Цифровые ГЗУ

Балтийский Государственный технический  университет им. Д.Ф.Устинова «ВОЕНМЕХ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему

«цифровые ГЗУ».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент

5 курса гр. Н362

Цыганкова Д.А.

Проверил

Овчинников Г.Р.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010г.

Содержание.

 

 

1. Общие сведения о голографии. Запись и считывание голограмм
2. Запись и считывание голограмм
3. Голографические системы записи и хранения информации.

• Принцип действия и устройства
• Особенности и преимущества голографического метода записи информации
• Компоненты голографической памяти

4. 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

5. Перспективы и разработки голографической памяти

6. Практическое применение цифровых ГЗУ
7. 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 информационного  и опорного лучей в среду записи при ее сдвиге или вращении, а  также комбинации всех этих способов.

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 запоминающего  устройства. Для оптических систем записи информации принципиальным ограничением плотности записи на поверхности  оптического диска является дифракционный  предел, обусловленный волновой природой света и определяющий минимальный  размер пятна в фокусе записывающей/считывающей  оптической системы. Согласно теории оптическое излучение может быть сфокусировано  в пятно с размером ∼λ/2 (где λ – длина волны света). Это значит, что максимальная плотность записи оптической информации может достигать порядка 4/λ², то есть более 10⁹ бит/см². При увеличении объема и плотности записи информации неизбежно возникает необходимость увеличения скорости поиска и выборки нужной части информации. Поиск новых возможностей увеличения информационной плотности записи и скорости выборки информации ведется по многим направлениям, в том числе в области голографии, которая, в силу своих специфических свойств, является одним из наиболее перспективных кандидатов на создание высокоэффективных систем записи и хранения информации.

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/считывания. Поскольку каждая из голограмм одновременно воспроизводит все записанные в ней данные, это позволяет существенно увеличить не только скорость записи, но и считывания информации с оптического голографического диска. Поэтому, голографические системы памяти могут быть легко интегрированы для взаимодействия с оптическими компьютерами, где реализуется принцип параллельности обработки информации. Параллельный доступ ко всей информации, хранящейся в голографическом запоминающем устройстве, делает возможным извлечение полезной информации за время одного периода обращения, то есть существенно уменьшается время считывания. В настоящее время скорость «оптического» считывания информации в голографических системах памяти достигает 10 Гбит/сек, а с учетом перевода информации в электронный вид – около 1 Гбит/сек.