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Die
Erfindung betrifft ein holographisches System, insbesondere zur
holographischen Datenspeicherung, umfassend eine Strahlungsquelle
zur Emission einer Strahlung, eine Objektivlinse, ein Signalauswertemittel,
einen Detektor und einen optischen Datenspeicher, wobei der optische
Datenspeicher mindestens eine Datenträgerschicht und mindestens eine
strahlenreflektierende Schicht aufweist.
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Derartige
Systeme kommen üblicherweise bei
der Speicherung und beim Auslesen von Informationen zum Einsatz,
die in digitalen Medien gespeichert werden. Digitale Speichermedien
können
beispielsweise CDs oder DVDs sein, welche eine weite Verbreitung
auf dem Markt aufweisen. Der ständig steigende
Bedarf der Verfügbarkeit
an Informationen in großen
Mengen erfordert schnelle und sichere Speicher- und Leseverfahren.
Informationen, die im Speichermedium gespeichert werden können, können im
Allgemeinen digital oder analog sein. Dabei können die digitalen Daten beispielsweise
als zwei- oder dreidimensionale Bitmuster eingeschrieben und ausgelesen
werden. Die zu speichernden Daten werden dabei mit einem mittels
einer Strahlungsquelle erzeugten und entsprechend der Dateninformation modulierten
Strahl in die Datenträgerschicht
eingeschrieben, wobei die als Bit bezeichnete Einzelinformation
nachfolgend wieder ausgelesen werden kann.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Datenspeicherkapazität
kann die holographische Datenspeicherung herangezogen werden, bei
der die Informationen dreidimensional im optischen Datenspeicher
angelegt werden.
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Das
Speichern und Auslesen von holographischen Daten erfolgt in Form
von Datenseiten, die jeweils ein komplettes Bitmuster umfassen.
Ein solches Bitmuster kann holographisch gespeichert und anschließend beliebig
oft ausgelesen bzw. erfasst werden. Durch die Technik des sogenannten
Multiplexing können
zudem an einem Ort eine Vielzahl von Datenseiten überlagert
werden. Das Erfassen der Informationen beinhaltet das Aufnehmen
und Auslesen der im Signalstrahl enthaltenen optischen Informationen.
Die erfassten Informationen können
beispielsweise mit Hilfe einer Digitalkamera bzw. einer CCD-Kamera
in elektrische Signale umgewandelt werden oder optisch weiterverarbeitet
werden.
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Das
zu erzeugende Daten-Bitmuster wird bei der holographischen Datenspeicherung
dem Signalstrahl mittels eines Modulators aufgeprägt. Durch
Interferenz zwischen einem Signalstrahl und einem Referenzstrahl
werden die Daten im optischen Speichermedium unter einem vorgegebenen
Winkel holographisch eingeschrieben. Die dabei zur Anwendung kommenden
holographischen Materialien können Kristalle
sein bzw. aus einer Vielzahl von zu einer Einheit verbundenen Teilkristallen
oder aus organischen oder anorganischen photorefraktiven Materialien,
wie z.B. Photopolymeren, bestehen, die durch die Belichtung ihre
Brechzahl bzw. ihren Absorptionskoeffizienten ändern.
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Für die Generierung
der Signal- und Referenzstrahlen zeigt der Stand der Technik Systeme zum
holographischen Speichern und Auslesen von digitalen in Bitsequenzen
gespeicherten Informationen auf, die zwei einzelne Strahlungsquellen
beinhalten, deren Strahlung über
Polarisatoren getrennt und für
eine Überlagerung
wieder entsprechend kollimiert wird.
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Wie
in der Druckschrift „Realization
of 1 terabyte optical disk, OPTWARE Co. pamphlet obtained at Interopto '02 in Markuhari" offenbart, sind
die Strahlungsquellen in den meisten Anwendungen Laserstrahlquellen,
die entweder voneinander vollständig
getrennte Strahlengänge
aufweisen, bevor die Strahlen im Speichermedium zur Interferenz
gebracht werden, oder deren Strahlen über Polarisationsfilter getrennt werden,
um anschließend
im Speichermedium für
eine Interferenz gekreuzt zu werden. Die notwendigen Strahlungsquellen
können
also Laserstrahlquellen sein, jedoch ist ihre Beschreibung in Bezug
auf die Kohärenz
der charakteristischen Strahlung nicht als Beschränkung auf
optische Strahlung zu verstehen.
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Für die Steuerung
des Schreib- und Lesekopfes in seiner Position gegenüber dem
optischen Speichermedium wird eine Lageregelung eingesetzt, bei
der über
einen im Speichermedium reflektierten Strahl die Fokus- und Spurkontrolle
mittels eines Detektors vorgenommen wird.
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Bei
den bekannten Schreib- und Lesegeräten zum holographischen Speichern
und Auslesen digitaler Informationen aus optischen Datenspeichern
tritt das Problem auf, dass der optische Aufbau der Schreib- und
Leseeinheit ein sehr komplexes System umfasst. Ebenso sind Strahlteiler
wie Polarisationsfilter erforderlich, und die Strahlen verlaufen meist
bis zur gemeinsamen Kollimation bzw. zur Interferenz auf verschiedenen
optischen Wegen. Dieser komplexe optische Aufbau erfordert einen
hohen Montage- und Justageaufwand, da mehrere optische Komponenten
zueinander ausgerichtet werden. Eine wesentliche Vorraussetzung
für das
Schreiben und Auslesen der Informationen ist bei derartigen Systemen
die sehr genaue Ausrichtung und Positionierung der beiden korrespondierenden
Strahlen.
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Ebenso
zeigt der Einsatz von lichtpolarisierenden optischen Komponenten
Nachteile derart, dass die als Extinktion bezeichnete Trennung der
Polarisationsebenen der Einzelstrahlen durch die entsprechenden
Polarisatoren Unschärfen
aufweist, womit die Signalschärfe
weiter geschwächt
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein holographisches
System insbesondere zur holographischen Datenspeicherung zu schaffen,
das eine kleine, kompakte und robuste Einheit bildet, bei dem sich
der Signalstrahl mit dem Referenzstrahl in der holographischen Speicherschicht
nur einmal kreuzt, welches den Einsatz von optischen Strahlteilern
vermeidet und einen minimalen Justageaufwand benötigt.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem System zur holographischen Datenspeicherung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Objektivlinse oder das Objektivlinsen-System
mehrere Sektionen umfasst, wobei mindestens zwei parallel verlaufende
Strahlen in jeweils einer Sektion die Objektivlinse durchlaufen
und die mindestens zwei Strahlen an jeweils getrennten Orten auf
einer Ebene im optischen Datenspeicher fokussieren, wobei mindestens
ein im optischen Datenspeicher reflektierter Strahl die Objektivlinse
in einer jeweils weiteren Sektion wieder durchläuft.
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Diese
Lösung
bietet den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße Objektivlinse der Signalstrahl mit
dem Referenzstrahl parallel verlaufen kann, womit auf strahlteilende,
insbesondere auf Polarisation beruhende Optiken im Strahlenverlauf
verzichtet werden kann. Somit treten die Nachteile der geringeren
Signalschärfe
nicht mehr auf, da das Extinktionsverhältnis, welches den Kontrast
der nicht 100%igen Trennung der Polarisationsebenen beschreibt,
immer eine Unschärfe
im digitalen Signal bewirkt.
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Durch
den parallelen Verlauf beider Strahlen ist es möglich, ein kompaktes, kleinbauendes
System zu realisieren, welches neben nur einer Strahlungsquelle
mit wenigen weiteren optischen Komponenten aufgebaut werden kann.
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Eine
weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass die
Objektivlinse oder das Objektivlinsen-System genau vier Sektionen
umfasst, wobei die Sektionen derart ausgebildet sind, dass sich
genau zwei die Objektivlinse durchlaufende Strahlen in genau einem
Kreuzungspunkt kreuzen. Damit ist der Vorteil gegeben, dass sich
die beiden Strahlen nur einmal in der Datenschicht kreuzen und dort
ein klar definiertes Hologramm erzeugen. Die einzelnen Sektionen
der Objektivlinse sind dabei derart zueinander angeordnet, dass
die Kreuzung des Signalstrahls mit dem Referenzstrahl durch den speziell
ineinander verschachtelten Verlauf der Strahlen hervorgerufen wird.
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Nach
einer möglichen
Weiterbildung des Systems wird vorgeschlagen, dass die Sektionen
der Objektivlinse oder des Objektivlinsen-Systems jeweils als Halblinse
ausgeformt sind, wobei die Objektivlinse eine horizontal bilateralsymmetrische
oder eine rotationssymmetrische Form aufweist, wobei die Krümmungen
der Halblinsen nach außen
zeigen. Mit der halblinsenförmigen
Kontur der einzelnen Sektionen der Objektivlinse durchlaufen der
Signalstrahl und der Referenzstrahl den optischen Datenspeicher unter
einem Winkel. Dies bewirkt die einmalige Kreuzung der beiden Strahlen.
Durch die Krümmung
in der halblinsenförmigen
Kontur fokussieren die Strahlen, womit ein separates Objektiv zur
Fokussierung der Strahlen entfallen kann. Die vorteilhafte Ausführung der
erfindungsgemäßen Objektivlinse übernimmt
somit sowohl die Funktion der Strahlumlenkung als auch die Funktion
der Fokussierung.
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Für die Teilung
und die Modulation des von der Strahlungsquelle emittierten kollimierten
Strahles ist es von besonderem Vorteil, dass ein Modulationsmittel
zwischen der Strahlungsquelle und der Objektivlinse angeordnet ist,
wobei das Modulationsmittel aus dem von der Strahlungsquelle emittierten
kollimierten Laserstrahl genau zwei parallele Strahlen generiert,
von denen ein Strahl als Signalstrahl und ein Strahl als Referenzstrahl
dient. In einfachster Form lässt
das Modulationsmittel die eine Hälfte
des Laserstrahls als Referenzstrahl ungehindert passieren, während die
andere Hälfte
des Laserstrahls entsprechend der zu speichernden Daten moduliert wird.
Das Modulationsmittel verändert
die Amplitude und/oder die Phase des einfallenden Laserstrahls. Selbstverständlich ist
es ebenso möglich,
dass das Modulationsmittel eine Strahlteileroptik aufweist. Über eine
Modulation des Referenzstrahls kann das Modulationsmittel darüber hinaus
für ein
phasenkodiertes Multiplexing genutzt werden. Das Modulationsmittel übernimmt
neben der Funktion der Strahlteilung zusätzlich die Funktion der Strahlmodulation,
um das phasenkodierte Multiplexing für die holographische Datenspeicherung
zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist das Modulationsmittel ein räumlicher Lichtmodulator (SLM,
Spatial Light Modulator), beispielsweise eine Flüssigkristallanordnung oder
ein Mikrospiegel-Array.
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Aus
konstruktiven Gründen
ist es von besonderem Vorteil, wenn der Referenzstrahl zur Regelung der
Fokus- und Spurlage und der Neigung (Disk-Tilt) des optischen Datenspeicher
nutzbar ist. Vorzugsweise durchläuft
der Referenzstrahl nach der Objektivlinse eine astigmatische Fokuslinse
und wird dann von einem Detektor erfasst, um ein Korrektursignal zur
Regelung zu generieren. Die Objektivlinse ist in diesem Fall durch
ein Aktuatormittel mechanisch aufgenommen, um eine Fokus-, Disk-Tilt und Spursteuerung
auf Grundlage des Korrektursignals vorzunehmen. Der Detektor ist
beispielsweise eine Vierquadrantendiode, um ein Abweichen des Referenzstrahls sowohl
aus der Fokuslage als auch aus der Spur zu detektieren. Die astigmatische
Fokuslinse dient dabei der Strahlformung und besteht aus einer nicht
rotationssymmetrischen Linse. Anstelle des Astigmatismusverfahrens
ist es ebenso möglich,
andere Verfahren, wie z.B. das sogenannte 'Spot Size Detection'-Verfahren,
zur Erzeugung eines Korrektursignals zu verwenden. Vorteilhaft ist
bei dieser Lösung
die Nutzbarkeit des Referenzsignals, welches nach erneutem Durchlaufen
der Objektivlinse kollimiert wird und als freier Strahl in den Detektor
weiterleitbar ist. Durch das Aktuatormittel, welches die Objektivlinse
relativ zum optischen Datenspeicher bewegen kann, ist es möglich, Lagekorrekturen
an der Objektivlinse vorzunehmen und somit die Fokuslage, den Disk-Tilt
und die Spur wieder nachzustellen. Das Korrektursignal für das Aktuatormittel
wird dabei vom Detektor erfasst und aufbereitet, womit die vorgenannten
Komponenten einen geschlossenen Regelkreis bilden.
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Eine
zusätzliche
die Erfindung verbessernde Maßnahme
sieht vor, dass der Winkel zwischen den sich kreuzenden Strahlen
im Kreuzungspunkt in der Datenträgerschicht
des optischen Datenspeichers bei 90° liegt. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt
darin, dass mit einem Winkel von 90° zwischen dem Signalstrahl und
dem Referenzstrahl das phasenkodierte Multiplexing eine optimale
Funktion aufweist, d.h. es kann ein sehr hohe Speicherdichte erzielt
werden. Selbstverständlich
kann der Winkel aber auch andere Werte annehmen, vorzugsweise zwischen
80° und 100° Der Winkel
wird bei realen Systemen zumindest teilweise durch das Linsendesign
bestimmt.
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Für eine Auswertung
des Signalstrahls trifft der Signalstrahl in ein Signalauswertemittel,
welches hinter der Objektivlinse angeordnet ist, um im Signalstrahl
enthaltene Signale zu erfassen. Nach der Erfassung der Daten können diese aufbereitet
und darstellbar gemacht werden, indem sie in elektrische Signale
umgewandelt werden. Das Signalauswertemittel kann dabei aus einer
CCD-Kamera oder einem Photoarray bestehen, wobei eine parallele
Auswertung mehrerer Daten möglich
ist. Ebenso ist eine optische Weiterverarbeitung der Daten möglich, um
diese für
weitere optische Anwendungen zur Verfügung zu stellen.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines holographischen Systems
mit einem Detektor,
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2 ebenfalls
eine schematische Darstellung eines Aufbaus des holographischen
Systems, jedoch mit modifizierter Objektivlinse und ohne Detektor,
und
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3 eine
schematische Draufsicht auf die Objektivlinse.
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Die
beigefügten
Figuren sind schematische Darstellungen und dienen der Erläuterung
der Erfindung. Gleiche und ähnliche
Bauteile werden durch gleiche Bezugszeichen dargestellt. Die Richtungsangaben
beziehen sich auf die Zeichnungsebene, sofern nicht etwas anderes
angegeben ist. Der Winkel zwischen den Strahlen ist in den Figuren
deutlich von 90° verschieden.
Dies resultiert aus der im Vergleich zu den anderen Elementen stark
vergrößerten Darstellung
des Datenträgers.
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Der
in 1 dargestellte Aufbau eines holographischen Systems 1 umfasst
eine Strahlungsquelle 2, welche eine Strahlung 3 aussendet.
Dabei kann die Strahlungsquelle 2 eine Laserstrahlquelle sein,
welche einen kollimierten Laserstrahl emittiert, der auf ein Modulationsmittel 4 trifft.
Der kollimierte Laserstrahl wird nachfolgend im Modulationsmittel 4 in
einen Signalstrahl 5 und einen Referenzstrahl 6 geteilt,
welche zueinander parallel verlaufen. Der Signalstrahl 5 wird
vom Modulationsmittel 4 entsprechend des in eine Datenträgerschicht 7 eines
optischen Datenspeichers 8 einzuschreibenden Bitmusters
moduliert. Der Referenzstrahl 6 kann dabei zusätzlich über das
Modulationsmittel 4 für
ein phasenkodiertes Multiplexing moduliert werden. Der Modulator 4 liegt
normalerweise in der Brennebene der Linse. Jedes Pixel des Modulators
erzeugt im Datenträger
eine ebene Welle (Fouriertransformationseigenschaft einer Linse).
Bei der Phasenmodulation werden die Phasen der einzelnen ebenen
Wellen variiert, typisch entweder um 0 oder Pi verschoben. Durch
geschickte Wahl der einzelnen Phasen können mehrere Hologramme am
selben Ort gespeichert werden.
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Beide
parallel verlaufenden Strahlen 5, 6 werden nachfolgend
durch eine Objektivlinse 9 auf einen optischen Datenspeicher 8 gelenkt
und dabei im optischen Datenspeicher 8 fokussiert. Die
Objektivlinse 9 weist vier Sektionen 10a, 10b, 10c, 10d auf, die
auf der oberen in Richtung der Strahlungsquelle 2 liegenden
Seite jeweils eine halblinsenförmige Kontur
aufweisen. Die Objektivlinse kann bilateralsymmetrisch oder rotationssymmetrisch
beschaffen sein, wobei eine Seite der Objektivlinse 9 die
halblinsenförmigen
Konturen aufweist und die andere Seite plan ist. Somit handelt es
sich bei den Sektionen um einzeln aneinandergesetzte Plankonvexlinsen,
wobei die Krümmung
der halblinsenförmigen
Kontur der vier Sektionen 10a, 10b, 10c, 10d jeweils
nach außen
zeigt. Die Objektivlinse 9 kann dabei einstückig ausgeführt sein
oder aus den einzeln angefertigten Sektionen 10a, 10b, 10c, 10d zusammengesetzt sein.
Die hier nur schematisch gezeichneten plankonvexen Linsen können selbstverständlich durch
bikonvexe asphärische
Linsen oder sogar Linsen-Systeme ersetzt werden um die Abbildungseigenschaften
der Objektivlinse zu verbessern. Durch die Brechung des Signalstrahls 5 und
des Referenzstrahls 6 an der Objektivlinse 9 treten
die beiden Strahlen unter einem von 90° verschiedenen Winkel in den
optischen Datenspeicher 8 ein. Dieser weist unterhalb der
Datenträgerschicht 7 eine
strahlenreflektierende Schicht 11 auf, an der der Signalstrahl 5 und
der Referenzstrahl 6 reflektiert werden, so dass sie unter
einem dem Einfallswinkel entsprechenden Ausfallswinkel im optischen
Datenspeicher 8 in entgegengesetzter Richtung wieder zurücklaufen.
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Der
optische Datenspeicher 8 weist mindestens eine Datenträgerschicht 7 auf,
die sich parallel zur strahlenreflektierenden Schicht 11 im
optischen Datenspeicher 8 befindet. Durch die Krümmung der Oberfläche der
einzelnen Sektionen 10a, 10b fokussieren die beiden
kollimierten Strahlen 5, 6 auf der strahlenreflektierenden
Schicht 11 und kreuzen sich dann in einem Kreuzungspunkt 12 in
der Datenträgerschicht 7.
Durch die Kreuzung des Signalstrahls 5 mit dem Referenzstrahl 6 wird
in der Datenschicht, welche z.B. aus einem photoempfindlichen Polymer besteht,
ein Hologramm erzeugt. In diesem Volumengitter ist die Information
gespeichert. Sie kann nur mit Hilfe des Referenzstrahls ausgelesen
werden, der auch bei der Erzeugung des Hologramms verwendet wurde.
Durch Variation der Phase des Referenzstrahls ist es möglich mehrere
Hologramme am selben Ort zu speichern (sogenanntes Phasen-Multiplexing).
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Nachdem
die beiden Strahlen den optischen Datenspeicher 8 durchlaufen
haben werden diese wiederum von den Sektionen 1Oc, 10d der
Objektivlinse 9 kollimiert und strahlen parallel im gegenläufigen Sinn
von der Objektivlinse 9 ab. Dabei läuft der Signalstrahl in ein
Signalauswertemittel 13, welches die digitalen Daten erfasst
und nachfolgend in elektrische Signale umwandelt. Das Signalauswertemittel 13 kann
dabei aus einer CCD-Kamera oder einem Photoarray bestehen, jedoch
ist auch eine optische Weiterverarbeitung möglich, so dass die Signale
beispielsweise in einer Lichtleitfaser weitergeleitet werden können. Der
Referenzstrahl 6 hingegen wird über eine astigmatische Linse
oder einen speziellen Strahlteiler 14 in einen Detektor 15 geleitet.
Die astigmatische Linse 14 ist dabei nicht rotationssymmetrisch,
womit der Referenzstrahl 6 für eine Lagedetektion auswertbar
ist. Der Detektor 15 kann aus einer Vierquadrantendiode
bestehen, die eine Abweichung des Referenzstrahles 6 aus
seiner Sollposition detektieren kann, womit der Detektor 15 ein
Korrektursignal ausgibt. Wenn die Position der Objektivlinse 9 gegenüber dem
optischen Datenspeicher 8 abweicht, so dass entweder die
Fokuslage oder aber die Spurposition der beiden Strahlen aus der
Sollposition abweicht, dann wandert ebenfalls der Referenzstrahl 6 aus
seiner Sollposition, was nachfolgend vom Detektor 15 erfasst
wird. Da der Signalstrahl 5 und der Referenzstrahl 6 parallel
zueinander verlaufen, kann eine fehlerhafte Position beider Strahlen
gleichermaßen
allein durch die Detektion des Referenzstrahls 6 erfasst
und korrigiert werden. Für
die Einleitung sowohl des Signalstrahls 5 als auch des
Referenzstrahls 6 in das Signalauswertemittel 13 als
auch in den Detektor 15 kommen Spiegel 16 zum
Einsatz, die die Strahlen zusätzlich
gegenüber
dem Signalauswertemittel 13 als auch gegenüber dem
Detektor 15 positionierbar machen.
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Das
vom Detektor 15 gelieferte Korrektursignal wird innerhalb
eines aktiven Regelkreises an ein mechanisches Aktuatormittel weitergegeben,
um die Position der Objektivlinse 9 nachfolgend zu korrigieren.
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In 2 ist
ebenfalls eine schematische Darstellung eines Aufbaus des holographischen
Systems dargestellt, jedoch mit modifizierter Objektivlinse 9 und
ohne Detektor 15. Dieses System gleicht dem in l beschriebenen System, jedoch entfällt die
Detektion des Referenzstrahles 6 zur Strahllagekorrektur über einen
Detektor 15. In diesem Fall wird die Fokus- und Spurlagenerfassung über ein
externes System vorgenommen, welches beispielsweise aus einer zusätzlichen
Laserstrahlquelle besteht. Da die Rekollimation des Referenzstrahles 6 über die vierte
Sektion 10d der Objektivlinse 9 bei dieser Variante
nicht notwendig ist, entfällt
diese, womit die Objektivlinse 9 aus nur drei Sektionen 10a, 10b, 10c aufgebaut
ist.
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In 3a) und b) ist schematisch eine Draufsicht
auf zwei mögliche
Ausführungsformen
der Objektivlinse 9 dargestellt. Dabei zeigt 3a) eine bilateralsymmetrische Ausführung der
Objektivlinse 9 und 3b) eine
rotationssymmetrische Ausführung.
Die schraffierten Flächen
bezeichnen dabei die Linsensegmente für den Signalstrahl, die nicht schraffierten
Flächen
die Linsensegmente für
den Referenzstrahl.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch
bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht.
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- 1
- holographisches
System
- 2
- Strahlungsquelle
- 3
- Strahlung
- 4
- Modulationsmittel
- 5
- Signalstrahl
- 6
- Referenzstrahl
- 7
- Datenträgerschicht
- 8
- optischer
Datenspeicher
- 9
- Objektivlinse
- 10
- Sektion
- 11
- strahlenreflektierende
Schicht
- 12
- Kreuzungspunkt
- 13
- Signalauswertemittel
- 14
- astigmatische
Linse
- 15
- Detektor
- 16
- Spiegel