DE2008041A1 - Verfahren und Anordnung zum holographischen Speichern - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 19. Februar 1970
pr/du

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket EN 968 015

Verfahren und Anordnung zum holographischen Speichern.

Die Urfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum
holographischen Aufzeichnen und Auslesen von Informationen.

In der Technik der Datenverarbeitung'werden Speicher mit immer
größeren Kapazitäten erforderlich. Der Platzbedarf der bisher
üblichen, aus bistabilen Multivibratoren, Magnetkernen, Kryotrons oder dünnen magnetischen Schichten bestehenden Speicher wurde bei steigenden Speicherkapazitäten so groß, daß ihre Anwendung, abgesehen von wenigen Sonderaufgaben, praktisch nicht mehr möglich
war.

Zur Erhöhung der Speicherdichte wurden optische Speicher vorgeschlagen und zum Teil erprobt, die beispielsweise aus licht-

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empfindlichen Schichten bestehen, auf denen die Daten durch Lichtstrahlen sehr kleinen Querschnitts in Form von belichteten punktförmigen Bereichen aufgezeichnet wurden. IBa die mit kleiner werdenden Speicherstellen größer werdende Empfindlichkeit der Speicher gegen selbst geringfügigste Beschädigungen oder Verunreinigungen zu vermeiden, wurden holographische Verfahren vorgeschlagen, die aber aus verschiedenen Gründen nicht voll befriedigen konnten. Einer dieser Gründe ist der hohe Ssitaufwand» der zur Herstellung der die Informationen enthaltenden Hologramme erforderlich ist. Dieser Zeitaufwand entsteht z.B. auch dadurca, daß die als HoIograr.iru zu speichernden Daten zuerst in Form von durch diskrete durchlässige und undurchlässige Bereiche dargestellten verschlüsselten Informationen vorliegen müssen.

Die Erfindung geht, von der Aufgabenstellung aus, axn Vorfahren und eine Anordnung zum optischen Speichern von Daten anzugeben, das ein einfaches und schnelles Aufzeichnen und Auslesen von Informationen mit hoher Speicherdichte und hohem ivontrast ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Lrfindung durch ein Verfahren zum nolocjrophischen Aufzeichnen und :iualesen von Informationen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daii die Polarisationsrichtungon vorgegebener Bereiche des querschnitts eines objektstrahlt; entsprechend dem Informationsinhalt der jeweils aufzuzeichnenden Inforu.ätionsgruppe örtlich selektiv in bezug r.ulT die PolarisationsrIch rung eines ReferenzStrahls «edreht werden, daü die Lage und/ odor υ le AH-ir.x'isatlonsrichtuuq des Ticfercnzstrahls zur Bestimmung

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der jeweils aufzuzeichnenden Informationsgruppe steuerbar verändert bzw. gedreht wird und daß zum Auslesen einer bestimmten Informationsgruppe der Referenzstrahl in die dieser Gruppe zugeordnete Lage und/oder Polarisationsrichtung überführt wird.

Eine besonders vorteilhafte Unordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch im Wege eines Objektstrahls in Matrixform angeordnete, an sich bekannte elektrooptische Elemente zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene der sie durchsetzenden Teile des Objektstrahls, durch eine Anordnung zur steuerbaren Verschiebung eines Referenzstrahles in eine von mehreren vorgegebenen Lagen und durch Linsen zur übertragung des Objektstrahls und des ReferenzStrahls aus seiner jeweiligen Lage in einen gemeinsamen Bereich, in dem das zur Erzeugung des Hologramms dienende Interferenzmuster entsteht.

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

Fig. 1 Die schematische Darstellung einer anordnung zum

Aufzeichnen von Informationen auf eine Hologrammplatte und zum Auslesen dieser Informationen,

Fign. 2 u. 3 die verschiedenen Lagen der Polarisationsebenen von

Objekt und Referenzstrahlen zur Aufzeichnung der binären Worte lOlO und 1011 auf eine Hologrammplatte.,

Fign. 4 u. 5 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Docket" ώΓ 968 Ο15 009837/1 S3 U

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- 4 Verfahren zur Herstellung eines Hologramms,

Fig. 6 eine elektrooptische Anordnung zur steuerbaren

Drehung der Polarisationsebene und eine nachqeschaltete Linse.

Mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Anordnung können Mehrfachiiologranune erzeugt werden. Auf einer vertikalen Achse V sind die Referenzstrahlwellen Rl, R2, R3 und R4 angeordnet. Auf einer horizontalen Achse H sind die Objektstrahlguellen El, D2, Ξ3 und B4 angeordnet. Die von diesem, vorzugsweise als Laser ausgebildeten Lichtquellen ausgehenden Strahlen interferieren miteinander in Bereich der Hologrammebene 40, in der eine lichtempfindliche Schicht 41 liegt.

Für jede gewünschte Kombination von Informationsstrahlen wird ein bestimmter Strahl der Referenzstrahlen Rl bis R4 bei der Aufzeichnung zur Wirkung gebracht. Die Aufzeichnung von Mehrfachinterferenzmustern auf ein und den selben lichtempfindlichen Film wird durch aufeinanderfolgende Belichtungen bewirkt. Ls ist möglich rund 500 Belichtungen zur Erzeugung eines Hologramms mit einem annehmbaren Signal-Rausch-Verhältnis vorzunehmen, Ks ist leicht einzusehen, daß die Anzahl der verschiedenen Referenzstrahlquellen und Objektstrahlquellen die Anzahl der verschiedenen Muster bestimmt, die als Hologramm aufgezeichnet werden können.

Zum Auslesen der im Hologramm 41 aufgezeichneten Information«-

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muster wird das Hologramm in die gleiche Lage gebracht, die es während der Aufzeichnung eingenommen hat. Eine der Referenzstrahlquellen Rl bis R4 wird erregt um den gewünschten Referenzstrahl durch das Hologramm 41 zu schicken. Während des Auslesens sind die Objektstrahlquellen Bl bis B4 aufgeschaltet. Der aus dem Hologramm austretende Strahl durchsetzt die Linse 42 und erzeugt eine genaue Abbildung der durch die Objektstrahlquellen Bl bis B4 ursprünglich gelieferten verschlüsselten Information. Durch selektives Erzeugen beliebiger Referenzstrahlen wird die diesen jeweils zugeordnete Informationsgruppe aus dem Hologramm ausgelesen. Diese verschlüsselten Strahlen können mit Hilfe von in Matrixform in der Brennebene der Linse angeordneten lichtempfindlichen Elementen in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese lichtempfindlichen Elemente sind beispielsweise im Bereich der durch die erste ßeugungsordnung erzeugten Muster angeordnet, die außerhalb des Bereichs der Muster der nullten Beugungsordnung liegen die durch einen Schirm ausgeblendet werden können.

Anhand der Fign. 2 und 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert und gezeigt, wie die Lagen der Polarisationsebenen der Objekt- und Referenzstrahlen gedreht v/erden müssen um binäre Worte mit den Vierten lOlO und 1011 als Hologramm aufzuzeichnen. In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die Referenzstrahlquelle Rl eingeschaltet und erzeugt einen Strahl dessen Polarisationsebene in Richtung des vertikalen Pfeiles RV liegt. Gleichzeitig bilden die von den Informationsquellen Bl, B2, B3 und B4 ausgehenden Strahlen ein Polarisationsmuster bei dem die von den

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Quellen Bl, B3 ausgehenden Strahlen, wie durch die Pfeile BVl und 3V3 angedeutet vertikal, d.h. in der gleichen Richtung wie die Polarisationsebene des von der Referenzstrahlquelle Rl aufgehenden Strahls liegen. Gleichzeitig erzeugen die Informationsstrahlquellen B2 und B4 Strahlen, deren Polarisationsebenen, wie durch die Pfeile BH2 und BH4 angedeutet, senkrecht zu den durch die Strahlen BVi, BV3 und RV wiedergegebenen Polarisationsrichtungen liegen. Das Ergebnis dieser Kombination von Polarisationsrichtungen ist ein Intensitätsmuster das ein Hologramm erzeugt, durch das beim Auslesen die Abbildung des binären ivortes 10lü erzeugt wird.

In Fig. 3 v/ird das Polar isationsraus te r zur Auf zeichnung des binären Wertes 103.1 dargestellt. Die Polarisationsebene des von der Informatioriä'strahlquelle B4 ausgehenden Strahles liegt in Richtung des vertikalen Pfeiles BII4, währ end alle anderen Inforuationsstrahlen .1:5 Richtung der Pfeile Z^l_t Β:ϊ2 und L'V3 polarisiert sir.ü. Anstelle der in der Darstellung der Fig. 2 eingeschalteten Rcferen^srrahlquelle Rl ist die Referenzstrahiguelle R2 eingesci'cltit, -D daß sich eine andere Lage des Referenzstrahls ergibt, dessen Polarisationsebene in Richtung des Pfeiles UV2 liegt. Das auf aie-e .',iise entstehende Polarisationsnuistsr ist von dem oben beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Polarisati onsnuster ver.scriiirci 'ι and hat zur Folge, daß das vorher aufgezeichnete, den bin_; ..-:■.. λ v.t IuIo darstellende i'aster durcii ein zweites, den bir·'....·>!■ \''.-.ct iüll daratollendes /luster überlagert wird. Auf diese vV(;^; υ,, ι :.:,: oi.ne f.rroße Anzahl von Informationen durch tberLacrerinw der "u^f: .i.c -toiq^n dur uiitspruchuriden Interferenzwuster aufge-

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zeichnet werden. In den oben beschriebenen Beispielen wurde der binären "1" willkürlich der Zustand zugeordnet, in dem die Polarisationsebene des ReferenzStrahls parallel zur Polarisationsebene des Informationsstrahls liegt, während der binären "O" der Zustand zugeordnet wurde, in dem die Polarisationsebene des Informationsstrahls senkrecht zur Polarisationsebene des Referenzstrahls liegt.

Da der Belichtungspegel eines durch eine Vielzahl von Mustern in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten belichteten Films unabhängig von der Anzahl der aufgezeichneten binären "1" ist, liegen die Intensitätsmuster aller aufgezeichneten-Hologramme im gleichen Bereich der Schwärzungskurve des verwendeten lichtempfindlichen Films.

Bei dem in den Fign. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der als Lichtquelle dienende Laser 20 einen kohärenten Lichtstrahl 21, der die den Strahlquerschnitt vergrößernde Linse 22, und die Kondensorlinsen 23 und 24 durchsetzt. Hinter der Linse 24 sind die elektrooptischen Kristalle 25a, 25b, 25c und 25d und die auf sie ausgerichteten kleinen Linsen 26a, 26b, 26c und 26d angeordnet. Die Brennpunkte dieser kleinen Linsen 26 liegen auf einer horizontalen Linie 28 und entsprechen den oben beschriebenen Informationsstrahlquellen Bl, B2, B3 und B4. Die Kristalle 25a bis 25d sind mit einer elektrischen Schaltanordnung 45 verbunden, über die die zur Drehung der Polarisationsebenen der Informationsstrahlen 28a, 28b, 28c und 28d erforderlichen Spannungen an diese Kristalle gelegt .'werden können.

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Die durch die selektive Drehung der Polarisationsebenen der Informationsstrahlen erzeugten Muster werden gleichzeitig mit dem jeweils ausgewählten Referenzstrahl zur Aufzeichnung auf die Hologramm};latte gerichtet, wo sie verschiedene Intensitätsmuster erzeugen, die die verschiedenen aufzuzeichnenden Informationen darstellen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung durchsetzt der Strahl 21 einen Strahlenteiler 30, in dem ein Teilstrahl 31 abgetrennt wird Dieser Teilstrahl gelangt über einen Spiegel 32 su einem Lichtablenker 33, der jeweils einen der polarisierten Strahlen 34a bis 34d erzeugt. Eine dieser Strahlen durchsetzt jeweils eine der Linsen 35 deren Brennpunkte auf einer horizontalen Linie 36 liegen und den oben beschriebenen Referenzstrahlquellen Rl bis R4 entsprechen. Von diesen Brennpunkten geht jeweils einer der polarisierten Referenzstrahlen 37a bis 37d aus. DaG Zusammenwirken zwischen dem jeweils ausgewählten Referanzstrahl mit den Informationsstrahlen erzeugt im Bereich des Hologramms Intensitätsmuster, die eine Funktion der Polarisationszustände der Strahlen sind.

Die in Fig. 6 dargestellte elektrooptische Anordnung 25 besteht aus einem elektrooptischen Kristall 25a, der beispielsweise ein KDP-Kristall sein kann. An diesem Kristall kann eine Spannung zur Drehung der Polarisationsebene des in die Anordnung eintretenden Strahls 21a gelegt v/erden. Die Polarisationsebene des die Anordnung verlassenden Strahls 28a schließt mit der Polarisationsebene

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des in die Anordnung eintretenden Strahls 21a einen Winkel" ein, der eine Funktion der angelegten Spannung ist. Liegt keine Spannung am Kristall an, so wird die Polarisationsebene des den kristall durchsetzenden Strahles nicht gedreht. Die Linse 26a fokussiert den austretenden Lichtstrahl im Brennpunkt B4/ der einem der obengenannten Informationsstrahlqueiien Bl bis B4 entspricht. Die aus den Linsen 26a bis 26d bestehende Linsenanordnung kann beispielsweise als eine sogenannte "Fliegenaugenlinse" ausgebildet sein, durch die eine Vielzahl von sehr nahe aneinanderliegenden Informationsstrahlqueiien erzeugt werden kann.

Anstelle der in"Fig. 4 dargestellten elektrooptischen Kristalle 25a bis 25d Kann auch ein einziger großer Kristall mit koordinatenxörrnig angeordneten Elektroden verv/endet v/erden, durch deren selektive Erregung bestimmte schmale Bereiche des einfallenden Strahles ira Sinne einer Drehung der Polarisationsebene beeinflußt werden können.

Zur Herabsetzung der ilöhe der zur Steuerung der elektrooptischen Kristalle erforderlichen Spannungen kann an einer Seite des Kristalls eine spiegelnde Fläche angeordnet werden, so daß dieser zweimal von dem zu beeinflussenden Strahl durchsetzt wird.

Im allgemeinen besteht ein Wort aus einer eine größere Anzahl von bits enthaltenden Reihe. Die in Fig. 6 wiedergegebene Anordnung stellt ein Element einer solchen Reihe dar und könnte z.B. Teil der Frontplatte einer Kathodenstrahlröhre sein, wobei örtlich

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aufgeladene Bereiche des elektrooptischen Kristalls die einzelnen Bitstellen bilden. Die Zahl der in dieser seriellen Aufzeichnungsart eingeschriebene Worte wird durch Randbedingungen begrenzt, die beispielsweise im Aufsatz "Incoherent Holography" beschrieben sind. (Adam Kozma, "Invited Paper Th A2 'Incoherent Holography¹ ", 1968 Spring Meeting of Optical Society of Amerika). Aus den dort angeführten Gründen kann es vorteilhaft sein, mehrere Worte während einer Belichtung aufzuzeichnen. Die räumliche Verteilung der Informationsbitstellen und der Lagen der Referenzstrahlquellen vird sowohl durch die Abmessungen der einzelnen elemente als auch unter Berücksichtigung der nichtlinearen Effekte der Holographie bestimmt _t Diese Effekte sind beispielsweise in einem Aufsatz "Experimental Study of Nonlinear L'ffects in Holography" von G.K. Jail & A. Kozma, und in einem Aufsatz von A. Kozma "Optica Actu 15 (1968) beschrieben.

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Claims (2)

1. ■ - 11 -

   P Ä T E H ϊ & N S P R D C H E

   Verfahren zum holographischen Aufzeichnen und Auslesen von Informationen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen vorgegebener Bereiche des Querschnitts eines Objektstrahls bzw. einer Vielzahl von Objektstrahlen entsprechend dem InfQrmationsinhalt der jeweils aufzuzeichnenden Informationsgruppe örtlich selektiv in bezug auf die Polarisationsrichtung des ReferenzStrahls gedreht werden, daß die Lage und/oder die Polarisationsrichtung des ReferenzStrahls zur Bestimmung der jeweils aufzuzeichnenden Informationsgruppe steuerbar verändert, bzw. gedreht wird und daß zum Auslesen einer bestimmten Informationsgruppe der Referenzstrahl in die dieser Gruppe zugeordnete Lage und/oder Polarisationsrichtung überführt wird.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Wege eines Objektstrahls in Matrixfornt angeordnete, an sich bekannte elektrooptischen Elemente (25a, 25b ... 25ä) zur steuerbaren Drehung der Polarisätionsebenen der sie durchsetzenden Teile des Objektstrahls, durch eine Anordnung (33) zur steuerbaren Verschiebung eines ReferenzStrahls in eine von mehreren vorgegebenen Lagen und durch Linsen (26, 35) zur übertragung des Objektstrahls und des Referenzstrahls aus seiner jeweiligen La^e in einen gemeinsamen

   DocKet EH 968 015 0 0 9 8 3 7/1934

   Bereich in dem das zur Erzeugung des Hologramms dienende Interferenzmuster entsteht.

   Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (20) zur erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahles (21), einen Strahlenteiler (30) zur Abspaltung eines als Referenzstrahl dienenden Teilstrahls (31), einen im Verlaufe des Teilstrahls angeordneten Lichtablenker (33) ~ur Überführung des Referenzstrahls in eine von einer Vielzahl von möglichen Lagen, im Bereich jeder dieser ir.c-σ-lichen Laaen angeordnete Linsen (35), durch die der den Lichtablenker verlassende Referenzstrahl unabhängig von seiner jeweiligen Laae auf eine lichtempfindliche Schicht zur Aufzeichnung eines Interferenzmusters gerichtet wird, durch im Verlauf des vom Strahlenteiler (30) unabqelenkten, als Objektstrahl dienenden Teilstrahls angeordnete Linsen (22, 23 und 24), durch eine im weiteren Verlauf dieses Strahls liegende Anordnung (25d) zur steuerbaren Drehung der Polarisationsebene bestimmter 33ereiche des Objektstrahlsauerschnitts und durch eine Linse (2Gd), durch die der gemäß der aufzuzeichnenden Information örtlich durch Drehung seiner Polarisationsebene modulierte Objektstrahl auf den zur Urzeugung des ilologramms vorgesehenen Bereich gerichtet vird, wo er durch Interferons mit dem Jioferenzstrahl ein die aufzuzeichnende Ininriintion darstellendes Interieronzmuster er.'.ou'it .

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