.
В NTT полагают, что Info-MICA вследствие их дешевизны и малых размеров могут заменить другие устройства ROM. Рассматривают их и как заменитель бумаги в качестве носителя информации. Эти карты будут полезны при массовом распространении игр, музыки, кинофильмов и электронных изданий, поскольку клонирование их пиратами затруднено. Предполагаются и многие другие применения новой технологии.
Первые кардридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Gb уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Gb и разработка устройств записи и перезаписи носителей»./6, электронный ресурс/
Рис.8. Голографическая карта Info-MICA
«Первый дисковод фирмы InPhase Technology типа Tapestry HDS-300R оборудован встроенной системой радиоидентификации (RFID) и использует диски 300 GB с однократной записью, предназначенные для профессионального архивирования. Он имеет SCSI-интерфейс со скоростью передачи 20 MBps, среднее время доступа 250 мс. Длина волны лазера – 407 нм, объем страницы – 1,4 Mb, вероятность ошибки не превышает 10-15. Среднее время безотказной работы – 100 000 ч. Носителем служит диск 130 мм, размещенный в картридже размером 5,25×6×0,25", срок хранения записи – до трех лет, архивного хранения – более 50 лет»./5, электронный ресурс/
Рис.9. Голографическая система записи Tapestry
Еще одной компанией, занимающейся разработкой голографических устройств, является компания Optware. «Хотя в настоящее время она не является лидером рынка, ее технология может очень скоро получить широкое признание, так как в голографические накопители заложена совместимость с DVD-дисками, физическое кодирование дисков, возможность использования голографической памяти как альтернативы флэш-памяти в таких устройствах, как сотовые телефоны и видеокамеры.
В то время как для других систем требуются два отдельных луча – данных и опорного, в Optware лучи коллинеарные, что значительно упрощает конструкцию системы чтение/запись, повышает ее надежность, а также снижает стоимость»./6, электронный ресурс/
«Эта так называемая коллинеарная система может использовать предварительно форматированные диски с адресными метками на поверхности гальванического покрытия, подобно технологиям CD и DVD. В то время как зелено-голубой лазер читает и записывает данные, лазер, генерирующий в красной области спектра, гарантирует прецизионное позиционирование. Система позиционирования сервопривода настолько подобна стандартному DVD, что дисководы Optware способны работать с дисками обоих типов. Коллинеарная технология также удобна для физического кодирования дисков, что позволит значительно повысить степень защиты авторских прав»./6, электронный ресурс/
Сравнение запоминающих устройств
В настоящее время голографические запоминающие устройства не пользуются популярностью, хотя сама голографическая запоминающая карта стоит менее 1 доллара за 30 Гб, но цена устройства чтения/записи на данный момент составляет примерно 2000 долларов. В дальнейшем, если цена на ГЗУ станет меньше, формат войдет в массы, т.к. это достаточно перспективное ЗУ. На данный момент наиболее популярными ЗУ являются USB носители, обладающие лучшим соотношением ЦЕНА/ОБЪЕМ.
Заключение
Сформировавшись как наука, голография постепенно начинает входить и в нашу повседневную жизнь. Сфера ее возможных практических приложений необычайно широка, и в этом нет ничего удивительного, ведь по существу голография – чрезвычайно универсальный метод отображения и познания окружающего мира, который может равным образом использоваться фактически во всех областях человеческой деятельности, начиная от лингвистики и заканчивая исследованием процессов в термоядерной плазме».
Основные особенности голографической памяти – относительно большой объем хранимой информации при весьма ограниченных возможностях ее перезаписи. Информация сохраняется и считывается параллельно, можно достичь очень высокой скорости произвольного доступа, практически отсутствуют механические компоненты, свойственные нынешним хранителям информации.
Также к достоинствам голографической памяти можно отнести высокую точность воспроизведения страницы, низкий уровень шума при восстановлении данных, неразрушающее чтение, длительный срок хранения данных - 30-50 и более лет, конкурентоспособность с другими оптическими технологиями.
Голографические устройства очень надежны. При голографическом «чтении» невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от других оптических и жестких дисков: данные находятся в толще носителя, что уже намного затрудняет несанкционированный доступ. Каждый голографический накопитель снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод, прежде всего, обращается к этой информации, а если она зашифрована, считывание данных без необходимых сведений будет неосуществимо.
Список литературы
1. Щука А. А. Электроника. Учебное пособие. — СПб.: 2005 - с.800.
2. Гуревич С.Б., Константинов В.Б., Соколов В.К. Передача и обработка информации голографическими методами — М.:1988 - с.304.
3. Морозов М., Кононов И. В. Оптические голографические приборы — М.: 1988 - с.128.
4. Энциклопедия «Кругосвет» // Голография: эл. энциклопедия - URL http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/GOLOGRAFIYA.html (дата обращения 31.05.2011)
5. Голографическая индустрия // Голографические диски – будущее сегодня:статья,2009–URL http://www.holography.by/infocenter/news/2009/149/ (дата обращения 30.05.2011)
6. Голографическая память – шаг за суперпарамагнитный предел: статья, 2007. URL http://itc.ua/node/27096 - ITC.UA// (дата обращения 1.06.2011)