способ и система голографической записи и воспроизведения звуковой информации

Формула изобретения

1. Способ голографической записи и воспроизведения звуковой информации, включающий запись информации в фоточувствительном слое вращающегося оптического диска в виде спиральных голограмм, воспроизведение информации устройством, формирующим опорный пучок, аналогичный тому, который использовался при записи, проецирование восстановленных изображений на матрицу фотодетекторов и обработку полученных сигналов в электронных устройствах, отличающийся тем, что параллельно с записью спиралей служебной информации в качестве основной информации записывают сфокусированные голограммы волновых фронтов мембран, при этом при записи используют объемную фазовую голограмму и прямое преобразование Фурье для всех координат, а при воспроизведении информации, используя обратное преобразование Фурье, восстанавливают изображения волновых фронтов мембран в виде интерференционных полос света, получают аналоговый сигнал, который обрабатывают в аналоговых электронных устройствах.

2. Система голографической записи и воспроизведения звуковой информации, состоящая из звукозаписывающего устройства, содержащего привод для вращения оптического диска, в фоточувствительном слое которого записываются коаксиальные спирали с голограммами Фурье, и из звуковоспроизводящего устройства, содержащего оптическую головку для освещения диска лазерным лучом, который по меньшей мере частично отражается от диска, детекторное устройство с приемной матрицей фоточувствительных детекторов, преобразующей модулированный световой поток в электрические сигналы данных, отличающаяся тем, что оптическая головка звукозаписывающего устройства снабжена по крайней мере одной мембраной, колеблющейся под действием звукового давления, излучателем когерентного света, освещающим колебания мембран, и оптической системой линз, записывающей волновые фронты мембран в виде голограмм Фурье, а оптическая головка звуковоспроизводящего устройства снабжена дополнительным лазером или светодиодом и дополнительными фотодетекторами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к информационной технике и звукозаписывающей аппаратуре и может быть использовано для записи звуковых колебаний на дисковом носителе, а также для воспроизведения звука с записанного носителя или с его копии. Изобретение создано на стыке таких дисциплин, как голографическая интерферометрия и современнейшие, наиболее прогрессивные системы записи и воспроизведения информации, в частности, звуковой.

Поэтому в качестве аналогов привлечены технические решения с обеих сторон. Голографическая интерферометрия использует следующие методы: голографирование в реальном времени, метод двух экспозиций, стробоскопический метод, метод усреднения по времени, составные голограммы [1] (с. 275-364).

Отличие этих методов от предлагаемого в изобретении заключается в целях, которые ставятся при исследованиях. В основном, это визуальные методы подсчета числа полос и установление зависимости их количества и контраста от прогиба при деформации, определение мест их локализации на исследуемом образце. Исследуются деформации и колебания в определенный момент времени. В изобретении же предлагается метод, согласно которому непрерывно записывается большое число сфокусированных голограмм.

Известен способ определения состояния объекта путем свертки освещенности, цветности и радужности в реальном времени динамического голографирования и иммерсионного интерферометрирования [2] (патент России N 2035691, кл. G 01 B 9/023, G 03 H 1/22, 3/00, опубл. 20.05.95). В предлагаемом способе голографической записи, в отличие от вышеописанного известного технического решения, регистрируется только фазовое состояние объекта (мембраны) при равной освещенности, а не свертка освещенности и цветности. Благодаря этому достигается высокая дифракционная эффективность голограммы и повышается отношение сигнал/шум. Фаза, как аргумент состояния объекта, влияет на конечное распределение интенсивности интерференционных полос на фотодетекторе, определяемое как квадрат функции Бесселя нулевого порядка.

Известные способы записи звуковой информации (грамзапись, магнитная запись, цифровая запись) используют в качестве звукоснимателя микрофон, который преобразует звуковое давление в электрический ток [3], [4] (см. например, патент России N 2062509, кл. G 11 B 25/06, опубл. 20.06.96 и патент России N 2054203, кл. G 11 B 27/00, опубл. 10.02.96.).

Так как микрофонная система использует колебания с одной степенью свободы или является интегрирующей, то возникают существенные нелинейные искажения, обусловленные собственным резонансом и недостаточно широкой полосой пропускания частоты. А главное: теряется пространственная характеристика звука (направление на источник звука, его удаленность). В результате на выходе системы регистрируются только колебания интенсивности звука. С целью придания звуку объемности, используют различные системы стереофонии и квадрофонии, которые являются по сути виртуальными, не отражающими действительную пространственную картину звука на момент записи и формируются звукорежиссером.

Среди многочисленных, ранее предложенных методов увеличения объемности и зоны стереоэффекта необходимо отметить такие, как система со "скользящей" базой, система с противофазным излучением, системы с "фантомными" каналами. Эти системы направлены на увеличение разрешимости кажущихся источников звука (КИЗ) в пределах стереобазы, обеспечение уверенной их локализации на большей части помещений прослушивания, увеличение зоны стереовосприятия. Системы квадрофонии (псевдоквадрофония, амбиофония, система Хафлера, матричные системы) преследуют сходные с двухканальной стереофонией цели с лучшими результатами ([5] с. 274-320)). Критерием оценки качества подобных систем является коэффициент пространственности, определяемый как отношение числа раздельно передаваемых направлений локализации КИЗ к максимальному (92). Двухканальная стереофония имеет коэффициент пространственности в горизонтальной плоскости 0,1. . .0,13, системы многоканальной стереофонии в зависимости от расположения громкоговорителей от 0,15 до 0,6. Положение вещей говорит о том, что для улучшения стереовосприятия необходимо увеличивать число независимых каналов воспроизведения (как следствие - возрастание стоимости), слушатель должен располагаться только в ограниченной зоне стереоэффекта [6].

С целью устранения подобных недостатков ранее предлагалась система, моделирующая восприятие звука человеком, а именно, использующая особенности слуха, такие как бинауральный эффект (система АВ) [8]. В слуховые отверстия макета головы человека вставлялись два микрофона и производилась запись звука. Такая система звукопередачи (с использованием "искусственной головы") позволяет повысить коэффициент пространственности до 0,7. Среди подобных систем различают систему TRADIS, предложенную Дамаске и Меллертом, а также систему Курера, Пленге, Вилькенса. Эти системы по-разному решают проблему компенсации сигналов правого канала в левом ухе и наоборот, при воспроизведении через акустические системы. Также к недостаткам этих систем следует отнести малую зону стереоэффекта (до 1 м), сильное влияние реверберации помещения, несовместимость с обычной пространственно зависимой системой воспроизведения [5] с. 321-328, [7] с.175-185. Необходимый результат не был достигнут из-за указанных выше недостатков микрофонной системы, а также потому, что не учитывалось воздействие на барабанную перепонку интерференции звука на частотах свыше 4 кГц. Именно интерференция звука на мембране в человеческом ухе приводит к изгибным колебаниям последней и объясняет изменения уровня чувствительности слуха на высоких частотах. При интерференции нагрузка на мембрану распределяется неравномерно и зависит от частоты и пространственного положения источника звука.

Представления об изогнутой мембране, развитые еще Гельмгольцем, нашли подтверждения при проведении экспериментов, основанных на методах голографической интерферометрии. Результаты этих исследований [8] говорят о том, что мембрана в ухе человека или животных испытывает изгибные колебания, зависящие от частоты, интенсивности и направления на источник звука. Причина таких колебаний - особенности строения ушной раковины. Блауэрт в своей работе "Пространственный слух" [9] говорит о том, что "ушная раковина вместе со слуховым каналом образует единую акустическую резонансную систему. Возникновение каждого резонанса системы зависит от направления на источник звука и расстояния до него". Блауэрт не отвергает влияние интерференции, но не находит подтверждения этой теории. Таким образом, результаты исследований методами голографической интерферометрии "говорят скорее в пользу изогнутой мембраны, чем в пользу более современной модели жесткой пластины - модели, которая базируется на измерениях, выполненных с помощью емкостных датчиков" [8].

В изобретении предлагается способ, при котором каналы воспроизведения формируются в момент преобразования голографической информации (изображение волнового фронта мембраны) в электрические сигналы. Число каналов воспроизведения определяется сложностью проигрывателя. Минимальное количество - 4. Физически это означает, что восстановленное голографическое изображение мембраны проецируется и делится минимум на 2 части на площадках фотодетекторов. Каждая из площадок формирует 1 канал звуковоспроизведения.

Так как на мембране при записи существуют места с наибольшей и наименьшей амплитудой колебаний, каналы воспроизведения передают акустическим системам сигналы различной амплитуды и фазы (например, правый фронтальный и правый тыловой в системе "квадрат"). Реально происходит формирование пространственной поверхности Флетчера вокруг головы слушателя [10], причем сигналы правого фронтального канала в левом ухе компенсируются противофазными сигналами правого тылового и наоборот. При равенстве сигналов фронтального и тылового каналов КИЗ определяются как направленный в одно ухо и не воздействует на другое. Подобная схема позволяет отказаться от электронной обработки сигналов, как в системе TRADIS. При воспроизведении через две акустические системы необходимо взвешенное суммирование фронтального и тылового сигналов. Воспроизведение через наушники полностью позволяет определить положение КИЗ без электронной обработки.

Указанное выше позволяет расширить зону уверенной локализации КИЗ в пространстве между акустическими системами, повысить коэффициент пространственности. Влияние реверберации помещения необходимо исключать путем демпфирования отражающих звук поверхностей.

Что касается способа голографической записи и воспроизведения информации, то ближайшим аналогом к нему является "Способ для записи и считывания голографической информации", известный из патента ФРГ N 4036615 А1, опубл. 16.11.90, кл. С 11 В 7/007 [11].

В известном способе описывается принцип, согласно которому данные, представленные в цифровой матричной форме, записываются на оптическом диске в виде спиральных голограмм и считываются устройством, формирующим опорный пучок, аналогичный тому, который использовался при записи. Причем голограммы, содержащие пиксели данных, записываются вдоль спиралей (тангенциально) в виде голограмм Фурье, а поперек спиралей (радиально) в виде голограмм Френеля. При считывании восстановленные изображения пикселей данных проецируются с помощью системы подвижных зеркал на матрицу фотодетекторов, содержащую большое число пикселей фоточувствительных элементов. Полученные двоичные сигналы накапливаются в буферном запоминающем устройстве и далее обрабатывается в электронных устройствах (усилитель, детектор пересечения нуля, фазовый компаратор и другие).

Главное отличие предлагаемого изобретения от вышеописанного принципа в том, что информация записывается в виде голограмм реальных объектов (мембран), а не голограмм двоичных пикселей, причем используется наиболее плотный вид записи информации, как объемная (толстая) фазовая голограмма. Используется преобразование Фурье для всех координат, что позволяет уменьшить оптический шум нулевого дифракционного порядка, присущий голографии Френеля. Так как используется преобразование Фурье-Фраунгофера, при восстановлении голограммы положение изображения инвариантно при боковом смещении голограммы при вращении, что увеличивает стабильность считывания информации. Необходимо также заметить, что "отношение информационных емкостей голограмм Фурье и Френеля лежит в пределах 4- 100" [1] с. 193. Очевидно, при разработке устройства авторы патента использовали акустооптические дефлекторы, имеющие в своем составе в качестве объективов цилиндрические линзы. В предлагаемом изобретении используется фазовая голограмма, которая, в отличие от описанного способа (амплитудно- поляризационная модуляция пикселей), позволяет достигнуть максимальной дифракционной эффективности при восстановлении изображения с голограммы.

Кроме того, в отличие от прототипа (патент ФРГ N 4036615), полученные сигналы не накапливаются в буферном запоминающем устройстве. Наличие буферного запоминающего устройства обусловлено характером данных (обеспечение необходимого потока), а также устранение выпадения двоичной информации из-за несовершенства носителя и считывателя информации. Так как основная информация в предлагаемом изобретении представляет собой сигнал- аналог изменения звукового давления на мембрану при записи, то он при воспроизведении обрабатывается в аналоговых устройствах, исключая процесс накопления.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности к разделу "Устройство" является "Устройство для записи и считывания голографической информации" из того же патента ФРГ N 4036615.

Устройство характеризуется следующими признаками:

А. Привод для вращения оптического диска вокруг его оси, на котором имеется большое число коаксиальных спиралей с многочисленными радиальными взаимосвязанными голограммами, причем голограммы записываются вдоль по меньшей мере одной спирали и каждая голограмма записывает представленную матрицу данных в качестве Фурье- преобразованных голограмм тангенциально к соответствующей дорожке.

В. Оптическое устройство для облучения диска лазерным лучом, который по меньшей мере частично отражается от диска.

С. Детектор с массивом фоточувствительных детекторных пикселей для приема отраженных считывающих лучей и для получения соответствующих сигналов данных.

D. Буферное запоминающее устройство для захвата значений каждого сигнала данных, когда считывающий луч облучает голограмму и отраженный луч образует полное изображение прямо-облученной голограммы на массиве детекторных пикселей.

Е. По основному пункту формулы устройство отличается тем, что взаимосвязанные голограммы записываются в радиальном направлении, под прямым углом к тангенциальному направлению спиралей, как голограммы Френеля. А также тем, что спирали оптического диска представляют собой большое число одинаково отстоящих друг от друга пикселей данных.

В отличие от известного устройства в предлагаемом техническом решении основная информация записывается не в виде голограмм двоичных данных, а в виде голограмм оптических фронтов мембран, колеблющихся под действием звукового давления. Также используется прямое преобразование Фурье для всех координат при записи объемной фазовой голограммы, а не комбинированное преобразование Фурье- Френеля, как в описанном прототипе. Кроме того в устройстве воспроизведения используется дополнительный лазер или светодиод, а также дополнительные площадки фотодетекторов для преобразования светового потока дифракционных полос в аналоговый электрический сигнал. Таким образом основная информация не представляет собой сигналы двоичных данных и не требует буферного запоминающего устройства.

Это дает следующий технический результат:

1. Повышение информационной емкости записи за счет полного преобразования Фурье и объемной фазовой голограммы.

2. Повышение дифракционной эффективности за счет использования фазовой голограммы, в отличие от амплитудной голограммы в известном патенте ФРГ N 4036615.

3. Повышение качества полученной информации за счет упрощения устройства считывания, где используется не система подвижных зеркал, а система линз для фокусировки и проецирования изображения.

Близким к изобретению по технической сущности (к разделу "устройство") является система записи звуковой информации на вращающийся диск в виде цифровой последовательности (система "компакт-диск"), а также проигрыватель компакт-диска с оптической головкой, где "луч диодного лазера с помощью коллиматорной и фокусирующей линзы направляется на рабочую поверхность компакт-диска. Цифровые сигналы записываются на спиральные дорожки, образуемые множеством микроскопических углублений ("питов"). Невидимый глазом инфракрасный луч отражается от участков поверхности между питами ("флэтов"), но самими питами рассеивается. В этом и состоит эффект модуляции интенсивности отражения луча. Отраженный луч попадает на поляризационную призму и далее на приемный фотодиод, который преобразует модулированный световой поток в электрические сигналы" [12].

Недостатками такой системы являются потери аналогово-цифрового (АЦП) и цифроаналогового (ЦАП) преобразования, шум квантования, ограниченная емкость носителя информации, необходимость интерполяции и перекрестного кодирования (код Рида-Соломона) во избежание локальных потерь.

Сравнительная характеристика аналоговой и цифровой звукозаписи, проведенная к. т.н. Васеневым В.Н. [13], по материалам журнала "Radio, Fern-sehen, Elektronik" [14], показала, что "аналоговым системам присущ недостаток, связанный с ухудшением качества при многократном копировании". Цифровая звукозапись устраняет эти недостатки, преобразуя аналоговый сигнал в цифровой с помощью АЦП, используя импульсно- кодовую модуляцию, но имеет ряд своих недостатков: "большие масса и габаритные размеры, высокая стоимость аппаратуры и ленты, высокие требования к АЦП и ЦАП, высокие затраты на защиту информации". "Во многих случаях повышению качества аналоговой и цифровой записи препятствуют сходные физические ограничения, поэтому увеличение затрат на цифровую технику не всегда окупается возрастанием качества" [13].

Голографическая система является по своей сути аналоговой, использующей бесконтактный способ считывания, но не требующий АЦП и ЦАП, способна в широких пределах изменять емкость носителя информации. Так как информация записывается в виде пространственных частот, она защищена от локальных потерь, связанных с царапинами, пылью на поверхности материала-подложки.

Технический результат, на который направлено предлагаемое изобретение, - это увеличение плотности записи звукового сигнала, повышение качества звучания, сохранение пространственных характеристик звука при записи и воспроизведении, а также увеличение объема служебной информации (время звучания, исполнители, производитель и т.д.) за счет сверхинформативности оптической голографии.

Поставленная задача достигается тем, что параллельно с записью треков служебной информации в виде двоичной последовательности записывают, в качестве основной информации, сфокусированные голограммы волновых фронтов мембран, а при воспроизведении звука формируют опорный пучок, аналогичный тому, который был сформирован при записи, восстанавливают волновые фронты мембран, проецируют их на плоские фотодетекторы и полученные интерференционные полосы света преобразуют в электрический усиливаемый сигнал.

В системе голографической записи и воспроизведения звуковой информации в качестве звукозаписывающего устройства применена оптическая система, включающая, как минимум одну мембрану, колеблющуюся под действием звукового давления, излучатель когерентного света, освещающий колебания мембран, и оптическую головку, записывающую волновые фронты мембран в виде голограмм в фоточувствительном слое вращающегося голографического диска, а оптическая головка проигрывателя дополнительно снабжена полупрозрачным зеркалом, фокусирующей линзой, светодиодом или полупроводниковым лазером и плоскими фотодетекторами.

Достижение таких результатов возможно благодаря тому, что:

^* плотность голографической записи превосходит все существующие виды записи информации.

Теоретическая плотность для объемной голограммы в 10¹⁶ бит/м², определяемая как совокупность единиц информации с размерами куба светочувствительного материала, со сторонами, равными длине волны света лазера, используемого при записи. [1] с. 438. Известные науке другие виды сверхплотной записи информации (запись электронным пучком -10¹² - 10¹⁵ бит/м², метод выжигания провала - 10¹⁴ бит/м², запись на пленках TeOx), если и достигают плотности голографической, значительно выше по стоимости за 1 бит информации [1] с. 414 [15].

Практическая плотность голографической записи информации ниже теоретической и ограничивается такими параметрами, как апертура, отношение сигнал/шум и произведение пространства на ширину полосы пропускания (ППШПП) [1] с. 439-445. Расчеты, учитывающие эти ограничения, позволяют сделать вывод, что плотность голографической записи цифровой информации, при обеспечении необходимого ППШПП, значительно превосходит плотность записи (10¹² бит/м²) в цифровой системе записи на оптическом диске [16].

^* звук записывается в значительно более широком частотном диапазоне с высокой линейностью.

Поскольку при голографической записи используется фильтрация высших пространственных частот (расфокусировка объектива в системе квази-Фурье-Фраунгофера), а также вследствие того, что изображение инвариантно к смещению голограммы при восстановлении, происходит сглаживание частотной характеристики, в отличие от цифровой системы записи на оптическом диске, когда фильтрация осуществляется после ЦАП в цифровом фильтре или обычном аналоговом (при передискретизации). Сглаживание в области пространственных частот (изображений) позволяет восстановить первоначальный сигнал с незначительной редукцией вплоть до частоты выборки, в отличие от цифровой системы (выборка в частотной области), где верхняя граница частоты должна быть меньше половины частоты выборки (предел Найквиста) [17]. Если же от голографической записи требуется высшее качество, то частота стробирования должна быть равна или больше частоты Найквиста во избежание редукции. Во всяком случае имеется выбор: наивысшая плотность при потере качества или наивысшее качество при потере плотности записи. Нижняя граница частоты определяется возможностью регистрации фотодетектором колебаний мембраны с большой амплитудой (контраст интерференционных полос убывает с ростом амплитуды согласно функции Бесселя).

В отличие от жесткой микрофонной мембраны используется мембрана с высокой эластичностью, что позволяет устранить реакцию подвеса (микрофон) и приблизить чувствительность мембраны к психофизическому восприятию звука органом слуха человека. Так как в качестве модулируемого фактора используется свет, в отличие от электромагнитного или электростатического поля, устраняется физическая реакция подобного воздействия на мембрану (самоиндукция в электродинамической, электростатическое взаимодействие заряженных поверхностей в конденсаторной системе).

^* Ввиду того, что мембрано-колебательная система имеет три степени свободы (поступательное движение по одной оси, изгибные движения по двум осям), записываются все сложные деформации под действием звукового давления с разных пространственных направлений.

Для колебательных систем с одной степенью свободы (электродинамический микрофон, громкоговоритель) характерно явление резонанса, обусловленное равным вкладом кинетической и потенциальной энергий в амплитуду колебаний на резонансной частоте. Эта частота зависит от размеров и конфигурации колеблющегося тела, его массы, модуля упругости. Чем выше степень пространственной свободы, тем меньше тело подвержено резонансу из- за того, что колебания перераспределяются по другим направлениям [18].

^*минимальная чувствительность процесса - отклонения мембраны на четверть длины волны лазера, освещающего ее.

Предлагаемый способ голографической записи и воспроизведения звуковой информации осуществляется следующим образом:

В слуховые отверстия макета головы человека вставляются две мембраны, эластичностью приближенные к барабанной перепонке.

Голографическая система, использующая источник когерентного монохроматического света 1, облучает мембраны 7 и, используя оптическое преобразование квази-Фурье-Фраунгофера, записывает на вращающемся диске 13 большое число сфокусированных голограмм, являющихся по сути голограммами волновых фронтов мембран 7, колеблющихся под действием звукового давления. Источник света 1 излучает в импульсном режиме, обеспечивающем регистрацию колебаний в необходимом динамическом диапазоне. Параллельно с голограммами записываются треки следящей системы и служебной информации в виде спиралей. Это необходимо для последующего считывания голографической информации.

Голограммы правого и левого канала накладываются друг на друга на смежных треках диска, используя угловую Брэгговскую селективность, что приводит к максимальному уплотнению информации (вид А). Голограммы, определяемые как толстые фазовые, записываются в фоточувствительном слое, разрешением более 1000 линий на мм, нанесенном на светопропускающий диск.

Оптическая головка 1-12 имеет возможность радиально перемещаться по диску 13 или диск перемещается при неподвижной оптической головке. Для точной фокусировки голограмм, трека следящей системы и служебной информации на фоточувствительном слое используется подвижная линза 12, управляемая электрическим сигналом, вырабатываемым головкой слежения 16-20, которая располагается с обратной стороны диска 13. Таким образом исключается влияние биения диска при вращении.

Плоская волна опорного пучка падает на фоточувствительный слой нормально его поверхности для обеспечения простого последующего копирования фонограмм "почти" контактным способом. Так как получить копию голограммы методом "плотного контакта" исключительно трудно, поскольку эмульсия исходной голограммы и эмульсия копии должны быть прижаты друг к другу с микроскопическим зазором. Поэтому контактная копия голограммы почти всегда является приблизительно ("почти") контактной, причем зазор должен быть менее 1 мм [1] с. 409. Для уравнивания показателей преломления промежуток между пластинками заполняется несколькими каплями иммерсионной жидкости (например, ксилола), в результате чего интерференция отраженных лучей сводится к минимуму. Дифракционная эффективность копии почти такая же, как и у оригинала.

Записанный диск подвергается химической обработке (проявлению, отбеливанию, фиксированию). С обработанного диска "почти" контактным способом делаются копии, используя более мощный источник монохроматического света и коллиматор, формирующий опорный пучок. Копия покрывается светоотражающим слоем, краской и надписями со стороны записи.

При воспроизведении звуковая информация, содержащаяся в оригинале или его копии, считывается оптической головкой проигрывателя 23-32, отличающейся от системы "компакт-диск" тем, что в нее дополнительно вводятся полупрозрачное зеркало 28, фокусирующая линза 29, светодиод или лазер 27, а также плоские фотодетекторы 35. Количество фотодетекторов соответствует числу каналов звуковоспроизведения.

Светодиод или лазер 27 излучает в диапазоне длины волны света, используемого при записи, и формирует опорный пучок. Это необходимо для восстановления волновых фронтов мембран 7 и проецирования последних на фотодетекторы 35. При этом образуются интерференционные полосы света различной интенсивности. Яркость полос, их контраст и положение на фотодетекторах 35 определены прогибом мембраны 7 под действием звука при записи. Фотоны света выбивают в материале фотодетекторов электроны, вследствие чего образуется фототок, который впоследствии усиливается и преобразуется в переменное напряжение, используемое в качестве входного напряжения в усилителе мощности, нагруженном на акустические системы.

По системе: на фиг.1 показана схема оптической головки для голографической записи звуковой информации. Вид А фиг. 1 показывает расположение голограмм и треков служебной информации на оптическом диске.

На фиг. 2 показана схема оптической головки проигрывателя голографического диска. На виде А фиг. 2 показана матрица и площадки фотодетекторов.

Расположение элементов оптической системы записи звука в статическом положении:

Излучатель когерентного света (лазер) 1 через коллимирующую линзу 2 освещает полупрозрачное зеркало 3. Рассеивающая линза 4 формирует опорный пучок. Мнимый фокус линзы 4 совпадает с передним фокусом линзы 5. Полупрозрачное зеркало 3 отклоняет часть падающего света на полупрозрачное зеркало 6, которое освещает мембрану 7, находящуюся в передней фокальной плоскости линзы 5. Мембрана 7 может быть оптически прозрачной или покрытой светоотражающим слоем. Свет, отраженный от мембраны 7, через зеркало 6 попадает на линзу 5. Так как мембрана 7 и фокус опорного пуска находятся в одной плоскости, имеет место голография Фурье- Фраунгофера.

Линза 8 имеет фокальное расстояние меньшее, чем линза 5. Фокус линзы 8 совпадает со вторым фокусом линзы 5. Пучок света от мембраны 7, называемый объектным, падает на линзу 5 параллельно оптической оси и выходит из линзы 8 тоже параллельно оптической оси. Перед фокусом линзы 8 с помощью зеркала 9, коллиматора 10 и лазера 11 формируется пучок трекинга и служебной информации. Линза 12 служит для точной фокусировки пучка трекинга на фоточувствительном слое, покрывающем диск 13. Линза 12 подвижна по оптической оси системы, имеет электромагнитную катушку 14 и управляется сигналом фокусировки от драйвера 15. Голографический диск 13 представляет собой диск из стекла или прозрачного полимера, покрытого слоем фоточувствительной эмульсии с высокой разрешающей способностью (например, Кодак 649 F, Агфа8Е70, 8Е75 и т.п.). Диск 13 имеет возможность вращаться и радиально передвигаться при неподвижной головке или головка может передвигаться относительно диска. С обратной стороны диска 13 расположена головка слежения. С помощью нее вырабатывается сигнал фокусировки при попадании света от лазера 11 трекинга, через цилиндрическую линзу 16 и зеркало 17 на матрицу 18 фотодетекторов. Через электронный усилитель-драйвер 15 вырабатывается сигнал фокусировки линзы 12. Линза фокусировки 19, как и линза 12 имеет электромагнитную катушку 20 и управляется тем же сигналом фокусировки, что и линза 12.

Лазеры 1 и 11 излучают в импульсном режиме и синхронизированы тактовой частотой. Служебная информация модулирует излучение лазера 11. Излучение лазера 1 происходит постоянно с момента включения устройства. Фокус линзы 12 находится над поверхностью эмульсии, таким образом, записывается голограмма квази-Фурье-Фраунгофера.

Действие элементов системы голографической записи информации:

При включении устройства диск 13 начинает вращаться с постоянной линейной скоростью. Звуковое давление от источника звука воздействует на мембрану 7 в канале 21. Мембрана 7 прогибается и колеблется сложным образом в соответствии с частотой, интенсивностью и пространственным положением источника звука.

При радиальном перемещении диска 13 или головки, в фоточувствительном слое записываются голограммы волновых фронтов мембран и треки служебной информации в виде спиралей. Точная фокусировка линзы 12 на поверхности диска 13 исключает влияние биения диска при вращении. Головка слежения точно следует за головкой записи с помощью сервопривода и электронной схемы, аналогичной в системе "компакт-диск".

Проигрыватель голографического диска с оптической головкой состоит из подвижной линзы 22, электромагнитной катушки 23, неподвижной линзы 24, призмы Волластона 25, полупроводникового лазера 26, светодиода (лазера) 27, полупрозрачного зеркала 28, фокусирующей линзы 29, рассеивающей линзы 30, цилиндрической линзы 31, матрицы 32 фотодетекторов, усилителя фототока 33, драйвера 34 сигнала фокусировки и площадок 35 фотодетекторов.

Светодиод (лазер) 27 излучает в диапазоне волны света лазера 1, который использовался при записи. С помощью оптической системы линз и зеркал: 27-29-28-24-22 формируется опорный пучок, аналогичный тому, который использовался при записи. Линза 22 имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси, имеет электромагнитную катушку 23, которая управляется сигналом фокусировки от драйвера 34. Оптическая головка может радиально перемещаться по диску 13 или, наоборот, диск радиально перемещается при неподвижной головке.

При включении проигрывателя диск 13 начинает вращаться с постоянной, относительно головки, линейной скоростью. Линза 22 фокусируется на треке служебной информации, управляемая сигналом фокусировки, который вырабатывается матрицей 32 фотодетекторов и драйвером 34. Сигнал, вырабатываемый матрицей 32, также служит как цифровой сигнал служебной информации, обрабатываемой в устройствах проигрывателя.

Головка следует по треку служебной информации с помощью сервопривода, аналогичного системе "компакт-диск". Лазер 26 и светодиод (лазер) 27 излучают в непрерывном режиме. Опорный пучок от светодиода (лазера) 27, отражаясь от зеркального покрытия диска 13, восстанавливает мнимое изображение волнового фронта мембраны 7, которое через призму 25 проецируется на матрицу 35 фотодетекторов. Количество площадок 35 фотодетекторов соответствует числу каналов воспроизведения звуковой информации.

На поверхности фотодетекторов образуются интерференционные полосы света, соответствующие прогибу мембраны. Полосы различаются локализацией, интенсивностью и контрастом. Образующийся фототек усиливается в усилителе 33.

Все процессы записи и воспроизведения информации происходят автоматически без участия человека. Голографическая система полностью совместима с цифровой, то есть на голографическом проигрывателе можно прослушивать обычные компакт-диски. Возможно также воспроизведение дисков DVD Audio при наличии в устройстве сервосистемы для фокусировки лазерного луча 26 на внутренних слоях DVD- диска. Переключение в этот режим также возможно производить внешним управлением или по коду диска автоматически. При воспроизведении DVD- диска, так же, как при воспроизведении "компакт- диска", работает только тракт обработки цифрового сигнала. Если устройство оборудовано сервосистемой для фокусировки на DVD- диск, длина волны лазера 26 должна соответствовать принятой в формате DVD Audio. Скорость вращения диска в различных режимах (голографический/компакт/ DVD- диск) устанавливается в соответсвии со скоростью записи и регулируется скважностью импульсов управления двигателем вращения. Этот сигнал формируется от генератора высокостабильной частоты и изменяется в соответствии с частотой следования данных цифровой информации, считываемой во всех режимах.

Источники информации, принятые во внимание:

1. "Оптическая голография" в 2-х тт. Под ред. Г. Колфилда, М.: "Мир", 1982.

2. Патент России N 2035691, кл. G 01 В 9/023, G 03 H 1/22, 3/00, опубл. 20.05.95.

3. Патент России N 2062509, кл. G 11 B 25/06, опубл. 20.06.96.

4. Патент России N 2054203, кл. G 11 B 27/00, опубл. 10.02.96.

5. Ковалгин Ю.A. "Акустические основы стереофонии", М.: "Связь", 1978.

6. Fletcher Н. "An acoustic illusion telephonically achieved"? Bell. Laborat. Record, 1933, May, s. 259.

7. Ковалгин Ю.А. "Стереофония", М.: "Радио и связь", 1989.

8. Вест Ч. "Голографическая интерферометрия", М.: "Мир", 1982, с. 258-260.

9. Блауэрт Й. "Пространственный слух", М.: "Энергия", 1979, с. 38.

10. Fletcher Н. "Auditory respective - Basic requirements", Electr. Eng. , 1934, s.9.

11. Патент Германии DE N 4036615 A1, кл. G 11 В 7/007, G 03 H 1/00, опубл. 23.05.91.

12. Шкритек П. "Справочное руководство по звуковой схемотехнике", М.: "Мир", 1991, с. 312-313.

13. Васенев В.Н. "Аналоговая и цифровая звукозапись", журн. "Зарубежная радиоэлектроника", N4 - 1989, М.: "Радио и связь", с. 99-110.

14. Журнал "Radio, Fernsehen, Elektronik", Berlin/36/1987/7, s. 453-461.

15. Чечель О.В. "Сверхвысокоплотная запись информации", журнал "Зарубежная радиоэлектроника" М.: "Радио и связь", N 11, 1989, с. 30-38.

16. Вуль В. А. "Оптические дисковые запоминающие устройства", журнал "Зарубежная радиоэлектроника", М.: "Радио и связь", N 9,1986, с. 74.

17. "Полупроводниковые формирователи сигналов изображения" под ред. П. Йесперса, М.: "Мир", 1979, с. 462-476.

18. Стреж П.Е. "Теория колебаний. Колебания в системах с одной степенью свободы", М.: "Наука", 1971.