DE2109053C3

DE2109053C3 - Holografischer Datenspeicher zur Aufzeichnung von Digitalinformationen

Info

Publication number: DE2109053C3
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: 1976-04-22

Description

11 Datenspeicher nach Anspruch K). dadurch .^kennzeichnet, daß das Zufalls-Phasenholo-T.ramm ein Beugungsmuster aus einer Kombination eines Zufalls-Phasenschiebers und einer Lochmaske bildet, wobei diese beiden Kinnehtunucn hintereinander angeordnet sind, so daß das°eine Einrichtung passierende Licht auch die andere Einrichtung durchsetzt, wobei beide Einrichlunsien aus einer Vielzahl von Elementen bestehen, die in der gleichen A'eise wie die Elemente des Lichtmodulators angeordnet sind, wobei die Lochmaske aus transparenten und undurchsichtigen Teilen besteht und die transparenten Teile Im den gleichen Stellen angeordnet sind wie die Teile des" Lichtmodulators, die der Objcktstrahl durchsetzt.

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

In vielen modernen Anwsndungsfällcn der Informationsspeicherung wird eine Digilalinformation durch die Kombination einer Gruppe von binären »Bits« wiedergegeben. Wie in der Technik der nach dem Binärsystem arbeitenden digitalen Informationsaufzeichnungen 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 weiden und höhere Inforr ations-Speichcrkapazität erfordern, hat die Notwendigkeit eines Informations-Aufzeichnungsmcdiums mit minimalem Platzbcdarf mit sich gebracht.

Es ist bekannt, zur Aufzeichnung mit hoher Informationsdichte Laser- oder Elektroncnstrahlen zu verwenden, um kleine Informations-Bits in dichtem Abstand voneinander auf einem fotografischen Film zu speichern. Dabei werden Digitalinformalionen 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 erzielt. Derartige Datenspeicher können auch zuverlässig sein, und es lassen sich hohe Ausgangspegcl erzielen, wenn der dynamische Bereich des Films vollständig ausgenutzt wird. Da jedoch jedes Bild einen Informalionsteil darstellt, können kleine Fehler oder Beschädigungen der Aufzeichnung, beispielsweise Schäden an der Emulsion, auf dem Film möglicher-

weise lauernde Staubpartikeln, bei der Handhabung Jes Films erzeugte Kratzer usw., eine große lnforinaiionsmenge zerstören.

Um diese Probleme durch Einführung einer gewissen Redundanz abzumildern. '.-Λ es ferner bekannt, mit Hologrammen zu arbeiten, die eine Vielzahl von Informations-Bits enthalten. Dabei trifft ein kohärenter Lichtstrahl auf einen Lichtmouukttor. der in der Lage ist, eine Darstellung einer Vielzahl von Bits vorübergehend zu speiehern. Generell werden die gespeicherten Bits von einem Laser beleuchtet, wobei die Bits ein amplituden- oder phasenmoduliertes Iv'.uster des Laserlichls erzeugen. Der sich ergebende »Objekt«-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 Lichilnterferenzmusters 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-Transformierlen definiert ist; bei dem erstgenannten Datenspeicher 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 Unendliche. Wird die Intcnsitätsverteiluiig 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 Inlensitätsverteilung durch überlagerung auf immer weniger Stellen stattfindet. Wird die Intensitätsverteilung zu stark konzentriert, so kann es vorkommen, daß einige Spitzen diesel Intensitätsverteilung den dynamischen Bereich des fotografischen Films überschreiten. Je weiter die Informations-Bits voneinander getrennt sind, desto weniger prononciert isl die Intensitätsvcrteilung in der 1 ransformierlen. 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 Lichtwcllen läßt sich dadurch reduzieren, daß das Aufzeichnungsmedium gegenüber dem Brennpunki der Fourier-Transformationslinse 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 die örtliche Verteilung der Energie geschwächt. sondern es wird auch die Energie auf einen Kreis mit -^s 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen holografischen Datenspeicher mit Fourier-Transformation zur Aufzeichnung von digitalen /nformaiionen zu schaffen, der eine erhöhte Informationsdichte gestattet, indem scharfe Änderungen in der Intensitätsvcrteilung in der Aufzeichnungsebene, die auf der Interferenz zwischen von jeweils einzelnen Informalions-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 Ausführungsbeispicle an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. ! eine schcmalischc Anordnung eines holografischen Datenspeichers nach dem Stand der Technik.

F i g. 2 ein Diagramm der Intensilätsverieilung von gebeugten Lichtwcllen, die durch eine mit kreisförmigen Löchern in Matrixanordnung versehene Lochkarle erzeugt werden, in der Nähe des Brennpunktes einer Fourier-Transformationslinse in einem holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik,

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

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

I- i g. 5 ein Diagramm einer Intcnsitiitsverleilung der gebeugten Lichlwellen, wie sie durch einen erfindungsgemäßen holografischen Datenspeicher erzielt wird,

F i g. 6 eine schcmatischc Anordnung eines holografischen Datenspeichers nach dem Stand der Technik, der mit einem Beleuchtungshologramm arbeitet, F i g. 7 eine schematische Anordnung eines crlindungsgcmäßen holografischen Datenspeichers, der mit einem BcleuchUingshologramm arbeitet, und

F i g. 8 eine schcmalischc Anordnung einer Apparatur zur Erzeugung eines Bcleuchtungshologramins /ur Verwendung in einem crlindungsgemäüen hologralischen Datenspeicher.

Eine hohe Informationsdichte wird bei der Aufzeichnung von Digitalinformalionen in fouriertransformicrter Form unter Verwendung eines /ufallsl'hasenschicbers erreicht, der scharfe Änderungen in der Licht-Intensitätsverteilung auf dem Aufzeichnungsmedium, die auf der Interferenz /wischen verschiedenen Informations-Bits entsprechenden Lichtwellen beruhen, glättet und dadurch die Lichtenergie

am Aufzeichnungsmedium innerhalb des dynamischen Bereichs des Mediums erhöht. Zur lirlüulerung lassen sich die Auswirkungen des Zufalls-Phasenschiebers auf das Interfercnzmusler der die unterschiedlichen Informalions-Bits wiedergebenden Lichtwcllcn leicht verstehen, wenn man die Interferenz zwischen Lichtwellen betrachtet, die kreisförmige Löcher durchsetzen.

Ausführungsbeispiel I _|0

Gemäß F i g. I wird ein von einer Laserlichiquellell emittierter paralleler Lichtstrahl 10 durch einen Strahlenteiler 12, der üblicherweise aus einem Halbspiegcl besteht, in zwei Lichtstrahlen zerlegt, nämlich einen hindurchgelassenen Lichtstrahl, der als »Objekl«-Lichtstrahl 13 bezeichnet wird, und einen reflektierten Lichtstrahl, der als »Bczugs«- Lichlstrahl 14 bezeichnet wird. Der Objektstrahl 13 wird durch einen Sirahlenexpander 18 auseinandergezogen, der, wie in F i g. 1 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 Fouricr-Transformalionslinsc 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 fokussierten Objektstrahl 13 eine Digitalinformation mitteilt. Der Bezugsstrahl 14 wird um den Strahlencxpander 18, die Fourier-Transformationslinse 17 und den Lichtmodulator 16 herumgelcnkt und mittels eines optischen Systems 19, etwa eines Planspiegels, auf das Aufzeichnungsmedium 15 gerichtet, um mit dem Objektslrahl 13 ein Interfcrcnzmusler zu bilden, das Amplituden- und Phaseninformationen enthält. Der Lichtmodulator 16 kann auch vor der Fourier-Transformationslinse 17 angeordnet sein.

Hs sei angenommen, daß es sich bei dem Lichlmodulator 16 um eine Lochkarte mit kreisförmigen Löchern eines Durchmessers s handelt, die in einer Matrix von N₁ Zeilen und N₂ 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 (;, (/), dessen beide Achsen zu den Zeilen und Spalten der Matrix parallel sind, im Mittelpunkt der Matrix liegt. Die kreisförmigen Löcher lassen das auftrcffcndc Licht vollständig durch, während der übrige Bereich der Lochkarte das auftreffendc Licht vollständig abfängt. Die Lichttransmission i₀ eines kreisförmigen Loches in der Mitte dei Matrix läßt sich dann durch folgende Transmissionsfunktion wiedergeben:

? + „^l

Für sämtliche N₁ ■ N₂ kreisförmigen Löcher läßt sich dieTransmissionsfunktion i(£, /^folgendermaßen ausdrücken:

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 Lichtwcllen in der Umgebung des Brennpunktes durch die folgende Formel wiedergegeben werden:

- n₂d) ■ cxp -''

worin /' die positive Quadratwurzel von -1; χ und y die kartesischen Koordinaten auf dem Aufzeichnungsmedium, die den Koordinaten £ 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 ( — ikßnf) ist.

Die Intensitätsverteilung der gebeugten Lichtstrahlen in der Umgebung des Brennpunktes läßt sich, wie folgt, dadurch erhalten, daß man in Formel (3) die Integration ausfuhrt, r für \l yf + y² schreibt und die Amplitude W₀ (x, y) quadriert:

i„„(χ, v)P =iA,P[2.-T(-

ji(^ksr\

¹Wf J

( ksr\²

KW) sin

N₁ kdx
2/

sin -

kdx
2/

sin

N₂kdy

2/ '
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.

Die Amplitude des Objekt-Strahls sollte nicht kleiner sein als die des Bezugsslrahls, damit das durch überlagerung des Objektstrahls mit dem Be-/ugsstrahl erzeugte Hologramm eine Aufzeichnung und Wiedergabe der Information mit hoher Informationslreue zuläßt. Wie aus I' i g. 2 leicht zu sehen, konzentriert sich in dein holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik die Lichlenergie infolge der gegenseitigen Interferenz der durch eine Vielzahl von Löchern gebeugten Lichlwellen auf einen kleinen Bereich, und deshalb muli die Amplitude des Objektstrahls bei gegebener Fnergie des Bezugsstrahls auf sehr niedrigem Pegel gehalten weiden. Da aus Gleichung (4) folgt

15

²N, N₁, (5)

inuB der verwendete Objektstrahl um so schwächer sein, je größer die Anzahl von Informalions-Bils ist. Wird als Aufzeichnungsmedium ein fotografischer Film verwendet, so fallen Teile des Interferenzmusters mil niedriger Intensität dann in den unempfindlichen Bereich des Films, wenn der Objeklslrahl so schwach ist. daß der Maximalwert der Intcnsitätsvcrleilung noch im dynamischen Bereich des Films liegt. Ist

der Objcklstrahl zu stark, so überschreitet der Maximalwert der Intensitälsverteilung den dynamischen Bereich des fotografischen Films. Die rekonstruierten Bilder können daher in beiden Fällen keine hohe Qualität aufweisen, und die Informationsdichte ist bei dem holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik daher praktisch auf etwa 10^J Bits mm² beschränkt.

In der schemalisch dargestellten Anordnung nach F i g. 3 entsprechen die Bezugsziffern 30 bis 39 den Bezugsziffern 10 bis 19 in Fig. 1. während die Bezugsziffer 40 einen Zufalls-Phasenschieber bezeichnet. Angenommen, die Phase des das kreisförmige Loch (h,, tu) mit

-2)

in der Matrix des Lichtmodulalors durchsetzenden Objektstrahls wird um den Winkel

< 2.7

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

K_n (.v. y) ·-

'Ί4> ' > /J'ol- - n_xd, '/ - »2<D ■ exp[-ii<,.„₂ - ik ('y + y

Setzt man

C' = i." — n_{d, //' = </ lud O₁ (/.v _i IU dy

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

M„(x.y) = C₁ A

■//

^h( >^{v 4} 'f)d:' a,,

,V,

Die folgende Beziehung gilt, wenn «„,.„;. zufallsverteilt ist und wenn Λ/, und N₂ groß sind:

^ Ι κι

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

I «o (X-V)L, = 4) 2.-T (^y

gegeben.

Durch Verwendung des Zufalls-Phasenschiebers 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-Phascnschiebers) erzielt hat: dies beruht auf der

Tatsache, daß der Faktor N₁ ■ N₂ in der Gleichung(5) durch den Faktor [/N₁ -N₂ in der Gleichung (10) ersetzt wird. Ist also die Informationsdichte durch den holografischen Datenspeicher nach dem Stand der Technik auf 10³ Bits mm² begrenzt, so erhöht sie sich in dem vorliegenden Datenspeicher auf 10" Bits/mm².

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Der in dem liolugralisthen Datenspeicher verwendete Zufalls-Phasenschieber kann durch die nachstehenden Verfahren (a) der mehrfachen Belichtung oder (b) der mehrfachen Bcdamplung erzeugt werden.

(a) Verfahren der mehrlachen Belichtung

Die Größe von (~)(i, /) wird /ul'allsmäßig auf einen der Werte

0. 2.Vi/, 2.7

2.7 -(H- I) η

bestimmt. Dies erfolgt durch Verwendung einer Tabelle von Zufallszahlen odei von mittels eines elektronischen Rechners erzeugten Zufallszahlen. Eine fotografische Platte mit den obenerwähnten //-Gruppen von Matrixelementen wird /η-mal (n > ///) mit geeigneten Masken derail belichtet, daß die Belichtungsdosis für jedes Matrixelemenl proportional zu (-) (/,/) ist und die höchste Belichtungsdosis den dynamischen Bereich der fotografischen Piaitc 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 QuccksilbcrU!)-chlorid-Lösung behandelt, so daß das induzierte Silber in Ag₄Fe(CN^ bzw. AgCl 4 HgCl umgewandelt wird, wobei diese Umwandlungsprodukte einer niedrigen Absorplionskocffizient und einen hohen Brechungsindex aufweisen.

Der nach diesem Verfahren hergestellte Zufalls-Phasenschieber kann auch mittels einer mit Ammoniumdichromal imprägnierten dünnen Gelatincschicht oder einer lichtempfindlichen Harzschicht erzeugt werden. Durch das Licht werden 6werlige Chromionen in dem Ammoniumdichromat in 3wcrtige Ionen umgewandelt, die, mil NH--, CO — oder sonstigen Resten in der Gelatine kombiniert, die hydrophile Eigenschaft von Protein abschwächen und die Gelatincschicht härten. Durch Behandlung dieser Gelatineschichl mit Wasser werden an unterschiedlich belichteten Teilen der Schicht unterschiedliche Quellungcn hervorgerufen. Durch rasche Entwässerung (Trocknung nach Imprägnierung mit Alkohol) lassen sich diese Qucllungsunterschiedc in Unterschiede der Dicke und der Dichte der Gelatincschicht 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 /?/ Masken (mit η > m) hergestellt, um η Stufen der Phasenverschiebung

O, 2.-T/ZI, 2-7 -2,;i ... 2.τ -(//-I)_n

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:

worin / die Wellenlänge des benutzten Laserlichts und , der Brechungsindex des verwendeten transparenten Materials bedeutet. Beispielsweise ist (=480Ä für / = 0,6 μ, /ι = K) und .· = 2,3 (ZnS). Ein Zufalls-Phasenschieber mit den für den holografischen Datcnspeicher erforderlichen optischen Eigenschaften läßt sich dadurch erzeugen, daß der obige Vorgang /«-mal mit unterschiedlichen Masken wiederholt wird. Es ist auch möglich, eine in einen Lichtmodulator eingearbeitete Zufalls-Phascnsehicbcreinrichlung zu >5 erzeugen. In diesem Fall werden als Matrixelemenl des Lichtmodulators am geeignetsten ein optischelektronischer Krislall, elwa ein Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall, 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 Intensitätsverteilungen von durch eine Spalte von kreisförmigen Löchern gebeugten Lichtwellen mit und ohne Zufalls-Phasenschicbcr verglichen. F i g. 4 gibt die Intcnsitätsvcrtcilung von gebeugten Lichtwellcn auf dem Aufzcichnungsmedium 15 wieder, das am Brennpunkt der l'ourier-l ransformationslinse 17 ohne Verwendung eines Zufalls-Phasenschiebers angeordnet ist, wobei die Brennweite / der Linse 17 200 mm, der Lochdurchmesser .%· in dem Lichtmodulator 16 25Ομ, der Abstand zwischen benachbarten Lochmittclpunkri" >° ^{μ ünd die An/ahl} der Löcher 41 betragen. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2,6 - 10⁴IHaI so groß wie der von dem Lichtmodulator empfangene Wert. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, bildet die Intensi Umverteilung der gebeugten Lichlwcllen ohne Zulalls-l hascnschiebcr 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 ungunstige Situation. Fast die i?esamtc Lichtcnergic 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 Lichtcnergic konzentriert ist, mit r₍₎ bezeichnet. Der Wert von r₀ sollte so klein wie möglich sein, um eine hohe Informationsdichte zu erzielen. Wie oben erwähnt, läßt sich die Lokalisierung der Energie der gebeueten Lichtwellen dadurch reduzieren, daß das Aufzeichnungsmedium etwas aus dem Brennpunkt der Fourier- l ranslormationslinse herausgerückt wird. Beträgt die Entfernung des Aufzeichnungsmediums vom Brennpunkt dieser Linse 2% der Brennweite der Linse so vermindert sich der obengenannte Maximal- 7*1 , Lichtintensität gegenüber dem von dem Lichtmodulator empfangenen Wert auf das »,/ · 10-fache unter den gleichen Umständen (mit Ausnahme der Anordnung des Aufzcichnungsmed.ums) aber r_Q erhöht sich auf 0,65 mm, was natürlich die Informationsdichte herabsetzt.

F1 g. 5 zeigt die Intensitätsverteilung von ge-Deugien Lichtwellen unter den gleichen Bedingungen, wie sie an Hand von Fig. 4 beschrieben worden

sind, mit der Ausnahme jedoch, daIi gemäß der Anordnung nach I i μ. 3 ein 5stuiiger ZuIaIIs-Phascnsehieber vorhanden ist. Der Maximalwert der Lichtintensität ist 2.2 · KV'mal so groß wie der von dem Lichtmodulalor empfangene Wert. d. h„ er ist um mehr als eine Größenordnung gegenüber dem Wert reduziert, der ohne Zufalls-Phasenschieber empfangen wird. Wie in I·" i g. 5 zu sehen, ist die Lokalisierung der Lichlenergie bei leichter Zunahme von r„ signifikant vermindert. Der Radius /·,, ist nur auf 0,35 mm vergrößert.

Tabelle I gibt den Maximalwert der Lichtintensität sowie den Wert von r„ für Phasenschieber mit verschiedenen Anzahlen von Stufen wieder. Lin Zulalls-Phasenschieber mit zwei oder mehr als zwei Stufen zeigt eine gewisse Wirkung auf die Inlensitalsvertcilung der gebeugten Lichtwellen. Gemäß den in Tabelle I zusammengestellten Versuchsergebnissen sollte die Anzahl der Stufen jedoch vorzugsweise größer als vier sein. Sollte ferner im !'alle eines zweistufigen Phasenschiebers die Informalionsverteilung zufällig mit der Verteilung des Zufalls-Phasenschiebers zusammenfallen, so hat dieser keinen Hinlluß auf die Inlensitälsverleilung. Bei einer größeren Slufcnanzahl kann ein solches Zusammenfallen nicht vorkommen. Die letzte Zeile der Tabelle 1. in der die Stufenanzahl gleich eins ist. enthält die Hrgcbnis.sc. wie man sie ohne Zufalls-Phasenschieber erhält.

Tabelle

ι·,, mim)

0.35
0,35
0.35
0.30

Da der Zufalls-Phascnschicbcr 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„ 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 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.

Λη/alil der SlllfcM	M I	a\iniah\crt de lein inlcnsii ;i ι (relaltv I	• IO³
9		2,0	• K)³
5		2,2	• 10·'
2		3,1	• K)⁴
I		2.6

Tabelle 2

Λπ/iihl

der
Slufcn

Maximalwert der

Lichtintensität

(relativ)

4.1

7,5

10-¹
10³

r,, Imml

0.35
0,35

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Phasenverschiebung für jeweils ein Informations-Bil bestimmt. Falls jedoch ein Lichlmodulalor 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-Phascnschicbcr, der aus in einer Matrix von 10 Zeilen und 10 Spalten angeordneten Hlcmcnlcn besteht, für einen Lichtmodulator verwendet werden, der aus in einer Matrix von !00 Zeilen und KK) Spalten angeordneten HIementen besteht.

Ausführungsbeispiel 2

Tine weitere bevorzugte Anordnung besteht darin, daß als Zufalls-Phasenschieber ein Bcleuchlungshologramm verwendet wird, wie es in dem Aufsatz »The Promise of Dense Data Storage« in der Zeitschrift »Hleclronic 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 einziges Aufzeichnungsmedium ohne Verschiebung des Linsensystems oder des Aufzeichnungsmediums gestaltet. Gemäß 1-" i g. 6 trifft ein von einer (nicht gezeigten) Lascrliehtquelle emittierter kohärenter paralleler Lichtstrahl 60 auf eine elektrisch steuerbare Lichl-Deflektorcinrichtung 61, 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 I durch einen Strahlenteiler 62 in zwei Lichtstrahlen zerlegt, nämlich einen Objekt-Strahl 63 und einen Bczugs-Slrahl 64. Der Objektstrahl 63 wird über eine optische Hinrichtung, etwa einen Planspiegel, auf ein Bcleuchtungshologramm 65 gerichtet, das aus einem Material mit hoher Beugumiswirkung. etwa dichromalisierter (dichromatcd) Gelatine, besteht. Der auf das Beleuchtungshologramm 65 treffende Lichtstrahl wird auf eine Fourier-Transformalionslinsc 66 gebeugt, die die empfangenen gebeugten Wellen auf das Aufzeichnungsmedium 67 fokussiert. Zwischen der Fourier-Transformalionslinsc 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-Inveiter 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 Lichtwellcn 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 mittels eines hier beschriebenen Datenspeichers erzeugten Beleuchtungshologramm (im folgenden als Zufalls-Phascnhologramm bezeichnet) gebeugt werden, sind so be-

einflußt, daß sie an den Stellen unterschiedlicher Informations-Bits an dem Lichtmodulator verschiedene Phasen haben und daß diese Phasen derart zutällsvertcilt sind, daß scharfe Änderungen in der Verteilung der Lichtintensität auf dem Aufzeichnungsmedium infolge der Interferenz zwischen verschiedenen Bits entsprechenden Lichtwcllen geglättet werden. Die Wirkung des Zufalls-Phascnhologramms ist also genau die gleiche wie die des Zufalls-Phasenschiebers im Ausfuhrungsbeispiel 1.

F i g. 7 zeigt eine schematische Anordnung eines holografischen Datenspeichers mit einem Zufalls-Phascnhologramm. Die Bezugsziffern 70 bis 79 in F i g. 7 entsprechen den Bezugszeichen 60 bis 69 in F i g. 6 mit der Ausnahme, daß das gewöhnliche Beleuchtungshologramm 65 in F i g. 6 durch ein Zufalls-Phasenhologramm 75 in F i g. 7 ersetzt ist. Die Bezugszeichen 80 bis 83 bezeichnen Einrichtungen Tür die Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits. Dabei bedeutet 80 einc-n Verschluß, der während der Erzeugung von Hologrammen geschlossen und während der Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits geöffnet ist. 81 isf 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 Halbspicgel, der zur Rekonstruktion der gespeicherten Informations-Bits dient, wobei das rekonstruierte Bild auf einer lichtempfindlichen Anordnung 83 entsteht.

Ein in dieser Anordnung verwendbares Zufalls-Phasenhologramm läßt sich durch Verwendung der in F i ü. S gezeigten Anordnung herstellen, in der die BczugszTffern"90 bis 94. 97 und 99 den Bezugsziffern 70"bis 74, 77 und 79 in F i g. 7 genau entsprechen. Das Zufalls-Phasenhologramm 75 und der Lichtmodulator 78 gemäß F i g. 7 sind jedoch in F i g. 8 durch ein gewöhnliches Beleuchtungshologramm 95 und einen Zufalls-Phasenschieber 98 ersetzt; die relative Geometrie zwischen dem gewöhnlichen Beleuchtungsho'iOgramm 95, dem Zufalls-Phasenschieber 98, einer der Linse 76 in F i g. 7 vollständig gleichen Fourier-Transformationslinse 96 sowie einem Aufzeichnungsmedium 97 gemäß F i g. 8 ist also mit der Geometrie zwischen dem Aufzeichnungsmedium 77, dem Lichtmodulator 78. der Fourier-Transformationslinse 76 und dem Zufalls-Phasenhologramm 75 gemäß F i g. 7 genau identisch, wobei das Aufzeichnungsmedium 97 in F i g. S in der entgegengesetzten Richtung beleuchtet wird als es in F i g. 7 durch den Objekt-Strahl 73 geschieht, wenn es als Zufalls-Phasenhologramm an der Stelle 75 angeordnet wird.

Bei der 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 2 053

1. Holografischer Datenspeicher 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 Objeklstrahi 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 Bezugsslrahl um die Linse und den Lichtmodulator herum auf das Aufzeichnungsmedium lenkt, gekennzeichnet durch einen Zufalls-Phasenschieber (40; 75), der aus einer Vielzahl von Eiementen 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 Informations-Bits entsprechen, so daß die von den Elementen des Lichtmodulators gebeugten Lichtwellen mindestens zwei unterschiedliche Phasen haben.

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

3. Datenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Elementen des Lichtmodulators (36: 78) gebeugten Lichtwcllcn 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-Pliascnschieber (40) eine Platte aus einer Vielzahl von in Matrixform angeordneten Elementen ist, die mindestens zwei unterschiedliche Dichten eines Materials mit niedrigem Absorptionskocffizicnlcn aufweisen.

6. Datenspeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phasenschieber (40) eine Platte aus einem Material mit niedrigem Absorptionskoeffizicnt 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, dall die einzelnen Elemente des Lichlmodulators (.16; 78) eine Kombination aus einem optisch-elektronischen Kristall und einem Polarisator sind, wobei diese beiden Einrichtungen hintereinander angeordnet sind, so daß das die eine Einrichtung passierende Licht auch die andere Einrichtung durchsetzt.

8 Datenspeicher nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der Zufalls-Phascnschicber auf dem optisch-elektronischen Kristall niedergeschlagen ist. ,-,,ι ,

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

10 Datenspeicher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der ZuMls-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) auflreffcn.