СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к области голографической записи и воспроизведения информации и предназначено для осуществления записи и последующего считывания аудио, видео и цифровой двоичной информации, представленной в виде "страниц данных" с использованием носителя прямоугольной формы.

Изобретение может быть использовано как архивное запоминающее устройство в вычислительных комплексах, офисной и банковской оргтехнике для хранения строго конфиденциальной информации, а также в бытовой технике для воспроизведения телевизионных игр, домашних электронных библиотек, справочников и др.

Известно устройство, в котором реализуется голографическая запись и воспроизведение информации, представленной в виде страниц данных [1]. Недостатком данного устройства является то, что при реконструкции изображения в устройстве считывания без использования дополнительных оптических элементов размер восстановленного изображения будет равен размеру исходного транспаранта со страницей данных, использовавшегося при записи голограммы. В силу различия геометрических параметров современных электрически управляемых транспарантов и матричных фотоприемников невозможно их совместное использование в указанном устройстве без преобразующей оптики.

Известно устройство голографической записи и воспроизведения информации, в котором размер и положение восстановленного изображения определяются параметрами Фурье-объектива, установленного в восстановленном пучке [2]. Недостатком этого устройства является то, что наличие указанного объектива усложняет оптическую схему восстановления изображения и резко увеличивает габаритные размеры устройства считывания.

Известно устройство, в котором восстановление изображения происходит без использования оптических элементов в восстановленном пучке [3]. К недостаткам данного устройства следует отнести то, что реально достижимые значения относительного отверстия Фурье-объектива, используемого в голографической схеме, не позволяют увеличивать геометрический размер матрицы голограмм, записанной на неподвижный носитель, без снижения плотности записи информации в каждой голограмме. Недостатком указанного устройства является также использование сходящегося опорного пучка. Это приведет к тому, что в случае восстановления голограммы излучением с длиной волны, отличной от той, которую имело излучение, использовавшееся при записи изображения исходного транспаранта, восстановится с аберрациями. Таким образом, допустимая плотность записи информации снижается.

Известно устройство, в котором реализуется способ многослойной голографической записи и воспроизведения информации [4]. Недостатком данного устройства является необходимость использования в схеме воспроизведения средств, позволяющих сдвигать частоту излучения, освещающего голограмму.

Известно устройство хранения данных [5], в котором информация в голографической форме записывается на вращающийся диск. Недостатком этого устройства является сложная конструкция блока воспроизведения информации.

Наиболее близким к изобретению является устройство записи и воспроизведения [6] , включающее источник когерентного излучения (лазер), светоделитель и формируемые с его помощью объектную и опорную ветви. Объектная ветвь содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси расширительную афокальную систему, линейный многоканальный пространственный модулятор света (ПМС) и Фурье-преобразующую линзу. Картина интерференции когерентных объектного и опорного пучков, изменяющаяся в зависимости от электрического сигнала, приходящего на модулятор света, регистрируется в виде голограммы на движущемся носителе. При считывании информации носитель движется с той же скоростью, что и при записи. При этом голограмма освещается пучком света, аналогичным тому, что использовался в качестве опорного пучка при записи. Восстановленные с голограммы изображения последовательно, с частотой переключения сигнала на многоканальном ПМС в процессе записи, попадают непосредственно на чувствительные элементы линейного фотоприемного устройства (ФПУ).

Данное устройство имеет следующие недостатки: плотность записи информации существенно ниже того уровня, который может обеспечить голографический метод; низкая скорость воспроизведения информации; необходимость обеспечения одинаковой и стабильной скорости перемещения носителя при записи и воспроизведении информации.

Целью изобретения является:
1) увеличение линейного размера поля записи голограмм на неподвижный носитель при неизменном местоположении изображения, восстанавливаемого с этих голограмм;
2) упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров устройства считывания;
3) увеличение плотности записи информации.

Это достигается тем, что в голографической схеме, содержащей расположенные последовательно источник излучения; светоделитель, с помощью которого формируются объектная и опорная ветви; расположенные в объектной ветви расширительную афокальную систему, ПМС, задающий входную страницу данных, и Фурье-объектив. Расширительная система состоит из сферических оптических элементов, ПМС выполнен в виде электроуправляемого двумерного транспаранта, а Фурье-объектив - сферический многолинзовый. При этом носитель, на который записывается матрица Фурье-голограмм, имеет прямоугольную форму, в объектную ветвь дополнительно введены поворотное зеркало и афокальная система, осуществляющая масштабирование изображения транспаранта и производящая низкочастотную пространственную фильтрацию, а в опорную ветвь помещены последовательно расширительная афокальная система, состоящая из цилиндрических оптических элементов и линейного ПМС, которые формируют плоскую опорную волну и обеспечивают дискретное перемещение опорного луча по плоскости носителя, на которую он падает под углом 90^o к поверхности.

Освещение рабочей поверхности носителя такой опорной волной позволяет, сохраняя высокую плотность записи информации, использовать в схеме восстановления источник, излучение которого имеет гораздо меньшую временную когерентность, чем излучение, использовавшееся в процессе записи. Это позволяет существенно упростить и уменьшить габариты устройства воспроизведения информации.

Оптические элементы, через которые проходит объектный пучок между ПМС и носителем, располагаются таким образом, чтобы дифракционное изображение двоичной страницы данных, формируемой ПМС в процессе записи, образовывалось в плоскости, находящейся на некотором расстоянии за носителем. При этом те же элементы осуществляют фокусировку плоской объектной волны, прошедшей через ПМС, в плоскости, в которой расположен носитель.

Вследствие интерференции в указанной плоскости объектного и опорного пучков на носителе формируется элементарная Фурье-голограмма. Освещение этой голограммы в процессе воспроизведения восстанавливающим пучком, по геометрическим параметрам идентичным опорному, приведет к тому, что изображение страницы данных без использования дополнительных оптических элементов сформируется в том же месте и таким же, каким оно было в процессе записи.

Запись строки матрицы голограмм на носитель осуществляется за счет того, что при переходе к записи каждой следующей голограммы производят одновременное дискретное перемещение находящихся в объектной ветви зеркала, ПМС, компонентов афокальной системы и Фурье-объектива таким образом, чтобы изображение страницы данных, формирующееся за носителем, не изменяло своего положения.

Синхронно с перемещениями в объектной ветви осуществляют переключение линейного ПМС в опорной ветви таким образом, что объектная и опорная волны каждый раз сводятся в плоскости носителя.

Это позволяет увеличить линейный размер строки голограмм, записываемых на неподвижный носитель, при этом восстановление записанных изображений страниц данных может быть осуществлено на неподвижное матричное ФПУ. Это дает возможность упростить конструкцию устройства считывания информации, увеличить скорость считывания и общий объем информации, которая может быть воспроизведена с неподвижного носителя.

Запись следующей строки матрицы голограмм осуществляют, переместив носитель вдоль плоскости его фоточувствительного слоя на величину шага расположения строк.

Восстановление записанных изображений осуществляется при освещении последовательно голограмм, составляющих матрицу, записанную на носитель, восстанавливающей волной, по геометрическим параметрам идентичной опорной. В процессе восстановления осуществляется дискретное сканирование лучом по одной координате в плоскости носителя и перемещение самого носителя по другой координате. Изображение страницы данных, записанное на освещаемой в данный момент голограмме, восстанавливается непосредственно с носителя на матричное ФПУ без использования дополнительных оптических элементов. Это позволяет упростить конструкцию устройства воспроизведения информации.

На чертеже представлена схема устройства записи. Оно содержит источник когерентного излучения (лазер) 1 и светоделитель 2, входящие в опорную ветвь зеркала 3, 4, афокальную систему из двух цилиндрических объективов 5, 6, линейный ПМС 7, зеркало 8, входящие в объектную ветвь афокальную систему из двух сферических объективов 8, 9, поворотное зеркало 11, двумерный ПМС 12, объектив 13, пространственный фильтр 14, объектив 15, Фурье-объектив 16, носитель 17.

ПМС 12, объективы 13, 15, 16 и пространственный фильтр 14 имеют возможность перемещения перпендикулярно оптической оси и параллельно плоскости носителя. Зеркало 11 имеет возможность перемещения в том же направлении и возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению перемещения. Плоскость рабочей поверхности носителя 17 расположена перпендикулярно направлению падения опорного пучка, и сам носитель имеет возможность перемещения вдоль этой плоскости перпендикулярно направлению перемещения остальных компонентов объектной ветви.

Перемещениями всех подвижных компонентов и работой ПМС 7, 12 управляет блок управления 18, подключенный к ЭВМ.

Устройство работает следующим образом. Излучение от лазера 1 попадает на светоделитель 2, после которого попадает в две ветви - опорную и объектную. Излучение в опорной ветви, направляемое зеркалами 3, 4, проходит через афокальную систему 5, 6 цилиндрические линзы которой осуществляют его расширение по одной координате, и освещает линейный ПМС 7. В рабочем состоянии лишь один элемент ПМС является открытым, и прошедшее через него излучение составляет плоскую опорную волну, которая, отражаясь от зеркала 8, падает на носитель 17 под углом 90^o к его рабочей поверхности.

В свою очередь излучение в объектной ветви с выхода светоделителя 2 попадает в расширительную афокальную систему 9, 10 затем отражается от зеркала 11 и подсвечивает ПМС 12 плоским волновым фронтом. Электроуправляемый ПМС 12 находится в передней фокальной плоскости объектива 13, который совместно с объективом 15 составляет афокальную систему. Следовательно, промежуточное изображение страницы данных, формируемой ПМС 12, будет располагаться в задней фокальной плоскости объектива 15. Объектив 16, работая как репродукционный, строит окончательное изображение страницы данных на некотором расстоянии за своей задней плоскостью.

В то же время плоская объектная волна на входе афокальной системы, состоящей из объективов 13, 15, остается плоской на выходе из нее и, попадая в Фурье-объектив 16, фокусируется в его задней фокальной плоскости на фоточувствительной поверхности носителя 17. Таким образом, в этой плоскости распределение интенсивности объектной волны соответствует пространственному Фурье-образу страницы данных, сформированной ПМС 12. В результате регистрации интерференционной картины этой волны с плоской опорной волной, отраженной от зеркала 8, на рабочей поверхности носителя образуется Фурье-голограмма.

Для записи каждой следующей голограммы в строке зеркало 11, ПМС 12, объективы 13, 15, 16 и пространственный фильтр 14 дискретно перемещают перпендикулярно оптической оси на расстояния, которые для случая тонких компонентов могут быть рассчитаны по формуле
Х_k = l_k • X/L,
где Х_k - искомая величина перемещения k-го компонента,
l_k - расстояние вдоль оптической оси от главных плоскостей k-го компонента (без учета расстояний между главными плоскостями компонентов) до плоскости изображения страницы данных за носителем,
X - шаг расположения голограмм в строке,
L - расстояние вдоль оптической оси от плоскости записи до изображения страницы данных за носителем.

При этом зеркало 11 поворачивают на угол, величина которого определяется по формуле

где α_i - искомый угол поворота зеркала,
m - суммарная величина перемещений зеркала от положения, когда компоненты оптической системы находятся на одной оси до текущего положения,
l - расстояние вдоль оптической оси от зеркала (без учета расстояний между главными плоскостями компонентов) до плоскости изображения страницы данных за носителем,
X_i - величина перемещения зеркала на данном шаге.

При таких соотношениях величин перемещений компонентов изображение страницы данных, формируемое ПМС 12, останется неподвижным. Одновременно с этим открывается следующий элемент линейного ПМС 7, задавая опорный луч такого направления, которое снова обеспечит пересечение обоих волн на рабочей поверхности носителя.

После того, как строка голограмм записана, перемещают носитель вдоль его рабочей поверхности на расстояние, равное шагу строк, и записывают следующую строку.

Описанное устройство позволяет получить плотность записи выше, чем у прототипа. Это видно из следующего доказательства.

Геометрический размер центрального пятна пространственного спектра транспаранта определяется минимальным геометрическим размером элементов транспаранта и для транспаранта с квадратными пропускающими элементами равен
ρ = λ•L/d,
где ρ - радиус центрального пятна пространства спектра транспорта,
λ - длина волны используемого излучения,
L - расстояние от транспаранта до частотной плоскости,
d - минимальный геометрический размер элемента транспаранта.

Если одномерный транспарант имеет N элементов и двумерный транспарант NxM элементов, а размер элементов одинаковый, то плотность записи δ на площадь поверхности носителя S, определяемую
S = π•ρ²,
составит для одномерного транспаранта
δ_o = N/π•ρ²,
а для двумерного транспаранта
δ_д = N•M/π•ρ²,
т.е. в М раз больше, чем для одномерного.

Источники информации
1. United States Patent N 3 936139 Feb. 3, 1976 Holographic memory providing both angular and translational reference beam deflections Jean Pierre Huignard, Erich Spitz U.S. Cl.-350/3.5; 340/173 LM Int. Cl. - G 03 H 1/26
2. United States Patent N 4024513 May 17, 1977 Optical system for the storage of selectively erasable binary data arranged in the form of holographically recorded pages Jean-Pierre Huignard, Francois Micheron U.S. Cl. -340/173 LT; 340/173 LM Int. Cl. - G 03 H 1/26; G 03 H 1/14
3. United States Patent N 4034355 July 5, 1977 Holographic digital data processing system with sequential data storage and retrieval W. John Carlsen U.S. Cl.-340/173 LM; 340/173 LT. Int. Cl. - G 11 C 13/04; G 02 В 27/38
4. Авт. свид. СССР N 1769233 15.10.1992
Способ многослойной оптической записи и воспроизведения двоичной информации И.Ш.Штейнберг, Ю.А.Щепеткин Int. Cl.-G 11 B 7/00
5. United States Patent N 455095 Oct. 29, 1985 Holographic system for the storage of audio, video and computer data John E. Carlson U.S. Cl. - 369/103; 369/275 Int. Cl.-G 11 B 7/00
6. Авт. свид. СССР N 1043584 07.02.1988 Голографическое устройство записи и воспроизведения электрических сигналов А.Л. Микаэлян, В.В. Корчагин, В.И. Бобринев, Э.Х. Гуланян Int. C1. - G 03 H 1/04, G 11 B 7/00

Изобретение относится к области голографии. В способе излучение проходит через объектную и опорную ветви голографической схемы. Прошедшее через пространственный модулятор света (ПМС) излучение с помощью Фурье-объектива фокусируют на рабочей поверхности носителя. В процессе записи строки голограмм при переходе к каждой следующей голограмме плоский волновой фронт, освещающий ПМС, наклоняют в плоскости направления записи строки. В устройстве в объектной ветви после расширительной системы по ходу луча расположено зеркало, а ПМС представляет собой двумерный электроуправляемый транспарант. Между ПМС и носителем находится масштабирующая афокальная система. Технический результат - увеличение линейного размера поля записи голограмм, увеличение плотности записи, упрощение конструкции. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ голографической записи информации, при котором излучение проходит через объектную и опорную ветви голографической схемы, плоской волной в объектной ветви освещают пространственный модулятор света (ПМС), прошедшее через него излучение с помощью Фурье-объектива фокусируют на рабочей поверхности носителя, направляют в то же место плоскую опорную волну и записывают Фурье-голограмму, отличающийся тем, что в опорной ветви формируют плоскую опорную волну и обеспечивают дискретное перемещение опорного луча по плоскости носителя, на которую он падает под углом 90^o к поверхности, в процессе записи строки голограмм при переходе к каждой следующей голограмме плоский волновой фронт, освещающий ПМС, наклоняют в плоскости направления записи строки, а ПМС и все компоненты, расположенные между ним и носителем, перемещают в той же плоскости таким образом, что изображение страницы данных, формируемой в некоторой плоскости за носителем, в течение записи всей строки голограмм не меняет своего местоположения. 2. Устройство голографической записи информации, содержащее лазер, светоделитель, направляющий излучение в опорную и объектную ветви, расположенные в объектной ветви расширительную афокальную систему, ПМС, Фурье-объектив и носитель, отличающееся тем, что в опорной ветви находится расширительная афокальная система, состоящая из цилиндрических объективов, электроуправляемый линейный ПМС и отклоняющее зеркало, обеспечивающее угол падения плоской опорной волны на рабочую поверхность носителя, равный 90^o, в объектной ветви после расширительной системы по ходу луча расположено зеркало, ПМС представляет собой двумерный электроуправляемый транспарант, между ПМС и носителем находится масштабируемая афокальная система, содержащая два объектива и низкочастотный пространственный фильтр, ПМС, компоненты афокальной системы и Фурье-объектив расположены так, что изображение страницы данных, задаваемой ПМС, формируется в некоторой плоскости за носителем, ПМС, компоненты афокальной системы и Фурье-объектив имеют возможность линейного перемещения перпендикулярно оптической оси и параллельно плоскости носителя, зеркало имеет возможность перемещения в том же направлении и возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению перемещения.