Исследование влияния аберраций оптической системы на плотность записи информации в голографических запоминающих устройствах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

1. Впадение

2. Глава I Голографическая запись оинарной информации

SI Принципы построения оптическойемы ГЗУ 10 $2 Определениегнала и шума оптического 17 канала ГЗУ $3 Определение плотности записи и емкости 25 ГЗУдвухмерным носителем

Перспективы повышения плотности записи 30 к информации в ГЗУ при использовании объемных сред

3. Глада 11 шияние аберраций оптики на плотность загшси бинарной информации в матрицах голограмм

§1 Расчет оптическойемы голографического запоминающего устройства у2 Расчет плотности записи в матрицах голо- с, грамм дляучая Гауссовых пучков.

§3 Невоспроизводимость в работе отдельных 75 элементов оптическойемы и ее влияние на плотность записи информации в матрицах Фурье-голограмм

§4 Описание экспериментальной установки и методика эксперимента

§5 Влияние аберраций оптики на плотность за- 92 писи и учет влияния нелинейности отклика фотоматериала

4. Глава III Исследование голографической записиIII безопорных микроголограмм бинарных объектов в объемной регистрирующей среде

§1 Влияние геометрии пучков и аберраций114 оптическойстемы на плотность записи бинарной информации при использовании кодированных опорных пучков

§2 Расчет дифракционной эффективности 123 объемных голограммплоскими и кодированными опорными пучками для поглащаю-щейедынелинейным фотооткликом

§3 Методикап проведения экспериментов по132 записи Фурье-голограммкодированным опорным пучком

§4 Запись одиночных Фурье-голограмм бинарного транспаранта на материале реокеан

§5 Плотность записи голограмм при их пол-153 ном или частичном наложении

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.

R о

Так, ЗУ с ёмкостью 10-10° бит со скоростью выдачи данных Ю9-10^ бит/сек могут применяться как автоматические кати т? талоги, работающие в реальном времени. ЗУ с ёмкостью 10 -10х бит (и более) даже при скорости выдачи в среднем на шесть порядков ниже могут быть использованы как системы архивной памяти, предназначенные для накопления информации и её долговременного хранения [4].

Промежуточное положение занимают ЗУ с ёмкостью 10^-10^ 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]. мкость ЗУ оцределяется плотностью записи и габаритами. Попытка увеличения ёмкости за счёт увеличения габаритов неизбежно приводит к увеличению стоимости устройства и снижению зго надёжности. Поэтому увеличение плотности записи в ЗУ явля-этся чрезвычайно важной задачей.

В связи с этим в последнее время уделяется большое внимание разработке новых принципов построения ЗУ, в том числе Голографических запоминающих устройств (ГЗУ). Они обеспечивают существенно большую плотность записи и скорость считывания информации по сравнению с традиционными методами.

К достоинствам ГЗУ относятся также высокая помехозащищённость [б-7 J, возможность осуществления параллельной обработки информации массивами, обеспечивающая высокую скорость обработки [в-io], а также возможность поиска записанной информации как в адресном, так и в ассоциативном режиме [з, 4, 9, I0-I2J. Кроме того, голографическая память более устойчива к постороннему электромагнитному излучению.

Перечисленные преимущества объясняют большой интерес исследователей к проблеме создания ГЗУ. Разработкой ГЗУ в настоящее время активно занимаются как ведущие зарубежные фирмы (18Ц Pki№ips , Hltacki ), так и цредприятия и научно-исследовательские организации в СССР.

Следует отметить, однако, что достигнутые параметры ГЗУ существенно ниже теоретических. Так, показано, что цреО дельная плотность записи в ГЗУ составляет величину 10 бит/мм^. В то же время, в практических разработках достигнута плотность записи 10^ бит/мм^ [l3, 14] , что на пять порядков ниже теоретического предела. Понятно поэтому, что одной из основных цроблем, 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 f42страницах машино

Результаты работы Jjl^T] указывают, что надёжность ГЗУ полностью характеризуется средним отношением сигнала к шуму в восстановленном изображении и дисперсией случайных флюктуации "единиц" и "нулей" от записи к записи. Причем, при уменьшении флюктуакций требования на отношение сигнал-шум также падают.

В [49J проводился анализ статистики флюктуации восстановленного изображения. Разброс яркости "единиц" и "нулей" определялся экспериментально при записи на серийных фотопластинках ПЭ-2.

Разброс чувствительности фотопластинок составлял 100$. Неравномерность по чувствительности по площади пластин 100$. Разброс дифракционной эффективности голограмм, записанных на одной пластинке - 20$. При среднем контрасте (отношении сигнал-шум в восстановленном изображении), равном 30, оценка надёжности такого ГЗУ, то есть вероятность ложного счип тывания, составляла величину порядка 10""°.

В случае использования реоксана разброс по чувствительности от образца к образцу среды и площади отдельных образцов существенно меньше. Это связано с отсутствием эффектов самоусиления, характерных для процесса проявления галоидосеребрянных эмульсий. Общий разброс яркости ячеек восстановленного изображения от образца к образцу и по его площади в настоящей работе замечен не был, и значит был ниже точности используемой методики измерения (гл. 3, § 3). На рис. 31 видно, что флюктуации яркости ячеек при записи голограмм по описанной методике возникают при I^ 0,3. До это-го уровня яркость ячеек в восстановленном изображении не

- US флюктуирует, а растёт пропорционально экспозиции и повторяет распределение яркости в записываемом объекте.

Следует отметить ещё одну отличительную особенность голографической среды реоксан. При записи на ней голограмм фотоотклик формируется сразу в процессе записи без стадии регистрации скрытого изображения и последующего проявления. Это позволяет вводить дополнительную корректировку яркости восстановленного голограммой изображения в процессе записи. Для этого необходимо запись производить поэтапно, контролируя на кавдом этапе общую дифракционную эффективность или яркость отдельных ячеек восстановленного изображения. При достижении определенного уровня яркости, соответствующего правильному считыванию фотоматрицей всех "логических единиц" (открытых ячеек транспаранта), запись должна прекращаться. Это обеспечивает дополнительное уменьшение разброса яркости "единиц" в восстановленном изображении.

Всё это указывает на высокую надёжность ГЗУ, для создания которого будет использован материал реоксан, а запись будет производиться с помощью описанной в настоящей работе схемы.

Отсутствие механизма самоусиления в реоксане и возможность контроля яркости записанного изображения в процессе его записи должны уменьшить флюктуации яркости и увеличить надёжность ГЗУ.

3 А К Л 10 Ч Е Н И Е

1. Получены аналитические выражения для величины сигнала и перекрёстных шумов с учётом аберраций оптической системы ГЗУ.

2. Получено аналитическое выражение для величины достижимой плотности записи бинарной информации в матрице тонких голограмм с учётом аберраций оптической системы.

3. Разработана методика экспериментального исследования влияния аберраций на величину перекрёстных шумов, заключающаяся в записи голограмм в схеме с искусственно внесёнными аберрациями лучей и фотоэлектрическом измерении величины восстановленного оптического сигнала и шума.

4. Проведены исследования влияния невоспроизводимости работы отдельных элементов оптической системы ГЗУ, показывающие, что влияние невоспроизводимости на величину сигнала и перекрёстного шума аналогично влиянию аберраций оптической системы, но при специальном выборе оптической схемы влияние нестабильности устраняется.

5. Проведено исследование влияния нелинейности фотоотклика тонкого голографического материала на величину перекрёстных шумов и плотность записи. Показано, что нелинейность отклика приводит к росту перекрёстных шумов в матрице голограмм, но специальным выбором параметров оптической схемы влияние нелинейности можно практически устранить.

6. Проведено исследование динамики записи микроголограмм бинарной4 информации на материале реоксан в безопорной схеме с кодированным опорным пучком. Показано, что динамические эффекты приводят к увеличению шумов, ограничению дифракционной эффективности и плотности записи.

7. Получены аналитические выражения для величины перекрёстных шумов и плотности записи бинарной информации на матрицу объёмных голограмм с плоским и кодированным опорным пучком и с учётом аберраций оптической системы. В случае нулевых аберраций выражение для плотности записи совпадает с полученным в [12J.

8. Создана экспериментальная методика исследования динамики записи одиночных голограмм и определения достижимой величины плотности записи информации в объёмной среде при жопольь&оонии кодированного опорного пучка, заключающаяся в записи одиночных голограмм и серии наложенных голограмм при периодическом измерении величины сигнала и шума в восстановленном изображении.

9. Получены аналитические выражения для величины дифракционной эффективности объёмных голограмм, записываемых в среде с ограниченным динамическим диапазоном и постоянным поглощением для случаев кодированных и плоских пучков. Показано, что при использовании кодированного, объектного или опорного пуч- ■ ка динамический диапазон, необходимый для достижения одинаковой дифракционной эффективности, исчерпывается быстрее, что находится в согласии с результатами работы J84j . 10. Показан пример использования полученных аналитических выражений для сигнала и перекрестного шума при определении допустимых режимов работы реального ГЗУ (приложение) •

Результаты настоящей работы могут быть использованы при создании ГЗУ, оптических процессоров и систем фильтрации, предназначенных для обработки информации в двоичном коде.

1. Нейман Дя. фон. Теория самовоспроизводящихся автоматов. -М.: Мир, 1972, 382 с.

2. Harmand P., Laroix Е., Freneux М. Integration d'une Nume-rique dans un Calculateur.- L'onde electrique 1974, 54, N 4, p.181-186.

3. Акаев А.А., Майоров С.А. Когерентные оптические машины. Л.: Машиностроение, 1977, 440 с.

4. Твердохлеб П.Е. Голографическая память и информационные машины. Автометрия, 1980, .,' 2, с. 9-24.

5. Goodman J.W. An Introduction to the Principles and Applications of Holography.- Proceedings of the IEEE, 1971» v.59» N 5, p.3992-1303

6. Акаев А.А., Майоров С.А., Смирнов H.A. Об одном методе повышения помехозащищенности голографаче'ского запоминающего устройства. В кн.: Помехи в цифровой технике. - Вильнюс, 1974, с. 184-187.

7. Гибин И.О., Пен Е.Ф., Твердохлеб П.Е. Устройство для записи матриц голограмм. Автометрия, 1973, if? 5, с. 47-50.

8. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины. М.: Мир, 1974, с. 15.

9. Гуревич С. Б.Передача и обработка информации голографи-ческими методами. Ы.: Сов. радио, 1978, 303 с.

10. Воскобойник Г.А., Гибин И.С., Некивенко Е.С., Твердохлеб.П.Е. Применение когерентных оптических вычислительных устройств для решения задач информационного поиска. Автометрия, 1971, J£ I, с. 77-81.

11. Денисюк Ю.Н. Голография и её перспективы. В кн.: Проблемы оптической голографии. - Л.: Наука, 1981, с. 5-27.

12. Зельдович В.Я., Шкунов В.В., Яковлева Т.В. Теория объёмных голограш с наложенной записью. В кн.: Проблемы оптической голографии. - Л.: Наука, 1981, с. 80-97.

13. Богданова E.C., Соскин С.И. Влияние аберраций оптической системы на ёмкость голографической памяти. -Автометрия, 1975, lb 3, с. 42-53.

14. Gabor D. Microscopy Ъу Reconstructed Wave£ronts 1.- Proc. Roy.Soc., 1949, v.A197, N1051 , p.454-487.•ш

15. Gabor D. Microscopy by Reconscructed Watfefronts II.-Proc. Soy. Soc., 1951, v.B64, N 378, p.440-469.

16. Денисюк I0.H. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. -ДАН СССР, 1962, т. 44, № 6, с. 1275-1278.

17. Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. -Опт. и спектр., 1963, т. 15, вып. 4, с. 522-532.

18. Leith E.N., Upatnieks J. Reconstructed Wavefronts and Communication Theory.- J.Opt.Soc.Am., 1962, v.52, N 10, p.1123-1130.

19. Van Heerden P.J. A New Optical Method of Storing and Retrieving Information.- Appl.Opt., 1963, v.2, N 4, p.387-392.

20. Van Heerden P.J. Theory of Optical Information Storage in Solids.- Appl.Opt., 1963, v.2, N 4, p.393-400.

21. Микаэлян А.Л., Бобринев В.И., Наумов C.M., Соколова

22. Возможности применения методов голографии для создания новых типов запоминающих устройств. Радиотехника и электроника, 1969, т. 14, JS I, с. 115123.

23. Lang М., Eschler Н. Gigabyte Capacities for Holographic Memories.- Optics and Laser Technology,1974, N 10,p.219-224.

24. Гибин И.О., Мантуш Т.Н., Нестерихин Ю.Е., Панков Б.Н., Пен Е.Ф., Твердохлеб П.Е. Программируемое голограм-мное ЗУ с записью и считыванием информации. Автометрия, 1975, 3, с, 3-II.

25. Hill Б. Some Aspects of a Large Capacity Holographic Memory.- Appl.Opt., 1972, v.11, N 1, p.182-196.

26. Mikaeline A.L., Bobrinev V., Naumov S.M., Sokolova L.S. Design Principles of Holographique Memory Devices.- J. Quantum Electron., 1970, QE-6, p.993-198.

27. Акаев А.А., Майоров С.А., Смирнов H.A. Голографичес-кие оперативные ЗУ состояние и перспективы их развития. - Зарубежная радиоэлектроника, 1975, J-S 5,с. 57-76; J5 6, с. 80-100.

28. Такеда Я. Оптическая система записи и воспроизведения видеоинформации. Первая Всесоюзная конференцияо ~ ТТолитех.инсгитУГ,по Радиоптике, тезисы докладов. ФрунзеХ1981, с. 18.

29. Сайто Ф. Голография и запоминающие устройства. -Всесоюзный центр переводов, перевод J& A-54I30 из журнала "Эректроникусу", 1977, т. 22, В 4,1. С.372-377.

30. Патент США JS 608S94. Голографическая система запоминания и воспроизведения информации, 1971.

31. Патент Японии № 51-44660. Голографические ЗУ, 1971.

32. Варга П., Киш Г. Расчет оптического канала архивного голографического запоминающего устройства. Квантовая электроника, т. 6, JS 5, 1979, с. 1048-1056.

33. Микаэлян А.Л., Бобринев В.И. Голографические системы памяти. Радиотехника и электроника, 1974, В 5, с. 898-926.

34. Wai-Hon Lee Effect of Film-Grain Noice on the Performance of Holographic Memory.- J.Opt.Soc.Am., 1972, v.62, N 6, p.797-803.

35. Гибин И.О. Расчёт и выбор параметров оптических систем голограммных запоминающих устройств. Автометрия, 1974, В 6, с. 3-15.

36. Goldmann G. ^Recordings of Digital Data Masks in Quasy Fourier Holograms.- Optik, 1971, v.34, N 3.

37. Кольер P., Беркхардт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973, 686 с.

38. Takeda Y. Hologram Memory with High Quality and High Information Storage Density.- Japan Journal Appl.Phys., 1972, v. 11, IT 5, p.656-665.

39. Caulfield H.J. Spatially Randomized Data Masks for Holographic Storage.- Ajbpl.Opt., 1970, v.9, N 11, p.2587-2588.

40. Burckhardt С.Б. Use of a Random Phase Masks for the Recording of Fourier Transform Hologram of Data Masks.-Appl.Opt., 1970, v.9, N 3, p.695-699.

41. Stewart W.O., Firester &.H., Fox E.S. Eandom Phase Data Masks: Fabrication Tolerances and Advantages of Four Level Masks.- Appl.Opt., 1972, v.11, N 3, p.604-608.

42. Takeda Т., Oshida 1. ,MSiyamura Т., Random Phase Shifters for Fourier Transforms Holograms.- Appl.Opt., 1972,v. 11, N 4, p.818-822.

43. Ворозкейкин B.C., Шойдин С.Л. Согласованный вабор кода и фазовой гласки, повышающих равномерность интерференционной картины Фурье-голограмм. Куриал технической физики, т. 52, вып. 10, 1982, с. 2022-2026.

44. Костров II.А. К вопросу оптимизации голографических запоминающих устройств. Квантовая электроника, 1974, т. I, JS 10, с. 2148-2152.

45. Акаев А.А., Ковалевский Л.В., Майоров С.А., Стародубцев Э.В. Расчёт геометрических параметров оптимальной конструкции голографической памяти большой ёмкости. -Автометрия, 1975, JS 3, с. 18-26.

46. Буль В.А., Шмуйлович М.С. Некоторые вопросы оптимизации голографических запоминающих устройств. Квантовая электроника, 1972, $ 4, с. 77-79.

47. Пен Е.Ф. Исследование качества записи и достоверности считывания информации в ГЗУ. Автометрия, в печати.

48. SchOnnagel Н. Problem der Eengungsbegrenzten Apertur fur die Optimierung des holographisch Optischprs.-Opt.Acta, 1975,,v.22, N p.161-175.

49. Китович В.В., Жалейко В.В. Ограничение плотности записи и помехи в оптоэлектронном ЗУ. Первая Всесоюзная конференция по Радиоптике, тезисы докладов. - Фрунзе, 1981, с. 162, 163.

50. Мороз В.Н., Попов Ю.М. Голографическая память большой ёмкости. Квантовая электроника, 1976, т. 3, № II, с. 2325-2336.55". Goldmanxi G. Spatial Frequency Multiplexing for High Density Holographic Data Storage.- Optik, 1974, v.45, N 5, p.473-488.

51. Lang M., Goldmann G., Graft P. A Contribution to the Comparison of Single Exposure and Multiple Exposure Storage Holograms.- Appl.Opt., 1971» v.10, N 1, p.168-175.

52. Kogelnik Н. Coppled Wave Theory for Thick Hologram Gratings.- The Bell Syst.Techn.J., 1969, v.48, N 9» p.2909-2947.

53. Кольер P., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973, с. 520.

54. Аристов З.В., Шехтман В.Ш. Свойства трехмерных голограмм. УФН, 1971, т. 104, вып. I, с. 51-76.

55. Macchia J.T.L., White D.L. Coded Multiple Exposure Holograms.- Appl.Opt., 1968, v.7, N 1, P-91-94.6Q. Burke W.J., Ping Sheng Crosstalk Noise From Multiple

56. Thick Phase Holograms.- Journal of Applied Physics, 3977, v.48, N 2, p.681-685.

57. Лашков Г.И., Суханов В.И. Использование диперсион-ной фоторефракции, обусловленной процессами с участием триплетных состояний для регистрации фазовых трёхмерных голограмм. Опт. и спектр., 1978, т. 44,вып. 5, с. I008-I0I5.

58. Соскин С.И., Шойдин С.А. Расчёт оптической схемы го-лографического запоминающего устройства. Опт. и спектр., 1978, т. 44, й 3, с. 566-573.

59. Соскин С.И., Шойдин С.А. Оптимизация параметров голо-графического запоминающего устройства с учётом аберраций. Опт. и спектр., 1978, т. 44, J6 6, с. 11631169.

60. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, с. 271,4ZI.7D.1.ng М. Holographische Datenspeicher mit Kapazitaten von mehr als 108 bit.- Optik, 1973, B.37, s.501-515.

61. Ананьев IO.A., Сиразетдинов B.C., Чернов B.H., ШороховО.Й.

62. Эффект стабилизации направления излучения в приз-менных неустойчивых резонаторах. Квантовая электроника, 1973, т. 15, В 3, с. II5-II6.

63. Шойдин С.Л. Влияние аберраций, вызванных разюстиров-кой схемы на ёмкость голограммного запоминающего устройства. ОМП, 1981, JS 3, с. 1-3.

64. Джерард А., Берч Дж.Ы. Введение в матричную опишу.- М.: Мир, 1978, 341 с.

65. Кручинин Н.С., Майоров В.II., Некурящев В.Н., Никулин В.И., Соскин С.И., Халшлонов В.И. Голограшное запоминающее устройство. Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ, тезисы докладов. - Новосибирск, 1977, с. 279-283, UA3 СОАНСССР,

66. Соскин С.И., Шойдин С.А. Исследование голографичес-кого запоминающего устройства в режиме одиночных голограмм. ОМП, 1980, Ja II, с. 3-8.

67. Аристов В.В. Свойства трёхмерных голограмм: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. М., 197I, 16 с.

68. Аристов В.В., Броуде B.JI., Тимофеев В.Б., Шехтман В.Ш. Голография без опорного пучка. Препринт Института Физики Твёрдого Тела АН СССР. - М., 1969, 21 с.

69. Аристов В.В., Лысенко В.Г., Тимофеев В.Б., Шехтман В.Ш.

70. Голографирование без опорного пучка в случае трёхмерных голограмм. ДАН СССР, I96S, т. 183, № 5, . с. 1039-1040.

71. Сидорович З.Г., Стаселько Д.И. О параметрах световых пучков, корректируемых с помощью динамических объёмных фазовых голограмм, ЕТФ, 1975, т. 45,12, с. 2597-2601.

72. Сидорович В.Г. Теория преобразования световых полей амплитудными трёхмерными голограммами, зарегистрированными в усшгиващих средах. Опт. и спектр., 1977, т. 42, й 4, с. 693-699.

73. Зельдович Б.Я., Шкунов В.В., Яковлева Т.В. Расчёт шумов и количественное обоснование модовой теории объёмных голограмм. Препринт ФИАН, Яз 26, 1979,с. 31.

74. Сидорович В.Г, 0 дифракционной эффективности трёхмерных фазовых голограмм. IiT£>, 1976, т. 46, J* 6, с. I3Q6-I3I2.

75. Зельдович Б.Я., Яковлева Т.В. Модовая теория объёмных голограмм. Квантовая электроника, 1980, т. 7, JS 3, с. 519-529.

76. Зельдович Б,Я., Шкунов В.В., Яковлева Т.В. Модовая теория объёмных голограмм. Препринт ФЙАН, й 54, 1979, с. 49.

77. Сандер Е.А., Суханов В.И., Шойдкн С.А. Исследование голографической записи двоичной информации в объёмной регистрирующей среде Реоксан., В сб.: Оптическая голография. - JI.: Наука, 1983, с. 77-89.

78. S. Siegman A.E. Bragg Diffraction of a Gaussian Beam by a Crossed-Gaussian Volume Grating.- J.Opt.Soc.Am.,1977» v.67, N 4, p.545-550.

79. Морозов Б.Н. К теории голограмм с кодированным опорным пучком. Квантовая электроника, 1977, 4, .§ 8, с. I694-1701.

80. Матиенко Б.Г. Исследование характеристик полупроводниковой фотоприёмкой матрицы. Автометрия, 1979, Jva? , с. 45-58.

81. Наименование НТД: Исследование влияния аберраций оптическойсистемы на плотность записи в Голограммных запоминающих устройствах

82. Место и дата внедрения: ЦКБ "Точприбор", декабрь 1977 г.

83. Краткое описание и преимущества внедренного НТД:

84. Объем внедрения: Проведены расчеты, собраны макеты устройств,измерены их параметры.

85. Результаты внедрения: Разработанные методики использованыпри создании макетных образцов ГЗУ.

86. Годовой экономический эффект от использования указанных методик будет определен на этапе выпуска опытных образцов аппаратуры.1UZ

87. СИБИРСКИЙ 'ЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

88. ИНСТИТУТ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ