Исследование сред и средств для записи синтезированных компьютером голограмм

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕД И СРЕДСТВ ДЛЯ ЗАПИСИ СИНТЕЗИРОВАННЫХ КОМПЬЮТЕРОМ ГОЛОГРАММ

Г.С. Александров, О.В. Елисеев, Д.В. Соловьев, А.А. Федоров Научный руководитель - старший преподаватель К.О. Ткачев

Настоящая статья посвящена методу отображения синтезированных компьютером голограмм на поверхности CD-R диска. Были исследованы различные марки CD-R дисков и приводов для записи дисков и выбраны наиболее подходящие для данного метода.

Введение

Для многих приложений голографии, в том числе и для голографической фотолитографии, весьма удобно синтезировать голограммы несуществующих в реальности объектов в виртуальном пространстве компьютера и затем «нарезать» их с помощью специальных машин. Но серьезным неудобством при реализации данного метода является высокая стоимость этих машин. При создании голограмм высокого разрешения точность позиционирования штрихов при нанесении должно быть порядка 0.1 мкм на довольно значительных площадях (порядка нескольких см2). Подобные машины стоят порядка 100 тыс. $. Поэтому весьма актуальным является поиск альтернативных методов отображения синтезированных компьютером голограмм [1-4].

Основная часть

Год назад возникла идея использовать для создания таких голограмм дешевое устройство записи CD или DVD дисков. Благодаря наличию штампованной спирали на диске CD-R позиционирование по радиусу диска обеспечивается с высокой точностью в 1,6 мкм (шаг спирали), что нельзя сказать о координате угла [5, 6]. На рис. 1 показаны этапы формирования голографического изображения на CD-R диске.

Рис. 1. Этапы формирования голографического изображения на CD-R диске

Нами был произведен обзор имеющейся литературы, и обнаружилось, что две группы специалистов (из Англии и Японии) начали разрабатывать эту идею раньше нас. Причем специалисты компании Yamaha использовали привод собственной разработки CRW F1, в котором реализована функция нанесения изображений на CD-R диск DiskT@2, по их заявлению, максимальное разрешение полученных голограммных структур составило порядка 40 мкм [7, 8]. Однако практически полное отсутствие в доступной нам литературе технических подробностей программного обеспечения для записи дисков обусловили невозможность повторения их результатов. В результате этого на начальном этапе было решено провести исследование переноса изображения голограммы на CD-R диск. Выяснилось, что серьезными проблемами на пути реализации данного метода станут (рис. 2):

• низкая контрастность изображений, полученных на дисках;

• наличие ошибок геометрических форм получаемых элементов рисунка, в том числе муара;

• наличие растровости в получаемых изображениях решеток.

Рис. 2. Структура решеток, полученных на CD-R дисках

В результате были определены задачи дальнейших исследований, решение которых актуально при реализации метода отображения синтезированных компьютером голограмм на поверхностях CD-R дисков:

• исследование оптических и механических свойств CD-дисков как носителей голо-граммной структуры;

• обеспечения стабильности угловой скорости вращения оптического диска;

• поиск другого способа отображения элементов рисунка.

Обзор практически всей номенклатуры присутствующих на рынке CD-R дисков показал, что их условно можно разделить на 3 типа (рис. 3):

1. Цианин - ярко-синие диски;

2. Цианин Азо - схожи по цвету с цианиновыми;

3. Фталоцианин - светлые диски [9].

Фотореактивный слой

Фталоцианин. Бесцветные «светлые» диски.

Цианин по технологии Р<10. Схожи с цианиновыми дисками, Аго увеличивает срок службы

Рис. 3. Классификация CD-R дисков по типу фотореактивного слоя

Для исследований были отобраны 7 марок CD-R дисков, среди них присутствовали все 3 типа используемых в настоящий момент типов фотореактивных слоев. Исследование CD-R дисков проходилось по следующей методике:

1. на диске прожигалось изображение решетки;

2. проводилась визуальная оценка контрастности полученного изображения;

3. проводилось снятие отражающего слоя;

4. полученная структура наблюдалась с помощью микроскопа.

Циакин.

Диски имеют ярко выраженный синий оттенок

Понятно, что чем выше контраст изображения голограммы на CD-R диске, тем выше ее эффективность и выше качество восстановленного изображения.

В результате исследований выяснилось, что наиболее контрастные изображения получились на дисках Verbatim Cyan (код 97m24s01f) и Verbatim Azo (код 97m34s23f), однако только диски Verbatim Cyan показали хорошую «податливость» при снятии верхней отражающей пленки: проводился небольшой надрез скальпелем, воздух проникал под пленку, и ее дальнейшее отделение не вызывало проблем, что нельзя сказать о других «болванках». Следует отметить, что оценка возможности снятия защитной пленки проводилась из-за того, что при работе на отражение существенно увеличивается влияние некачественной подложки диска. Так как ошибки форм поверхностей подложки голограммы существенно влияют на качество голограммных структур, проводились измерения ошибок геометрической формы рабочей поверхности CD-R дисков с помощью голографического пробного стекла [10, 11]. Было определено, что поверхность рабочей стороны диска имеет плавные неровности с амплитудой порядка 50 мкм на масштабе радиуса диска (3.5 см). Однако это не является существенной проблемой, так как она может быть решена помещением диска в иммерсионную жидкость.

Для исследования приводов для записи дисков была собрана установка (рис. 4). Решено было во время измерений записывать на диск аудиоданные сплошным потоком на скорости 4х. С микросхемы-драйвера двигателей привода снимался сигнал «FG», символизирующий частоту оборотов диска при записи [12]. С помощью подключенного осциллографа и частотомера проводилась оценка стабильности скорости при записи.

Рис. 4. Блок-схема установки для исследования пишущих приводов

Следует отметить особенность схемотехнического решения, реализованного в приводе Yamaha CRW F1 (рис. 5). Сигнал с датчиков Холла в цифровой форме поступает на компаратор микросхемы-драйвера двигателя, где он совмещается и преобразуется в частотный сигнал, символизирующий скорость оборота диска, далее он поступает в головную микросхему контроллера привода («чипсет»), где сравнивается с эталонной частотой генератора для данной скорости вращения. В случае несовпадения частот контроллер управляет микросхемой двигателей с помощью поправочного сигнала, а именно, путем ускорения или торможения мотора шпинделя, причем сигнал этот уже

имеет аналоговую форму, что указывает на наличие высококачественных ЦАП/АЦП

преобразователей в микросхемах.

Двигатель шпинделя

H Цифровой СИ

Управлени! движком

Микросхема-драйвер двигателей

гнал

Компа ратор

Поправочны

Контроллер привода

л сигнал

Сравнение с эталонной частотой

Рис. 5. Схемотехническое решение привода Yamaha CRW-F1

Следует отметить, что реализовать такое включение позволяют все контроллеры двигателей исследованных пишущих приводов, однако эта функция, как оказалось, задействована только в приводе F1. Понятно, что наиболее подходящем для отображения синтезированных компьютером голограмм на диске CD-R является привод, обеспечивающий наиболее стабильный режим записи диска. Это, в том числе, обусловливает и точность позиционирования точек изображения голограммы по угловой координате диска.

Все приводы, кроме Yamaha, характеризуются снижением скорости вращения диска от центра к краю, т.е. пишут диск с постоянной линейной скоростью (CLV), а привод Yamaha записывает аудиодиск с включенной опцией Audio Master - фирменной технологией, обеспечивающей хорошее качество звука записанного диска [13]. Также следует отметить, что в приводе Yamaha уровень неравномерности, нестабильности скорости вращения был намного меньше, чем в других исследованных приводах.

Заключение

Исследования показали, что наиболее подходящей средой для отображения синтезированных компьютером голограмм являются диски Verbatim Cyan (код 97m24s01f), а наиболее подходящем приводом - привод Yamaha CRW F1. Результаты настоящих исследований имеют важное значение для дальнейшей реализации метода отображения синтезированных компьютером голограмм на дисках CD-R.

Литература

1. Clube F., Gray S. et al. Holographic microlithography. // Opt. Eng. 1995. 34(9). Р. 27242730.

2. Корешев С.Н., Ратушный В.П. Использование метода голографии для получения изображения двумерных объектов при решении задач коротковолновой фотолитографии. // Оптический журнал. 2004. № 10. С. 32-39.

3. Бедж Дж., Коронкевич В.П., Корольков В.П. и др. Синтез голограмм для контроля оптических систем. / Материалы конференции стран СНГ и Прибалтики «Гологра-фия-96». СПб, 1996. С. 49.

4. Лукин А.В. Голография в оптической технологии и приборостроении. / Тезисы докладов 6 Всесоюзной конференции по голографии, 18-20 сентября 1990. С. 12.

5. Data interchange on read-only 120mm optical data disks (CD-ROM), standard ECMA-130, 2nd edition june 1996. / http://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST7Ecma-130.pdf

6. How CDs work. / http://electronics.howstuffworks.com/cd.htm

7. Sakamoto Y., Morishima M., Usui A. Computer generated holograms o a CD-R disk. // SPIE. Vol. 5290. Р. 42-29.

8. Cable Mash P., Wilkinson T. Production of computer-generated holograms on recordable compact disk media using a compact disk writer. // Opt. Eng. September 2003. 42(9). Р. 2514-2520.

9. Как делаются CD диски. / http://cdcopy.com.ua/ru/articles/cd_production.html

10. Кольер Р., Берхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973.

11. Корешев С.Н. Голографическое пробное стекло и интерферометры на его основе. // Оптика и спектроскопия. 1997. Т. 82. №4. С. 683-687.

12. 6ch power driver for CD-ROM, DVD-ROM, optical disk ICs, datasheet. / www.rohm.com

13. CRW-F1 and DiskT@2. / http://www.nix.ru/news/articles/reviews/storage/crw-f1/i01.htm