DE1574490C3 - Ablenkanordnung für Lichtstrahlen bei einem optischen Datenspeichersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ablenkanordnung für Lichtstrahlen bei einem optischen Datenspeichersystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Elektronische Datenverarbeitungsanlagen größeren Umfangs benötigen entsprechend große Speicher. Konventionelle Großspeicher wie magnetische Plattenspeicher oder magnetische Bandspeicher erfordern entweder verhältnismäßig viel Platz, oder aber die mittlere Zugriffszeit wird so groß, daß ihre Verwendung als Primärspeicher unwirtschaftlich wird, so daß sie nur als Sekundär- und Tertiärspeicher in Betracht kommen. Wenngleich die Anforderungen an die mittlere Zugrifiszeit bei Sekundärspeichern verhältnismäßig gering sein können, da die Datenübertragung in den Primärspeicher innerhalb der Totzeiten der Gesamtanlage erfolgen kann, so ist doch eine Verkürzung dieser Zugriffszeiten erwünscht.

Ebenfalls erwünscht ist eine Verminderung des Raumbedarfs solcher großer Speicher.

In diesem Zusammenhang sind Vorschläge gemacht worden, die Verfärbung bestimmter Aufzeichnungssubstanzen zumeist organischer Natur unter dem Einfluß energiereicher Strahlen zur Datenaufzeichnung auszunutzen.

Diese Verfärbungsreaktion erfordert eine verhältnismäßig hohe Strahlungsenergie oder bei geringeren Energien eine entsprechend längere Einwirkungsdauer. Jedoch liegen die heute beispielsweise mit cnergiereichen Laserstrahlen erzielbaren Aufzeichnungsdaten bei solchen Werten, daß diese Art der Speicherung als durchaus technisch einsatzfähig bezeichnet werden kann.

Es ist vorgeschlagen worden, die Speicher mit den genannten Substanzen in der Art von Filmbändern aufzubauen. Das bedeutet, daß auf einen langen zugfesten Träger die Aufzeichnungssubstanz aufgebracht ist.

Bei dieser Art des Speicheraufbaues treten folgende Nachteile in Erscheinung.

Zunächst einmal ist die mittlere Zugriffszeit wie bei den Magnetbändern verhältnismäßig groß, zum anderen ist eine genaue Bandführung bei den erforderlichen hohen Bandgeschwindigkeiten äußerst

ίο schwierig. Diese genaue Bandführung ist insbesondere deshalb erforderlich, weil die Bestrahlung mit Laserlicht zu im Verhältnis zu den Dimensionen der Bandfläche sehr schmalen Lichtspuren führt, um die Datendichte zu steigern, weil aber andererseits die Aufzeichnungsspur beim Lesen exakt getroffen werden muß.

Aus der Magnettechnik ist das Prinzip der rotierenden Trommel, die auf ihrer Mantelfläche die Datenaufzeichnungen trägt, seit langem bekannt. Bei dieser Technik ist die Mantelfläche also mit der magnetisierbaren Schicht bedeckt. Die Aufzeichnungsspuren sind nebeneinander auf dem Umfang der Trommel angeordnet, und pro Spur ist ein Magnet- S kopf vorgesehen.

Die Speicherkapazität eines solchen magnetischen Trommelspeichers ist bestimmt durch die Zahl der Spuren, die Größe des Umfangs und die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel.

Die Zugriffszeit ist im wesentlichen durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel bestimmt.

Solche Trommelspeicher haben wegen ihrer geringen Kapazität und den verhältnismäßig großen Zugriffszeiten bei den heutigen Datenverarbeitungsanlagen praktisch keine Bedeutung mehr. Ein weiterer Grund, von dieser Technik abzugehen, lag darin, daß es Schwierigkeiten bereitet, bei einer verhältnismäßig schnell rotierenden Trommel die Magnetköpfe so zu lagern, daß der Kontakt mit der magnetischen Schicht über die Gesamtlänge jeder Spur gleich bleibt.

Aus der deutschen Patentschrift 1 004 836 und der USA.-Patentschrift 1751 584 sind auch schon optische Abtastverfahren bekannt, bei denen Druckschriften oder Bilder während des Abtastvorgangs auf trom- , melartigen Trägern angeordnet sind, die vor den Abtastorganen rotieren. Es handelt sich jedoch dabei nicht um Trommelspeicher im eigentlichen Sinn, da die gespeicherten Daten sich nicht auf der Trommel selbst, sondern auf einem anders gestalteten Speichermedium befinden.

Aus der französischen Patentschrift 1 421 798 ist weiterhin ein als Festwertspeicher verwendbarer Trommelspeicher bekannt, bei dem die Speicherung durch Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht erfolgt, die nach Belichtung entwickelt und fixiert werden muß. Schreib- und Lesevorgang werden bei diesem Speicher mit unterschiedlichen Mitteln durchgeführt. Die Lesevorrichtung enthält für jede Speicherspur eine eigene Linsenkombination mit zugeordnetem Lichtempfänger. Trotz des beträchtlichen Aufwandes ist nur eine verhältnismäßig geringe Speicherdichte erzielbar.

Aus der deutschen Patentschrift 209 320 ist ein Verfahren zur elektrischen Fernübertragung von BiI-dem bekannt, bei dem zur Ablenkung eines ein Bild Punkt für Punkt seriell abtastenden Lichtstrahls eine Hintereinanderschaltung von zwei identischen Drehspiegelsystemen vorgesehen ist, deren Drehachsen

orthogonal aufeinanderstehen. Mit einem derartigen Ablenksystem ist eine schnelle wahlfreie Adressierung eines Speicherplatzes bei einem Trommelspeicher nicht möglich.

An und für sich ist insbesondere hinsichtlich der damit erreichbaren kurzen Zugriffszeit für die Ablenkung eines Lichtstrahls auf Speicherplätze eines optischen Datenspeichers ein digitales, elektrooptisches Lichtablenksystem besonders gut geeignet. Ein derartiges Lichtablenksystem ist beispielsweise in IBM Journal (Januar 1964), S. 64 bis 67, beschrieben. Bei einer sehr großen Anzahl von anzusteuernden Ablenkpositionen ist jedoch ein vielstufiges Ablenksystem erforderlich, das zu aufwendig ist und einen großen Raumbedarf hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einen geringen Aufwand und Raumbedarf erfordernde Ablenkanordnung für Lichtstrahlen bei einem optischen Datenspeichersystem gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, die einen wahlfreien Zugriff zu in großer Dichte angeordneten Speicherplätzen bei geringer Zugriffszeit ermöglicht. Eine Lösung dieses Problems besteht erfindungsgemäß aus den im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Ablenkanordnung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die rotierende Trommel 1. Die Trommel rotiert mit z. B. 24000 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse. Dabei ist sie aus zwei Teilen aufgebaut. Ein innerer Kern 2 weist die Gestalt eines Doppelkegels oder eines Doppelkegelstumpfes auf (beide Einzelkegel berühren sich mit ihren Grundflächen). Die Oberfläche dieses Doppelkegels ist verspiegelt. Der äußere Teil ist als Hohlform 3 ausgebildet, die, auf den Doppelkegel aufgesetzt, mit diesem den zylinderförmigen Gesamttrommelkörper bildet. Diese Hohlform 3 besteht aus durchsichtigem Material (Glas, Plexiglas o. ä.). Auf der Mantelfläche sind zueinander parallele Spurscharen Sp (bei einer Höhe des Trommelkörpers von z. B. 66 mm z. B. 32 Spurscharen Sp 1 bis Sp 32) angeordnet. Jeder dieser Spurscharen Sp ist ein Nachrichtenkanal zugeordnet, jede Spurschar enthält z. B. 175 Einzelspuren. Das die Verfärbung der lichtempfindlichen Substanz bewirkende Lichtbündel wird von einer Linse gebündelt und durch einen kleinen Umlenkspiegel Usp umgelenkt, daß es auf die lichtempfindliche Fläche des Speicherkörpers fokussiert ist.

Zweckmäßigerweise wird für jede Spurschar Sp ein Umlenkspiegel Usp vorgesehen, der dann für die Einstellung des Lichtbündels auf die Einzelspuren der Spurschar verantwortlich ist.

Als Umlenkspiegel Usp wird in vorteilhafter Weise ein Galvanometerspiegel vorgesehen, wie er beispielsweise bei Lichtstrahloszillographen Verwendung findet. Sein Auslenkwinkel kann mit einem eingespeisten Strom eingestellt werden.

Unter der Annahme einer Lichtwellenlänge von 0,351 μ (kontinuierlicher Argon- bzw. Krypton-UV-Ionenglaslaser) und einem Lichtbündeldurchmesser von 1,6 mm auf dem Umlenkspiegel erhält man bei einem Abstand von 20 mm zwischen Umlenkspule und Speicherschicht einen Brennfleckdurchmesser von etwa 3 μ. Der Schärfentiefebereich des Fokus liegt dabei bei der Größenordnung 30 bis 50 μ.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Gesamtspeichersystems, das in vorteilhafter Weise von der erfindungsgemäßen Ablenkanordnung Gebrauch macht. Als Lichtquelle dient ein Laser 5, der zwei ausgehende Lichtstrahlen 6, 7 aussendet. Jeder dieser Lichtstrahlen 6, 7 kann durch einen elektrooptischen Modulator 8 bzw. 9 im Takt des Datenfiusses moduliert werden. Die zu speichernden Daten können umschaltbar in einem der beiden Modulatoren eingespeist werden.

ίο Nach dem Durchgang durch die Modulatoren 8 bzw. 9 durchlaufen die Lichtstrahlen 6,7 ein digitales elektrooptisches Lichtablenksystem 10 mit vier Ablenkstufen. Ein solches digitales Lichtablenksystem ist beispielsweise aus IBM J. Res Dev., 8 (1964), 64,

W. Kulcke, T. J. Haris, K. Kosanke, E. Max, A Fast Digital-Indexed Light Deflector oder aus Bell Syst. Techn. J., 43 (1964), 821, T. J. Nelson, Digital Light Deflection bekannt. Jedoch lassen sich auch andere Lösungen, beispielsweise Spiegelvor-

zo richtungen, einsetzen.

Im vorliegenden Fall umfasse das Lichtablenksystem 10 vier Ablenkstufen. Damit läßt sich je nach Ansteuerung des Lichtablenksystems jeder der beiden Lichtstrahlen auf eine von 2⁴ = 16 Stellungen bzw. Richtungen positionieren. Die Gesamtzahl der damit zur Verfügung stehenden optischen Kanäle ist also 32, was der Anzahl der Spurscharen Sp auf der Trommel nach Fig. I entspricht. Jeweils einer dieser optischen Kanäle bzw. eine der Spurscharen ist Träger des zu speichernden Datenfiusses. Die Umschaltung von einem Kanal auf den anderen mittels des Lichtablenksystems kann sehr schnell erfolgen, beispielsweise in 10 fis oder bei entsprechendem Aufwand in noch kürzerer Zeit.

Nach dem Durchgang durch das Lichtablenksystem wird der Laserstrahl über die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnten Umlenkspiegel Uspl bis Usp32 dem Trommelspeicher zugeführt.

Im folgenden soll noch auf einige Einzelheiten bezüglich der verwendeten Elemente sowie auf die bei einer speziellen Ausbildung des Datenspeichersystems erreichbare Speicherkapazität und Zugriffszeit eingegangen werden.

Als Laser 5 kommt vorzugsweise ein solcher in Betracht, der im Ultraviolettbereich arbeitet, beispielsweise Argon-, Krypton- oder Neonlaser. Es handelt sich hierbei um Ionengaslaser, mit deren Hilfe ein verhältnismäßig hoher Lichtpegel erreicht werden kann. Ferner ist es möglich, diese Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen entsprechend den Emissionslinien zu betreiben.

Als Modulatoren 8, 9 stehen elektrooptische Kristalle zur Verfugung. Die zur Ansteuerung dieser Kristalle erforderlichen Spannungen liegen verhältnismäßig hoch und sind der Lichtwellenlänge proportional. Deshalb ist die Verwendung von im UV-Bereich liegendem Laserlicht besonders vorteilhaft. Die Galvanometerspiegel, die als Umlenkspiegel Usp Verwendung finden sollen, ermöglichen einen Auslenkwinkelbereich von z. B. 2,5° oder mehr und eine Grenzfrequenz von beispielsweise 2 kHz oder mehr. Bei den genannten Daten (Abstand des Umlenkspiegels von der Speicherschicht 20 mm, Lichtwellenlänge 0,351 μ, Brennfleckdurchmesser 3 μ) und einem Auslenkwinkelbercich des Spiegels von 2,5° (d. h. Lichtablenkbereich 5°) ergibt sich eine Höhe der Spurschar von 1,75 mm. Unter der Annahme eines Abstandes von 2 mm zwischen jeder einzelnen

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Spurschar ergibt sich die Gesamthöhe des Trommelspeichers zu etwa 66 mm.

In der Einzelspur wird für die Speicherpunkte (Durchmesser 3 μ) ein Abstand von 3,5 μ gewählt. Auf diese Weise können in einer Spur auf einer Trommel von 70 mm Durchmesser τ-;^-— = 6,25 · 10⁴ Bits gespeichert werden.

Die Speicherkapazität ergibt sich daraus wie folgt:

6,25 ■ 10⁴ Bits pro Einzelspur;

6,25 · 10·» · 175 = J,095 · 10⁷ Bits pro Spurschar;

1,095 · 10⁷ · 32 = 3,5 · 10» Bits auf einer Trommel 1.

Die Schreib- bzw. Lesegeschwindigkeit ist durch die Rotationsgeschwindigkeit (hier 24 000 U/min) und die Bitzahl pro Einzelspur festgelegt zu

6,25 · ΙΟ⁴ ■ 400 = 2,5 · 10' Bits/sec.

Die Zugriffszeit τ setzt sich aus drei Anteilen zusammen: T = T_r„t +-Ts₁₁₁₁₁. + Tspurschnr

Dabei ist der Anteil T_Sl>lirs,.|_iar, der benötigt wird, um im Lichtablenksystem auf die gewünschte Spurschar zu schalten, bei z. B. 10 μ5 vernachlässigbar gegen die beiden anderen Anteile. τ«_1)11Γ ist die Zeit, die benötigt wird, um den Umlenkspiegel auf die gewünschte Einzelspur einer Spurschar einzustellen. Bei einer angenommenen Grenzfrequenz des Umlenkspiegels von 2 kHz liegt diese Zeit bei etwa 0,5 ms. Den größten Beitrag liefert die Auffindung der Daten in einer Einzelspur auf Grund der Rotation der Trommel. Für eine volle Umdrehung werden 2,5 ms benötigt. Im Mittel beträgt dieser Anteil demnach 1,25 ms.

Insgesamt läßt sich über die Zugriffszeit somit aussagen, daß sie maximal etwa 3 ms, im Mittel <2ms beträgt.

Im folgenden sei noch auf den Schreib- und Leseprozeß eingegangen.

Die zu speichernden Daten werden dem einen der beiden Lichtstrahlen 6, 7, die aus dem Laser austreten, beispielsweise dem Lichtstrahl 6, in einem der Modulatoren, beispielsweise in dem Modulator 8 aufmoduliert, während der andere Modulator 9 den zweiten Lichtstrahl 7 ausgeschaltet hält. In dem digitalen Lichtablenksystem 10 wird der modulierte Strahl dem Kanal 1 zugewiesen. Der erste Umlenkspiegel Uspl positioniert ihn auf die erste Einzelspur der ersten Spurschar Sp 1. Nach einer Umdrehung der Trommel 1, d. h., wenn die erste Einzelspur gefüllt ist, schaltet der Modulator 8 den ersten Lichtstrahl 6 aus, und der andere Modulator 9 übergibt die Speicherinformation dem zweiten Lichtstrahl 7, der über das Lichtablenksystem 10 dem Kanal 17 zugewiesen und über den siebzehnten Umlenkspiegel Usp 17 auf die erste Einzelspur der siebzehnten Spurschar Sp 17 positioniert wird.

Während diese Einzelspur gefüllt wird, stellt sich der erste Umlenkspiegel Uspl auf die zweite Einzelspur der ersten Spurschar SpI ein; diese Einzelspur kann nach Auffüllen der ersten Einzelspur der siebzehnten Spurschar Sp 17 und entsprechender Umschaltung der Modulatoren und des Lichtablenksystcms mit den Daten gefüllt werden.

Sind auf diese Weise die Spurscharen 1 und 17 gefüllt, so wird durch das digitale Ablenksystem 10 auf die Spurscharen 2 und 18 geschaltet und hier entsprechend verfahren.

Als Aufzeichnungssubstanz stehen verschiedene Stoffe zur Verfügung. Es soll sich um Stoffe handeln, die gegenüber den aufzeichnenden Strahlen eine ausreichend hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die auftretende Verfärbung ist je nach der Auswahl des Stoffes irreversibel oder reversibel. Solche Stoffe sind

ίο teils vorgeschlagen worden, teils bereits bekannt, z. B. aus der USA.-Patentschrift 3 299 079.

Es lassen sich zwei Ausleseverfahren denken, beispielsweise ein solches, bei dem durch den Ausleseprozeß die Speicherinformation zerstört wird, wenn nämlich zur Abtastung Licht der gleichen Wellenlänge wie beim Schreibprozeß verwendet wird, oder aber in vorteilhafter Weise ein zerstörungsfreier Ausleseprozeß, bei dem zum Abtasten der Information Licht einer Wellenlänge verwendet wird, die nicht verfärbte Anteile der Speicherschicht ihrerseits nicht verfärbt, vorzugsweise Licht einer größeren Wellenlänge als beim Schreibprozeß.

Der Ausleseprozeß kann in zum Schreibprozeß analoger Weise vorgenommen werden, indem das zum Lesen dienende Licht über die gleiche Apparatur über den abzufragenden Teil des Speichers positioniert wird wie beim Schreibprozeß. An den Stellen, wo entsprechend der Speicherinformation Verfärbung eingetreten ist, wird der Lesestrahl nicht oder nur teilweise, an den übrigen Stellen ungehindert in das Innere der aus durchsichtigem Material aufgebauten Trommel eindringen und an der verspiegelten Oberfläche, die wie beschrieben die beiden Teile des Trommelkörpers trennt, abgelenkt werden. Je nach Neigung dieser verspiegelten Fläche gegenüber der Richtung des auftreffenden Lichtstrahles wird dieser abgelenkt. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel 45°, so daß der Strahl um 90° abgelenkt wird und an der Stirnfläche der Trommel 1 austritt. Beiden Stirnflächen der Trommel gegenüber sind Lichtempfänger 11, 12 angeordnet, die eine so große Aufnahmefläche aufweisen, daß sämtliche über den Radius der Stirnfläche austretenden Lichtstrahlen von ihr aufgenommen werden können. Die Lichtempfänger 11, 12 setzen die Lichtsignale in elektrische Signale um, die den eingespeicherten Daten entsprechend und zur weiteren Datenverarbeitung ausgenutzt werden können.

Die Bauteile 1, Usp, 11 und 12 sind in Fig. 2 in dem Block 13 zusammengefaßt.

Da die Lichtempfänger 11,12, wie ausgeführt, eine verhältnismäßig große Fläche aufweisen, liefern sie keine Information über die Adresse der ausgelesenen Daten. Diese kann jedoch aus der Einstellung der Umlenkspiegel Usp und des digitalen Lichtablenksystems 10 gewonnen werden. Es ist auch möglich, die Lichtempfänger so auszubilden, daß sie etwa durch eine entsprechende Rasterung Adreßinformationen liefern können.

In vorteilhafter Weise ist, wie angegeben, die Oberfläche des Kernes 2 als Doppelkegelfläche ausgebildet, so daß die Speicherinformationen der Hälfte der Spurscharen Sp dem einen, die der anderen Hälfte der Spurscharen Sp dem anderen Lichtempfänger zugeführt werden, was zu einer Aufteilung des von diesen gelieferten elektrischen Datenflusses analog zur Aufteilung des zu speichernden Datenflusses auf die beiden aufzeichnenden Lichtstrahlen 6, 7 führt.

Wird die Trommel vergrößert, so führt das zu einer Vergrößerung der Speicherkapazität, wobei allerdings die Übergaberate des Systems entsprechend heraufgesetzt wird.

Die Zugriffszeit des Systems kann durch eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Trommel verringert werden. Allerdings wird, gleichbleibender Durchmesser der Trommel vorausgesetzt, entweder bei gleicher Speicherkapazität die Übergaberate erhöht oder bei gleicher Übergaberate die Speicherkapazität vermindert.

Eine Erhöhung der Speicherkapazität auf das 2"fache kann erreicht werden, indem das digitale Lichtablenksystem 10 um η Stufen erweitert wird und

statt des einen Trommelspeichers 2" Trommelspeicher mit dem dazugehörigen Umlenkspiegel Usp vorgesehen werden.

In diesem Zusammenhang sei auf einen erheblichen Vorteil des erfindungsgemäßen Datenspeichersystems hingewiesen, der in dem geringeren Raumbedarf gegenüber in den sonstigen Eigenschaften vergleichbaren Magnetplattenspeichern zu sehen ist.

Dieser Vorteil macht sich besonders bei der letztgenannten Erweiterung der Speicherkapazität durch Anordnung mehrerer Trommelspeicher stark bemerkbar, da der Raumbedarf jeweils nur um das Volumen dieser zusätzlichen Trommeln samt Umlenkspiegeln steigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509639/36

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Ablenkanordnung für Lichtstrahlen bei einem optischen Datenspeichersystem mit großer Speicherkapazität und kurzer Zugrifiszeit, bei dem eine als Datenträger vorgesehene Aufzeichnungssubstanz auf die Mantelfläche einer in Umdrehungen versetzbaren Trommel aufgebracht ist und bei dem die Daten in Umfangslinien der Trommel darstellende Einzelspuren gespeichert werden, bei dem die Aufzeichnungssubstanz für das Einschreiben und Auslesen von Daten mit Strahlung mindestens einer Lichtquelle beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung der Strahlung auf auswählbare Bereiche der Aufzeichnungssubstanz ein an sich bekanntes mehrstufiges digitales elektrooptisches Lichtablenksystem (10) sowie bewegliche Umlenkspiegel (Usp) derart hintereinandergeschaltet sind, daß jeder der Stufen des digitalen Lichtablenksystems (10) und mehreren zu einer Spurschar (Sp) zusammengefaßten Einzelspuren ein derartiger beweglicher Umlenkspiegel (Usp) zugeordnet ist.

2. Ablenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegel (Usp) als Galvanometerspiegel ausgebildet sind.