CC BY
13УДК 681.7.06+535.512
А. Ю. Бетин, В. И. Бобринев, А. Ю. Жердев, С. Б. Одиноков, Е. Ю. Злоказов, Р. С. Стариков
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНО-СИНТЕЗИРОВАННЫХ МИКРОГОЛОГРАММ ФУРЬЕ
Предложен новый метод записи микроголограмм для систем голо-графической памяти, основанный на компьютерном кодировании страницы бинарных данных в виде синтезированной голограммы Фурье. Численно рассчитанные голограммы вводятся в проекционную оптическую систему с помощью пространственно-временного модулятора света. Приведены результаты математического моделирования и экспериментальной реализации метода.
E-mail: odinokov@bmstu.ru
Ключевые слова: хранение данных, голографическая память, микроголограмма.
Введение. Разработка методов компактного и долгосрочного хранения данных является важной проблемой современных информационных технологий. Применение голографических методов записи и восстановления волновых фронтов света для задач хранения данных позволяет достичь высокой информационной плотности [1]. Последние достижения в области голографической памяти показали возможность записи до 500 Гб данных на носитель размером с обычный DVD-диск [2]. Известные системы голографической памяти используют двухлучевые схемы формирования микроголограмм [3, 4]. Высокая плотность информации достигается за счет мультиплексирования. В данной работе представлен метод записи микроголограмм на носитель с использованием проекционной схемы. При этом голограммы синтезируются на компьютере и вводятся в оптическую схему с помощью пространственно-временного модулятора света (ПВМС).
Компьютерный синтез микроголограмм. В системах голографической памяти стандартным объектом для записи является бинарное изображение страницы данных, закодированных по стандарту ECMA-377. На рис. 1 представлен пример такого изображения.
Для компьютерного синтеза микроголограмм выбран метод расчета амплитудных голограмм Фурье. Компьютерно-синтезированные голограммы Фурье более всего соответствуют требованиям поставленной задачи благодаря возможности пространственного разделения нулевого и ±1-го порядков при их восстановлении.
Рис. 1. Пример представления данных по стандарту ЕСМА-377
При расчете голограммы Фурье опорный и предметный лучи формируются путем использования в предметной плоскости (Хь, Уь) изображения, состоящего из ¿-функции в центре (опорный луч) и записываемого объекта И, смещенного относительно центра на величину Д вдоль оси X (предметный луч). Голограмма Н синтезируется в плоскости Фурье (Х% У):
Н(хг, у) = С + Яе[Г(И(х - Д, у) + ¿(х, у)}],
где С — матрица постоянных величин, выбор которой происходит в соответствии с условием Н > 0; символ Г обозначает преобразование Фурье.
Расчеты восстановленного поля с синтезированных голограмм показали, что их дифракционная эффективность (ДЭ) не превышает 0,1 %. Для увеличения ДЭ к кодируемым объектам добавлялась псевдослучайная фазовая маска. На рис. 2, а представлена голограмма, синтезированная в соответствии с приведенной выше формулой для страницы данных с добавленной фазовой маской, на рис. 2, б — восстановленное поле голограммы с подавленным нулевым порядком. Расчеты показали, что при использовании фазовой маски ДЭ голограммы может возрасти до 3 %.
Рис. 2. Синтезированная голограмма размерностью 1024x768 пикселов для объекта с добавленной фазовой маской (а) и ее численно восстановленное выходное поле (б)
Реализация компьютерно-синтезированных голограмм. Для
ввода синтезированной голограммы в оптическую схему использован пространственно-временной модулятор света на основе жидкокристаллической матрицы Sony LCX-017. Размер пиксела модулятора 32 мкм, размерность модулятора 1024 х 768 пиксела, динамический диапазон модуляции пропускания на линейном участке характеристики порядка 100 уровней. На рис. 3 приведен снимок страницы данных, восстановленной с голограммы на экспериментальном макете каскада Фурье.
а б
Рис. 3. Восстановленное изображение страницы данных (а) и его увеличенный фрагмент (б) при реализации голограммы с использованием ПВМС
Видно, что, несмотря на заметные искажения формы реперных точек и информационных битов, качество восстановленного изображения страницы данных позволяет осуществлять их считывание матричным фотодетектором с высокой точностью.
Запись микроголограмм на голографический носитель. Для записи компьютерно-синтезированных микроголограмм на носитель собран экспериментальный макет проекционной схемы записи. Эксперименты проводились как для когерентного, так и для некогерентного света. На рис. 4 приведена принципиальная схема проекционной установки с использованием в качестве когерентного источника излучения полупроводникового лазера 1 с длиной волны X = = 0,638 мкм.
Для формирования светового пучка достаточной ширины свет от лазера попадает в телескопическую систему, состоящую из микрообъектива 2 и длиннофокусного объектива 3. Увеличение телескопической системы определяется из условия необходимой равномерной засветки апертуры жидкокристаллического (ЖК) модулятора 4. Вывод синтезированных голограмм и управление ЖК-модулятором осуществляется с персонального компьютера (ПК) 5. Проекция апертуры ЖК-модулятора на голографический носитель 11 осуществля-
ется объективом Фурье 6 с фокусным расстоянием Г = 500 мм, объективом 9 (Г = 250 мм) и микрообъективом 10 (Г = 10 мм). Анализатор 7 используется для подавления нулевого порядка в восстановленном с голограммы поле. Диафрагма 8, расположенная в фокальной плоскости объектива 6, осуществляет пространственную фильтрацию спектра структуры ПВМС и восстановленного поля голограммы.
Рис. 4. Принципиальная оптическая схема когерентной проекции:
1 — лазер; 2 — микрообъектив; 3 — объектив; 4 — ПВМС; 5 — ПК; 6 — объектив Фурье; 7 — анализатор; 8 — диафрагма; 9 — объектив; 10 — микрообъектив; 11 — голографическая пластина
Для проведения экспериментов в некогерентным свете применяли модифицированную схему. В качестве источника излучения использовали светодиод с длиной волны X = 0,61 мкм. Микрообъектив 2 (см. рис. 4) заменен на двухлинзовый конденсор. Перед ЖК-моду-лятором был установлен поляризатор, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации анализатора.
При уменьшении апертуры ПВМС в 20 раз размер микроголограммы составлял 2 х 1,5 мм, частота линий — 200 лин./мм. Запись микроголограмм осуществляли на высокоразрешающие фотографические пластинки ПФГ-01 и ПФГ-03.
На рис. 5 представлены результаты экспериментов по восстановлению микроголограмм, записанных с использованием разных фотографических эмульсий (ПФГ-01 и ПФГ-03) в когерентной и некогерентной проекционных схемах.
Максимальная ДЭ записываемых голограмм, полученная при проведении экспериментов, составила примерно 10 %. На рис. 5, а, в видно, что на восстановленном изображении с микроголограммы, записанной на эмульсии ПФГ-01, реперные точки имеют более чет-
8
10
11
кие границы, контраст восстановленного изображения выше, уровень шума существенно ниже по сравнению с изображением, восстановленным с микроголограммы, записанной на эмульсии ПФГ-03. Такое различие объясняется тем, что рассчитанная голограмма представляет собой структуру с незначительным перепадом градации серого от одного элемента (пиксела) изображения к другому. Поэтому для записи такой структуры лучше подходит эмульсия с большей концентрацией галогенидов серебра. Концентрация серебра в эмульсии ПФГ-03 1,7 г/м2, в эмульсии ПФГ-01 — 3 г/м2.
а б в
Рис. 5. Вид восстановленного изображения с голограммы, спроецированной на фоточувствительный носитель (размер голограммы 2x1,5 мм):
а, б — в когерентной и некогерентной проекционных схемах (ПФГ-01); в — в когерентной проекционной схеме
Сравнительный анализ изображений, восстановленных с микроголограмм, записанных при когерентной и некогерентной проекционных схемах показал, что существенного отличия в качестве изображений нет. При когерентной проекционной схеме несколько ухудшается соотношение сигнал/шум.
Заключение. Результаты исследований подтверждают возможность записи двумерных страниц бинарных данных путем их представления в виде компьютерно-синтезированных голограмм Фурье, реализуемые с помощью ПВМС в проекционной оптической схеме. Качество восстановленных изображений страниц бинарных данных позволяет считать их матричным фотодетектором.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках соглашения о предоставлении гранта № 14.В37.21.1279 по НИР «Исследование и разработка технологии создания нового поколения миниатюрной оптико-голографи-ческой памяти на основе компьютерно-синтезированных микроголограмм» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. High-transfer-rate high-capacity holographic disk data-storage system / S.S. Orlov, W. Phillips, E. Bjornson et al. // Appl. Opt. 2004. Vol. 43. Iss. 25. P. 4902-4914.
2. Okada K., Nagasaka Y. Multiplexing hologram recording and reconstructing apparatus and method therefore. Patent US No. 20080239427. 2008.
3. Hideyoshi Horimai, Xiaodi Tan. Collinear technology for a holographic versatile disk // Applied Optics. 2006. Vol. 45. Iss. 5. Р. 910-914.
4. Разработка и исследование метода и оптической системы получения мультиплексных голограмм в системах архивной оптико-голографической памяти / С.Б. Одиноков, Н.М. Вереникина, А. С. Кузнецов и др. // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». 11 ноября 2011 г.
Статья поступила в редакцию 28.09.2012.
