DE2109053A1

DE2109053A1 - Holografisches Speichersystem zur Aufzeichnung von Digitalinformationen

Info

Publication number: DE2109053A1
Application number: DE19712109053
Authority: DE
Inventors: Yasutsugu Kokubunji Tokio; Oshida Yoshitada Tokio; Takeda (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-02-25
Filing date: 1971-02-25
Publication date: 1971-09-16
Also published as: DE2109053B2; US3744871A

Description

DA-4215

Beschrei bung zu der Patentanmeldung

der Firma

HITACHI LIMITED 1-5-1, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo / Japan

betreffend

Holografisches Speichersystem zur Aufzeichnung von Digitalinformationen

Prioritäten: 25. Februar 1970, Nr. 15558/70, Japan 25. Dezember 1970, Nr. , Japan

Die Erfindung bezieht sich auf ein Digital-Speichersystem mit hoher Informationsdichte und betrifft insbesondere ein Speichersystem, das mit einem holografischen Verfahren zur Aufzeichnung von Fourier-Transformierten arbeitet.

In vielen modernen Anwendungsfällen der Informationsspeicherung wird eine Digitalinformation durch die Kombination einer Gruppe von binären "Bits" wiedergegeben. Wie in der

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Technik der nach dem Binärsystem arbeitenden digitalen Informationsaufzeichnungen bekannt ist, bedeutet das Fehlen oder die Anwesenheit eines Punktes, beispielsweise auf einer Karte, eine "O" bzw. "1" für die jeweilige Zahlenstelle. Die Tatsache, daß die Digitalrechner größer werden und höhere Informations-Speicherkapazität erfordern, hat die Notwendigkeit eines Informations-Aufzeichnungsmediums mit minimalem Platzbedarf mit sich gebracht.

Ein erstes bekanntes Verfahren zur Aufzeichnung mit hoher Informationsdichte, das Laser- oder Elektronenstrahlen verwendet, um kleine Informations-Eits in dichtem Abstand voneinander auf einem fotografischen Film zu speichern, arbeitet mit der Aufzeichnung von Digitalinformationen in Form von "weißen" Punkten auf einem "schwarzen" Hintergrund oder von "schwarzen" Punkten auf einem "weißen" Hintergrund. Zwar hat man nach diesen Verfahren mit extrem feinkörnigen Filmen eine außerordentlich hohe digitale Informationsdichte er-) zielt. Die Systeme können auch zuverlässig sein, und es lassen sich hohe Ausgangspegel erzielen, wenn der dynamische Bereich des Films vollständig ausgenutzt wird. Da jedoch jedes Bild einen Informationsteil darstellt, können kleine Fehler oder Beschädigungen der Aufzeichnung, beispielsweise Schaden an der Emulsion, auf dem Film möglicherweise lagernde Staubpartikel, bei der Handhabung des Films erzeugte Kratzer usw., eine große Informationsmenge zerstören.

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Um diese Probleme durch Einführung einer gewissen Redundanz abzumildern, ist eine zweite Art eines Aufzeichnungsverfahrens mit hoher Informationsdichte vorgeschlagen worden. Dieses System arbeitet mit Hologrammen, die eine Vielzahl von Informations-Bits enthalten. Dabei trifft ein kohärenter Lichtstrahl auf einen Lichtmodulator, der in der Lage ist, eine Darstellung einer Vielzahl von Bits vorübergehend zu speichern. Generell werden die gespeicherten Bits von einem Laser beleuchtet, wobei die Bits ein amplituden- oder phasenmoduliertes Muster des Laserlichts erzeugen. Der sich ergebende "Objekf'-Strahl wird von einer transformierenden Linse aufgefangen, die das amplituden- oder phasenmodulierte Muster in eine Fourier-Transformierte umwandelt. Gleichzeitig wird vorzugsweise aus dem gleichen Laserlicht unter Verwendung eines Strahlenteilers ein Bezugsstrahl abgeleitet, der um den Lichtmodulator und die Transformationslinse herumgelenkt und auf das Aufzeichnungsmedium gerichtet wird, bei dem es sich etwa um einen längs der Fourier-Transformierten angeordneten fotografischen Film handelt. Die Aufzeichnung des komplexen Licht-Interferenzmusters auf dem Film erfolgt durch Oberlagerung der.Objekt- und Bezugsstrahlen. Redundanz wird durch die Wahl der Größe der Fourier-Transformierten eines einzelnen Bits in der Aufzeichnung erzielt, wobei die Informationsdichte durch die Anzahl von in demselben Bereich überlagerten Bit-Transformierten definiert ist; in äer erstgenannten Art der digitalen Aufzeichnung ist dagegen die Informationsdichte durch die Größe der Bits vmä ihren gegenseitigen Abstand bestimmt»

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Innerhalb des Transformationsbereichs bilden sämtliche durch die Informations-Bits gebeugten Lichtwellen in der Aufzeichnungsebene Interferenz und erzeugen dadurch ein Muster, dessen Intensitätsverteilung bei abnehmendem Abstand zwischen den Bits immer stärker konzentriert wird. Wird mit kreisförmigen Bits gearbeitet, so bildet die gesamte aufzuzeichnende Fourier-Transformierte einen vollständigen Satz konzentrischer Ringe, die als Airy-Scheiben bezeichnet werden. Diese Ringe erstrecken sich mit abnehmender Amplitude ins Unendliche. Wird die Intensitätsverteilung konzentriert, so nimmt der Durchmesser dieser Ringe nicht ab, sondern bei steigender Amplitude umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Mittelpunkten der Bits zu. Mit anderen Worten heißt das, daß eine Konzentration in der Intensitätsverteilung durch Überlagerung auf immer weniger Stellen stattfindet« Wird die Intensitätsverteilung zu stark konzentriert, so kann es vorkommen, daß einige Spitzen dieser Intensitätsverteilung den dynamischen Bereich des fotografischen Films überschreiten. Je weiter die Informations-Bits voneinander getrennt sind, desto weniger prononciert ist die Intensitätsverteilung in der Transformierten. Um eine gute Redundanz zu erreichen, muß also dadurch, daß die Informations-Bits relativ weit voneinander getrennt werden, ein Kompromiß zwischen der Redundanz und der effektiven Informationsdichte geschlossen werden.

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Diese Lokalisierung der Energie der gebeugten Lichtwellen läßt sich dadurch reduzieren, daß das Aufzeichnungsmedium gegenüber dem Brennpunkt der Fourier-Transformationslinse etwas versetzt wird. Dies ist eine sehr praktische Methode, um den Maximalwert der Intensitäts.verteilung zu vermindern. Wie sich leicht zeigen läßt, wird in diesem Fall jedoch nicht nur die örtliche Verteilung der Energie geschwächt, sondern es wird auch die Energie auf einen Kreis mit größerem Durchmesser verteilt. Es ist daher unmöglich, mit dieser Methode eine hohe Informationsdichte zu erzielen. Außerdem hat diese ' Methode einen weiteren Nachteil. Würde man das Aufzeichnungsmedium am Brennpunkt der Fourier-Transformationslinse anordnen, so wäre der Beitrag eines Informations-Bits zu einem Hologramm über die Hologramm-Ebene fast gleichmäßig. Wird dagegen das Aufzeichnungsmedium gegenüber dem Brennpunkt der Linse versetzt, so wird die Gleichmäßigkeit mehr oder weniger zerstört, was die Qualität der rekonstruierten Bilder vermindert.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein holografisches Speichersystem mit Fourier-Transformation zur Aufzeichnung von digitalen Informations-Bits zu schaffen, das eine erhöhte Informationsdichte gestattet, indem scharfe Änderungen in der Intensitätsverteilung in der Aufzeichnungsebene, die auf der Interferenz zwischen von jeweils einzelnen Informations-Bits emittierten Lichtwellen beruhen, geglättet werden.

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Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Zufalls-Pha'senschieber, der dazu benutzt werden kann, um die besagten scharfen Änderungen in der Intensitätsverteilung in der Aufzeichnungsebene eines holografischen Speichersystems mit Fourier-Transformation zu glätten.

Zur Lösung der ersten Aufgabe erfolgt die Glättung scharfer Änderungen der Intensitätsverteilung in der Aufzeichnungsebene erfindungsgemäß durch Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers, der eine Vielzahl von Elementen umfaßt, die in einer Matrix angeordnet sind und mindestens zwei zufallsverteilte unterschiedliche optische Weglängen aufweisen, wobei der Phasenschieber derart angeordnet ist, daß die einzelnen Elemente jeweils einzelnen Informations-Bits entsprechen, die an dem Lichtmodulator in der gleichen Weise wie die Elemente an dem Phasenschieber angeordnet sind, so daß die unterschiedlichen Informations-Bits entsprechenden Wellenlängen mindestens zwei verschiedenen, zufallsverteilten Phasenverschiebungen unterzogen werden.

Die Aufgabe der Erfindung kann auch durch ein holografisches Aufzeichnungssystem mit Fourier-Transformation erreicht werden, bei dem die Glättung der scharfen Änderungen der Intensitätsverteilung in der Aufzeichnungsebene durch die Verwendung 'eines Beleuchtungshologramms bewirkt wird, mit dem sich

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eine Vielzahl von unterschiedlichen Informations-Bits entsprechenden Lichtwellen mit mindestens zwei verschiedenen Phasen rekonstruieren läßt.

Zur Lösung der zweiten Aufgabe umfaßt ein erfindungsgemäßer Zufalls-Phasenschieber entweder eine Platte auf einer Vielzahl von Elementen, die in einer Matrix angeordnet sind und mindestens zwei unterschiedliche Dichten 'eines Materials mit niedrigem Absorptionskoeffizienten aufweisen, oder eine Platte aus einem Material mit niedrigem Absorptionskoeffizienten, die aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten Elementen mit mindestens zwei unterschiedlichen Dicken besteht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen; darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines holografischen Speichersystems nach dem Stand der Technik;

Pig. 2 ein Diagramm der Intensitätsverteilung von gebeugten Lichtwellen, die durch eine mit kreisförmigen Löchern in Matrixanordnung versehene Lochkarte erzeugt werden, in der Nähe des Brennpunktes einer Fourier-Transformationslinse in einem holografi-. sehen Speichersystem nach dem Stand der.Technik;

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Fig. 3 eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen holografischen Speichersystems;

Fig. 4 ein Beispiel für die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen, wie sie durch ein holografisches Speichersystem nach dem Stand der Technik erzielt wird;

Fig. 5 ein Diagramm einer Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen, wie sie durch ein erfindungsgemäßes holografisches Speichersystem erzielt wird;

Fig. 6 eine schematische Anordnung eines holografischen Speichersystems nach dem Stand der Technik, das mit einem Beleuchtungshologramm arbeitet;

Fig. 7 eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen holografischen Speichersystems, das mit einem Beleuchtungshologramm arbeitet; und

Fig« 8 eine schematische Anordnung einer Apparatur zur Erzeugung eines Beleuchtungshologramms zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen holografischen Speichersystem.

Erfindungsgemäß wird eine hohe Informationsdichte bei der Aufzeichnung von Digitalinformationen in Fourier-transformierter Form unter Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers erreicht, der scharfe Änderungen in der Licht-Intensitätsverteilung auf dem Aufzeichnungsmedium, die auf der Interferenz zwischen verschiedenen Informations-Bits entspre-

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chenden Lichtwellen berühren, glättet und dadurch die Lichtenergie am Aufzeichnungsmedium innerhalb des dynamischen Bereichs des Mediums erhöht. Zur Erläuterung lassen sich die Auswirkungen des Zufalls-Phasenschiebers auf das Interferenzmuster der die unterschiedlichen Informations-Bits wiedergebenden Lichtwellen leicht verstehen, wenn man die Interferenz zwischen Lichtwellen betrachtet, die kreisförmige Löcher durchsetzen.

Ausführungsbeispiel 1

Gemäß Fig. 1 wird ein von einer Laserlichtquelle 11 emittierter paralleler Lichtstrahl 10 durch einen Strahlenteiler 12, der üblicherweise aus einem Halbspiegel besteht, in zwei Lichtstrahlen zerlegt, nämlich einen hindurchgelassenen Lichtstrahl, der als "Objekt"-Lichtstrahl 15 bezeichnet wird, und einen reflektierten Lichtstrahl, der als "Bezugs"-Lichtstrahl 14 bezeichnet wird. Der Objektstrahl wird durch einen Strahlenexpander 18 auseinandergezogen, der, wie in in Pig. 1 dargestellt, gewöhnlich aus zwei konvexen Linsen besteht, die aus dem schmalen parallelen Lichtstrahl einen breiten parallelen Strahl machen. Der breite parallele Lichtstrahl trifft auf eine Fourier-Transformationslinse 17, die den Strahl auf ein Aufzeichnungsmedium 15, etwa einen fotografischen Film, fokussiert. In dem Objektstrahl ist ein Lichtmodulator 16 angeordnet, bei dem es sich um eine Lochkarte mit einer Vielzahl von Löchern oder um eine ma-

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triaenartig angeordnete optisch-elektronische Einrichtung handeln kann und der dem fokussierten Odjektstrahl 15 eine Digitalinformation mitteilt. Der Bezugsstrahl 14 wird um den Strahlenexpander 18, die Fourier-Iransformationslinse 17 und den Liehtmodulator \6 herumgelenkt und mittels eines optischen Systems 19» etwa eines Planspiegels, auf das Aufzeichnungsmedium 15 gerichtet, um mit dem Objektstrahl 13 ein Interferenzmuster zu "bilden, das Amplituden- und Phaseninformationen enthält. Der Lichtmodulator 16 kann auch vor der Fourier-Transformationslinse 17 angeordnet

Es sei angenommen, daß es sich bei dem Lichtmodulator 16 um eine Lochkarte mit kreisförmigen Löchern eines Durchmessers s handelt, die in einer Matrix von N.. Zeilen und Np Spalten angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Lochmittelpunkten sowohl in den Zeilen als auch in den Spalten d mit d > s beträgt, und daß der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems (ξ,η), dessen beide Achsen zu den Zeilen und Spalten der Matrix parallel sind, im Mittelpunkt der Matrix liegt. Die kreisförmigen Löcher lassen das auftreffende Licht vollständig durch, während der übrige Bereich der Lochkarte das auftreffende Licht vollständig abfängt. Die Lichttransmission t₀ eines kreisförmigen Loches in der Mitte der Matrix läßt sich dann durch folgende Transmissionsfunktion wiedergeben:

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1 ^: Jt + η² < I

O :

> f

Für sämtliche N₁ . Np kreisförmigen Löcher läßt sich die Transmissionsfunktion t(£,n) folgendermaßen ausdrücken:

τ: σ tje-n.d, η-n^d) . (2) N₁ N^ ° ^{1 2}

¹VT ⁿ2"~ 2

Werden die durch die kreisförmigen Löcher in dem oben beschriebenen Lichtmodulator gebeugten Lichtwellen mittels einer Fourier-Transformationslinse einer Brennweite f auf das Aufzeichnungsmedium fokussiert, so kann die Amplitudenverteilung der gebeugten Lichtwellen in der Umgebung des Brennpunktes durch die folgende Formel wiedergegeben werden:

u_n(x,y) = C₁ A_n S Σ t (C-n d, η-n d) O 10 _N^ ^ K₂ . J J ° ^{1 2}

ⁿ1⁼ 2 ⁿ2~ 2

exp [-Ik(^ ₊ If)] df άη , (3)

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worin i die positive Quadratwurzel von -1; χ und y die kartesischen Koordinaten auf dem Aufzeichnungsmedium, die den Koordinaten ξ bzw. η an dem Lichtmodulator entsprechen; k die wellenzahl des Laserlichts bedeuten, C₁ gleich exp (-ikf) ist; und A_Q das Produkt aus der Amplitude des auf den Lichtmodulator auftreffenden Objekt strahls mit dem Paktor (-ik/2Trf) ist.

Die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtstrahlen in der Umgebung des Brennpunktes läßt sich, wie folgt, dadurch erhalten, daß man in Formel (3) die Integration ausführt,

x + y schreibt und die Amplitude u_Q (x, y) quadriert:

SN2-.2

,y) I² = [A₀I² [2TT (f)²]

2 k ^ r, ο N k d x ₂ N_p k d y

1 (~2f—' 2Ϊ

.2 k d χ .2. k d ν ^sin "2f~" ^sin ^f

Pig. 2 zeigt-die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen in der Umgebung des Brennpunktes der Fourier-Transformations linse für einen von einer He-Ne-Laserlichtquelle

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emittierten Lichtstrahl einer Wellenlänge von etwa 0,6 u> mit f = 200 mm, s = 0,2 mm, d = 0,5 mm und N₁ = N₂ = 61. An der Abszisse ist die Entfernung längs der x-Achse vom Ursprung aufgetragen, der den Brennpunkt der Fourier-Transformationslinse "bildet, während die Ordinate die Intensität der gebeugten Lichtwelle in Einheiten von

u_o(x,o)|

. 2ττ (£)²1²

angibt.

Die Amplitude des Objekt-Strahls sollte nicht kleiner sein als die des Bezugsstrahls, damit das durch Überlagerung des Objektstrahls mit dem Bezugsstrahl erzeugte Hologramm eine Aufzeichnung und Wiedergabe der Information mit hoher Informationstreue zuläßt. Wie aus Pig. 2 leicht zu sehen, konzentriert sich in dem holografischen Speichersystem nach dem Stand der Technik die Lichtenergie infolge der gegenseitigen Interferenz der durch eine Vielzahl von Löchern gebeugten Lichtwellen auf einen kleinen Bereich, und deshalb muß die Amplitude des Objektstrahls bei gegebener Energie des Bezugsstrahls auf sehr niedrigem Pegel gehalten werden* Da aus Gleichung (4)

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2n (ff N^ , (5)

muß der verwendete Objektstrahl umso schwächer sein, je größer die Anzahl von Informations-Bits ist. Wird als Aufzeichnungsmedium ein fotografischer Film verwendet, so fallen Teile des Interferenzmusters mit niedriger Intensität dann in den unempfindlichen Bereich des Films, wenn der Objektstrahl so schwach ist, daß der Maximalwert der Intensitätsverteilung noch im dynamischen Bereich des Films F liegt. Ist der Objektstrahl au stark, so überschreitet der Maximalwert der Intensitätsverteilung den dynamischen Bereich des fotografischen Films. Die rekonstruierten Bilder kennen daher in beiden Fällen keine hohe Qualität aufweisen, und die Informationsdichte ist bei dem holografischen Speichersystem nach dem Stand der Technik daher praktisch auf etwa 10 Bits/mm beschränkt.

In der schematisch dargestellten Anordnung des erfindungsgemäßen holografischen Speichersystems nach Fig. 3 entsprechen die Bezugsziffern 30 - 39 den Bezugsziffern 10-19 in Fig. 1, während die Bezugsziffer 40 einen erfindungsgemäßen Zufalls-Phasenschieber bezeichnet. Angenommen, die Phase des das kreisförmige Loch (n^, n_?) mit N. N. N N

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in der Matrix des Lichtmodulators durchsetzenden Objektstrahls

wird um den Winkel

^θ'η1,η2 < ^{0< θ}'η1,η2^<
2ττ >

verschoben, so ist die Araplitudenverteilung der gebeugten Lichtwellen in der Umgebung des Brennpunktes anstelle der Gleichung (3) durch die folgende Formel gegeben:

2 . T ({

,y). = C₁ A₀ V, 2 Ij₀(C-U₁CI, η-η₂α)

N₁ N₉ J J

.1 Ύ ^η2 2

exp [ - 1θ'_η1Π2 - Ik ( & + ψ: ) ] di άη . (6)

Setzt man £' = ζ - n,,d ; η' = η - n₉d ;

,n2 ■ ^θ 'n1 ,n2

d χ n_? d y ⁺

wobei θ auch eine eine Zufalls-Phase darstellende Größe n 1 _tn<d

ist, so kann Gleichung (6) folgendermaßen transformiert werden:

u_o(x,y) =

_Σ Σ e ⁿ¹'ⁿ² . (8)

N N^

ⁿ2⁼ 2

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Die folgende Beziehung gilt, wenn θ . „ zufallsverteilt ist und wenn N. und Np groß sind:

T. ■ (g) 1 2

N	N	e	^{L 9}n1,n2
⁴ 2 Σ
	^^N2
1⁼~ 2	ⁿ2~ 2

Der Maximalwert der Amplitude ist also anstelle von Gleichung (5) durch

gegeben.

Durch Verwendung des Zufalls-Phasenschiebers läßt sich also die Dichte der Informations-Bits auf dem Aufzeichnungsmedium gegenüber derjenigen erhöhen, wie man aie mit einem holografischen Aufzeichnungssystem nach dem Stand der Technik unter gleichen Bedingungen (mit Ausnahme des fehlenden Zufalls-Phasenschiebers) erzielt hat; dies beruht auf der Tatsache, daß der Paktor N₁ . Np in der Gleichung (5) durch den Paktor /N. . Np in der Gleichung (10) ersetzt wird. Ist also die Informationsdichte durch das holografische Speicher-

■z ρ

system nach dem Stand der Technik .auf 10 Bits/mm begrenzt, so erhöht sie sich in dem erfindungsgemäßen System auf 10⁶ Bits/mm².

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Der in dem erfindungsgemäßen holografischen Speichersystem verwendete Zufalls-Phasenschieber kann durch die nachstehenden Verfahren (a) der mehrfachen Belichtung oder (b) der mehrfachen Bedampfung erzeugt werden.

(a) Verfahren der mehrfachen Belichtung

Die Größe von 0(i,j) v/ird zufallsmäßig auf einen der Werte

O, 2ττ/η, 2rr.2/n 2ττ.(η-1)/η

bestimmt. Dies erfolgt durch Verwendung einer Tabelle von Zufallszahlen oder von mittels eines elektronischen Rechners erzeugten Zufallszahlen. Eine fotografische Platte mit den oben erwähnten η-Gruppen von Matrixelementen wird m-mal (n>m) mit geeigneten Masken derart belichtet, daß die Belichtungsdosis für jedes Matrixelement proportional zu 0(i,j) ist und die höchste Belichtungsdosis den dynamischen Bereich der fotografischen Platte nicht überschreitet. Nach dem Entwickeln und Fixieren wird die fotografische Platte durch eine Bleichtechnik in"einen Zufalls-Phasenschieber umgewandelt, der die für das erfindungsgemäße holografische Speichersystem erforderlichen optischen Eigenschaften aufweist. Die fotografische Platte wird dabei so belichtet, entwickelt und fixiert, daß eine zu 8(i,j) proportionale Verteilung der Schwärzung gemäß dem induzierten. Silber wie bei einer gewöhnlichen fotografischen Technik erzeugt wird. Die fotografische Platte wird dann mit

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Kaliumferricyanid, einem Chromverstärker von KODAK, oder einer Quecksilber(II)chlorid-Lösung behandelt, so daß das induzierte Silber in Ag₄Fe(CN)g bzw. AgCl + Cr₂Cl, bzw. AgCl + HgCl umgewandelt wird, wobei diese Umwandlungsprodukte einen niedrigen Absorptionskoeffizient und einen hohen Brechungsindex aufweisen.

Der nach diesem Verfahren hergestellte Zufalls-Phasenschieber kann auch mittels einer mit Ammoniumdichromat imprägnierten dünnen Gelatineschicht oder einer lichternpf ind-

" liehen Harzschicht erzeugt werden. Durch das Licht werden 6-wertige Chromionen in dem Ammoniumdichromat in 3-wertige Ionen umgewandelt, die, mit NH-, CO- oder sonstigen Resten in der Gelatine kombiniert, die hydrophile Eigenschaft von Protein abschwächen und die Gelatineschicht härten. Durch Behandlung dieser Gelatineschicht mit Wasser v/erden an unterschiedlich belichteten Teilen der Schicht unterschiedliche Quellungen hervorgerufen. Durch rasche Entwässerung (Trocknung nach" Imprägnierung mit

k Alkohol) lassen sich diese Quellungsunterschiede in Unterschiede der Dicke und der Dichte der Gelatineschicht umwandeln, so daß sich die Phasenverschiebung von Lichtwellen, die den so erzeugten Zufalls-Phasenschieber an verschiedenen Stellen passieren, proportional zu der jeweiligen Belichtungsdosis ändert.

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(b) Verfahren der mehrfachen Bedampfung

Es werden m Masken (mit η >m) hergestellt, um η Stufen der Phasenverschiebung

O, 2ΐτ/η, 2ττ.2/η, 2πίη-1 )/η

ebenso wie bei dem Verfahren der mehrfachen Belichtung zu erzeugen. Durch eine der Masken wird auf eine optisch polierte Glasplatte eine Schicht aus transparentem Material aufgetragen, deren Dicke durch die folgende Formel gegeben ist:

t = λ / η ( e - 1 ) , (11)

worin λ die Wellenlänge des benutzten Laserlichts und e der Brechungsindex des verwendeten transpartten Materials bedeuten. Beispielsweise ist t = 480 Jl für λ = 0,6 U, η = 10 und e = 2,3 (ZnS). Ein Zufalls-Phasenschieber mit den für das erfindungsgemäße holografische Speichersystem erforderlichen optischen Eigenschaften läßt sich dadurch erzeugen, daß der obige Vorgang m-mal mit unterschiedlichen Masken wiederholt wird.

Es ist auch möglich, eine in einen Lichtmodulator eingearbeitete Zufalls-Phasenschiebereinrichtung zu erzeugen. In diesem Fall werden als Matrixelement des Lichtmodulators am geeignetsten ein optisch-elektronischer Kristall, etwa ein Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall, sowie ein Polarisa-

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tor verwendet. Die Schicht aus transparentem Material wird direkt durch mehrfache Bedampfung entweder auf eine optisch polierte Oberfläche des Kristalls oder auf eine Oberfläche des Polarisators aufgetragen.

Um die Vorteile der Erfindung gegenüber einem holografischen Speichersystem nach dem Stand der Technik noch klarer aufzuzeigen, werden die Intensitätsverteilungen von durch eine Spalte von kreisförmigen Löchern gebeugten Lichtwellen mit und ohne erfindungsgemaßen Zufalls-Phasenschieber verglichen. Fig. 4 gibt die Intensitätsverteilung von gebeugten Lichtwellen auf dem Aufzeichnungsmedium 15 wieder, das am Brennpunkt der Fourier-Transfarmationslinse ohne Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers angeordnet ist, wobei die Brennweite f der Linse 1?^: 200 mm, der Lochdurchmesser s in dem Lichtmodulator 16:250 u, der Abstand zwischen benachbarten Lochmittelpunkten 500 u und die Anzahl der Löcher 41 betragen. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2,6 χ 10 mal so groß wie der von dem Lichtmodulator empfangene Wert. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, bildet die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen ohne Zufalls-Phasenschieber ein sich scharf änderndes Spektrum, und die die Information enthaltende Energie ist stark lokalisiert. Wie oben erwähnt, ist dies für die Aufzeichnung auf einer fotografischen Platte eine sehr ungünstige Situation. Fast die gesamte Lichtenergie auf dem

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Aufzeichnungsmedium ist innerhalb eines Kreises mit einem Radius von 0,3 mm konzentriert. Im folgenden wird der Radius dieses Kreises, innerhall) dessen fast die gesamte Licht energie konzentriert ist, mit r_Q "bezeichnet. Der Wert von r_Q sollte so klein wie möglich sein, um eine hohe Informationsdichte zu erzielen. Wie oben erwähnt, läßt sich die Lokalisierung der Energie der gebeugten Lichtwellen dadurch reduzieren, daß das Aufzeichnungsmedium etwas aus dem Brennpunkt der Fourier-Transformationslinse herausgerückt wird. Beträgt die Entfernung des Aufzeichnungsmediums vom Brennpunkt dieser Linse 2 % der Brennweite der Linse, so vermindert sich der oben genannte Maximalwert der Lichtintensität gegenüber dem von dem Lichtmodulator empfangenen Wert auf das 8,7 x 10 -fache unter den gleichen Umständen (mit Ausnahme der Anordnung des Aufzeichnungsmediums), aber r_Q erhöht sich auf 0,65 *mm, was natürlich die Informationsdichte herabsetzt.

Fig. 5 zeigt die Intensitätsverteilung von gebeugten Lichtwellen unter den gleichen Bedingungen, wie sie anhand von Fig. 4 beschrieben worden sind, mit der Ausnahme jedoch, daß gemäß der Anordnung nach Fig. 3 ein 5-stufiger Zufalls-Phasenschieber vorhanden ist. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2,2 χ 10* mal so groß wie der von dem Lichtmodulator empfangene Wert, d.h. er ist um mehr als eine Größenordnung gegenüber dem Wert reduziert, der ohne Zufalls-

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Phasenschieber empfangen wird. Wie in Fig. 5 zu sehen, ist die Lokalisierung der Lichtenergie bei leichter Zunahme von r_Q signifikant vermindert. Der Radius r_Q ist nur auf 0,35 mm vergrößert.

Tabelle 1 gibt den Maximalwert der Lichtintensität sowie den Wert von r_Q für Phasenschieber mit verschiedenen Anzahlen von Stufen wieder. Ein Zufalls-Phasenschieber mit zwei oder mehr als zwei Stufen zeigt eine gewisse Wirkung

* auf die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen. Gemäß den in Tabelle 1 zusammengestellten Versuchsergebnissen sollte die Anzahl der Stufen jedoch vorzugsweise
größer als vier sein. Sollte ferner im Falle eines zweistufigen Phasenschiebers die Informationsverteilung zufällig mit der Verteilung des Zufalls-Phasenschiebers
zusammenfallen, so hat dieser keinen Einfluß auf die Intensitätsverteilung. Bei einer größeren Stufenanzahl kann ein solches Zusammenfallen nicht vorkommen. Die letzte

Zeile der Tabelle 1, in der die Stufenanzahl gleich eins ist, enthält die Ergebnisse, wie man sie ohne Zufalls-Phasenschieber erhält.

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? 0 ^ 8 3 ΰ / 1 5 ε 8

Tabelle 1

Anzahl der Maximalwert der Lichtintensität r„ (ram)

Stufen (relativ) _

9 2,0 χ 1O⁵ 0,35

5 2,2 χ 1Θ⁵ ' 0,35

2 3,1 x 10⁵ 0,35

1 2,6 χ 10⁴ 0,3¹O

Da der Zufalls-Phasenschieber durch ein chemisches Verfahren hergestellt wird, weichen die Intervalle der Phasenverschiebung unvermeidlich von den Intervallen zwischen gleichmäßig unterteilten Phasenverschiebungen ab. Die nachstehende Tabelle 2 gibt den Maximalwert der Lichtintensität sowie den Wert von r_ß für eine Abweichung von 33 % gegenüber gleichmäßig unterteilten Phasenverschiebungen wieder. Vergleicht man die entsprechenden Ergebnisse, so ist der Maximalwert der Lichtintensität für einen neunstufigen Phasenschieber in Tabelle 2 doppelt so groß wie in Tabelle 1, während er für einen zwei-stufigen Phasenschieber etwa 2,5-mal so groß ist. Die Toleranz neigt dazu, mit zunehmender Anzahl der Stufen größer zu werden. Auch aus diesem Gesichtspunkt soll die Anzahl der Stufen vorzugsweise größer als vier sein.

" ²³ " BAD OWGINAL

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Anzahl der Maximalwert der Lichtintensität r~ Stufen -_- (relativ) (mm)

9. 4,1 x 1O⁵ 0,55

2 7,5 x 1O³ 0,35

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Phasenverschiebung für Jeweils ein Informations-Bit bestimmt. Falls jedoch ein Lichtmodulator 'eine sehr große Anzahl von Informations-Bits enthält, ist es auch möglich, eine Phasenverschiebung für eine Vielzahl von Informations-Bits zu wählen. Beispielsweise kann ein Zufalls-Phasensehieber» der aus in einer Matrix von 10 Zeilen und 10 Spalten angeordneten Elementen bes-teht, für einen Lichtmodulator verwendet werden, der aus in einer Matrix von 100 Zeilen und 100 Spalten angeordneten Elementen besteht.

Ausführungsbeispiel 2

Ein weiteres bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren besteht darin, daß als Zufalls-Phasenschieber ein Beleuchtungshologramm verwendet wird, wie es in dem Aufsatz "The Promise of Dense Data Storage" in der Zeitschrift "Electronic Design", Band 17, Nr. 11 (Mai 1969), Seite 59, beschrieben ist. Fig. 6 zeigt ein holografisches Speichersystem nach dem Stand der Technik mit einem Beleuchtungshologramm, das die'Aufzeichnung einer Vielzahl von Hologrammen auf ein einziges Aufzeichnungsmedium ohne Verschiebung des Linsen-

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systems oder des AiifzeiehmangsmediTims gestattet. Gemäß Fig. 6 trifft ein von einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle emittierter kohärenter paralleler lichtstrahl 60 auf eine elektrisch steuerbare licht-Deflektoreinrich- -fcung 61, die den Lichtweg derart steuert, daß ein Hologramm an einer gewünschten Stelle' auf einem Aufzeichnungsmedium 67 erzeugt wird. Der angelenkte lichtstrahl wird ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel 1 durch einen Strahlenteiler 62 in zwei lichtstrahlen zerlegt, nämlich einen Objekt-Strahl 63 und einen Bezugs-Strahl 64. Der Objektstrahl 63 wird über eine optische Einrichtung, etwa einen Planspiegel, auf ein Beleuchtungshologramm 65 gerichtet, das aus einem Material mit hoher Beugungswirkung, etwa dichromatisierter (dichromated) Gelatine, besteht. Der auf das Beleuchtungshologramm 65 treffende Lichtstrahl wird auf eine Fourier-Transformationslinse 66 gebeugt, die die empfangenen gebeugten Wellen auf das Aufzeichnungsmedium fokussiert. Zwischen der Fourier-Transformationslinse 66 und dem Aufzeichnungsmedium 67 ist ein lichtmodulator 68 angeordnet, der ebenso, wie in dem Ausführungsbeispiel 1 beschrieben, Informations-Bits in Matrix-Anordnung enthält. Der Bezugsstrahl 64 wird zu dem Aufzeichnungsmedium 67 unter Verwendung eines optischen Systems 69 hindurchgelassen, das, wie in der Figur angedeutet, einen Strahlengang-Inverter umfaßt.

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In dem mit einem Beleuchtungshologramm arbeitenden holografischen System nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 6 werden die auf das Beleuchtungshologramm auftreffenden Lichtstrahlen einer gleichmäßigen Phasenverschiebung unterworfen. Daher ist die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen durch einen Lichtmodulator, der aus in Matrixform angeordneten Informations-Bits besteht, stark lokalisiert, so daß der Maximalwert der Intensität den dynamischen Bereich des Aufzeichnungsmediums unter Umständen überschreitet.

* Die Lichtwellen, die von einem erfindungsgemäßen Beleuchtungshologramm (im folgenden als Zufalls-Phasenhologramm bezeichnet) gebeugt werden, sind so beeinflußt, daß sie an den Stellen unterschiedlicher Informations-Bits an dem Lichtmodulator verschiedene Phasen haben und daß diese Phasen derart zufallsverteilt sind, daß scharfe Änderungen in der Verteilung der Lichtintensität auf dem Aufzeichnungsmedium infolge der Interferenz zwischen verschiedenen Bits entsprechenden Lichtwellen geglättet werden. Die Wirkung des Zufalls-Phasenhologramms ist also genau die gleiche wie die des Zufalls-Phasenschiebers im Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen holografischen Speichersystems mit einem Zufalls-Phasenhologramm. Die Bezugsziffern 70 bis 79 in Fig. 7 entsprechen den Bezugszeichen 60 bis 69 in Fig. 6 mit der Aus-

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nähme, daß das gewöhnliche Beleuchtungshologramm 65 in Fig. 6 durch ein Zufalls-Phasenhologramm 75 in Fig. 7 ersetzt ist. Die Bezugszeichen 80 bis 83 bezeichnen Einrichtungen für die Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits. Dabei bedeutet 80 einen Verschluß, der während der Erzeugung von Hologrammen geschlossen und während der Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits geöffnet ist. 81 ist ein Planspiegel, der den Bezugsstrahl derart reflektiert, daß das Aufzeichnungsmedium 77 genau anders herum beleuchtet wird als es mit dem Bezugsstrahl bei der Erzeugung des Hologramms der Fall ist. 82 ist ein Halbspiegel, der zur Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits dient, wobei das rekonstruierte Bild aus einer lichtempfindlichen Anordnung 83 entsteht.

Ein in diesem Verfahren verwendbares Zufalls-Phasenhologramm läßt sich durch Verwendung der in Fig. 8 gezeigten Anordnung herstellen, in der die Bezugsziffern 90 bis 94, 97 und 99 den Bezugsziffern 70 bis 74, 77 und 99 in Fig. 7 genau entsprechen. Das Zufalls-Phasenhologramm 75 und der Lichtmodulator 78 gemäß Fig. 7 sind jedoch in Fig. 8 durch ein gewöhnliches Beleuchtungshologramm 95 und einen erfindungsgemäßen Zufalls-Phasenschieber 98 ersetzt; die relative Geometrie zwischen dem gewöhnlichen Beleuchtungshologramm 95, dem Zufalls-Phasenschieber 98» einer der Linse in Fig. 7 vollständig gleichen Fourier-Transformationslinse sowie einem Aufzeichnungsmedium 97 gemäß Fig. 8 ist also mit

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der Geometrie zwischen dem Aufzeichnungsmedium 77, dem Lichtmodulator 78, der Fourier-Transformationslinse 76 und dem Zufalls-Phasenhologramm 75 gemäß Fig. 7 genau identisch, wobei das Aufzeichnungsmedium 97 in Fig. 8 in der entgegengesetzten Richtung beleuchtet wird als es in Fig. 7 durch den Objekt-Strahl 75 geschieht, wenn es als Zufalls-Phasenhologramm an der Stelle ,2^ angeordnet wird.

In dem Verfahren zur Herstellung eines Zufalls-Phasenhologramms kann der Zufalls-Phasenschieber mit einer Lochmaske kombiniert werden, die nur an der gleichen Stelle wie der verwendete Lichtmodulator transparent ist. Ein derart erzeugtes Zufalls-Beleuchtungshologramm lokalisiert die Lichtenergie auf dem Lichtmodulator in wirksamerer Weise als ein ohne Lochmaske erzeugtes Hologramm.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Holografisches Speichersystem mit Fourier-Transformation zur Aufzeichnung von Digitalinformationen, umfassend eine Lichtquelle, die einen kohärenten und im wesentlichen parallelen Lichtstrahl emittiert; einen Strahlenteiler, der diesen kohärenten Lichtstrahl in einen kohärenten Bezugsstrahl und einen kohärenten Objektstrahl zerlegt; einen Lichtmodulator, der den Objektstrahl entsprechend den zu speichernden Informationen moduliert, aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten und jeweils einzelne digitale Informations-Bits darstellenden Elementen besteht und der den Objektstrahl entsprechend der Information entweder in eine gebeugte Lichtwelle umwandelt oder unterbricht; eine in dem Objektstrahl angeordnete Linse; ein in der rückwärtigen Brennebene dieser Linse angeordnetes Aufzeichnungsmedium sowie eine optische Einrichtung, die den Bezugsstrahl um die Linse und den Lichtmodulator herum auf das Aufzeichnungsmedium lenkt, gekennzeichnet durch einen Zufalls-Phasenschieber (4O;75), der aus einer Vielzahl von Elementen besteht, die in der gleichen Weise wie die Elemente des Lichtmodulators (J5€f; 78) angeordnet sind, mindestens zwei eufalls-

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verteilte unterschiedliche optische Weglängen aufweisen und jeweils einzelnen Informations-Bits entsprechen ., so daß die von den Elementen des Lichtmodulators gebeugten Lichtwellen mindestens zwei unterschiedliche Phasen haben.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschicber (40; 75) ein getrenntes Element bildet.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η " zeichnet, daß die von den Elementen des Lichtmodulators (3-$; 78) gebeugten Lichtwellen stufenweise unterschiedlich verschobene Phasen aufweisen.
4. System nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der stufenweise unterschiedlich verschobenen Phasen mindestens vier beträgt.
5. System nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber (40) eine Platte aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten Elementen ist, die mindestens zwei unterschiedliche Dichten eines Materials mit niedrigem Absorptionskoeffizienten aufweisen.
6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e kennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber (40) eine Platte aus einem Material mit niedrigem Ab-

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SWS

Sorptionskoeffizient und aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten Elementen ist, die mindestens zwei unterschiedliche Dicken aufweisen.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente des Lichtmodulators (^Ö"; 78) eine Kombination aus einem optisch-elektronischen Kristall und einem Polarisator ist, wobei diese beiden Einrichtungen hintereinander angeordnet sind, so daß das die eine Einrichtung passierende Licht auch die andere Einrichtung durchsetzt.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber auf dem optischelektronischen Kristall niedergeschlagen ist.
9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber auf dem Polarisator niedergeschlagen äst.
10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber ein Zufalls-Phasenbeleuchtungshologramm (75) ist, das eine Vielzahl von Lichtwellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Phasen erzeugt, wobei die einzelnen Lichtwellen jeweils auf entsprechende Elemente des Lichtmodulators (78) auftreffen.

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11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zufalls-Phasenhologramm ein Beugungsmuster aus einer Kombination eines Zufalls-Phasenschiebers und einer Lochmaske bildet, wobei diese beiden Einrichtungen hintereinander angeordnet sind, so daß das eine Einrichtung passierende Licht auch die andere Einrichtung durchsetzt, wobei beide Einrichtungen aus einer Vielzahl von Elementen bestehen, die in der gleichen Weise wie die Elemente des Lichtmodulators angeordnet sind, wobei die Lochmaske aus transparenten und undurchsichtigen Teilen besteht und die transparenten Teile an den gleichen Stellen angeordnet sind wie die Teile des Lichtmodulators, die der Objektstrahl durchsetzt.

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