Системы и устройства оптико-голографической памяти

Системы и устройства  
оптико-голографической памяти

Учебное пособие

2-е издание

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 004.072.3+535.512(075.8) 
ББК 22.243.4 
        C40 
 
 

 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент В. И. Алехнович, 
канд. техн. наук С.А. Болотнов 

Авторы: 
С.Б. Одиноков, Н.М. Вереникина, Д.С. Лушников, 
В.В. Маркин, А.С. Подгородняя 

ISBN 978-5-7038-5133-3  

Рассмотрены основные типы систем хранения цифровой информации на оптических носителях, приведены требования к этим системам, 
определены их наиболее важные характеристики и параметры. Проанализированы методы наложения микроголограмм на голографический 
носитель. 
Помимо этого представлены оптические схемы регистрации одиночных голограмм в системах оптико-голографической памяти, метод 
компьютерного синтеза голограмм Фурье и оптическая схема для их записи на голографический носитель. 
Для студентов, изучающих курсы «Прикладная голография», «Методы и технологии компьютерной оптики», «Системы оптической обработки информации». 
 
 
УДК 004.072.3+535.512(075.8) 
ББК 22.243.4 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5133-3                                               МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

С40

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/112/book1996.html 

 
Системы и устройства оптико-голографической памяти : 
учебное пособие / [С. Б. Одиноков и др.]. — 2-е изд. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 110, [2] с. : ил. 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие «Системы и устройства оптико-голографи- 
ческой памяти» является первой попыткой систематического изложения вопросов выбора, расчета, проектирования, создания и 
внедрения систем оптико-голографической памяти (ОГП) и в основном содержит информацию, относящуюся к последнему десятилетию. 
Пособие состоит из двух глав. В первой главе «Анализ систем 
и устройств памяти» рассмотрены основные типы систем хранения 
цифровой информации на оптических носителях, включая оптические системы с побитовой записью и с голографической записью 
информации; изложены принципы построения систем ОГП, приведены требования к этим системам, определены их характеристики и параметры. Помимо этого проанализированы методы наложения микроголограмм на голографический носитель, позволяющие 
увеличить плотность записи информации, а также представлены 
сведения о современном состоянии разработок систем ОГП и ведущих мировых лидерах в этой области. 
Во второй главе «Компьютерный синтез микроголограмм 
Фурье» дан анализ оптических схем регистрации одиночных голограмм (микроголограмм) страничной оптической памяти, определены требования к оптическим схемам регистрации и восстановления голограмм в системах ОГП. 
Анализ нынешнего состояния разработок в указанной области 
позволил выявить ряд перспективных усовершенствований, а также 
выработать требования к узлам и блокам оптико-голографических 
систем записи микроголограмм на голографический диск. 
Впервые представлен новый проекционный метод получения 
голографического носителя для долговременного хранения цифровой информации. Исследован процесс записи компьютерносинтезированных микроголограмм Фурье и показаны преимуще

ства расчета интерференционного поля микроголограмм Фурье на 
компьютере. Проведен анализ характеристик дополнительной фазовой маски, необходимой для сглаживания спектра голограммы. 
В ходе исследования влияния параметров пространственновременного модулятора света на пространственно-частотный 
спектр микроголограммы показано, что возможно восстановление 
микроструктуры голограммы без искажения, вызванного неинформативными порядками дифракции света на модуляторе. Представлена проекционная оптическая система записи микроголограмм на регистрирующую среду с одновременной фильтрацией 
информационной части пространственно-частотного спектра. 
Этот метод в отличие от традиционного двухлучевого метода 
получения голограмм позволяет существенно упростить схему записи, снизить требования к оптическим элементам и механическим узлам, улучшить эксплуатационные характеристики и уменьшить стоимостные параметры системы ОГП. 
После освоения материала учебного пособия студент должен 
уметь: 
 анализировать профессиональную информацию; 
 выделять в ней главное, структурировать ее, оформлять и 
представлять в виде аналитических обзоров с обоснованными выводами и рекомендациями; 
 собирать и анализировать научно-техническую информацию 
по тематике исследования, учитывать современные тенденции развития и использовать достижения отечественной и зарубежной 
науки, техники и технологии в профессиональной деятельности; 
 владеть методами расчета и проектирования элементов  
и устройств, основанных на различных физических принципах 
действия; 
 экспериментально исследовать (в том числе выполнять 
наладку, настройку, юстировку и опытную проверку) отдельные 
компоненты и узлы, а также всю систему ОГП; 
 рассчитывать оптические схемы записи и восстановления 
голограмм Фурье и Френеля. 
В результате освоения материала учебного пособия «Системы 
и устройства оптико-голографической памяти» студенты получают следующие теоретические знания: основные типы систем хранения цифровой информации на оптических носителях и направ

ления развития систем ОГП; принципы построения оптических систем ОГП; требования к элементной базе устройств ОГП; типы голограмм, применяемым в устройствах ОГП; сравнительный анализ 
оптических схем получения голограмм Фурье; задачи фазового 
кодирования и пути его реализации с учетом особенностей используемых пространственно-временных модуляторов света; особенности компьютерного синтеза микроголограмм Фурье; принципы построения оптической системы записи компьютерно-синтезированных микроголограмм Фурье на голографический носитель. 
Студенты приобретают навыки расчета оптических схем записи и восстановления голограмм Фурье, а также практические 
навыки расчета световых, энергетических, фотометрических и информационных величин, необходимых для записи и восстановления голограмм. 
Пособие предназначено для студентов старших курсов МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Прикладная голография», «Методы и технологии компьютерной оптики», «Системы 
оптической обработки информации», а также может быть использовано при выполнении курсового проекта и подготовке выпускных квалификационных работ. 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Одной из главных задач современного этапа развития информационных технологий, связанных с обработкой больших объемов 
информации, является компактное и долгосрочное хранение данных. Актуальность этой задачи обусловлена колоссальным объемом (и его лавинным ростом) хранимой информации (в 2000 г. 
был записан 1 ЭБ (1018 байт) информации, в 2006 г. — 2 ЭБ), т. е. 
по оценкам специалистов, требования к емкости систем хранения 
информации возрастают примерно на 60 % в год.  
В настоящее время основными носителями информации являются: жесткие диски (работающие на магнитном эффекте), оптические диски (Blu-Ray, DVD, CD, на которые данные записываются с помощью лазерного излучения) и твердотельные носители 
(флеш-память). 
Для архивного хранения информации наиболее пригоден  
оптический метод. Основные преимущества оптических дисков 
перед жесткими дисками и флеш-памятью: энергонезависимость 
(после записи данных для их хранения не требуется подавать питание на носитель); отсутствие механического контакта головки 
устройства чтения с носителем; долгий срок хранения информации. 
Согласно исследованиям, оптические диски с защищенным неорганическим материалом могут хранить информацию до 30 лет, жесткие диски и твердотельные накопители необходимо менять не реже чем через пять лет. 
Массовое внедрение систем оптической памяти началось  
с принятия в 1982 г. международного стандарта на аудио компактдиск (Сompact Disc — CD), где запись / воспроизведение данных 
проводится с помощью сфокусированного пучка лазерного излучения на диске диаметром 120 мм. 
Технологии, позволяющие увеличить плотность записи информации и скорость ее записи / считывания совершенствуются 
постоянно, однако емкость и быстродействие устройств памяти,  

Рис. В1. История и перспективы развития систем памяти: 
АСМ — атомно-силовой микроскоп; MR — магниторезистивные головки; 
GMR — гигантские магниторезистивные головки; HDD — запоминающее 
устройство, основанное на принципах магнитной записи 
 
а значит и достижимая плотность записи информации, ограничиваются физическими барьерами (рис. В1). 
Существенный прирост объема хранимой информации можно 
получить, используя оптические системы, в которых запись 
осуществляется в оптическом материале. Основной метод хра- 
нения объемных изображений — голографический. Одним из эффективных путей решения указанной задачи является развитие 
технологии трехмерной ОГП, позволяющей достичь высокой информационной емкости, а также рекордной скорости записи информации на оптический носитель и считывания ее. Это возможно 
благодаря: 

а) переходу от последовательной записи / считывания битов 
информации к двухмерному (параллельному) вводу / воспроизведению одновременно 1 млн бит данных (рис. В2); 
б) организации наложенной (мультиплексной) голографической записи многих голограмм с последующим селективным восстановлением каждой голограммы, что позволяет использовать 
информационный ресурс объемной регистрирующей среды. 

 

Рис. В2. Схемы организации оптической памяти: 
а — побитовая (запись на поверхности, 1 бит за импульс); б — постраничная  
(голографическая, запись в объеме страницы: 60 000 бит за импульс) 
 
Устройства ОГП обеспечивают высокую защищенность, надежность, помехоустойчивость и продолжительное время хранения информации благодаря большой избыточности записи, поскольку 
каждая единица информации записывается в голограмме в виде 
интерференционной картины, распределенной по всему объему 
регистрирующей среды. В этом случае неконтролируемая потеря  
в среде части картины не влечет за собой потерю всей единицы 
информации. 
При записи информации в виде голограмм используется классический подход: интерференционная картина формируется и фиксируется между предметным и опорным пучками лазерного излучения. Применение микроголограмм Фурье способствует повышению 
плотности записи информации на носителе. Использование объемных фоточувствительных сред с высоким динамическим диапазо

ном позволяет применять наложение (мультиплексирование) голограмм, что значительно увеличивает информационную емкость носителя. Последние достижения в области разработки голографических материалов показали возможность записи до 500 ГБ данных на 
носитель, физические размеры которого соответствуют размерам 
обычного СD-диска. 
Таким образом, голографическая технология хранения информации является очень перспективной, и на ее разработку направлены усилия многих научно-исследовательских коллективов во 
всем мире. При этом основной проблемой является громоздкость  
и высокая стоимость используемого для записи оборудования. По 
последним оценкам, цена такого оборудования может составить 
18 000 долл., а стоимость одного голографического диска — 180 
долл., поэтому разработка более дешевых методов записи голограмм вызывает особый интерес. 
В качестве альтернативы классическому двухлучевому методу 
записи голограмм предлагается использование методов компьютерного синтеза голографических дифракционных элементов.  
В этом случае страница данных с помощью численного расчета 
кодируется и проецируется на голограмму. Скорость такого кодирования с использованием современных вычислительных средств 
может достигать 1000 страниц в 1 с. Голограмма представляется в 
виде цифрового изображения, которое с помощью пространственно-временного модулятора света (ПВМС) вводится в оптическую 
систему, проецирующую компьютерно-синтезированную голограмму на носитель. Разрешающая способность современных 
коммерчески доступных ПВМС позволяет осуществить одновременный вывод до 250 КБ информации. При этом линейные размеры голограммы, спроецированной на фоточувствительную среду, 
могут составлять несколько миллиметров. Преимущество такого 
подхода заключается в отсутствии необходимости использовать 
точные многолучевые голографические схемы. 
Системы и устройства ОГП, в том числе с использованием 
компьютерного синтеза, так же как компьютерная голография и 
компьютерная оптика (голограммные оптические элементы, дифракционные оптические элементы), являются современными и 
перспективными направлениями развития прикладной голографии. 
 

1. АНАЛИЗ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ ПАМЯТИ 

1.1. ДИСКОВЫЕ СИСТЕМЫ 
ПОБИТОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ 

Системы оптической памяти для записи, хранения и воспроизведения информации, известные более 30 лет и в настоящее время 
получившие широкое распространение, продолжают интенсивно 
развиваться. Условно их можно подразделить на две основные 
группы:  
1) системы побитовой (bit-by-bit) оптической памяти;  
2) системы постраничной (page-by-page) ОГП. 
Внутри этих групп можно выделить системы с записью информации на поверхности оптического носителя (системы типа 
2D) и системы с записью информации в объеме оптического носителя (объемные системы, или системы типа 3D) [1].  

Системы записи и считывания информации, 
формируемой на поверхности 
оптического носителя (типа 2D) 

В настоящее время существует несколько вариантов поверхностной, или двухмерной (2D), регистрации и воспроизведения 
информации. 
На оптическом металлизированном диске цифровая информация закодирована в виде ряда информационно-несущих углублений 
(питов), расположенных вдоль дорожек по спирали, распространяющейся от центра к периферии [2]. Отражающие информационные 
питы соответствующей глубины предназначены для создания модуляции интенсивности отраженного сигнала. 
В дальнейшем технология CD была применена для записи, 
хранения и воспроизведения видеоинформации, а также для хра