DE1797240A1 - Anordnung zur holographischen Speicherung - Google Patents

Description

179724Q

IBM Deutschland Internationale Büro-Matchinen Geeelhehaft mbH

Böblingen, 2. September 1968 pr-hn

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen*

Neuanme ldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket SA 9-67-074 Anordnung zur holographischen Speicherung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur holographischen Speicherung der Abbildungen von mit nicht kohärentem Licht beleuchteten oder nicht kohärent selbstleuchteten Objekten.

In der Technik der Datenverarbeitung und der Datenübertragung werden in letzter Zeit optische Speicher in immer größerem Umfang verwendet. In bekannten optischen Speichern werden die einzelnen Bits durch durchsichtige bzw. undurchsichtige Bereiche dargestellt, die jeweils auf bestimmten, als Speicherplätze bezeichneten Bereichen des Films aufgezeichnet sind. Das hohe Auflösungsvermögen der bekannten lichtempfindlichen Emulsionen ermöglicht Speicherdichten, die z. T. wesentlich über den mit allen anderen

109837/Π828

Speicherarten erzielbaren Speicherdichten liegen. Es hat sich aber gezeigt, daß im praktischen Betrieb die theoretisch möglichen Speicherdichten bisher bei weitem nicht erreicht werden konnten. Diese Tatsache ist z. T. auf die Schwierigkeit der Adressierung der sehr kleinen Speicherbereiche und auf das Auftreten von Stör Signalen zurückzuführen, die durch Verunreinigungen und Inhomogenitäten des optischen Systems und der lichtempfindlichen Schichten bedingt sein können. Um diese bei extrem hohen Speicherdichten sehr störend ins Gewicht fallenden Nachteile zu verkleinern, mußten bisher Speicherdichten gewählt werden, die wesentlich unter der theoretisch möglichen Speicherdichte liegen.

Um die genannten Nachteile der bekannten optischen Speicheranordnungen zu vermeiden, wurde auch schon vorgeschlagen, holographische Methoden zum Einschreiben und zum Auslesen der Speicher zu verwenden. Die bekannten und erprobten holographischen Verfahren, die aete ausschließlich mit kohärentem monochromatischem Licht arbeiten, erfordern einen hohen technischen Aufwand in bezug auf Filter, Linsen, Spiegel, Prismen usw. und sind außerdem sehr störanfällig gegen selbst geringfügige Verschmutzungen oder Verstellungen der einzelnen Elemente. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß holographische Speicherverfahren mit nicht kohärenten Beleuchtungsquellen nur bei Vorliegen einer relativ geringen Anzahl von Objektpunkten verwendet werden können. Diese Begrenzung, die

109837/Π828

SA 9-67-074

etwa bei 100 Objektpunkten je Hologram liegt, wird auf den Dynamikumfang der bekannten photographischen Emulsionen zurückgeführt.

Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Hologramen. Fresnel-Holograme und Fraunhofer (Fourier)-Holograme. Bei den Fresnel-Hologramen wird jeder Objektpunkt als ein Fresnelzonen-Muster aufgezeichnet, das bei der Rekonstruktion der Abbildung als Linse wirkt. Die seitliche Lage des Fresnelzonen-Musters bestimmt in diesem Fall die seitliche Lage des entsprechenden Bildpunktes. Bei Fraunhofer-HoIogramen wird jeder Objektpunkt als ein System von Beugungslinien aufgezeichnet, das bei der Rekonstruktion der Abbildung des Objekts als Beugungsgitter wirkt. Die Abstände der Streifen verändern sich dabei inwärts proportional zur seitlichen Lage des betreffenden Objektpunktes. Bei der Rekonstruktion erfolgt die Beugung unter einem Winkel, der sich direkt proportional mit der Feinheit des Gitters ändert. Eine zusätzliche Linse dient zur Fokussierung des Beugungsgitters auf die Bildpunkte. Das holographische Verfahren beruht auf der als Interferenz bekannten Erscheinung, d.h. auf der bereichsweise erfolgenden gegenseitigen Verstärkung oder Auslöschung zweier Lichtstrahlen. Da diese gegenseitige Verstärkung der beiden Lichtstrahlen zeitlich unveränderlich sein muß, werden diese beiden Lichtstrahlen in der Regel durch die Aufspaltung eines einzigen Lichtstrahls erzeugt. Weiterhin ist es erforderlich, daß die Lichtemission von jedem

10983? /np,?8

i>\ 9-67-0'; 4

Punkt der Quelle bei Modulation, d.h. bei Beugung oder Reflexion an einem Objekt ein identisches Streifenmuster am entsprechenden Ort der Bildebene erzeugen soll. Lichtstrahlen, die den oben genannten Anforderungen entsprechen, werden als kohärent bezeichnet.

In letzter Zeit hat es sich gezeigt, daß Hofgrame auch mit räumlich nicht kohärentem Licht erzeugt und durch Bilder guter Qualität reproduziert werden können, da es letztlich nicht darauf ankommt, ob die von den verschiedenen Objektpunkten ausgehenden Lichtstrahlen kohärent sind oder nicht. Es hat sich vielmehr gezeigt, daß es genügt, wenn jeder Punkt des Objektes in irgendeiner Weise sein eigenes Fresnelzonen-Muster auf der photo graphischen Schicht erzeugt. Bei der Rekonstruktion des Bildes wirkt jede Fresnelzonen-Platte als eine Linse und ist daher in der Lage, ein Bild jedes Punktes zu erzeugen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Anordnung zur holographischen Speicherung der Abbildungen von mit nicht kohärentem Licht beleuchteten oder nicht kohärent selbstleuchtenden Objekten anzugeben, bei der die oben genannten Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden und die sich darüberhinaus durch einen geringen technischen Aufwand und eine geringe Störanfälligkeit gegenüber Verstellungen und Verschmutzungen der einzelnen optischen Elemente und« des Aufzeichnungsträgers auszeichnen.

1 0-9 8 3 7/0828

SA 9-67-074

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur holographischen Speicherung der Abbildungen von mit nicht kohärentem Licht beleuchteten oder nicht kohärent selbstleuchtenden Objekten gelöst, die gekennzeichnet ist durch Mittel zur Erzeugung von jedem Objektpunkt zugeordneten, interferenzfähigen Wellenzügen, Mittel zur Erzeugung von durch diese Weller-zü ■■ gebildeten Interferenzmustern, Mittel zur Überlagerung der von einer Vielzahl von Objektpunkten stammenden Interferenzmuster und durch Mittel zur Aufzeichnung des durch die Überlagerung erzeugten Interferenzmusters.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Er findung sgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die interferenzfähigen Wellenzüge in einem aus mindestens zwei durchsichtigen, total reflektierende Flächen aufweisenden Körpern bestehenden Strahlenteiler entstehen, bei dem mindestens zwei verschiedenen Körpern angehörende Flächen derart in bezug aufeinander angeordnet sind, daß eine teilweise Störung der Totalreflexion erfolgt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindung sgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Wellenzüge erzeugenden Mittel verlassenden Wellenzüge zueinander symmetrisch und konjugiert sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die durch die die beiden Wellenzüge erzeugenden Mittel erzeugten Abbildungen virtuell sind.

1O98 3 7/OR28

ORIGINAL INSPECTED

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Auebildungsform des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, daß die die Überlagerung bewirkenden Mittel nur in einer Richtung wirksam sind, derart, daß die Ausleuchtlinien der Objektpunkte in einer Richtung direkt und in einer anderen, vorzugsweise dazu senkrechten Richtung als Fourier-Transformationen abgebildet werden.

Als besonders vorteilhafte und einfache Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, daß die die überlagerung bewirkenden Mittel aus einer sphärischen Linse und aus einer im Strahlengang vorzugsweise unmittelbar dahinter angeordneten Zylinderlinse bestehen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur holographischen

Aufzeichnung von Informationen,

Fig. 2: eine Anordnung zur Reproduktion der mit der Anordnung

nach Fig. 1 aufgezeichneten Bilder,

Die in Fig 1 dargestellte Anordnung besteht aus einer als Ausgabeeinheit eines nicht dargestellten Computers dienenden Kathodenstrahlföhre

109837/0828

10, auf deren Schirm die darzustellenden Informationen in binärer Form im Bereich des Rechtecks 16 dargestellt werden. Die Information besteht

in
aus den horizontalen Zeilen angeordneten Folgen von durchsichtigen und undurchsichtigen senkrechten Strichen 14. Im Zusammenhang mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Bereich 16 als selbstleuchtendes Objekt betrachtet werden. Das von dem Bereich 16 ausgehende Licht wird durch die Linse 18 kollimiert und gelangt zum Strahlenteiler 20, der aus zwei nebeneinander angeordneten Prismen 22 und 24 besteht. Die Strahlenteilung erfolgt durch die nebeneinander angeordneten Flächen 26 und 28 des Strahlenteilers 20. Die genannten Flächen sind durch einen Spalt 34 voneinander getrennt, dessen Breite kleiner als ein Bruchteil der Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten Lichtes ist.Auf diese Weise werden andere Effekte, beispielsweise die Brechung, für einen senkrecht auf die Fläche 32 auftreffenden Strahl im wesentlichen unterdrückt. Der Winkel des Luftspaltes 34 ist derartig bemessen, daß der Strahl 30 als Strahl 36 innerhalb des Prismas 22 reflektiert wird und als Strahl 38 in das Prisma 24 eintritt. Der erstgenannte Strahl wird durch innere unterdrückte Totalreflexion an den Flächen 40 und 41 reflektiert und verläßt den Strahlenteiler 20 in der aus der Figur ersichtlichen Richtung. Der zweite Strahl wird durch die Spiegelfläche 42 des Prismas 24 in sich selbst zurückgewor fen und wird an der Fläche 28 erneut reflektiert um den Strahlenteiler 20 in einer der Richtung des Strahls 36 im wesentlichen gleichen Richtung zu verlassen.

SA 9-67-074

Die Strahlen 36 und 38 gelangen zu einer Linse 44 durch die die Abbildungen 46 und 48 des Bereiches 16 erzeugt werden. Das aus den oben genannten Prismen und Linsen bestehende optische System ist so ausgewählt, daß die Abbildungen 46 und 48 symmetrisch konjugiert in bezug auf die vertikale Y-Achse sind und in Richtung der X-Achse einen Abstand voneinander aufweisen, der mindestens die doppelte Breite d des Bereiches 16 hat. Auf diese Weise kann jedem Punkt 60 der Abbildung 46 ein entsprechender Punkt 62 der Abbildung 48 zugeordnet werden. Die Abbildungen 46 und 48 werden mit Hilfe der Linseaanordnung 50 auf einen photographischen Film 52 fokussiert, der nach erfolgter Belichtung und Entwicklung das gewünschte Hologram enthält.

Die Linsenanordnung 50 besteht aus zwei Linsen 54 und 56, von denen die erste eine sphärische und die zweite eine zylindrische Linse ist. Beide Linsen sind dicht nebeneinander angeordnet. Jedes Punktpaar 60, 62 kann in der hinteren Brennebene der Linse 54 Interferenz streifen (eine Fresnelzonen-Platte) bilden. Die Linse 56 komprimiert diese Fresnelzonen-Platte vertikal in eine horizontale Linie, die die gleiche Y-Koordinate wie das genannte Punktepaar hat. Diese eindimensionalen Streifenmuster werden auf dem Hologram 52 aufgezeichnet, Mittels der beschriebenen Anordnung wird die Y-Koordinate jedes im Bereich 16 aufgezeichneten Binärwertes im Hologram 52 erhalten. In Richtung der X-Koordinate erfolgt indessen eine vollständige Verschlüsselung, d.h. der Bereich

109837/0828

SA 9-67-074

16 und das Hologram 52 haben keine sichtbare Ähnlichkeit. In Fig. 1 wird das Hologram als eine Rolle eines photographischen Films dargestellt, der synchron mit der Zeilenablenkung der KathodenstrahlöVhse 10 fortbewegt werden kann.

Auf diese Weise wird te im Bereich 16 liegende Zeile von Binäraufzeichnungen als eine holographische Zeile im Hologram 52 aufgezeichnet.

Aus der Darstellung der Fig. 1 ist zu ersehen, daß der Strahl 36 dreimal im. Prisma 41 reflektiert wird, während der Strahl 38 im Prisma 42 nur zwei Reflexionen erfährt. Da ein Bildpaar 46 und 48 erzeugt werden soll, deren Bilder relative Inversionen sind, ist jede Strahlenteile ranordnung verwendbar, die den ursprünglichen Strahl aufteilt um eine ungerade Anzahl von Reflexionen für den einen Teil und eine gerade Anzahl von Reflexionen für den anderen Teil vorsieht.

In Fig. 2 wird eine Anordnung zur Rekonstruktion der auf dem Hologram 52 aufgezeichneten Information dargestellt. Der kollimierte Lichtstrahl 70 beleuchtet die ausgewählte Zeile des Holograms 52, wobei die darauf befindlichen Interferenzstreifen als Beugungsgitter wirken. Die in der hinteren Brennebene der Linse 72 liegenden Beugungsordnungen enthalten zwei

109R3?/Π828

SA 9-67-074

symmetrische Abbildungen 74 und 76. Die Zylinderlinse 78 ist in Nachbarschaft der Linse 72 angeordnet, um die in Y-Richtung liegenden Incjfrmationen zu bewahren. Da der das Hologram 52 tragende Film nicht ein lineares Medium ist, treten harmonische Verzerrungen auf, die Beugungen verursachen, deren Ordnung höher als die erste Ordnung ist. Durch die vorher erwähnte Trennung in Richtung der Y-Achse wird sichergestellt, daß diese höheren Ordnungen in geeigneter Weise getrennt werden. Aus dem gleichen Grund werden im Hologram 52 Differenzfrequenzen erzeugt, die das Auftreten von Licht in der Nachbarschaft der nullten BeugungsOrdnung 80 bewirken. Die Trennung bewirkt, daß die Bilder 74 und 76 einwandfrei unterscheidbar sind.

109837/0 828

S\ 0-67-074

Claims (6)

- 11 - Böblingen, 2. 9. 1968 pr-hn PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur holographischen Speicherung der Abbildungen von mit nicht kohärentem Licht beleuchteten oder nicht kohärent selbstleuchtenden Objekten, gekennzeichnet durch Mittel (20) zur Erzeugung von mindestens zwei, jedem Objektpunkt zugeordneten, interferenzfähigen Wellenzügen (36, 38), Mittel (50) zur Erzeugung von durch diese Wellenzüge gebildeten Interferenzmustern, Mittel (ebenfalls 50) zur Überlagerung der von einer Vielzahl von Ob-

ter
jektpunkten stammenden Inferenzmuster und durch Mittel (52) zur Aufzeichnung des durch die Überlagerung erzeugten Interferenzmusters.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in-

terferenzfähigen Wellenzüge (36, 38) in einem aus mindestens w

zwei durchsichtige, totalreflektierende Flächen aufweisenden, vorzugsweise als Prismen ausgebildeten Körpern (41, 42) bestehenden Strahlenteiler (20) entstehen, bei dem mindestens zwei verschiedenen Körpern angehörende totalreflektierende Flächen (26, 28) derart in bezug aufeinander angeordnet sind, daß in ihrem Bereich eine teilweise Störung der Totalreflexion erfolgt.

1098 3?/Π82β

SA 9-67*074

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Wellenzüge erzeugenden Mittel (20) verlassenden Wellenzüge (36, 38) zueinander symmetrisch und konjugiert sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die die beiden Wellenzüge erzeugenden Mittel (20) gebildeten Abbildungen (46, 48) virtuell sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Überlagerung bewirkenden Mittel (50) nur in einer Richtung wirksam sind, derart, daß die Leuchtzeilen der Objektpunkte in einer Richtung direkt und in einer anderen, vorzugsweise dazu senkrecht liegenden Richtung als Fourier-Transformationen abgebildet werden.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Überlagerung bewirkenden Mittel (50) aui einer sphärischen Linse (54) und aus einer im Strahlengang vorzugsweise unmittelbar dahinter angeordneten zylindrischen Linse (56) bestehen.

109837/Π828