DE102007063494A1 - Method and device for generating holograms - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen mikroholographischen Datenspeicher und ein Verfahren zur Erzeugung von mikroholographischen Interferenzgittern. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf der Basis einer kommerziell erhältlichen, leichten asphärischen Linse einen mikroholographischen Datenspeicher und ein Verfahren zur Erzeugung von mikroholographischen Interferenzgittern bereitzustellen, die eine Kompensation der sphärischen Aberration implementieren und dadurch eine vollständige Elimination der auftretenenden Öffnungsfehler ermöglichen. Dazu wird die Strahlung der Lichtquelle (10) mittels einer ersten asphärischen Linse (1) und einer zweiten asphärischen Linse (2) in die Speicherschicht (12) fokussiert und nach Durchtritt durch die Speicherschicht (12) mittels einer dritten asphärischen Linse (3) und einer vierten asphärischen Linse (4) kollimiert und nach Reflexion an einem Reflektor (5) weider in die Speicherschicht (12) fokussiert und zur Ausbildung eines Interferenzmusters gegenläufig überlagert, wobei zur Änderung der Tiefe (z) des Fokus in der Speicherschicht (12) die zweite asphärische Linse (2) und die dritte asphärische Linse (3) relativ zur Speicherschicht (12) bewegt werden und die erste asphärische Linse (1) relativ zweiten asphärischen Linse (2) und die dritte asphärische Linse (3) relativ zur vierten ...The present invention relates to an apparatus and a method for generating a plurality of holograms, in particular the present invention relates to a mikroholographischen data memory and a method for the production of mikroholographische interference gratings. The object of the present invention is to provide on the basis of a commercially available, lightweight aspherical lens a mikroholographischen data memory and a method for producing mikroholographische interference gratings, which implement a compensation of the spherical aberration and thereby allow a complete elimination of the occurring aperture errors. For this purpose, the radiation of the light source (10) by means of a first aspheric lens (1) and a second aspherical lens (2) is focused in the storage layer (12) and after passing through the storage layer (12) by means of a third aspherical lens (3) and a fourth aspherical lens (4) collimated and focused after reflection on a reflector (5) weider in the memory layer (12) and counterposed to form an interference pattern, wherein for changing the depth (z) of the focus in the memory layer (12) second aspherical lens (2) and the third aspheric lens (3) are moved relative to the storage layer (12), and the first aspherical lens (1) relative to the second aspherical lens (2) and the third aspherical lens (3) relative to the fourth .. ,
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen mikroholographischen Datenspeicher und ein Verfahren zur Erzeugung von mikroholographischen Interferenzgittern, insbesondere die Erzeugung mikroholographischer Gitter mit beugungsbegrenzt abgebildeten Laserstrahlen innerhalb eines Speichermediums.The The present invention relates to a method and an apparatus for generating a plurality of holograms, in particular the present invention is a micro-logical data storage and a method for the production of micro-holographic interference gratings, in particular the generation of micro-holographic gratings with diffraction-limited imaged laser beams within a storage medium.
Hinsichtlich der Speicherdichte ist es entscheidend, die räumliche Ausdehnung der Gitter auf möglichst kleine Volumenelemente zu lokalisieren. Dies wird erreicht, indem der Laserstrahl von beiden Seiten beugungsbegrenzt in die photoempfindliche Schicht fokussiert wird. Die dreidimensionale Gitterlokalisierung ist dann direkt von der Fokusgröße des Schreibstrahls abhängig. Beim Auslesen sollen die erzeugten Gitter fehlerfrei detektiert werden, d. h. der Lesestrahl muss dieselbe beugungsbegrenzte Fokusgröße aufweisen.Regarding The storage density is crucial, the spatial extent of the grid on as possible to locate small volume elements. This is achieved by the laser beam from both sides diffraction limited in the photosensitive Layer is focused. The three-dimensional lattice localization is then directly from the focus size of the write beam dependent. When reading the generated grids are detected error-free be, d. H. the reading beam must have the same diffraction-limited focus size.
Von einer beugungsbegrenzten Abbildung wird gesprochen, wenn die Leistung eines optischen Systems lediglich oder zumindest maßgeblich durch den physikalischen Effekt der Beugung, nicht jedoch durch Mängel im Design oder in der Herstellung begrenzt ist. Es gibt unterschiedliche Methoden festzustellen, ob ein optisches System beugungsbegrenzt ist, beispielsweise durch Berechnung und Messung der optischen Weglängendifferenz OPD, des Strehl-Verhältnisses, des RMS Radius, der RMS OPD, der Standardabweichung und weitere. Aufgrund der unterschiedlichen Kriterien ist es möglich, dass ein optisches System nach einer der vorgenannten Methoden als „beugungsbegrenzt", jedoch nach einer anderen der vorgenannten Methoden nicht als „beugungsbegrenzt" eingestuft wird.From a diffraction-limited figure is spoken when the performance an optical system only or at least authoritative by the physical effect of the diffraction, but not by defects in the Design or production is limited. There are different Methods determine if an optical system diffraction-limited is, for example, by calculation and measurement of the optical path length difference OPD, the Strehl ratio, of the RMS radius, the RMS OPD, the standard deviation and others. Due to the different criteria, it is possible that an optical system according to one of the aforementioned methods as "diffraction-limited", but after a other of the above methods is not classified as "diffraction-limited".
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Abbildung als „beugungsbegrenzt" angesehen, wenn der RMS Radius der geometrisch optischen Abbildung kleiner als der Airy-Disk-Radius ist. Der Airy-Disk-Radius ist definiert als rAIRY = 0.61 λ / NA, wobei λ die Wellenlänge des durch das optische System abgebildeten Lichts (bzw. die Zent ralwellenlänge der verwendeten kohärenten Lichtquelle) und NA die numerische Apertur ist. Die numerische Apertur (NA) ist eine dimensionslose Größe und charakterisiert den Winkelbereich, innerhalb dessen ein optisches System Licht abbilden kann oder tatsächlich abbildet. Die numerische Apertur ist wie folgt definiert: NA = n·sinσ = n'·sinσ' wobei n' die Brechzahl des Materials in der Bildebene (im Fall des mikroholographischen Datenspeichers also die Brechzahl des Polymers) und σ' der bildseitige Winkel des Randstrahls zur optischen Achse ist. Mit anderen Worten wird durch die Wellenlänge des zu fokussierenden Lichts und die durch die verwendeten Optiken realisierte Randstrahlneigung des fokussierten Laserstrahls der aufgrund der Beugung minimal mögliche Fokusradius (Airy-Disk-Radius) bzw. Fokusdurchmesser festgelegt.According to the present invention, an image is considered to be \ "diffraction limited \" if the RMS radius of the geometrically optical map is less than the Airy Disk radius. "The Airy Disk radius is defined as r AIRY = 0.61 λ / NA, where λ the wavelength of the light imaged by the optical system (or the center wavelength of the coherent light source used) and NA is the numerical aperture The numerical aperture (NA) is a dimensionless quantity and characterizes the angular range within which an optical system can image light The numerical aperture is defined as follows: NA = n × sinσ = n '× sinσ' where n 'is the refractive index of the material in the image plane (in the case of the micro-holographic data memory, the refractive index of the polymer) and σ' is the image-side Is the angle of the marginal ray to the optical axis, in other words, the wavelength of the light to be focused and that used by the Optics realized edge beam tilt of the focused laser beam due to the diffraction minimally possible focus radius (Airy Disk radius) or fixed focus diameter.
Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls größer als die Apertur, wird also Laserstrahlung an der Aperturblende abgeschnitten bzw. vignettiert, so wird als Randstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung wird derjenige Strahl verstanden, der gerade noch nicht durch die Aperturblende des Systems abgeschnitten bzw. vignettiert wird.is the diameter of the irradiated laser beam is greater than the aperture, so laser radiation is cut off at the aperture stop vignettiert, so is as edge beam in the sense of the present Invention is understood to be the one ray that is just not yet cut off or vignetted by the aperture stop of the system becomes.
Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls kleiner als die Apertur, wird also keine Laserstrahlung an der Aperturblende abgeschnitten bzw. vignettiert, so wird als Randstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung wird derjenige Strahl verstanden, dessen Intensität 1% der Intensität im Maximum (Gauß-Verteilung der Intensität) entspricht.is the diameter of the irradiated laser beam is smaller than the Aperture, so no laser radiation is cut off at the aperture stop vignettiert, so is as edge beam in the sense of the present Invention is understood to mean that beam whose intensity is 1% of the intensity in the maximum (Gaussian distribution the intensity) equivalent.
Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls gleich als die Apertur, kontaktiert der Randstrahl der Laserstrahlung genau die Aperturblende.is the diameter of the incident laser beam is the same as the aperture, the marginal ray of the laser radiation contacts exactly the aperture diaphragm.
Als RMS Radius (oder auch RMS Spot Radius) im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die root-mean-square (quadratische Mittelung) Radialgröße bezeichnet. D. h., der Abstand zwischen jedem Strahl und einem Referenzpunkt (optische Achse oder Schwerpunkt aller Strahlen) wird quadriert, dann über alle Strahlen gemittelt und danach die Quadratwurzel gezogen. Wie bereits erwähnt, wird ein optisches System als „beugungsbegrenzt" angesehen, wenn der RMS Radius kleiner als der Airy-Disk-Radius ist. Die Größe des RMS Radius hängt von der Auswahl der durch das Sys tem hindurchzurechnenden Strahlen ab. So ist es möglich, dass ein optisches System nach einer bestimmten Strahlenauswahl als „beugungsbegrenzt" und nach einer anderen Strahlenauswahl nicht als „beugungsbegrenzt" angesehen wird. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird der RMS Radius dadurch bestimmt, dass über die Apertur 5 Ringe a 10 Strahlen (linear radial und bezogen auf den unlaufenden Winkel gleichmäßig) verteilt werden. Dabei werden die Strahlen über die Apertur möglichst gleichverteilt. Bei der Fokussierung paralleler Strahlen (wie im vorliegenden Fall) werden die 5 Ringe äquidistant zueinander zwischen Randstrahl und optischer Achse angeordnet (d. h. der erste Ring befindet sich auf der optischen Achse, der fünfte Ring befindet sich in der radialen Entfernung der Randstrahlen von der optischen Achse und zweiter bis vierter Ring sind dazwischen äquidistant verteilt). Die 10 Strahlen je Ring sind umlaufend, also je mit einem Winkel von 36° zueinander verteilt. Die Strahlen der einzelnen Ringe verlaufen auf radialen Geraden vom Mittelpunkt bis nach außen, d. h. jeweils 5 Strahlen der einzelnen 10 Ringe können durch radiale (sternförmige) Linien verbunden werden.As RMS radius (or RMS spot radius) according to the present invention, the root-mean-square (root mean square) Radial size is called. That is, the distance between each ray and a reference point (optical axis or centroid of all rays) is squared, then averaged over all rays, and then the square root is drawn. As mentioned earlier, if the RMS radius is smaller than the Airy Disk radius, then an optical system is considered to be "diffraction-limited." The size of the RMS radius depends on the selection of the rays passing through the system in that, according to the present application, the RMS radius is determined by the fact that via the aperture 5 rings a 10 rays (linearly radial In the case of focusing parallel beams (as in the present case), the five rings are arranged equidistantly between the edge beam and the optical axis (ie the first ring is located) on the optical axis, the fifth ring is at the radial distance of the marginal rays from the optical axis, and second to fourth rings are equidistantly distributed therebetween). The 10 rays per ring are circumferential, so each distributed at an angle of 36 ° to each other. The rays of the individual rings run on radial straight lines from the center point to the outside, ie in each case 5 rays of the individual 10 rings can be connected by radial (star-shaped) lines.
Das Tiefenmultiplexing (Multilayer) wird verwendet, um die Gesamtkapazität des Speichermediums als mehrfache Flächenkapazität einer einzelnen Datenebene zu maximieren. Um Daten in mehreren Datenebenen zu schreiben und auszulesen ist eine Fokussierung des Laserstrahls in unterschiedlich tiefe Bereiche einer Speicherschicht (entlang der optischen Achse, d. h. entlang der Strahlrichtung) notwendig. Nach dem Stand der Technik wird dazu eine an die Fokussierung in einen spezifischen Tiefenbereich der Speicherschicht angepasste asphärische Einzellinse verwendet.The Depth multiplexing (multilayer) is used to calculate the total capacity of the storage medium multiple area capacity of one to maximize each data level. To data in multiple data layers Writing and reading out is a focus of the laser beam in different depths areas of a storage layer (along the optical axis, d. H. along the beam direction) is necessary. According to the state of the art, this is done by focusing on adapted to a specific depth range of the storage layer aspherical Single lens used.
Bei Fokussierung des Strahls in eine andere Tiefe führt dies jedoch zu einem Öffnungsfehler, der von der Fokustiefe abhängt und durch sphärische Aberration des in die Schicht einfallenden Strahls beschreiben wird. Aufgrund des Öffnungsfehlers bei Fokussierung in eine andere als die für die Linse korrigierte Tiefe sind die Fokusgrößen in unterschiedlichen Fokustiefen nicht mehr beugungsbegrenzt auf die minimale Spotfläche reduziert. Dieser Effekt geschieht räumlich und führt sowohl zu einer Aufweitung des Fokus in der Ebene als auch zu einer longitudinalen Verbreiterung in der Tiefe. Dadurch werden die erzeugten Mikrogitter sowohl transversal als auch longitudinal vergrößert.at Focusing the beam to a different depth, however, leads to an aperture error, which depends on the depth of focus and by spherical Aberration of the incident beam in the layer will be described. Due to the opening error when focusing in a depth other than the lens corrected depth are the focus sizes in different Focus depths are no longer diffraction limited reduced to the minimum spot area. This effect happens spatially and leads both to a widening of focus in the plane as well as to a longitudinal widening in depth. This will generate the Microgrids enlarged both transversally and longitudinally.
In einem Speichersystem (das eine Vielzahl vom Mikrohologramme als Bits in die Speicherschicht schreibt und bei Bedarf ausliest) führen unterschiedlich große Laserspots in unterschiedlichen Tiefen, d. h. Datenebenen zum einen zu dem Problem des erhöhten Aufwandes für die Treiber- und Regelungselektronik. Die durch die sphärische Aberration verursachte Vergrößerung des Laserspots resultiert aber vor allem in einer verminderten Speicherkapazität. Außerdem wird durch die im Vergleich zu einem optimal fokussierten Strahl veränderten Wellenfronten eine Deformation der resultierenden Gitterstruktur verursacht.In a memory system (containing a plurality of micro-holograms as Writes bits to the storage layer and reads them out if necessary) lead differently size Laser spots at different depths, d. H. Data levels on the one hand to the problem of increased Expenses for the driver and control electronics. The by the spherical aberration caused enlargement of the Above all, laser spots result in a reduced storage capacity. In addition, will changed by compared to an optimally focused beam Wavefront deformation of the resulting lattice structure caused.
Das genannte Problem tritt bei CD und DVD nicht auf, da dort nur in eine Datenschicht, bzw. in zwei eng benachbarte Schichten mit einer konstanten Fokustiefe fokussiert werden muss, was problemlos mit einer einzelnen der Schichtdicke angepassten (asphärischen) Linse realisiert werden kann.The mentioned problem does not occur with CD and DVD, since there only in a data layer, or in two closely adjacent layers with a constant focus depth must be focused, which easily with a single of the layer thickness adapted (aspheric) Lens can be realized.
Es konnte jedoch nachgewiesen werden, dass eine einzelne Linse nicht die notwendige (beugungsbegrenzte) Abbildungsleistung für einen mikroholographischen Datenspeicher über einen Tiefenbereich (entlang der optischen Achse) von mehr als 100 μm realisieren kann.It However, it could be proved that a single lens is not the necessary (diffraction limited) imaging performance for one Mikroroholographischen data storage over a depth range (along the optical axis) of more than 100 microns can realize.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikroholographischen Datenspeicher und ein Verfahren zur Erzeugung von mikroholographischen Interferenzgittern bereitzustellen, die eine Kompensation der sphärischen Aberration implementieren und dadurch eine vollständige Elimination der auftretenden Öffnungsfehler ermöglichen. Solche Kompensation resultiert bei der technologischen Systemumsetzung in einer höheren Speicherkapazität bei geringem apparativem Aufwand.The Object of the present invention is a mikroholographischen Data storage and a method for generating micro-holographic To provide interference gratings that compensate for the spherical Aberration implement and thereby a complete elimination the occurring opening error enable. Such compensation results in the technological system implementation in a higher one memory with little equipment effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.These Task is achieved by a method according to the independent claim 1 and a device according to the independent claim 10 solved. Preferred embodiments of the invention are contained in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf: Das Bereitstellen eines Speichermediums mit einer Speicherschicht, deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, Fokussieren und gegenläufiges Überlagern von elektromagnetischer Strahlung einer monochromatischen Lichtquelle derart, dass sich in einer vorgegebenen räumlichen Position der Speicherschicht aufgrund der gegenläufigen Überlagerung ein Interferenzmuster ausbildet und im Fokus in Bereichen konstruktiver Interferenz zu einer stärkeren Brechzahländerung als in Bereichen destruktiver Interferenz führt, und aufgrund der Brechzahländerung ein Hologramm mit einer Vielzahl von Schichten mit alternierender Brechzahl erzeugt wird, wobei in der Speicherschicht zeitlich versetzt eine Vielzahl von Hologrammen in unterschiedlichen lateralen Positionen und in unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht erzeugt werden, wobei die Strahlung der Lichtquelle mittels einer ersten asphärischen Linse und einer zweiten asphärischen Linse in die Speicherschicht fokussiert und nach Durchtritt durch die Speicherschicht mittels einer dritten asphärischen Linse und einer vierten asphärischen Linse kollimiert und nach Reflexion an einem Reflektor wieder in die Speicherschicht fokussiert und zur Ausbildung eines Interferenzmusters gegenläufig überlagert wird, wobei zur Änderung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht die zweite asphärische Linse und die dritte asphärische Linse relativ zur Speicherschicht bewegt werden und die erste asphärische Linse relativ zweiten asphärischen Linse und die dritte asphärische Linse relativ zur vierten asphärischen Linse bewegt wird. Unter einer monochromatischen Strahlungsquelle wird eine Strahlungsquelle verstanden, deren Halbwertsbreite um die Zentralwellenlänge kleiner 10 nm beträgt.The inventive method comprises the following steps: providing a storage medium having a storage layer, the refractive index of which undergoes a change upon irradiation of electromagnetic radiation, focusing and opposing superimposition of electromagnetic radiation of a monochromatic light source such that in a predetermined spatial position of the storage layer due to In opposite superimposition forms an interference pattern and leads in focus in areas of constructive interference to a greater refractive index change than in areas of destructive interference, and due to the change in refractive index, a hologram is generated with a plurality of layers with alternating refractive index, wherein in the storage layer offset in time a plurality of holograms be generated in different lateral positions and at different depths of the storage layer, wherein the radiation of the light source by means of a first Focused aspherical lens and a second aspherical lens in the storage layer and collimated after passing through the storage layer by means of a third aspheric lens and a fourth aspherical lens and refocused after reflection on a reflector in the storage layer and is superposed in opposite directions to form an interference pattern, the Change the depth of focus in the storage layer the second aspherical lens and the third aspherical Lin be moved relative to the storage layer and the first aspheric lens relatively second aspherical lens and the third aspherical lens is moved relative to the fourth aspherical lens. A monochromatic radiation source is understood to mean a radiation source whose half-width at the center wavelength is less than 10 nm.
Mit anderen Worten wird ein holographischer Datenspeicher vorgeschlagen, bei dem die Speicherschicht (vorzugsweise eine von zwei Substraten umgebene diskförmige Polymerschicht) in Relation zum optischen System (erste bis vierte Linse) sowohl lateral verschiebbar ausgebildet als auch entlang der optischen Achse (Strahlrichtung) verschiebbar ausgebildet ist. Vorzugsweise wird die laterale Relativbewegung zwischen Speicherschicht und optischem System durch ein Rotieren der diskförmigen Speicherschicht und die longitudinale Relativbewegung zwischen Speicherschicht und optischem System durch Bewegung von erster Linse bis vierter Linse realisiert. Dadurch können in beliebige Positionen innerhalb Speicherschicht fokussiert (zurückreflektiert und wieder fokussiert und damit Hin-Fokus und Rück-Fokus) gegenläufig überlagert werden und somit Mikrohologramme, die ein Bit darstellen, erzeugt werden. Ist an einer Position kein Mikrohologramm vorhanden, wurde dort kein Bit geschrieben. Die minimal erreichbare Größe der Mikrohologramme wird durch die Wellenlänge des Lichts und die numerischer Apertur der verwendeten Optik (erster Linse bis vierter Linse) definiert, vorausgesetzt es liegt eine beugungsbegrenzte Abbildung vor.With In other words, a holographic data storage is proposed wherein the storage layer (preferably one of two substrates surrounded disk-shaped Polymer layer) in relation to the optical system (first to fourth Lens) both laterally displaceable and along the optical axis (beam direction) is designed to be displaceable. Preferably, the lateral relative movement between storage layer and optical system by rotating the disk-shaped storage layer and the longitudinal relative movement between storage layer and realized optical system by movement of the first lens to fourth lens. Thereby can focused into arbitrary positions within storage layer (reflected back and again focused and thus out-of-focus and re-focus) in opposite directions and thus microholograms representing one bit are generated become. If there is no micro hologram at one position, then there is no bit written there. The minimum achievable size of the micro holograms is by the wavelength of the light and the numerical aperture of the optics used (first Lens to fourth lens), provided it is one diffraction-limited image before.
Um eine beugungsbegrenzte Abbildung in unterschiedlichen Tiefen (entlang der optischen Achse) realisieren zu können, wird die sphärische Aberration erfindungsgemäß durch Verwendung von je zwei asphärischen Einzellinsen (erste Linse bis vierte asphärische Linse) eliminiert. Als asphärische Linse im Sinne der Erfindung wird eine Linse verstanden, von deren brechenden Flächen mindestens eine Fläche nicht-sphärisch, also nicht kugelförmig ist. Vorzugsweise sind alle (beide) brechenden Flächen nicht-sphärisch, also asphärisch. Vorzugsweise sind die brechenden Flächen rotationssymmetrisch ausgebildet. Speziell wird unter einer asphärischen Fläche eine rotationssymmetrische Flächenform verstanden, die sich durch ein Polynom der Form definieren lässt, wobei f(h) die Pfeilhöhe oder die z-Koordinate entlang der optischen Achse, h der Abstand senkrecht zur optischen Achse, R der Scheitelradius, k die konische Konstante und A4, A6 usw. die asphärischen Parameter sind. Mindestens einer der asphärischen Parameter A4, A6 muss ungleich Null sein, damit eine asphärische Flächenform resultiert.In order to be able to realize diffraction-limited imaging at different depths (along the optical axis), the spherical aberration is eliminated according to the invention by using two aspherical individual lenses each (first lens to fourth aspherical lens). As an aspheric lens in the context of the invention, a lens is understood, of the refractive surfaces of which at least one surface is non-spherical, that is not spherical. Preferably, all (both) refractive surfaces are non-spherical, ie aspherical. Preferably, the refractive surfaces are rotationally symmetrical. Specifically, an aspherical surface is understood to mean a rotationally symmetrical surface shape which is defined by a polynomial of the shape where f (h) is the arrow height or z-coordinate along the optical axis, h is the distance perpendicular to the optical axis, R is the peak radius, k is the conical constant, and A 4 , A 6 , etc. are the aspherical parameters. At least one of the aspherical parameters A 4 , A 6 must be non-zero in order for an aspherical surface shape to result.
Unter einer Einzellinse wird eine Linse mit zwei äußeren rotationssymmetrischen, brechenden Flächen verstanden, deren Abstand nicht variabel zueinander ist. Dazwischen ist vorzugsweise nur ein optisches Material mit einer Brechzahl größer 1 vorhanden. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den äußeren brechenden Flächen weitere brechende Flächen (Kittlinse) angeordnet sind. Jedoch ist der Abstand sämtlicher brechender Flächen fix, d. h. nicht variabel.Under a single lens becomes a lens with two outer rotationally symmetric, understood as breaking surfaces, whose distance is not variable to each other. In between, it is preferable only an optical material with a refractive index greater than 1 available. However, it is also possible that between the outer refracting surfaces more refracting surfaces (Kittlinse) are arranged. However, the distance is more refractive surfaces fix, d. H. not variable.
Die Idee besteht darin, die erste und zweite asphärische Einzellinse für einen vorgegebenen Abstand auf eine bestimmte Substrattiefe (= Tiefe innerhalb der Speicherschicht) zu optimieren und bei Ansteuerung anderer Tiefen innerhalb der Speicherschicht lediglich den Abstand zwischen den Linsen und den Abstand der Linsen zum Substrat (gemeint ist damit zur Speicherschicht, die von zwei dünnen Substraten umgeben ist) zu variieren, ohne jedoch die Linsen selbst (bzw. ihre Brechkräfte) zu verändern.The The idea is to use the first and second aspherical single lens for a predetermined distance to a certain substrate depth (= depth within the memory layer) and when controlling other depths within the storage layer only the distance between the Lenses and the distance of the lenses to the substrate (meaning it to the storage layer, which is surrounded by two thin substrates) to vary, but without the lenses themselves (or their refractive powers) too change.
Es wurde gefunden, dass jeweils mit lediglich zwei asphärischen Einzellinsen eine beugungsbegrenzte Fokussierung/Kollimation mit einer numerischen Apertur von 0,6 (und größer) über eine variable Substrattiefe (= Tiefe innerhalb der Speicherschicht) von 200 μm (und mehr) realisiert werden kann. Diese Abbildungsleistung kann sogar bei tatsächlich vorhandenen Bauteiltoleranzen von 0,2° Verkippung und 40 μm Dezentrierung (sämtlicher Linsen, des Speichermediums und des Reflektors) erreicht werden. Grundsätzlich wäre zu erwarten, dass eine deutlich größere Zahl von Linsen zur Erzeugung beugungsbegrenzter Fokusse in unterschiedlichen Tiefen erforderlich ist, wie es beispielsweise bei Zoom-Objektiven der Fall ist, obwohl diese in der Regel das Beugungslimit nicht erreichen, d. h. nicht beugungsbegrenzt abbilden.It was found that each with only two aspherical Single lenses a diffraction-limited focusing / collimation with a numerical aperture of 0.6 (and greater) over a variable substrate depth (= Depth within the memory layer) of 200 microns (and more) can be realized can. This imaging performance can even with actually existing Component tolerances of 0.2 ° tilt and 40 μm Decentering (all Lenses, the storage medium and the reflector) can be achieved. in principle would be expected that a significantly larger number of lenses for generating diffraction-limited foci in different Depth is required, as is the case with zoom lenses The case is, although these are usually not the diffraction limit reach, d. H. do not represent diffraction-limited.
Erfindungsgemäß werden Hologramme in unterschiedlichen Tiefen entlang der optischen Achse erzeugt, wobei die äußeren Holgramme um mehr als 50 μm (bevorzugt mehr als 100 μm und noch bevorzugter mehr als 200 μm) voneinander (entlang der optischen Achse) beabstandet sind.According to the invention, holograms are produced at different depths along the optical axis, the outer holograms being more than 50 μm (preferably more than 100 μm and more preferably more than 200 microns) from each other (along the optical axis) are spaced apart.
Ein besonderer Vorteil des hier vorgeschlagenen optischen Systems besteht darin, dass zu der zweiten und dritten asphärischen Linse lediglich eine zusätzliche (erste und vierte) Linse (vor und hinter dem Polymer) benötigt wird. Daher bleibt das System kompakt und zur Kompensation der bei der Diskrotation entstehenden Fehlersignale (Tracking Error Signal und Focus Error Signal) können die Standardtechnologien der CD und DVD Entwicklungslinien vollständig übernommen werden, da das Gewicht der Linsen nicht größer als das Gewicht einer kommerziellen DVD Linse ist.One particular advantage of the optical system proposed here in that to the second and third aspherical lens only one additional (first and fourth) lens (in front of and behind the polymer) is needed. Therefore, the system remains compact and to compensate for the Discrotation resulting error signals (tracking error signal and Focus Error Signal) fully adopted the standard technologies of CD and DVD development lines Because the weight of the lenses does not exceed the weight of a commercial one DVD lens is.
Die nominelle Abbildungsleistung des Systems kann dabei als beugungsbegrenzt bezeichnet werden.The nominal imaging performance of the system can be limited as diffraction be designated.
Zur Erzeugung eines Hologramms muss das fokussierte Licht nachfolgend zurückreflektiert und nochmals fokussiert und gegenläufig überlagert werden. Dies wird durch die dritte und vierte asphärische Einzellinse sowie den Reflektor realisiert. Der Reflektor ist vorzugsweise als Planspiegel oder als Retroreflektor ausgebildet.to Creating a hologram must follow the focused light reflected back and again focused and superimposed in opposite directions. this will through the third and fourth aspherical Single lens and the reflector realized. The reflector is preferably designed as a plane mirror or as a retroreflector.
Auch die dritte und vierte asphärische Einzellinse werden zur Kollimation für einen vorgegebenen Abstand auf eine bestimmte Substrattiefe (= Tiefe innerhalb der Speicherschicht) optimiert und bei Ansteuerung anderer Tiefen innerhalb der Speicherschicht wird lediglich der Abstand zwischen den Linsen und der Abstand der Linsen zum Substrat variiert, ohne jedoch die Linsen selbst (bzw. ihre Brechkräfte) zu verändern.Also the third and fourth aspherical Single lens become collimation for a given distance to a certain substrate depth (= depth within the storage layer) optimized and when controlling other depths within the storage layer Only the distance between the lenses and the distance of the Lenses to the substrate varies, but without the lenses themselves (or. their powers) to change.
Vorzugsweise wird die Verschiebung der ersten asphärischen Linse, der zweiten asphärischen Linse, der dritten asphärischen Linse und/oder der vierten asphärischen Linse entlang der optischen Achse jeweils mittels Aktuatoren oder Motoren realisiert. Vorzugsweise werden zur Fokussierung und Kollimation lediglich die erste asphärische Linse, die zweite asphärische Linse, die dritte asphärische Linse und die vierte asphärische Linse, d. h. keine weitere optischen Komponenten verwendet.Preferably becomes the displacement of the first aspherical lens, the second aspherical Lens, the third aspherical Lens and / or the fourth aspherical Lens along the optical axis respectively by means of actuators or Realized engines. Preferably, for focusing and collimation only the first aspherical Lens, the second aspherical Lens, the third aspherical Lens and the fourth aspherical Lens, d. H. no further optical components used.
Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der Speicherschicht und der zweiten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht verringert. Als Tiefe des Fokus in der Speicherschicht wird der Abstand des Fokus entlang der optischen Achse von der äußeren, der Lichtquelle (Laser) zugewandten Seite der Speicherschicht verstanden (ggf. vorhandene, die Speicherschicht umgebende Substrate als Teil des Speichermediums (Disk) bleiben bei der Bestimmung der Fokustiefe unberücksichtigt).Preferably is the distance between the storage layer and the second aspherical Lens to increase reduces the depth of focus in the storage layer. As depth the focus in the storage layer becomes the distance of the focus along the optical axis of the outer, the Light source (laser) facing side of the storage layer understood (If present, surrounding the storage layer substrates as part of the Storage media (disk) remain in the determination of the depth of focus disregarded).
Weiterhin wird vorzugsweise der Abstand zwischen der Speicherschicht und der dritten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht vergrößert. Weiterhin wird vorzugsweise der Abstand zwischen der ersten asphäri schen Linse und der zweiten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht verringert. Weiterhin wird vorzugsweise der Abstand zwischen der dritten asphärischen Linse und der vierten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht vergrößert. Die Position des Reflektors (entlang der optischen Achse) braucht zur Einstellung/Variation der Fokustiefe nicht variiert werden, d. h. der Reflektor ist vorzugsweise fixiert bzw. fix positioniert.Farther is preferably the distance between the storage layer and the third aspherical lens to increase the depth of focus in the storage layer is increased. Furthermore, it is preferable the distance between the first aspherical lens and the second aspherical Lens to increase reduces the depth of focus in the storage layer. Farther is preferably the distance between the third aspherical Lens and the fourth aspherical Lens to increase the depth of focus in the storage layer is increased. The position of the reflector (along the optical axis) needs adjustment / variation the depth of focus can not be varied, d. H. the reflector is preferred fixed or fixed.
Vorzugsweise wird als Lichtquelle ein Laser mit einer Zentralwellenlänge im Bereich 300 nm–430 nm und einer Halbwertsbreite von kleiner als 10 nm verwendet. Vorzugsweise wird als Lichtquelle ein Halbleiterlaser mit einer Zentralwellenlänge im Bereich 400 nm–430 nm und bezüglich der Intensität mit einer Halbwertsbreite von kleiner als 3 nm verwendet.Preferably is used as a light source, a laser with a central wavelength in the range 300nm-430 nm and a half width of less than 10 nm used. Preferably is used as a light source, a semiconductor laser with a central wavelength in the range 400 nm-430 nm and re the intensity used with a half width of less than 3 nm.
Vorzugsweise werden der Strahldurchmesser der Lichtquelle, die Flächenform der ersten asphärischen Linse, de zweiten asphärischen Linse, der dritten asphärischen Linse und der vierten asphärischen Linse derart gewählt, dass die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung der monochromatischen Lichtquelle in die Speicherschicht mit einer numerischen Apertur von größer 0,5 (noch bevorzugter größer oder gleich 0,6) erfolgt. Vorzugsweise werden der Strahldurchmesser der Lichtquelle, die Flächenform der ersten asphärischen Linse, de zweiten asphärischen Linse, der dritten asphärischen Linse und der vierten asphärischen Linse derart gewählt, dass die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung der monochromatischen Lichtquelle in die Speicherschicht beugungsbegrenzt erfolgt. Eine Berechnung und Optimierung der Flächenformen der Linsen kann (auch unter Berücksichtung vorgebbarer Toleranzen) mit entsprechender Optik-Software wie beispielsweise ZEMAX erfolgen.Preferably become the beam diameter of the light source, the surface shape the first aspherical Lens, de second aspherical Lens, the third aspherical Lens and the fourth aspherical Lens so chosen that the focusing of the electromagnetic radiation of the monochromatic Light source in the memory layer with a numerical aperture greater than 0.5 (more preferably greater than or equal to 0.6). Preferably, the beam diameter of the light source, the surface shape the first aspherical Lens, de second aspherical Lens, the third aspherical Lens and the fourth aspherical Lens so chosen that the focusing of the electromagnetic radiation of the monochromatic Light source is diffraction limited in the storage layer. A Calculation and optimization of the surface shapes of the lenses can (also under consideration predefinable tolerances) with appropriate optics software such as ZEMAX done.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen weist eine monochromatische Strahlungsquelle, ein ebenes Speichermedium, das ein Material aufweist, das bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung eine Brechzahländerung erfährt, eine Fokussiereinheit, die zumindest einen Teil des Lichts der Strahlungsquelle in die Speicherschicht fokussiert, ein Mittel zur Kollimation zumindest eines Teils des durch die Speicherschicht hindurchtretenden Lichts, und einen Reflektor zur Rückreflexion des kollimierten Lichts auf, wobei der Reflektor und das Mittel zur Kollimation derart angeordnet sind, dass das reflektierte Licht wieder in die Speicherschicht fokussiert wird, und die Fokussiereinheit und das Mittel zur Kollimation zur Erzeugung von Hologrammen in unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht relativ zur Speicherschicht verschiebbar ausgebildet sind, wobei die Fokussiereinheit durch eine erste asphärische Linse und eine zweite asphärische Linse und das Mittel zur Kollimation durch eine dritte asphärische Linse und eine vierte asphärische Linse ausgebildet sind, und die zweite asphärische Linse und die dritte asphärische Linse adaptiert sind, zur Änderung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht relativ zur Speicherschicht bewegt zu werden und die erste asphärische Linse adaptiert ist, zur Änderung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht relativ zweiten asphärischen Linse bewegt zu werden und die dritte asphärische Linse adaptiert ist, zur Änderung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht relativ zur vierten asphärischen Linse bewegt zu werden.The device according to the invention for generating a multiplicity of holograms has a monochromatic radiation source, a flat storage medium which has a material which undergoes a refractive index change upon irradiation of electromagnetic radiation, a focussing unit which has at least one Focusing part of the light of the radiation source into the storage layer, means for collimating at least part of the light passing through the storage layer, and a reflector for reflecting back the collimated light, the reflector and the means for collimation being arranged such that the reflected light is focused back into the storage layer, and the focusing unit and the means for collimation for generating holograms at different depths of the storage layer relative to the storage layer slidably formed, wherein the focusing unit by a first aspheric lens and a second aspherical lens and the means for collimation by a third aspherical lens and a fourth aspheric lens are formed, and the second aspherical lens and the third aspherical lens are adapted to be moved to change the depth of focus in the storage layer relative to the storage layer; first aspheric lens is adapted to be moved for changing the depth of focus in the storage layer relative to the second aspherical lens and the third aspherical lens is adapted to be moved to change the depth of focus in the storage layer relative to the fourth aspheric lens.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart adaptiert, dass der Abstand zwischen der Speicherschicht und der zweiten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht verringert wird und/oder der Abstand zwischen der Speicherschicht und der dritten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht vergrößert wird und/oder der Abstand zwischen der ersten asphärischen Linse und der zweiten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht verringert wird und/oder der Abstand zwischen der dritten asphärischen Linse und der vierten asphärischen Linse zur Erhöhung der Tiefe des Fokus in der Speicherschicht vergrößert wird.Preferably the device is adapted such that the distance between the storage layer and the second aspherical lens for increasing the Depth of focus in the storage layer is reduced and / or the distance between the storage layer and the third aspherical Lens to increase the depth of focus in the storage layer is increased and / or the distance between the first aspherical Lens and the second aspherical Lens to increase the depth of focus in the storage layer is reduced and / or the distance between the third aspherical lens and the fourth aspherical Lens to increase the depth of focus in the storage layer is increased.
Vorzugsweise sind Mittel zur Verschiebung der ersten asphärischen Linse, der zweiten asphärischen Linse, der dritten asphärischen Linse und/oder der vierten asphärischen Linse entlang der optischen Achse entsprechend einer vorgebbaren Positionskoordinate des Fokus in der Speicherschicht vorgesehen. Vorzugsweise ist das Mittel zur Verschiebung der ersten asphärischen Linse, der zweiten asphärischen Linse, der dritten asphärischen Linse und/oder der vierten asphärischen Linse entlang der optischen Achse jeweils durch einen Aktuator oder durch einen Motor ausgebildet.Preferably are means for displacing the first aspherical lens, the second aspherical lens, the third aspherical Lens and / or the fourth aspherical Lens along the optical axis corresponding to a predetermined Position coordinate of the focus provided in the storage layer. Preferably, the means for shifting the first aspheric Lens, the second aspherical Lens, the third aspherical Lens and / or the fourth aspherical Lens along the optical axis respectively by an actuator or formed by a motor.
Vorzugsweise sind die Brechzahlen (Materialen) aller Komponenten bezogen auf eine Wellenlänge konstant, d. h. es werden vorzugsweise stets die gleichen Linsen verwendet (kein Linsentausch).Preferably are the refractive indices (materials) of all components related to one wavelength constant, d. H. it is preferable to always use the same lenses (no lens exchange).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to in the figures embodiments explained in more detail. It demonstrate:
Der
erfindungsgemäße holographische
Datenspeicher weist eine Laserdiode
Die
Information wird vorzugsweise bitweise in Form mikroholographischer
Interferenzgitter in einer dünnen
photoempfindlichen Schicht
Bei
der Aufnahme wird die Speicherschicht
Die
laterale Position der Bits wird durch Diskrotation der Speicherschicht
Erfindungsgemäß kann damit
eine beugungsbegrenzte Fokussierung in unterschiedliche Schichttiefen
(= Fokustiefen) mittels lediglich zweier asphärischer Linsen
Vorzugsweise
sind die Linsen
Die
erste Linse
Der mikroholographische Datenspeicher ist eine der viel versprechenden Technologien hinsichtlich der nächsten Generation von Datenspeichern und besitzt erhebliches Potential zur Ablösung der DVD. Die oben genannte Lösung ermöglicht eine deutliche Steigerung der Speicherdichte, die mit anderen Lösungen zwar auch erreicht werden kann (wie z. B. Mikroskopobjektive, verschiebbare Keile) jedoch sind sämtliche alternative Möglichkeiten kommerziell nicht sinnvoll einsetzbar (zu teuer, zu anfällig oder zu langsam).Of the micro-holographic data storage is one of the most promising Technologies with regard to the next Generation of data storage and has considerable potential for replacement the DVD. The above solution allows a significant increase in storage density, although with other solutions as well can be achieved (such as microscope lenses, movable Wedges), however, are all alternative options commercially not useful (too expensive, too vulnerable or too slow).
- 11
- asphärische Linseaspherical lens
- 22
- asphärische Linseaspherical lens
- 33
- asphärische Linseaspherical lens
- 44
- asphärische Linseaspherical lens
- 55
- Reflektorreflector
- 1010
- Strahlungsquelle/HalbleiterlaserRadiation source / semiconductor laser
- 1212
- Speicherschichtstorage layer
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