Цифровые ГЗУ
Балтийский Государственный
Курсовая работа на тему
«цифровые ГЗУ».
Выполнил студент
5 курса гр. Н362
Цыганкова Д.А.
Проверил
Овчинников Г.Р.
Санкт-Петербург
2010г.
Содержание.
- Общие сведения о голографии. Запись и считывание голограмм
- Запись и считывание голограмм
- Голографические системы записи и хранения информации.
- Принцип действия и устройства
- Особенности и преимущества голографического метода записи информации
- Компоненты голографической памяти
- Голографические диски HVD
- Технология хранения информации
- Запись и считывание голограммы оптического диска
- Отличие метода поляризованной коллинеарной голографии от классической технологии
- Компоненты и материалы
- Защита данных
- Материалы для записи голографической информации
- Перспективы и разработки голографической памяти
- Практическое применение цифровых ГЗУ
- Список используемой литературы
Общие сведения о голографии
Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г., а сегодня некоторые производители уже приступили к коммерческому выпуску голографических ЗУ.
1999 год 24 декабря основана компания Optware, ориентированная на разработку голографической памяти.
2000 год - основана компания Inphase Technologies, ориентированная на разработку голографической памяти.
Используемая технология позволяет записать и прочитать миллионы бит данных за одну вспышку лазера. Предельная объемная плотность информации N (N ~ λ3 ~ 1012 bit/cm3) определяется длиной волны излучения.
Тысячи голографических
страниц могут быть сохранены
в одном и том же объеме записывающей
среды с помощью различных
вариантов мультиплексирования. Его
можно выполнить за счет изменения
угла падения лучей лазера, длины
его волны, фазы опорного луча пространственного
изменения точки входа
Запись и считывание голограммы.
Просто так записать несфокусированное изображение невозможно — поставленный перед предметом фотоматериал равномерно засветится, так как фотослой реагирует лишь на усреднённую интенсивность световых волн (яркость). Однако сами волны и названы волнами, потому что они по своей природе неоднородны (волна имеет амплитуду своей интенсивности, а точнее, поскольку свет — это электромагнитная волна — амплитуды напряженностей составляющих её электрического и магнитного поля). Частота этих амплитуд как раз и характеризует цвет света, а их величина — его яркость.
Эту неоднородность волн как раз и можно использовать для записи несфокусированного светового фронта. Как же это сделать? Неоднородность света проявляется в явлении интерференции, то есть суммирования амплитуд пересекающихся волн. Это явление порождает другое явление — т.н. «стоячие» волны, которое поможет нам просто «заморозить» световой фронт на время, достаточное для его записи на фотоматериал.
Чтобы воспроизвести вышеупомянутые явления, и «заморозить» световой фронт, идущий от предмета, освещающий его свет должен удовлетворять трём основным условиям:
- Быть определённой длины волны, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать волну одинаковой длинны (длина волны даёт глазу ощущение цвета). В обычном же свете намешаны все длины волн светового диапазона.
- Быть согласован по фазе, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать волну одновременно с другими, а не в разнобой. В обычном свете даже одного цвета, сдвиг фаз волн, излучаемых разными атомами источника света, различен.
- Быть поляризованным, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать одинаково ориентированные в пространстве поля волны. Любая электромагнитная волна (в т.ч. и световая) имеет электрическое и магнитное поле. Только одинаково ориентированные напряжённости волн могут складывать свои электромагнитные поля, а значит и интерферировать. В обычном свете ориентация полей волн, излучаемых разными атомами источника света, различна.
Такой абсолютно «правильный» свет излучается только оптическими квантовыми генераторами (лазерами), которые и применяются в голографии.
Те же требования выдвигаются и опорному свету, непосредственно падающему на фотопластину. Более того, оба луча света должны иметь одинаковую длину волны и одинаковую поляризацию. Проще всего соблюсти это условие, разделив один луч лазера на два полупрозрачным зеркалом.
Итак, необходимо создать «стоячие» волны, чтобы записать их на фотоматериал. Две волны «правильного» света, пересекаясь, складывают свои амплитуды, если совпадают по фазе, или взаимоуничтожаются, если не совпадают. Если обе волны одной длины, то совпадать и складывать свои амплитуды они будут всегда в одних и тех же местах пространства. Поскольку этот процесс будет происходить очень быстро, мерцание не будет заметно глазу, и поэтому мы увидим неподвижно стоящие в пространстве участки повышенной интенсивности электромагнитного поля («стоячие» волны). При помещении пластины фотоматериала в место пересечения этих волн, на ней будут засвечены области с удвоенной при интерференции амплитудой, и не засвечены те области, где амплитуды взаимоуничтожились.
Поскольку волны проходят равномерные расстояния от источников до фотоматериала, то их единовременный слепок на его поверхности будет представлять собой равномерные полосы (а при рассмотрении в объёме — плоскости). Полосы образуются за счёт того, что один из источников расположен к фотоматериалу под некоторым углом, и каждый соседний его лучик будет проходить чуть больший путь, и касаться фотоматериала при немного другом состоянии своей фазы. Через определенное количество лучиков фаза снова повторится, и т.д. В результате максимумы фаз волны от основного источника застают максимумы фаз волны углового источника на поверхности фотоматериала через определенные промежутки.
Рассмотрим процесс получения и записи стоячих волн применительно к съёмке предмета. Освещаем предмет лазером. Отраженные от каждой точки предмета и рассеянные этими точками волны достигают разных точек фотоматериала с разными сдвигами фазы, поскольку проходят разное расстояние. Берем еще один (опорный) источник света той же длины волны, и направляем его непосредственно на фотоматериал чуть сбоку. На фотоматериале появляется сложная система стоячих волн, полностью характеризующая освещённый предмет.
Для считывания голограммы её нужно осветить опорным лучом той же длины волны и под тем же углом, что и при записи. Свет, проходя сквозь неоднородность голограммы, дифрагирует и рассеивает тот же световой фронт, который падал на неё при записи. Голограмма, по сути, является дифракционной решёткой, а явление отклонения света при его проходе через отверстия называется дифракцией.
Технология голографической памяти не имеет ограничений обычных оптических за счет применения трехмерной записи данных, а не двумерных чтения и записи лазерным лучом на плоскости. Это означает, что теоретически для записи данных в голографической памяти может использоваться полный объем кристалла, хотя есть и практические ограничения. Однако и с ограничениями трехмерный носитель – существенное преимущество для технологии голографической памяти. Его возможности достаточны, чтобы оставить далеко позади DVD и Blu-ray. Скорости передачи данных могут достигать 1 GBps и более. Это намного быстрее любой другой оптической технологии типа CD, DVD, HD DVD и Blu-ray, где максимальная скорость передачи не превышает 11 MBps.
Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Gb в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).
Голографические системы записи и хранения информации.
Принцип действия и устройства
Плотность записанной информации,
т. е. объем информации, приходящейся
на единицу площади носителя −
одна из главных характеристик
Голографический принцип записи состоит в регистрации одновременно объектной (несущей информацию об объекте) и опорной волн. При этом в результате сложения взаимнокогерентных опорной и объектной волн происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на голографическом оптическом диске и приводит к записи голограммы (рис.2). Изменения в материале голографического диска могут быть в виде модуляции поглощения, показателя преломления или толщины. Прогресс в разработке голографических систем хранения информации связан в основном с развитием современных технологий, позволяющих производить относительно дешевые устройства ввода/вывода информации, а также успехами в разработке новых регистрирующих сред для голографической записи.
Рис. 2. Принцип голографической записи информации
Особенности и преимущества голографического метода записи информации
Особенности голографического метода записи информации:
1) Голографический метод позволяет создавать трехмерное пространственное изображение объекта, которое не может быть создано в такой же степени каким-либо другим способом.
2) При голографической записи можно использовать для хранения информации не только поверхность, но и объем записывающего материала, что значительно увеличивает плотность записи, поскольку угловая и спектральная селективность объемных голограмм позволяет осуществлять многократную запись информации на один и тот же участок регистрирующего материала.
3) Голографический метод позволяет регистрировать прозрачные объекты, в которых отдельные части отличаются не коэффициентом пропускания и отражения, а изменением показателя преломления или толщины объекта, влияющим на изменение длины оптического пути.
4) При восстановлении волнового фронта с голограммы можно получить действительное изображение объекта с максимальным разрешением не только в поперечном, но и продольном направлениях. Такая особенность голографического метода применяется, например, при измерении размеров микрочастиц в аэрозолях, при изучении биологических объектов и для более общих задач микроскопии.
5) Опорная волна, образующая вместе с объектной волной интерференционную картину, может быть модулирована в результате прохождения через специальную маску. Восстанавливаться изображение будет только при прохождении опорного пучка через такую же маску. Это свойство может быть использовано, например, в устройствах с фазово-кодированным мультиплексированием.
6) Голографический метод позволяет осуществлять суперпозицию интерференционных полей. В связи с этим можно получить интерферограмму не только от двух (или более) одновременно существующих объектов, но также от объектов, голографируемых в разное время, в том числе и одного, изменяющегося во времени объекта. Это свойство голографической записи привело к созданию голографической интерферометрии, методы которой позволяют изучать не только деформации объектов, но также фазовую структуру прозрачных объектов.
7) Голографический метод позволяет реализовать свойство ассоциативности голограмм, заключающееся в том, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта.
8) Голографический метод позволяет реализовать так называемую распределенную запись информации, что повышает надежность записи и считывания. Это свойство наиболее ценно при создании голографических систем памяти.
Перечисленные особенности голографического метода в той или иной степени используются и в устройствах голографической памяти.
Преимущества голографической памяти по сравнению с другими (в том числе и оптическими) методами записи/считывания заключаются в следующем:
1. Высокая плотность записи (теоретически до 1012 бит/см2). Следует отметить, что реально достижимые в настоящее время величины плотности записи существенно ниже, что связано с рядом принципиальных ограничений, связанных с угловой селективностью материала, его динамическим диапазоном и т.д., однако в научных лабораториях уже получены значения около 40 Гбит/см2.
2. Высокая скорость записи/
3. Высокая помехозащищенность записи. Особенностью голографического метода записи является то, что при записи большого числа объектных волн (каждая из которых в нашем случае представляет один бит информации) каждая из этих волн распределена по всей площади голограммы. Таким образом, повреждение или утрата части голограммы будет приводить лишь к уменьшению уровня сигнала при её считывании, не нарушая при этом целостности картины восстановленных объектных волн. По этой причине, распределенная (голографическая) запись является принципиально гораздо более устойчивой к появлению каких-либо ошибок или сбоев в канале считывания.
4. Возможность реализации алгоритмов поиска данных с использованием свойства ассоциативности голографического метода записи. Ассоциативность голограммы означает, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта. Таким образом, если какая-то часть информации (в объектном пучке) является общей для некоторого числа записанных голограмм, то, наиболее отвечающей критериям поиска, будет та из них, для которой восстановленная опорная волна является наиболее интенсивной. Выбирая наиболее интенсивную из восстановленных частью объектной волны опорную волну, можно полностью восстановить искомую объектную волну (информацию).
5. Возможность проведения
различных логических и
Также возможно выполнение параллельных ассоциативных операций, таких, как поиск данных, детектирование изменений, корреляция и распознавание образов.
6. Запись и считывание информации возможны в реальном времени. Голографический метод записи позволяет осуществить практически мгновенное считывание (при условии использования соответствующих регистрирующих материалов).
Устройства хранения информации могут подразделяться на типы скоростью записи/считывания и объему памяти. Различают следующие основные типы устройств памяти:
1. Архивная память – в этом случае наиболее важной характеристикой является возможность максимально большого объема памяти. Не требуется запись в процессе эксплуатации.
2. Частично-заменяемая память – тип памяти с преимущественным считыванием и с возможностью перезаписи.
3. Быстродействующая реверсивная память – тип памяти относительно небольшого объёма, предполагающий высокую скорость записи, считывания и стирания информации.
Голографическое запоминающее устройство, как всякое другое запоминающее устройство, в наиболее общем виде должно реализовать следующие процессы:
1) Кодирование или преобразование сигнала, несущего информацию в форму, удобную для записи;
2) Распределение информации по носителю и запись;
3) Хранение информации;
4) Нахождение нужной информации на носителе;
5) Декодирование или
6) Вывод информации из запоминающего устройства для использования потребителем;
7) Если устройство хранения не относится к архивному типу, необходимо осуществить стирание и повторную запись.
Голографический метод записи наиболее полно реализуется в устройствах архивной памяти (например, голографические диски большой емкости), а также в устройствах быстродействующей реверсивной памяти (с использованием электрооптических или фотохромных кристаллов).
Системы голографической памяти можно классифицировать по методу записи и считывания голограмм:
1) Последовательная запись. Вся информация в виде большого количества отдельных изображений (бит) записывается на одну и ту же голограмму. Изображения (биты) восстанавливаются независимо друг от друга, если при их записи использовалась опорные волны, различающиеся между собой.
2) Параллельная запись. Запись осуществляется сразу большими массивами (массив N бит). Запись информации массивами представляется наиболее перспективной для достижения высокой ёмкости, особенно в сочетании с последовательной записью M голограмм, записанных с использованием опорных волн, различающихся между собой.
3) Запись информации, распределенной по глубине (в объёме). В этом случае различные массивы распределены по глубине регистрирующей среды. Такую запись информации можно комбинировать с последовательной записью с целью увеличения плотности хранимой информации. При считывании изображений предъявляются высокие требования к оптико-механической части устройства.
В системах голографической памяти могут использоваться как тонкие, так и объёмные голограммы. Для их различения используется так называемый критерий Клейна Q = 2πλd/(nΛ2), где λ - длина волны излучения, d - толщина голограммы, n - средний показатель преломления, Λ - пространственный период. Если Q>10, то голограмма считается объёмной.
Пространственный период решетки Λ определяется длиной волны при записи и углом между объектной и опорной волнами: Λ =λ/(2×sinθ), где θ - половина угла между опорной и объектной волнами (в воздухе). Благодаря присущему объёмным голограммам свойству спектральной и угловой селективности, возможны запись и раздельное считывание многих голограмм в одном объёме (мультиплексирование), что повышает плотность хранения информации.
Максимальная дифракционная эффективность η достигается в случае объемных фазовых голограмм. Выражение для дифракционной эффективности η объёмных фазовых голограмм пропускающего типа записывается как:
η=sin2(πn1d/λcosθi),
где n1 – амплитуда модуляции показателя преломления,
d – толщина голограммы
θi - половина угла между опорной и объектной волнами (в среде)
Таким образом, объемные фазовые голограммы характеризуются наибольшей потенциальной емкостью хранения информации.
Проводимые в течение десятков лет (с 1963 года) исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:
1. Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.
2. Предпочтительно одновременно записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.
3. По типу используемых голограмм наибольшим преимуществом пользуются Фурье-голограммы, регистрируемые в плоскости Фурье-преобразования или вблизи ее, так как они могут быть записаны на малых площадях и инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка. Инвариантность к сдвигу существенно упрощает требования к установке фотоприемника, воспринимающего восстановленное изображение при считывании.
4. Для записи следует использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.
5. В системе голографической памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы.
Пример оптической схемы для реализации голографической системы хранения информации в объемной среде приведен на рис.17.
Рис.3. Оптическая схема реализации голографической памяти с изменяющимся углом падения опорного пучка в объемной среде в режиме записи (А) и считывания (Б) информации.
1 – лазер, 2 – электро-оптический затвор, 3 – вращатель поляризации, 4 – акусто-оптический дефлектор, 5 – линза, 6 – поляризационный светоделитель, 7 – селективное зеркало, 8 – матрицы микролинз, 9 – устройство ввода информации, 10 – линза фурье-преобразования, 11 – регистрирующая среда, 12 – устройство считывания информации, 13 – угловой дефлектор, 14 – дифракционная решетка.
В режиме записи (рис.3а) излучение лазера проходит через электрооптический затвор 2 и попадает на вращатель поляризации 3, после чего отклоняется на заданный угол дефлектором 4. Поляризационный делитель делит пучок на две части с одинаковой поляризацией (обозначена кружком). Одна часть пучка направляется на матрицу микролинз, которая совместно с объективом 5 формирует равномерную засветку устройства ввода информации 9, расположенное в фокусе линзы 10, осуществляющей преобразование Фурье. С противоположной стороны линзы 10 также в фокусе помещен регистрирующий материал 11 для записи голограмм. Вторая часть лазерного пучка проходит систему линз и объективов и направляется на угловой дефлектор 13, который совместно с дифракционной решеткой 14 предназначен для изменения угла наклона опорного пучка для многократной записи голограмм на одном и том же участке регистрирующего материала. Для перехода на следующий участок записи изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, при этом одновременно изменяется положение и опорного и объектного пучков.
В режиме считывания (рис.3б) поляризация лазерного излучения меняется на ортогональную (обозначена стрелкой), при этом излучение лазера проходит поляризационный светоделитель без отражения, формируя пучок, аналогичный опорному пучку при записи. Изменяя угол падения пучка с помощью углового дефлектора 13 можно осуществлять считывание информации восстановленной голограммой с помощью устройства считывания 12. Для перехода на следующий участок голографического материала изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, а затем производится выборка нужной информации изменением угла считывания при помощи углового дефлектора 13.
Проводимые с 1963 года исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:
1) Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.
2) Предпочтительно одновременно записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.
3) По типу используемых
голограмм наибольшим
4) Для записи следует использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.
5) В системе голографической памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы.
Компоненты голографической памяти
Источник излучения
Для обеспечения эффективной записи голограмм требуется коллимированное когерентное излучение лазера. Для обеспечения высокой пиковой мощности желательно использовать импульсный лазер с высокой частотой повторения импульсов (до 106 импульсов в секунду). Большинство используемых регистрирующих материалов имеют наибольшую чувствительность в сине-зеленом диапазоне, однако и при этом условии средняя мощность излучения лазера в одномодовом режиме генерации должна составлять около 1 Вт. В первых экспериментах по созданию голографических систем памяти использовали в основном излучение Ar-лазера на длинах волн λ=0.488 и 0.515 мкм. Однако, коэффициент преобразования электрической энергии в оптическое излучение крайне низок (порядка 0.1%), поэтому габариты таких лазеров и их блоков питания довольно громоздки.
В настоящее время широко используются твердотельные неодимовые лазеры (λ1=1.053…1.070 мкм) с диодной накачкой и преобразованием частоты излучения во вторую гармонику с длиной волны λ2=0.527…0.535 мкм.
Следует также помнить, что использование лазеров с генерацией излучения на более коротких длинах волн обеспечивает увеличение плотности записи информации пропорционально λ-3 (в случае объемной регистрирующей среды).
Дефлектор лазерного излучения
Для точного позиционирования лазерного излучения на поверхности и в объеме голографической регистрирующей среды нужно использовать быстродействующие устройства–дефлекторы (желательно не механического типа), способные изменять направление распространения падающего лазерного излучения. В основном, используют гальванометрические (механические) и оптические (акустооптические и электрооптические) дефлекторы. Быстродействие гальванометрических дефлекторов относительно велико и составляет t∼0.1 мс. В случае акустооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит на акустической волне, созданной в акустооптическом материале с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Изменение несущей акустической частоты приводит к изменению периода решетки и, следовательно, к изменению угла дифракции лазерного излучения на этой решетке. Быстродействие таких устройств определяется, главным образом, временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка и может составлять величину t∼10-6-10-5 с. В случае электрооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит в электрооптическом кристалле при приложении к нему электрического поля. Быстродействие таких устройств определяется, главным образом, временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка и может составлять величину t∼10-6-10-5 с. В случае электрооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит в электрооптическом кристалле при приложении к нему электрического поля. Быстродействие электрооптического дефлектора составляет t∼10-6 с.
Устройство ввода информации
Устройство ввода служит для преобразования цифровых электрических сигналов в матрицу данных, которая помещается на пути объектного пучка, модулируя его в соответствии с заданным распределением сигналов на этой матрице (0 или 1 в двоичном коде). Устройство ввода информации должно обеспечивать:
1) высокое быстродействие (желательно с t∼10-6 с)
2) высокое разрешение (размер каждого элемента матрицы менее 100 мкм)
3) большое количество элементов (1024×1024 элемента)
4) высокий контраст изображения (100:1 и выше)
5) стабильность свойств по отношению к мощному лазерному излучению (до 1 Вт)
- Цифровые деньги
- Цифровые и аналоговые преобразования
- Цифровые измерительные приборы
- Цифровые измерительные приборы
- Цифровые интегральные микоросхемы и их применение
- Цифровые каналы связи
- Цифровые методы модуляции
- Цифровой измерительный прибор
- Цифровой фазометр
- Цифровой фотоаппарат
- Цифровой фотоаппарат
- Цифровой фотоаппарат
- Цифровые видеокамеры Sony. Назначение, устройство, основные технические характеристики
- Цифровые вычеслительные машины
