Синтезированные голограммы

     Принцип  действия  ГЗУ  состоит  в  следующем.  Битовая информация,  т.е. 0 или 1, с  помощью  пространственного  модулятора света  вводится  в  объектный  пучок,  падающий  на  поверхность  регистрирующей  среды,  на  которую  направляется  также  и  опорный  пучок. Так регистрируется голограмма. При ее освещении параллельным пучком  на  обращении  она  формирует  копию  объектного  пучка, распространяющегося  в  обратном  направлении,  и,  тем  самым, восстанавливает  изображение  зарегистрированной  страницы информации.  Воспроизведенная  таким  образом  цифровая  информация считывается  с  помощью  матрицы  фотоприемников,  располагаемых  в плоскости  фокусировки  страницы.  При  этом  высокая  угловая селективность объемных голограмм, достигающая для сред толщиной в 1  см  величины  порядка 0,0010,  позволяет  осуществлять  их мультиплексирование, т.е. позволяет  записывать множество независимо восстанавливаемых  голограмм в одном объеме регистрирующей среды.

     Смена  страниц  информации  может  осуществляться  различными способами,  например,  изменением  угла  падения  восстанавливающего пучка  лучей  или  изменением  положения  этого  пучка  на  поверхности регистрирующей  среды.  Комбинированные  способы  смены  страниц, содержащие оба указанных варианта, обычно используются в системах памяти, выполняемых на основе трехмерных голографических дисков.

       Основным  сдерживающим  фактором  в  развитии  голографических  систем  памяти  долгие  годы  являлось  отсутствие  регистрирующие  среды,  пригодной  для  мультиплексной  объемной  голографической записи.  

       Ситуация  изменилась  в  конце   девяностых  годов  с разработкой   объемных  фотополимерных  сред  для  объемной голографической   записи.  Наиболее  перспективной  из  них  в  настоящее время считается фотополимер Aprilis, разработанный Aprilis Inc., США. Фотополимерные  регистрирующие  среды фирмы Aprilis в настоящее время являются практически единственными средами, пригодными для промышленного внедрения в системах голографической памяти.  Более 15  компаний  в  мире  вели  до  последнего  времени  разработку голографических систем памяти, базирующихся на этих фотополимерах. На  сегодняшний день  победителями  этой  гонки стали американская компания InPhase Technologies и японская Optware. Так,  американская компания InPhase Technologies сообщила  о совместной  разработке  с японской фирмой Hitachi Maxell Ltd голографического диска, размером с диск DVD, способного хранить 300 Гбайт информации, что примерно в 60  раз превышает емкость диска DVD, и обладающего скоростью доступа к информации в 10 раз превышающую скорость, реализуемую в DVD  системах.  Скорость  записи  информации  составляет 23 Мб  в секунду при времени экспонирования 1 страницы 2,7 мс.  При этом плотность  хранения  информации  достигает 515 Гбит  на  квадратный дюйм. Диск может содержать 320 страниц информации, содержащих 1,3 миллиона бит каждая, что соответствует 20 художественным фильмам, записанным на одном и том же диске. Информация записывается во всей толщи диска,  составляющей  примерно 1,5 мм,  методом углового мультиплексирования.  Шаг мультиплексирования составляет 0,067 градуса.  Рабочая длина волны записи  и считывания  информации составляет 407 нм.  Запись  и считывание  информации  в  системе осуществляются  двумя  разными  лазерными  чипами  с  одинаковыми характеристиками.  Модуляция  опорной  волны  в  устройстве осуществляется  с  помощью  мегапиксельного микроэлектромеханического  зеркального устройства. InPhase Technologies  обещает выпустить диски и соответствующие системы памяти в свободную продажу. По словам Ron Tarasoff, вице-президента фирмы Turner Entertainment – дистрибьютора голографических систем памяти,  розничная цена  дисков  не  будет превышать 100 долларов.

     Сначала предполагается выпуск в продажу дисков емкостью 400 Гб. В дальнейшем,  в  течение  ближайших 5 лет,  компания  предполагает выпускать  линейку  систем  голографической  дисковой  памяти  с емкостями от 800 Гб до 1,6 Тб при скоростях доступа к информации 120 Мбит в секунду. 

     Рассмотрим  поподробнее  используемую  в  указанных  системах дисковой  памяти  оригинальную  коллинеарную  голографическую  технологию  записи  и  считывания  информации,  основанную  на использовании  традиционного  для  систем  оптической  памяти предварительно  отформатированного  отражающего  слоя  и пространственного  мультиплексирования  информации.

     Предназначенные  для  использования  в  системе  диски  выполняются  на прозрачной пластиковой подложке, на поверхность  которой спирально нанесена дорожка  пит, используемых для адресации точно так же, как это делается в обычных CD  и DVD дисках. Поверхность дорожки пит покрыта отражающим  слоем из  алюминия.  Поверх  слоя  алюминия  на диск нанесен прозрачный слой полимера, полностью закрывающий питы и имеющий плоскую верхнюю поверхность.  На  нее нанесено многослойное  диэлектрическое зеркало,  отражающее  излучение сине-зеленой области спектра и пропускающее  излучение красной области спектра. На диэлектрическое покрытие нанесен тонкий защитный слой полимера. Поверх него нанесен слой голографической фотополимерной регистрирующей  среды,  защищенный  сверху  еще  одним  защитным полимерным слоем.   Сервоинформация  с диска считывается на отражение через регистрирующую  среду и многослойное диэлектрическое зеркало с помощью сфокусированного  излучения лазерного диода, излучающего в красной области спектра. Реализуемые в  системе  принципы  адресации  и  фокусировки  оптической  головки совершенно идентичны тем, что реализуются в CD системах, и поэтому не требуют каких-либо устройств дополнительной юстировки и защиты от вибраций. 

       Запись  информации  на  диске   осуществляется  с  помощью  излучения лазерного диода, работающего в синей области спектра. Это излучение проходит через расширитель пучка, после чего направляется на  работающий  на  отражение микрозеркальный  пространственный модулятор света.  В центральной области апертуры  модулятора отображается  фазовое изображение страницы  записываемой информации,  а на  ее  периферии – изображение кольцевой зоны радиальной  дифракционной решетки,  предназначаемой для формирования  опорного  пучка лучей.   При этом  каждая  из  страниц информации  отображается  в виде  совокупности  субстраниц, пространственное  расположение  которых и объем хранящейся  в них информации  определяется  аберрационными  свойствами  основного высокоапертурного  объектива оптической  головки.  Сформированные  с помощью пространственного модулятора  света опорный  и объектный пучки  лучей  пропускаются  через  четвертьволновую  пластинку, изменяющую состояние их поляризации с линейной на круговую. Затем они  проходят  через  основной  объектив  головки,  отражаются  от находящегося  на  диске  многослойного  диэлектрического  зеркала  и фокусируются  в  объеме  регистрирующей  среды.  Там  они  формирую объемную  пропускающую  голограмму  страницы  информации. Считывание  информации  осуществляется  аналогичным  образом. Отличие  процедур  считывания  и  записи  информации  состоит  лишь  в том,  что  на  стадии  считывания  информации  на  пространственном модуляторе  света  отображается  лишь  кольцеобразная  радиальная дифракционная  структура,  формирующая  восстанавливающий  пучок лучей.  Считывание  восстановленных  страниц  информации осуществляется с помощью высокоскоростного CMOS приемника. При этом число пикселей фотоприемного устройства выбирается примерно в три раза  большим,  чем число пикселей  пространственного модулятора света.  Это позволяет существенно упростить алгоритм  распознавания бит информации. Изменение пространственной частоты дифракционной структуры,  формирующей опорный пучок лучей,  позволяет осуществлять  мультиплексирование регистрируемых  страниц информации. При этом динамический диапазон используемой в системе регистрирующей  среды позволяет осуществлять  запись  до 20 страниц информации на одном и том же ее участке.

     Такой  вариант  технологии  голографической  записи  информации назван разработчиками коллинеарной технологией, поскольку  в ней все пучки лучей,  используемые на стадиях адресации, записи и считывании информации практически сосны и фокусируются в толщу диска одним и тем же объективом. 

     По  заключению  разработчиков,  технология  коллинеарной голографической  записи  информации  будет  принята  в  качестве основной при создании следующих  поколений относительно простых  и недорогих систем голографической  дисковой памяти.  
 

4.2 Голографические проекционные системы

     Сообщается  о  выполненной  недавно  созданной  английской компанией Light Blue Optics в сотрудничестве  с Cambridge University Engineering Department, разработке  компактного голографического проектора двумерных изображений, предназначаемого для встраивания в ноутбуки,  мобильные  телефоны  и  прочие  портативные  цифровые устройства.  По  информации  специалистов  компании  им  удалось преодолеть  основные  недостатки  голографических  проекционных систем,  заключающиеся  в  их  чрезвычайной  сложности  и, соответственно,  высокой  стоимости.  Разработанное  ими  устройство состоит из микропроцессора, выполненного в виде одной микросхемы, несущей  на  своей  поверхности  работающий  на  отражение малогабаритный  жидкокристаллический  пространственный  модулятор света  с  электронной  адресацией  и  полупроводникового  лазера.  С помощью микропроцессора по поступающему на его вход стандартному композитному  видеосигналу  осуществляется  расчет  и  отображение синтезированной  голограммы,  восстановление  которой  лазерным излучением  приводит  к  формированию  требуемого  двумерного изображения  на  любом  внешнем  экране.  Проекционный  объектив  в устройстве  не  используется,  поскольку  синтез  голограммы осуществляется  с  учетом  расстояния  от  проектора  до  экрана.

     Быстродействие  процессора  и  пространственного  модулятора  света позволяет  отображать  не  только  статические  изображения,  но  и видеофильмы  со  стандартной  частотой  смены  кадров.  Действующий макет  описанного  голографического  проектора  был  недавно продемонстрирован  в  St John's Innovation Centre, Cambridge, UK. По оценкам присутствующих  на  демонстрации  проектора экспертов формируемые с помощью проектора изображения отличались высокой четкостью и яркостью  и вполне  были  пригодны  для практического использования.  Промышленный  выпуск  таких  проекторов  Light Blue Optics  планирует начать  в ближайшие годы.  В последующем предполагается  на  основе  этого устройства  разработка  и выпуск проекционных систем для трехмерного цветного телевидения.      Применение  голограммных  оптических  элементов в бытовой проекционной технике позволило фирме CLARO создать проекционную телевизионную систему с экраном,  выполненным в виде  фазового голографического  рассеивателя.  На  вид рассеиватель  представляет собой прозрачную  стеклянную  пластину  размером 1,5 х 1,0 м2  и толщиной 10 мм.  В ее  центре,  в зоне  с размерами 814 х 610 мм2, нанесена  фазовая объемная  голограмма.  Наблюдаемое на голографическом экране цветное двумерное изображение проецируется на  него  с помощью обычного  цифрового проектора,  устанавливаемого на расстоянии  1,5 метров за экраном. Взаимное расположение экрана и проектора выбрано таким,  чтобы за  счет  угловой селективности голограммной  структуры экрана  обеспечить  отсутствие  в поле  зрения зрителей  нежелательных бликов  и отражений.  Голографическая телевизионная система Claro Holographic TV, состоящая из голографического  экрана,  проектора и специально  разработанной акустической  системы с прозрачными стеклянными рупорами коммерчески доступна  и уже появилась на  рынке.  Ее  цена  составляет 25000 английских фунтов.  

     Другой,  трехмерный,  вариант  голографической  телевизионной системы  разрабатывается  в  настоящее  время  немецкой  компанией SeeReal.  На  выставке SID 2007 специалисты этой  компании продемонстрировали  прототип  трехмерной  голографической телевизионной системы с экраном 20 дюймов.  Выбранные ими технические решения позволили обойти  принципиальные  трудности, обычно  сопровождающие  создателей  голографических трехмерных дисплеев,  а именно:  чрезвычайно большое требуемое число и малый размер  обрабатываемых  пикселей,  формирующих изображение голограммы,  и большой объем требуемых вычислений.  Специалисты компании SeeReal пошли по  пути  создания  системы с вынесенным зрачком,  что позволило обойти  указанные выше  проблемы  за  счет сведения  до  минимума  числа возможных зрителей.  В их  устройстве, предназначенном для одного  зрителя,  каждая  точка наблюдаемого трехмерного пространства формируется субголограммной, содержащей 8х8  пикселей.  Чрезвычайно малый выходной  зрачок  устройства обусловил необходимость введения в его состав специальной сервисной системы,  отслеживающей  положение  глаз  зрителя.  По  прогнозам представителя компании Mark Thorsen в ближайшие годы они расширят число возможных зрителей их голографической системы и выйдут с нею на  рынок.  Необходимые для этого технические решения ими уже найдены. 
 

     5. Список литературы: 

• Г. Колфилд «Оптическая голография», т.1, М. - 1982г.
• М. Миллер «Голография», Л. – 1979г.
• М.Морозов, И.В. Кононов «Оптические голографические приборы», М. – 1988г.
• М.Фансон «Голография», М. – 1972г.
• Ярославский, Мерзляков «Цифровая голография», М. – 1982г.
• Короленко «Оптика когерентного излучения», М. – 1997г.
• Слабко «Принципы голографии», Соровский образовательный журнал, №7, 1997г.
• Корешов «Основы голографии и голограммной оптики», СПб, -2009г.