DE2109053B2

DE2109053B2 - Holografischer Datenspeicher zur Aufzeichnung von Digitalinformationen

Info

Publication number: DE2109053B2
Application number: DE2109053A
Authority: DE
Inventors: Yoshitada Tokio Oshida; Yasutsugu Kokubunji Tokio Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-02-25
Filing date: 1971-02-25
Publication date: 1974-08-08
Also published as: US3744871A; DE2109053A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen holografischen Datenspeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen modernen Anwendungsfii.llen der Informationsspeicherung wird eine üigitalinformalion durch die Kombination einer Gruppe von binären »Bits« wiedergegeben. Wie in der Technik der nach dem Binürsyslem arbeitenden digitalen Informationsauf/cichnungen bekannt ist, bedeutet das Fehlen oder die Anwesenheit eines Punktes, beispielsweise auf einer Karte, eine »0« bzw. »1« für die jeweilige Zahlenstelle. Die Tatsache, daß die Digitalrechner größer werden und höhere informations-Spcicherkapazitäl erfordern, hat die Notwendigkeit eines lnformations-Aufceichnungsmediums mit minimalem Platzbedarf mit sich gebracht.

Es ist bekannt, zur Aufzeichnung mit hoher Informationsdichte Laser- oder Elektronenstrahlen /u verwenden, um kleine Informations-Bits in dichtem Abstand voneinander auf einem fotografischen Film zu speichern. Dabei werden Digitalinformationen in Form von »weißen« Punkten auf einem »schwarzen« Hintergrund oder von »schwarzen« Punkten auf einem »weißen« Hintergrund aufgezeichnet. Zwar hat man mit extrem feinkörnigen Filmen eine außerordentlich hohe digitale Informationsdichte erxiclt. Derartige Datenspeicher können auch zuverlässig sein, und es lassen sich hohe Ausgangspcgel erzielen, wenn der dynamische Bereich des Fillms vollständig ausgenutzt wird. Da jedoch jedes Bild einen Informationsteil darstellt, können kleine Fehler oder Beschädigungen der Aufzeichnung, beispielsweise Schäden an der Emulsion, auf dem Film möglicher-

weise lagernde Staubpartikeln, bei der Handhabung Jes Films erzeugte Kratzer usw., eine große Informationsmenge zerstören.

Uro diese Probleme durch Einführung einer gewissen Redundanz abzumildern, ist es ferner bekannt, mit Hologrammen zu arbeiten, 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 vorübergebend 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 »Objekt«-Strahl wird von einer transformierenden Linse aufgefangen, die das amplituden- oder phasenmodulierte Muster in eine Fourier-Transfonnierte 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 überlagerung 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; bei dem erstgenannten Dafenspeicher ist dagegen die Informationsdichte durch die Größe der Bits und ihren gegenseitigen Abstand bestimmt.

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 Unendl^;che. 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 Intensitatsverteilung durch überlagerung auf immer weniger Stellen stattfindet. Wird die Intensitatsverteilung zu stark konzentriert, so kann es vorkommen, daß einige Spitzen dieser Intensitütsverteilung 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.

Diese Lokalisierung der Energie der gebeugten Lichtwellen läßt sich dadurch reduzieren, daß das Aufzeichnungsmedium gegenüber dem Brennpunkt der Fourier-Transformationslinsc etwas versetzt wird. Dies ist eine sehr praktische Methode, um den Maximalwert der Intensitätsverteilung zu vermindern. Wie sich leicht zeigen läßt, wird in diesem Fall jedoch nicht nur dve örtliche Verteilung der Energie geschwächt, sondern es wird auch die Energie auf einen Kreis mit

s größerem Durchmesser verteilt, Ee ist daher unmöglich, mit dieser Methode eine hohe Informationsdichte zu erzielen. Außerdem bat diese Methode einen weiteren Nachteil. Würde man das Aufzeichnungsmedium am Brennpunkt der Founer-Transformationslinse an-

»o ordnen, 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

»5 zerstört, was die Qualität der rekonstruierten Bilder vermindert.

Der Erfindimg liegt die Aufgabe zugrunde, einen holografischen Datenspeicher mit Fourier-Transformation zur Aufzeichnung von digitalen Informationen zu schaffen, der eine erhöhte Informationsdichte gestattet, indem scharfe Änderungen in der Intensitatsverteilung in der Aufzeiclmiingsebene, die auf der Interferenz zwischen von jeweils einzelnen Informations-Bits emittierten Lichtwellen beruhen, geglättet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Anspruchs 1.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Anordnung eines holografischen Datenspeichers nach dem Stand der Technik,
F i g. 2 ein Diagramm der Intensitatsverteilung von gebeugten Lichtwellen, die ilurch eine mit kreisförmigen Löchern in Matrixanordnung versehene Lochkarte erzeugt werden, in der Nähe des Brennpunktes einer Fourier-Transformationslinse in einem holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik,

F i g. 3 eine schematischc Anordnung eines erfindungsgemäßen holografischen Datenspeichers.

F i g. 4 ein Beispiel für die Inlansitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen, wie sie durch einen holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik erzielt wird,

F i g. 5 ein Diagramm einer Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen, wie sie durch einen erfindungsgemäßen holografischen Datenspeicher erzielt wird,

F i g. 6 eine schematischc Anordnung eines holografischen Datenspeichers nach dem Stand der Technik, der mit einem Beleuchtungshologramm arbeitet, F i g. 7 eine schematische Anordnung eines er-

findungsgemäßen holografischen Datenspeichers, der mit einem Beleuchtungshologramm arbeitet, und

F i g. 8 rine schematischc Anordnung einer Apparatur zur Erzeugung eines Bclcuchtungshologramms zur Verwendung in einem erfindungsgemaßen liolografischen Datenspeicher.

Eine hohe Informationsdichte wird bei der Aufzeichnung von Digilalinformationcn in fouriertransformicrter Form unter Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers erreicht, der scharfe Änderungen in der Licht-lntcnsitätsvcrtcilung auf dem Aufzeichnungsmedium, die auf der Interferenz zwischen verschiedenen Informations-Bits entsprechenden Lichtwellen beruhen, glättet und dadurch die Lichtenergie

IO

am Aufzeichnungsmedium innerhalb des dynamischen Bereichs des Mediums erhöhl. 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 Lichtwellcn betrachtet, die kreisförmige Löcher durchsetzen.

Ausfuhrungsbeispiel 1

Gemäß F i g. 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 »Objektw-Lichtstrahl 13 bezeichnet wird, und einen reflektierten Lichtstrahl, der als »Bezugs«- Lichtstrahl 14 bezeichnet wird. Der Objektstrahl 13 wird durch einen Strahlenexpander 18 auseinandergezogen, der, wie in F i g. I dargestellt, gewöhnlieh 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 matrizenartig angeordnete optisch-elektronische Einrichtung handeln kann und der dem fokussieren Objektstrahl 13 eine Digitalinformation mitteilt. Der Bezugsstrahl 14 wird um den Strahlenexpander 18, die Fourier-Transformationslinse 17 und den Lichtmodulator 16 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 sein.

^NJ

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 N₁ Zeilen und N₂ Spalten angeordnel sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Lochmittclpunkten sowohl in den Zeilen als auch in den Spalten d mit d > s beträgt, und daß der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems (£, i/), 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 J₀ eines kreisförmigen Loches in der Mitte der Matrix läßt sich dann durch folgende Transmissionsfunkition wiedergeben:

Für sämtliche N₁ ■ N₂ kreisförmigen Löcher läßt sich die 1/ansmissionsfunktion ί(ξ, »^folgendermaßen ausdrucken:

C. v) =>

- M₁ rf, ,, - n₂d). (2)

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

_v JJf₀C-

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 A₀ das Produkt aus der Amplitude des auf den Lichtmodulator auftreffenden Objektstrahls mit dem Faktor (—ik/lirf) 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, r für j/^+y² schreibt und die Amplitude U₀(¹X, y) quadriert:

sin

Gf)' N_tkdx
2/

sin'

N₂kdy
2/

sin"¹

kdx 2/ sin"

kdy
2/

F i g- 2 zeigt die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtwellen in der Umgebung des Brennpunktes der Fourier-Transformationslinse für einen von einer He-Ne-Laserlichtquelle emittierten Lichtstrahl einer Wellenlänge von etwa 0,6 μ, mit / = 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

angibt. [A₀N₁N₂ ■ ·

Die Amplitude des Objekt-Strahls sollte nicht kleiner sein als die des Bezugsstrahls, damit das durch Überlagerung des Objektstrahls mit dem Bolugsstrahl erzeugte Hologramm eine Aufzeichnung und Wiedergabe der Information mit hoher Informationstreue zuläßt. Wie aus F i g. 2 leicht zu sehen, konzentriert sich in dem holografischen Datenspeicher nach de:n 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) folgt

I U₀(X, y)l„ =

(5)

muß der verwendete Objektstrahl um so 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 liegt. Ist

	==C,	+	A₀ >	N, 2	+	>	2
"ο (χ, y)	man	π, =
Setzt	N, Ύ	— -

der Objektstrahl zu stark, so Überschreitet der Ma ximalwert der Intensitätsverteilung den dynamischer Bereich des fotografischen Films. Die rekonstruierter Bilder können daher in beiden Fällen keine hoh< Qualität aufweisen, und die Informationsdichte is bei dem holografischen Datenspeicher nach derr Stand der Technik daher praktisch auf etwa 10³ Bits, mm² beschränkt.

In der schematisch dargestellten Anordnung nacr F i g. 3 entsprechen die Bezugsziffern 30 bis 39 der Bezugsziffern 10 bis 19 in Fig. 1, während di< Bezugsziffer 40 einen Zufalls-Phasenschieber bezeich net. Angenommen, die Phase des das kreisförmig« Loch ((J₁, H₂) mit

ίγ)

in der Matrix des Lichtmodulators durchsetzender Objektstrahls wird um den Winkel

β'.ι.«2 (0 < β'.ι.«2 < 2π)

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

'"Λ.1.Π2 — ^Wnl.n2

= V

ⁿi^dx ι "^ldy

ff'

wobei Θ_η1 „₂ auch eine eine Zufalls-Phase darstellende Größe ist, so kann Gleichung (6) folgendermaßen transformiert werden:

u_o(x,y) = C₁A₀ IJ t_o(C\>i)e ^^{f f} *C dt,' ·

Die folgende Beziehung gilt, wenn Θ_π1._β2 zufallsverteilt ist und wenn N₁ und N₂ groß sind:

N₁

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

gegeben.

Durch Verwendung des Zufalls-Piiasenschiebers läßt sich also die Dichte der Informations-Bits auf dem Aufzeichnungsmedium gegenüber derjenigen erhöhen, wie man sie mit einem holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik unter gleichen Bedingungen (mit Ausnahme des fehlenden Zufalls-Phasenschiebers) erzielt hat; dies beruht auf der

Tatsache, daß der Faktor N₁ · N₂ in der Gleichung (5 durch den Faktor y N₁ · N₂ in der Gleichung (10 ersetzt wird. Ist also die Informationsdichte durcf den holografischen Datenspeicher nach dem Stanc der Technik auf ΙΟ³ Bits/mm² begrenzt, so erhöh sie sich in dem vorliegenden Datenspeicher au ΙΟ⁶ Bits/mm².

Der in dem holografischen Datenspeicher 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 (·) (i,j) wird zufallsmäßig auf einen der Werte

0, 2.-01, 2.-Γ-2/M ... 2.T-(H-I)Zn

bestimmt. Dies erfolgt durch Verwendung einer Tabelle von Zufallszahlen oder von mittels eines elektronischen Rechners erzeugten Zufallszahlen. Eine fotografische Platte mit den obenerwähnten «-Gruppen von Matrixelementen wird m-mal (n > m) mit geeigneten Masken derart belichtet, daß die Belichtungsdosis für jedes Matrixelement proportional zu θ {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 den holografischen Datenspeicher erforderlichen optischen Eigenschaften aufweist. Die fotografische Platte wird dabei so belichtet, entwickelt und fixiert, daß eine zu Θ (i,j) proportionale Verteilung der Schwärzung gemäß dem induzierten Silber wie bei einer gewöhnlichen fotografischen Technik erzeugt wird. Die fotografische Platte wird dann mit einem geeigneten Mittel, z. B. Kaliumferricyanid, oder einer Quecksilber(II)-cnlorid-Lösung behandelt, so daß das induzierte Silber in Ag₊Fe(CN^ 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 lichtempfindlichen Harzschicht erzeugt werden. DSrch das Licht werden öwertige Chromionen in dem Ammoniumdichromat in 3wertige 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 werden an unterschiedlich belichteten Teilen der Schicht unterschiedliche Quellungen hervorgerufen. Durch rasche Entwässerung (Trocknung nach Imprägnierung mit 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.

(b) Verfahren der mehrfachen Bedampfung

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

O₄ 2,-i/n, 2π · 2/n ... 2π - (s - l)/n transparentem Material aufgetragen, deren Dicke durch die folgende Formel gegeben ist:

r =

f- 1),

(H)

ebenso wie bei dem Verfahren der mehrfachen Belichtung zu erzeugen. Durch eine der Masken wird auf eine optisch polierte Glasplatte eine Schicht aus worin A die Wellenlänge des benutzten Laserlichts und f der Brechungsindex des verwendeten transparenten Materials bedeutet. Beispielsweise ist f = 480Ä für λ = 0,6 μ, /ι = 10 und ,· = 2,3 (ZnS). Ein Zufalls-Phasenschieber mit den Tür den holografischen Datenspeicher 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 optischelektronischer Kristall, etwa ein Kaliumdihydrogenphosphat-K ristall, sowie ein Polarisator 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 gegenüber einem holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik noch klarer aufzuzeigen, werden die Intensitiitsvertcilungen von durch eine Spalte von kreisförmigen Löchern gebeugten Lichtwellen mit und ohne Zufalls-Phascnschieber verglichen. F i g. 4 gibt die lntensiiätsverteilung von gebeugten Lichtwellcn auf dem Aufzeichnungsmedium 15 wieder, das am Brennpunkt der Fourier-Transformationslinse 17 ohne Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers angeordnet ist, wobei die Brennwette / der Linse 17 200 min. der Lochdurchmessers in dem Lichtmodulator 16 250μ, der Abstand zwischen benachbarten Lochmittelpunkten 500 μ und die Anzahl deir Löcher 41 betragen. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2,6 · 10⁴IHaI so groß wie der von dem Lichtimodulator empfangene Wert. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, bilüet die Intcnsitatsverteilung der gebeugten Li^htwellen 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 Aufzeichnungsmedium ist innerhalb eines Kreises mit einem Radius von 0,3 mm konzentriert. Im folgenden wird der Radius dieses Kreises, innerhalb dessen fast die gesamte Lichtenergie konzentriert ist, mit r₀ bezeichnet. Der Wert von r_c sollte so klein wie möglich sein, um eine hohe Informationsdichte zu erzielen. Wie oben erwähnt, läßl sich die Lokalisierung der Energie der gebeugter Lichtwellen dadurch reduzieren, daß das Aufzeich nungsmedium etwas aus dem Brennpunkt der Fou rier-Transformationslinse herausgerückt wird. Betrag die Entfernung des Aufzeichnungsmediums von Brennpunkt dieser Linse 2% der Brennweite de; Linse, so vermindert sich der obengenannte Maximal wert der Lichtintensität gegenüber dem von den Lichtmodulator empfangenen Wert auf da; 8,7 · ICPfache unter den gleichen Umständen (mi Ausnahme der Anordnung des Aufeeichnungsme diums), aber r„ erhöht sich auf 0,65 mm, was natürlicl die Informationsdichte herabsetzt.

F i g. 5 zeigt die Intensitätsverteilung von ge beugten Lichtwelleh unter den gleichen Bedingunger wie sie an Hand von F i % 4 beschrieben worde

sind, mit der Ausnahme jedoch, daß gemäß der Anordnung nach F i g. 3 ein 5stufigcr Zufalls-Phasenschieber vorhanden ist. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2,2 · 10³IHaI 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-Phasenschiebcr empfangen wird. Wie in F i g. 5 zu sehen, ist die Lokalisierung der Lichtenergie bei leichter Zunahme von r₀ signifikant vermindert. Der Radius r₀ ist nur auf 0,35 mm vergrößert.

Tabelle 1 gibt den Maximalwert der Lichtintensität sowie den Wert von r₀ 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 Zufalk-Phasenschieber erhält.

Tabelle 1

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Phasenverschiebung Tür 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-BHs zu wählen. Beispielsweise kann ein Zufalls-Phasenschieber, der aus in einer Matrix von 10 Zeilen und 10 Spalten angeordneten Elementen besteht, für einen Licht-

modulator verwendet werden, der aus in einer Matrix von 100 Zeilen und 100 Spalten angeordneten Elementen besteht.

Ausführungsbeispie! 2

Anzahl der Stufen	Maximalwert der Lichtintensität (relativ)	r„ (mm)
9 5 2 1	2,0 · 10³ 2,2 · 10³ 3,1 · 10³ 2,6· 10*	0,35 0,35 0,35 0,30

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 Maximaiwert der Lichtintensität sowie den Wert von r₀ für eine Abweichung von 33% gegenüber gleichmäßig unterteilten Phasenverschiebungen wieder. Vergleicht main 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 zweistufigen Phasenschieber etwa 2,5mal 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.

Tabelle 2

Anzahl der Stufen	Maximalwert der Lichtintensität (relativ)	r„ (mm)
9 2	4,1 -10³ 7,5 · 10³	0,35 0,35

Eine weitere bevorzugte Anordnung 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«, Bd. 17, Nr. 11 (Mai 1969), S. 59, beschrieben ist. F i g. 6 zeigt einen holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik mit einem Beleuchtungshologramm, das die Aufzeichnung einer Vielzahl von Hologrammen auf ein

2s einziges Aufzeichnungsmedium ohne Verschiebung des Linsensystems oder des Aufzeichnungsmediums gestattet. Gemäß F i g. 6 trifft ein von einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle emittierter kohärenter paralleler Lichtstrahl 60 auf eine elektrisch steuerbare Ltchi-Deflektoreinrichtungol, die den Lichtweg derart steuert, daß ein Hologramm an einer gewünschten Stelle auf einem Aufzeichnungsmedium 67 erzeugt wird. Der abgelenkte 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 (di· chrornated) Gelatine, besteht. Der auf das Beleuchtungshologramm 65 treffende Lich> <rahl wird auf eine Fourier-Transformationslinse 66 gebeugt, die die empfangenen gebeugten Wellen auf das Aufzeichnungsmedium 67 fokussiert. Zwischen der Fourier Trartsformationslinse 66 und dem Aufzeichnungsmedium 67 ist ein Lichtmodulator 68 angeordnet der ebenso, wie in dem Ausführungsbeispiel 1 ber.^irieben, 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.
In dem mit einem Beleuchtungshologramm arbeitenden holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik gemäß F i g. 6 werden die auf das Beleuchtungshologramm auftreffenden Lichtstrahlen einer gleichmäßigen Phasenverschiebung unterworfen. Daher ist die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichlwellen 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.

6s Die Lichtwellen, die von einem mittels eines hier beschriebenen Datenspeichers erzeugten Beleuchtungshologramm (im folgenden als Zufalls-Phasenhologramm bezeichnet) gebeugt werden, sind so be-

2109063 Ι¹ _ΛΑ

eMußt, daß sie an den Steilen untei-scWedlicber Ew to diener Anordnung verwOTdberee ZufaUe-Informations-Bits an dem Uobtmodulator versobie- Phasenhologramm laßt sich durch.verwendung dei dene Phasen haben und daß diese Phasen derart to Fig. 8 gezeigten Anordnung herstellen, in det jreiallsverteut sind, daß scharfe Änderungen ta der die BezugszBTern 90 bis 94, 97 und 99 den Bezugs-Verteilung der Lichtintensität auf dero Aufeeiehnungs- s 3äffern70 bis 74, 77 und 79 to Fig. 7 genau entmedium infolge der Interferenz !Wischen verschiede- sprechet*. Das Zufalls-Phasenhologramro 75 und dei nen Bits entsprechenden Uchtwellen geglättet wer- Xicbtraodulator7R gemBJJ Fig. 7 sind jedoch ta den. Die Wirkung des Zufalls-Phasenbologramims Fig. 8 durch ein gewöhnliches Beleucbtungsbolo· ist also genau die gleiche wie die des Zufalls-Pbasen- gramm 95 und einen ZufabVPbasenscbieber 98 er· Schiebers im Ausfübrungsbeispiel 1. w setzt; die relative Geometrie zwischen dem gewöhn-F i g. 7 zeigt eine scbematiscbe Anordnung eines liehen Beleucbtungshologramm 95, dem Zufalls-Phabolografischen Datenspeichers mit einem Zufalls- senschieber98, etoer der Linse76 to Fig. 7 voll-Phasenhologramm. Die Bezugsziffern 70 bis 79 to ständig gleichen Fourier-Transfonnattonslinse 96 so-F i g. 7 entsprechen den Bezugszeichen 60 bis 69 to wie einem Aufzeichnungsmedium 97 gemäß F i g. 8 F i g. 6 mit der Ausnahme, daß das gewöhnliche 15 ist also mit der Geometrie zwischen dem Aufeeich-Beleuchtungshologramm 65 to F i g. 6 durch ein Zu- nungsmedium 77, dem Lichtmodulator 78, der Foufalls-Pbasenhologramm 75 in F i g. 7 ersetzt ist. Die rfer-Transformationsünse 76 und dem Zufalls- Phaj<en-Bezugszeichen 80 bis 83 bezeichnen Einrichtungen' hologramm 75 gemäß F i g. 7 genau identisch, wofür die Rekonstruktion der gespeicherten Informa- bei das Aufzeichnungsmedium 97 to F i g. 8 in der tions-Bits. Dabei bedeutet 80 einen Verschluß, der 20 entgegengesetzten Richtung beleuchtet wird als es in während der Erzeugung von Hologrammen geschlos- F i g. 7 durch den Objekt-Strahl 73 geschieht, wenn sen und während der Rekonstruktion der gespeicher- es als Zufalls-Phasenhologramm an der Stelle 75 ten Informations-Bits geöffnet ist. 81 ist ein Plan- angeordnet wird.

spiegel, der den Bezugsstrahl derart reflektiert, daß Bei der Herstellung eines Zufalls-Phasenholo-

das Aufzeichnungsmedium 77 genau anders herum 25 gramms kann der Zufalls-Phasenschieber mit einer

beleuchtet wird als es mit dem Bezugsstrahl bei der Lochmaske kombiniert werden, die nur an der gleichen

Erzeugung des Hologramms der Fall ist. 82 ist ein Stelle wie der verwendete Lichtmodulator transpa-

Halbspiegel, der zur Rekonstruktion der gespeicher- rent ist. Ein derart erzeugtes Zufalls-Beleuchtungs-

ten Informations-Bits dient, wobei das rekonstruierte hologramm lokalisiert die Lichtenergie auf dem

Bild auf einer lichtempfindlichen Anordnung 83 ent- 30 Lichtmodulator in wirksamerer Weise als ein ohne

steht. Lochmaske erzeugtes Hologramm.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Holografischer Datenspeicher mit Fourier-Transformation zur Aufzeichnung von Digital· S informationen, umfassend eine Lichtquelle, die einen kohärenten und im wesentlichen parallelen Lichtstrahl emittiert; einen Strahlenteiler, der diesen kohärenten Lichtstrahl in einen kohärenten Bezugsstrabi und einen kohärenten Objektstrabi zerlegt; einen Licbtmodulator, 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 (40; 75), der aus einer Vielzahl von Elementen besteht, die in der gleichen Weise wie die Elemente des Lichtmodulators (36; 78) angeordnet sind, mindestens zwei zufallsverteilte unterschiedliche optische Weglängen aufweisen und jeweils einzelnen Informat>ons-Bits entsprechen, so daß die von den Elementen des Lichtmodulators gebeugten Lichtwellen mindestens zwe· unterschiedliche Phasen haben.

2. Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber (40; 75) ein getrenntes Element bildet.

3. Datenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den EIementen des Lichtmodulators (36; 78) gebeugten Lichtwellen stufenweise unterschiedlich verschobene Phasen aufweisen.

4. Datenspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der stufenweise unterschiedlich verschobenen Phasen mindestens vier beträgt.

5. Datenspeicher nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, 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. Datenspeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber (40) eine Platte aus einem Material mit niedrigem Absorptionskocm/icnl und aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten Elementen ist, die mindestens zwei unterschiedliche Dicken aufweisen.

7. Datenspeicher nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente des Lichtmodulators (36; 78) eine Kombination aus einem optisch-elektronischen Kristall und einem Polarisator sind, wobei diese &5 beiden Einrichtungen hintereinander angeordnet sind, so daß das die eine Einrichtung passierende Licht auch die andere Hinrichtung durchsetzt.

8. Datenspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-PhasenseWeber auf dem optiscb'Clektronischen Kristall niedergeschlagen ist, ,„..«.

9. Datenspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber auf dem Polarisator niedergeschlagen ist.

10. Datenspeicher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber ein Zufalls-Pbasenbeleucbtungsholograram (75) ist, das eine Vielzahl von Lichtwellen mit mirdestens zwei unterschiedlichen Phasen erzeugt, wobei die einzelnen Licbtwellen jeweils auf entsprechende Elemente des LicbtraoduJators (78) auftreßen.

IL Datenspeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ZufaüVPbasenhologramm 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 Lichtraodulators, die der Objektstrahl durchsetzt.