Голография: иллюзия, вмещающая реальность

От многих аналитиков можно слышать еще не совсем уверенный, но постоянно упоминаемый прогноз о возможной тотальной экспансии энергонезависимой NAND флеш-памяти в области хранения данных, причем как в сфере мобильных устройств, так и в стационарных компьютерах. Успехи Blu ray показывают, что оптические диски напрочь списывать не стоит. А, как выяснилось, вовсе не они являются вершиной технологии в данной сфере. Несколько известных компаний ведут активные разработки в области создания новых, в несколько раз более вместительных и быстро читаемых носителей, которые станут выгодной альтернативой имеющимся на сегодняшний день устройствам хранения данных.

История

Первая голограмма была получена задолго до изобретения лазеров. В 1947 г. венгерским физиком Деннисом Габором (Dennis Gabor) был получен патент на изобретение голографической записи, которая была им разработана случайно: в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа, проводившихся в Британской Томсон-Хьюстоновской компании в английском городе Рэгби (British Thomson-Houston Company, Rugby, England). Его работа была награждена Нобелевской премией в 1971 г.

Он же стал автором слова «голография», которым подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Это достижение стало осуществимым во многом благодаря смежным работам таких физиков, как Мечеслав Вольфке (Mieczysław Wolfke).

Исследования в данной области не были продуктивны до 1960 г., когда были изобретены красный рубиновый (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неоновый (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеры, так как получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно. Ну а после создания лазера голография начала интенсивно развиваться.

Первая 3D-голограмма была записана Юрием Денисюком (Yuri Denisyuk) в Советском Союзе в 1962 г., а позднее в том же году – Эмметом Лейтом (Emmett Leith) и Юрисом Упатниксом (Juris Upatnieks) в Мичиганском университете в США (University of Michigan, USA).

Усовершенствования в области фотохимии, позволившие создавать высококачественные голограммы, разработаны Николасом Джей Филипсом (Nicholas J. Phillips).

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Денисюк (Yuri Denisyuk) получил высококачественные голограммы, которые восстанавливали изображение отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи, получившая название схемы Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Наиболее многообещающее изобретение в короткой истории рассматриваемой технологии – массовое производство дешевых твердотельных лазеров, широко применяемых в миллионах DVD-рекордеров, оказавшихся полезными и в области голографии. Эти компактные, дешевые лазеры вполне могут сменить дорогие, большие, газовые лазеры, ранее использовавшиеся для создания голограмм. Потому теперь есть возможность для широкого применения данной разработки в научных исследованиях, для хранения различного рода данных.

Принцип голографической записи

Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал, в результате чего на нем возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, зрителю с различной степенью точности будет виден тот же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Схемы записи голограмм

Схема записи Ю. Денисюка

В 1962 г. русский физик Юрий Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон, так называемая схема на встречных пучках. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкие участки и отражает только их, т.е. выполняет роль светофильтра. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зелёным и синим лазерами, получив тем самым одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера, имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз, число необходимых для записи голограмм предметов сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которую закрепляется лазер, пластинка и объект. Потому именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Схема записи Лейта-Упатниекса (1962)

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством — делителем — на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера, которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров, и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов, однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

Технология записи голографических дисков

Современные методы записи на носители основаны на последовательных принципах, когда в каждый определенный момент времени на их поверхность может быть записан только один бит информации. В случае с голографией все обстоит иначе: здесь процесс основывается на параллельном методе — единственная вспышка лазера формирует пространственную запись миллионов битов информации в пространстве, ограниченном структурой носителя. Процесс записи данных на поверхности и в глубине носителя называется мультиплексированием.

В общих чертах принцип голографической записи выглядит достаточно просто. Световой поток разделяется на два луча: опорный (reference beam) и объектный (signal beam). Последний обеспечивает запись данных, а опорный остается неизменным. Цифровые данные формируют «образ» объектного луча при помощи пространственного светового модулятора Spatial Light Modulator (SLM), преобразующего последовательность нулей и единиц в массив черных и белых точек — создается подобие решетки (interference pattern), в которой просветы соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку просвечивает объектный луч, имеющий на выходе точную копию текущего состояния решетки пространственного светового модулятора. Чем больше разрешающая способность SLM, тем большую порцию данных может запечатлеть объектный луч в текущий момент времени и на сегодняшний день эта цифра составляет миллионы битов.

После преобразования в SLM уже несущий определенный набор данных объектный луч проецируется на физический носитель (storage medium). В точку проекции направляется и опорный луч, пересекаясь в ней с объектным. В этот момент происходит химическая реакция, которая и лежит в основе записи информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Если изменять длину волны опорного луча, угол его наклона или пространственное положение носителя, в один момент времени можно записать множество разных голограмм.

Есть несколько способов выполнения мультиплексирования, например, при помощи варьирования угла наклона опорного луча. К сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как, например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать настоящей революцией на рынке хранения данных.

Считывание записанных голограмм обеспечивается одним опорным лучом (reference beam), который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на чувствительный элемент (detector array). Этот же элемент преобразует попадающую на него решетку данных в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же путем, который применяется и при записи, — изменением угла наклона опорного луча, положения носителя.

Для осуществления голографической записи потребовалось разработать особый тип носителя, сочетающий большую светочувствительность, прочность, дешевизну и стабильность. Немаловажным требованием были и приемлемые линейные размеры носителя. Всем этим критериям, по мнению разработчиков, соответствуют фотополимерные диски. Диаметр их ненамного превышает диаметр современных дисков и составляет 130 мм. Они помещены в картриджи наподобие первых моделей DVD-носителей, так как попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, которая необратимо разрушит записанные данные.

На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase Technologies уверяет, что в 2008 г. появятся и перезаписываемые носители.

Безопасность данных

Компании-разработчики уделили огромное внимание безопасности информации, что закрепило security-качества, которыми обладают голографические диски уже в силу особенностей технологии записи.

1) При голографическом «чтении» невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от других оптических и жестких дисков: данные находятся в толще носителя, что уже намного затрудняет несанкционированный доступ.

2) Каждый голографический накопитель снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод прежде всего обращается к этой информации, а если она зашифрована, считывание данных без необходимых сведений будет неосуществимо.

3) Нанесение особых меток, считывание и распознавание которых необходимо. Они расположены глубже, с определенными координатами. Чтобы преодолеть данный тип защиты, требуется лазер с иной длиной волны, которым не оснащаются приводы для массового потребителя.

4) В диапазоне от 403 до 407 нм варьирует длина волны используемого для записи в голографических приводах лазера. На этом может основываться еще один эффективный способ защиты данных: дисковод, использующий лазер с неверной длиной волны не сможет прочитать диск.

5) В качестве еще одного метода защиты от несанкционированного доступа может служить привязка диска к микропрограмме каждого определенного привода и использование встроенных средств защиты.

Преимущества перед Blu ray:

1) больший объем: 1,6 Тб против 50 Гб;

2) большая скорость записи/считывания информации: 120 МБ/cек против 26 МБ/сек;

3) длительный срок службы (до 50 лет).

Сегодняшние наработки

Голографическая система записи Tapestry, на разработку которой потрачено более 8 лет, была представлена на выставке NAB Show 2008 в Лас-Вегасе в апреле, а в мае 2008 г. InPhase Technologies объявили о начале ее продаж.

Система состоит из покрытых специальным материалом пластиковых дисков диаметром 120 мм, размещенных в картриджах. Голографические изображения наносятся на поверхность дисков с помощью голубого лазера с длиной волны 405 нм — аналогичным используемому в Blu ray. Как утверждает InPhase Technologies, такие диски могут служить до 50 лет. В данный момент они могут хранить 300 Гб, 800 Гб и 1,6 Тб данных, чего удалось достичь следующим образом. Можно хранить больше голограмм на том же количестве материала, совмещая не только страницы, но и книги данных. Страница данных — это около 1 млн. бит, записанных при одной экспозиции лазера. Каждая страница данных располагается по своему адресу, а на одном и том же месте материала может быть записано несколько сотен таких страниц (до 252), что составляет книгу. Последние достижения позволяют записывать «внахлест» не только страницы, но и книги — до 15 штук.

Скорость записи и считывания данных с носителей системой Tapestry составляет от 20 до 120 МБ/сек (прямопропорционально объему носителя). Её цена на данный момент составляет $18 000. В линейке приводов InPhase представлено три модели:

WORM Gen 1 tapestry 300r 300 Гб, 20MБ/сек;

WORM Gen 2 tapestry 800r 800 Гб, 80MБ/сек;

WORM Gen 3 tapestry 1600r 1,6 Tб, 120MБ/сек.

По принципу работы данная система во многом схожа с системой UDO от Plasmon, которая использует голубо-фиолетовый лазер для записи и считывания данных. Главные недостатки UDO — меньший объём диска (120 и 240 Гб), более низкая скорость записи/считывания данных, которая составляет всего 12 МБ/с. Правда, прогнозируемый срок службы у неё тот же – 50 лет. На рынке эта система пока не представлена.

Схожие наработки имеет компания Maxell. Ее сотрудники наряду с InPhase Technologies планировали, что уже в 2007 г. появятся их новые оптические носители — голографические диски объемом 300 Гб. Этого пока не произошло. В 2008 г. у них в планах создать второе поколение новых носителей емкостью 800 Гб, а к 2010 г. ими будут представлены и 1,6 Тб диски. В настоящее время Maxell работает сразу в нескольких направлениях: разрабатываются диски различных размеров, начиная от совсем маленьких и заканчивая классическими 12 см носителями. Для потребительского рынка появятся диски объемом 75 или 100 Гб. Что касается скорости передачи данных новых дисков, то для 300 Гб носителя скорость составляет 20 МБ/с. Как и следовало ожидать стоимость оптических накопителей и дисков к ним столь же велика как и у пионера InPase: на первых порах за голографический привод придется заплатить $15 000, а за диск $120-180.

Наряду с упомянутым, Hitachi Maxell создали голографический носитель HROM и на выставке CEATEC представили работающий на нем прототип системы воспроизведения аудио. Их носители имеют небольшие на сегодня объем 4 Гб и скорость передачи данных – 16 МБ/с. Однако стоит принять во внимание чрезвычайно компактные размеры носителя – немногим больше обычной почтовой марки. Касательно стоимости устройств разработчики отмечают, что цена во многом будет зависеть от объемов налаживаемого производства, но не должна превышать нескольких долларов за один носитель.

Разработки в сфере голографии оказались продуктивны и для Sony. Существующая у них технология позволяет записывать информацию с плотностью 180 Гбит на квадратный дюйм. А в ноябре 2007 г. им удалось довести плотность голографической записи до 270 Гбит на квадратный дюйм. Таким образом, появилась возможность создавать голографические носители информации в 1,5 раза большей емкости. Но когда новая технология Sony будет поставлена на коммерческие рельсы, пока не сообщается.

В апреле 2006 г. представитель компании Daewoo заявил о создании устройства HDDS — Holographic Digital Data Storage (голографический накопитель). Состоит оно из двух подсистем, которые включают электро-оптическую систему контроля, основанную на комплектующих National Instruments (NI), в числе которых контроллер CompactRIO FPGA и видеодекодирующая плата Xilinx FPGA. Голографический накопитель Daewoo работает по тому же принципу, что и устройство компании InPhase Technologies. В качестве носителя информации им используется голографический диск традиционного CD-размера. Несмотря на относительную давность сообщений, до сих пор ни слова о коммерческом внедрении новой технологии пока нет.

Трудности в создании, пути их решения

1)Главной проблемой, с которой сталкивались разработчики систем – необходимость размещения двух оптических систем по разные стороны от носителя информации (первая отвечает за формирование первоначального луча, а вторая — за прием прошедшего через диск измененного сигнала, т.е. считывание информации), а значит и отсутствовали возможности для создания компактных приводов. Но инженерам удалось обе системы расположить с одной стороны от голографического носителя и вторичный сигнал направить к приемнику благодаря наличию отражающего слоя на обратной стороне самого носителя информации.

2)Половина пространства в голографических носителях недоступна для записи данных, так как она используется программным обеспечением для коррекции ошибок. Новая технология компании Sony позволила уменьшить количество ошибок до коррекции. Теперь этот показатель не превышает 10%. А потому со временем придумают способ более экономного расходования дискового пространства.

3)Подверженность световому воздействию: электромагнитное излучение с длиной волны, близкой к световой, вызывает реакцию в регистрирующей среде, что вызывает искажение и повреждение записанных данных — размещение дисков в непрозрачных картриджах позволило снизить вероятность потери информации.

3аключение

Голографическая технология выглядит весьма впечатляюще с учетом большой емкости, скорости записи/чтения информации, наличия убедительных средств защиты от несанкционированного доступа, а потому могла бы стать желанным приобретением для многих пользователей, но чрезвычайно высокая стоимость подтверждает заявления разработчиков, указывающие на применение голографических дисков преимущественно на корпоративном рынке. Не забывая о том, что некоторые компании планируют создание бюджетных решений, вполне стоит рассчитывать на появление подобных устройств для массового потребителя.