Голографические запоминающие устройства

В голографических запоминающих устройствах (ЗУ) используют методы голографии дзя записи, хранения и воспроизведения информации. Информация может быть представлена либо в двоичном коде (побитово), либо в виде изображения. Изображение может быть записано как плоское или объемное, амплитудное или фазовое, цветное или одноцветное. При голографической записи информации достигается высокая плотность записи (~ I05 бит/мм:), высокая помехоустойчивость и надежность.

Классификация голографических ЗУ проводится по ряду независимых признаков:

• ? по способу ввода информации (одноканальный или многоканальный ввод);
• ? по принципу ввода информации (поэлементный ввод или ввод с накоплением информации);
• ? по способу записи (локальная запись на отдельном участке носителя или пространственно-распределенная запись, когда каждый элемент записывается по всей поверхности носителя, или объемная запись в объеме носителя);
• ? по длительности хранения информации (долговременные, оперативные или промежуточные);
• ? по способу обращения к памяти (выборка по адресу или ассоциативная выборка);
• ? по способу считывания (последовательное считывание или параллельное, одномоментное).

Рассмотрим одну из отечественных разработок голографической информационной системы, реализованной в 90-е годы в электронной промышленности.

В основу этой информационно-поисковой системы был положен принцип согласованной фильтрации в сочетании с инвертированной организацией информационного массива, координатной привязкой и параллельной обработкой всего информационного массива (рис. 9.5). Голограмма в виде матрицы 100×100 элементов, представляющих собой массив кодированных поисковых образов документов, размещается в плоскости Р_х. В фокальной плоскости линз У7₂ и Лу в плоскости Р2 размешается пластина с матрицей голограммфильтров дескрипторов. Под дескриптором будем понимать лексическую единицу, которая выражает основное смысловое содержание документов. В плоскости Ру поле сигналов взаимной корреляции дескрипторов и голограммы-фильтра дескриптора.

Рис. 9.5. Голографическая информационно-поисковая система: а — схема согласованной фильтрации; б — выходная плоскость с сигналами.

При вводе запроса в систему голограммы-фильтры каждого дескриптора запроса последовательно устанавливаются на оптической оси системы в плоскости Р₂. В выходной плоскости Ру с координатной сеткой 100×100 элементов высвечиваются ячейки, координаты которых (номер строки и столбца) соответствует номеру документа в массиве (рис. 9.5, б). Результаты поиска регистрируются на фотопленке. Их суммирование по всем дескрипторам запроса происходит путем последовательной регистрации сигнала корреляции на один кадр. Суммарная экспозиция каждой ячейки координатной сетки зависит от числа совпавших дескрипторов данного документа. Уровень порога регистрации устанавливался изменением общего времени экспозиции. Это позволяет не фиксировать сигналы малой амплитуды.

На следующем этапе каждая поисковая голографическая пластина комплектуется пластиной с матрицей 100×100 голограмм, на каждой из которых записаны поисковые данные одного документа и реферат объемом до 1000 знаков. При считывании рефератов релевантных документов пластина с микроголограммами рефератов передвигается относительно восстанавливающего луча лазера в соответствии с координатами сигналов, полученными в результате поиска. Восстановленные изображения текстовой информации регистрируются на микрофильм.

Голографический процессор реализован на гелий-неоновом лазере (ЛГ-52−1) / на длине волны 0,63 мкм по стандартной схеме восстановления голограмм (рис. 9.6).

С помощью юстировочного зеркала лазерное излучение направляется на блок голограмм под углом — 45°. Одновременно луч попадает на голограмму, восстанавливая изображение поисковой матрицы, соответствующее одному из дескрипторов запроса. Световой пучок от голограммы делится зеркалом на две части. Изображение поисковой матрицы проецируется одновременно на фотопленку и экран визуального контроля. С экрана считывается название дескриптора и его числовой код, который записывается в поисковую матрицу на восстановленной голограмме. Точная установка голограммы осуществляется координатным механизмом перемещения блока голограмм и совмещается с изображением поисковой матрицы с контрольными метками на экране.

Рис. 9.6. Оптическая схема голографического процессора: 1 — лазер; 2 — блок голограмм;

• 3 — котировочное зеркало; 4 — голограмма с координатным механизмом; 5 — делитель потока; 6— фотокассета; 7— экран визуального контроля; 8 — световод; 9— фотоумножитель:
• 10 — усилитель; 11 — индикатор; 12— поляризатор; 13 — диафрагма;
• 14 — фотозатвор с блоком управления (75); 16 — синхронный детектор; 17 — светофильтр;
• 18 — источник света; 19 — вторая диафрагма; 20 — зеркало; 21 — экран

Яркость изображения на каждой голограмме контролируется световодом и фотоумножителем, сигнал с которого усиливаегся усилителем и индицируется на индикаторе. По максимальному показателю индикатора выставляется максимум яркости восстановленного изображения при условии совпадения центра голограммы с осью луча лазера. Яркость восстановленного изображения может быть скорректирована с помощью вращающегося поляризационного фильтра. Диафрагма 13 позволяет снизить шумовые помехи. Экспонирование изображения поисковой матрицы осуществляется с помощью фотозатвора. Режим экспонирования подбирается так, чтобы суммарная экспозиция в выходной плоскости процессора не зависела от числа дескрипторов в запросе. Корректирующий светофильтр 17 предназначен для выравнивания яркости элементов восстановленного изображения перед плоскостью фотоматериала. Экспонирование производилось на высокочувствительную фотопленку (типа «Микрат-300»).

Контроль положения блока голограмм осуществлялся с помощью точечного источника света IS, зеркала 20 и экрана с координатной сеткой 2/. По этому оптическому пути высвечивается ячейка с кодом восстанавливаемой голограммы. Световое пятно на экране перемещается одновременно с блоком голограмм.

Элементы оптической системы голографического процессора были разработаны на основе микрометрических винтов оригинальной конструкции на жестких металлических основаниях для их фиксации в любом месте оптического стола (размер 1000×540 мм).

Поиск релевантной информации в информационном голографическом массиве состоял из нескольких этапов.

На этапе подготовки запроса из словаря дескрипторов (тезауруса) выбираются те дескрипторы, совокупность которых отражает содержание искомого документа. С целью повышения смыслового содержания искомых документов отдельным дескрипторам присваиваются весовые коэффициенты в пределах значений 0,7—0,9. Числовые коды дескрипторов представляют собой координаты соответствующих голограмм в голографическом блоке (номер строки ij и столбца пт в матрице голограмм). Матрица голограмм обычно состоит из 100×100 элементов. Формальная сторона запроса представляет собой список числовых кодов типа ij — тп, где i, j, т, п лежат в пределах от 1 до 100.

Ввод запроса производится с помощью линейных шкал с блока управления процессором. Экспонированный кадр микрофильма (или отдельного кадра в кассете) с результатами поиска по смысловой (или формальной) части запроса обрабатывается в оригинальном фотопроцессе и расшифровывается. При числовом декодировании с кадра микрофильма считываются координаты сигналов, которые служат адресами искомых документов. Поиск адресов документов производится с помощью таблиц соответствия координат и адресов документов.

Возможен диалоговый режим или многократный поиск с последовательной корректировкой запроса по результатам первичного поиска. Такая корректировка производилась по составу дескрипторов запроса, их весовым коэффициентам и порогу релевантности.

В случае поиска вторичных документов на одном голографическом блоке можно записать до 5×10⁵ рефератов объемом свыше I0³ печатных знаков каждый.

Чтение найденных документов производилось на специально сконструированном читальном голографическом аппарате с жидкокристаллическим экраном. Такой оптический процессор обладал высокой производительностью, оперативностью при поиске релевантной информации, возможностью оперативного получения копии документа. Однако слабым местом голографического процессора являлся встроенный жидкий фотохимический процесс обработки фотопленок. Этот недостаток был частично ликвидирован за счет встраиваемой высокоразрешающей телевизионной техники, реализованной на ПЗСструктурах.

Отраслевая голографическая информационно-поисковая система (ИПС) состояла из двух подсистем. Главная подсистема находилась в отраслевом центре НТИ и осуществляла функции обработки входящего потока документов, формирования информационного массива на голографических носителях, его выборочное копирование и рассылку абонентам. В третьем контуре отраслевой ИПС хранились оригиналы документов, на основе которых по запросу абонентов высылались копии оригиналов, релевантных запросу (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Блок-схема обработки информации в отраслевом центре голографической ИПС.

Вторая часть голографической ИПС формируется на основе локальных центров системы, оснащенной аппаратурой для поиска информации и копирования материалов из голографического массива по запросам. Первый контур системы (адреса документов) и второй (поиск рефератов документов) тиражируются и комплектуются вместе со специальным комплектом голографической аппарату ры.

Опытная эксплуатация системы была реализована на основе отраслевого фонда автоматизированного хранилища микрофиш, используемого в качестве третьего контура ИПС. Информационный фонд состоял из 6000 микрофиш по 60 кадров в каждом. Обработка информационного массива осуществлялась по 10⁴ параллельным каналам, а общий информационный массив содержал Зх10⁸ бит. Заказчик оперативно получал микрофильм с рефератами релевантных документов.

Анализируя голографические информационные системы, можно предположить, что объем записанной информации может составить 10*—10⁹ бит, а скорость обработки информации в режиме поиска составит величину — 10¹²бит/с. Разрабатывается дисковая система ЗУ на одномерных голограммах. Запись осуществлялась на голографическом диске в виде дорожки голограмм. Интенсивность исследований в области голографических ЗУ снизилась из-за отсутствия оптимальных регистрирующих сред, а также из-за сильной конкуренции со стороны полупроводниковых цифровых запоминающих устройств.

Существует целый ряд задач, решение которых затруднительно и даже невозможно в рамках побитовой организации вычислительного процесса. Например, необходимо найти слабоформализованную или ассоциативную информацию в ЗУ.

При обычной организации поиска в ЗУ обращение происходит адресным способом. Однако существует ассоциативная организация ЗУ, позволяющая осуществить обращение сразу ко всем данным, хранящимся в ЗУ. Обращение производится по определенному формальному признаку.

Голографические методы обработки информации позволяют реализовать ассоциативный поиск информации.

Ассоциативные ЗУ голографического типа предполагается применять в «гетеро-ассоциативных» системах памяти, в которых была бы реализована концепция нейронных сетей и имелась «способность» к обучению.

На рис. 9.8 приведена схема ассоциативной памяти, в которой используются зеркала, обращающие волновой фронт. Такие зеркала устанавливаются по обе стороны от голограммы и образуют объемный резонатор. В нем возникает нелинейное взаимодействие вводимого фрагмента изображения и хранимых в банке данных изображений. Обеспечивается обратная связь, задание порога и соответствующего коэффициента усиления. Это устройство позволяет получить точную и полную информацию на выходе без обязательного ввода точной информации— достаточно 10% полного набора данных. Информация в таком ЗУ идентифицируется на основе общих ассоциаций, обработка информации идет с высокой степенью параллелизма: одновременно обрабатывается весь информационный массив.