DE2714236A1 - Vorrichtung zur optischen mehrfachspeicherung - Google Patents

Vorrichtung zur optischen mehrfachspeicherung

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DE2714236A1
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    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H1/024—Hologram nature or properties
    • G03H1/0248—Volume holograms
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Description

Patentanwälte
Dipl "'"Ο Dipl.-Chem Dipl .%£ 14236
E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
THOMSON-CSF
173 Bd.Haussmann
75008 Paris, Frankreich
Unser Zeichen; T 2167
8 München 60, 29.März 1977
Ernsbergerstrasse 19
Telefon (089) 83 15 10 Telex: 52 12 226 prhl d Telegramme Labyrinth München Postscheckkonto München 1I7O78-80O Bank: Deutsche Bank München. 66/05000
Vorrichtung zur optischen Mehrfachspeicherung
Die Erfindung bezieht sich auf optische Speichervorrichtungen und betrifft insbesondere die holographische Speicherung im Volumen.
Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, die als Aufzeichnungsmaterial eine relativ dicke Platte aus lichtempfindlichem Material enthalten. Die Aufzeichnung von Hologrammen im Volumen erfolgt dadurch, daß in dem Material Interferenzen zwischen einer Referenzstrahlung, bei welcher es sich im allgemeinen um ein paralleles Bündel handelt, und
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einem Objektstrahlungsbündel, das die Information trägt und im allgemeinen einen großen öffnungswinkel hat, erzeugt wird. Diese beiden Bündel treffen auf dieselbe Fläche des Speichermaterials auf. Für die Überlagerung von Hologrammen in dem Volumen bleibt die optische Achse des Objektbündels fest und die optische Achse des Referenzbündels dreht sich, so daß die in dem Material nacheinander gebildeten verschiedenen Hologramme bei der Wiedergabe leicht voneinander unterschieden werden können. Die benutzten Speichermaterialien haben im gegenwärtigen Stand der Technik eine große Empfindlichkeit. Sie können jedoch nicht bis zum Maximum ihrer Aufzeichnungsmöglichkeiten ausgenutzt werden, denn geometrische Beschränkungen, die mit dem Öffnungswinkel des Objektbündels verknüpft sind, das auf dem Material einfällt, welches die Winkelverschiebung des für die Aufzeichnung benutzten Referenzbündels begrenzt, bewirken, daß die maximalen Brechungsindexänderungen, die in dem Material induziert werden können, nicht erreicht werden können.
Die Erfindung schafft eine optische Vorrichtung zur Mehrfachspeicherung im Volumen, die eine weitgehende Befreiung von den geometrischen Beschränkungen gestattet, welche mit der Winke!verschiebung des Referenzbündels verknüpft sind. Die Vorrichtung nach der Erfindung gestattet, die Anzahl von ünterhologrammen, die in einem gegebenen Material einander überlagert werden können, gegenüber der Anzahl von Hologrammen, die mittels einer herkömmlichen Speichervorrichtung einander überlagert werden können, sehr wesentlich
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zu erhöhen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch im Schnitt eine bekannte
Vorrichtung zur holographischen Speicherung im Volumen,
Fig. 2 schematisch im Schnitt eine erfindungs
gemäße Vorrichtung zur holographischen Speicherung, und
Fig. 3 ein komplettes System für die erfindungs
gemäße Mehrfachspeicherung im Volumen.
Im folgenden wird angenommen, daß das benutzte Speichermaterial ein Material ist, welches bei Beleuchtung eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt und einen stark unsymmetrischen Schreib-Lösch-Zyklus hat. Die holographische Speicherung erfolgt dann durch photovoltaischen Effekt (Verschiebung von Ladungen unter der Wirkung der Strahlung), wobei die Brechungsindexänderungen durch die so erzeugten Ladungen induziert werden. Das optische Löschen ist, wenn in dem Material kein zusätzlicher Effekt erzeugt wird, mit dem Abklingen des so erzeugten Raumladungsfeldes verknüpft, wobei die Abklingzeit sehr lang ist.
In herkömmlicher Weise wird zum Herstellen einer hologra-
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phischen Aufzeichnung in einem Speichermaterial das Gebiet des Materials, in dem Informationen aufgezeichnet werden sollen, den Interferenzen ausgesetzt, die durch ein im wesentlichen paralleles Referenzbündel mit einem Objektbündel erzeugt werden, das beispielsweise durch ein Diapositiv hindurchgeht, welches die Information darstellt, oder durch ein dreidimensionales Objekt gebeugt wird. Jede Zone des Hologramms enthält dann Informationen, die von allen Punkten des Objekts stammen, welche aufgrund dieser Zone sichtbar sind, und entspricht somit einer besonderen Ansicht des Objekts. Das Hologramm weist eine im wesentlichen sinusförmige Änderung des Lichtdurchlaßgrades in Schichten auf, die zu der Halbierungsebene des durch die optischen Achsen der beiden Bündel gebildeten Winkels parallel sind. Es ist möglich, diese sinusförmige Änderung einer Aufeinanderfolge von Ebenen gleichzusetzen, die den Interferenzmaxima entsprechen. Bei der Wiedergabe mittels eines Referenzbündels, das gleich dem bei der Aufzeichnung benutzten ist oder nicht, verhalten sich diese Schichten sowohl wie reflektierende Ebenen als auch wie beugende Pupillen. Eine Laser-Quelle wird im allgemeinen benutzt, um das Referenzbündel und das Objektbündel zu bilden und, wenn mehrere Hologramme in ein und derselben Zone des Materials einander überlagert werden sollen, besteht das benutzte Verfahren, wie oben angegeben, darin, den Winkel zu ändern, den die optische Achse des Referenzbündels mit der Normalen zu der Eintrittsfläche des Bündels bildet. Die so aufgezeichneten Schichten haben eine Richtung, die von den ersteren verschieden ist, und, wenn sie ausreichend verschieden sind, ist es möglich,
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eines der entsprechenden Objektbündel wiederherzustellen, ohne das andere wiederherzustellen. Die Winkelabweichung zwischen den beiden Referenzbündeln soll größer als die Winkelselektivität sein, damit die Wiederherstellung korrekt ist. Nimmt man an, daß der Winkel, innerhalb welchem sich die optische Achse des Referenzbündels außerhalb des Materials ändern kann, θ - θ . ist. so gilt für
7 ρ max ρ min 7
die Anzahl von Bildern, die einander überlagert werden können:
θ - θ ,
ρ max ρ min
wobei Δ θ die Winkelselektivität ist.
In Fig. 1 ist eine herkömmliche Aufzeichnungsvorrichtung dargestellt. Sie enthält ein Aufzeichnungsmaterial 1 mit einer Dicke e, das gleichzeitig durch ein Objektbündel 2 mit einem Öffnungswinkel 2a und durch ein Referenzbündel 3 beleuchtet wird (von denen allein die optische Achse dargestellt worden ist). Im folgenden werden aus Vereinfachungsgründen die Indizes ο, ρ und r den Größen zugeordnet, die zu der Objektwelle bzw. zu der Träger- oder Referenzwelle und zu der rekonstruierten Welle gehören, θ , θ , θ sind die Winkel gegenüber der Normalen außerhalb des Materials und θ1 , θ1 , Θ1 sind die Winkel gegenüber der Normalen im Innern des Materials.
Wenn λ die Wellenlänge der rekonstruierten Welle ist, ist die
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- έ -.j. 27U236
Winkelselektivität im Innern des Materials durch folgende Gleichung gegeben:
λ cos Θ1
r ne sin (θ1 - θ1 ) ο ρ'
wobei η der Brechungsindex des Materials gegenüber Luft ist.
Der entsprechende Ausdruck für die Winkelselektivität außerhalb des Materials lautet:
Cos Θ1
d9 - -τ τ-2- de1
r Cos θ r
P
Diese Selektivität ist der theoretische Ausdruck, den man berechnen kann. Um aber die Tatsache zu berücksichtigen, daß die Absorption in dem Material nicht homogen ist, ist es erforderlich, diesen Ausdruck höher zu bewerten, um experimentell gemessene Werte zu berücksichtigen. Um parasitäre Interferenzen zwischen den verschiedenen aufgezeichneten Bildern zu vermeiden, muß außerdem die Abweichung ΔΘ , die praktisch erforderlich ist, damit die aufeinanderfolgenden Bilder korrekt rekonstruiert werden können, noch größer als der theoretische Wert sein. In der Praxis gilt ΔΘ =k d θ , wobei k in der Größenordnung von 5 liegt.
Es ist auf diese Weise möglich, die Größenordnung der Anzahl von Bildern anzugeben, die einander in einem kubischen Material überlagert werden können, das eine Seitenlänge von 5 mm, einen Brechungsindex η = 2,3 und einen Öffnungs-
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winkel 2α « 60 hat und einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,51 μπι ausgesetzt ist, wobei die Aufzeichnungsbedingungen so sind, daß die optische Achse des Bündels einen Winkel von θ =40 mit der Normalen zu der Eintritts-
fläche der Strahlung bildet, während die optische Achse des Referenzbündels einen Winkel θ mit dieser Normalen
bildet, der sich zwischen 20 und 70 ändern kann. Die Anzahl von Bildern, die einander überlagert v/erden können, liegt in der Größenordnung von 350. Wenn man berücksichtigt,
4
daß es möglich ist, 5 χ 10 Punkte in jedem Bild in einer
2
Oberflächenzone von 0,25 cm voneinander zu unterscheiden, liegt die entsprechende Speicherungsdic_hte in der Größenordnung von 7 χ 10 Punkten pro Kubikzentimeter.
Der Ausdruck, der die theoretische Winkelselektivität angibt, kann minimiert werden, wenn im übrigen sonst alle Bedingungen gleich sind, indem die Winkel Θ1 und Θ1 in bezug auf einander derart gewählt werden, daß sin (Θ1 - Θ1 ) ein Maximum ist, d.h. indem Θ1 und Θ1 (in bezug auf dasselbe Referenzbündel betrachtet) so gewählt werden, daß gilt: (Θ* - Θ1 ) = y . Das läuft darauf hinaus, die optische Achse des in dem Material gebrochenen Objektbündels und die mittlere Richtung des gebrochenen Referenzbündels orthogonal zueinander zu wählen. Die optimale Anordnung, um gleichzeitig mit dieser Bedingung ein Objektbündel mit großem Öffnungswinkel und einen großen Winkeländerungsbereich für das Referenzbündel zu haben, ist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung nach der Erfindung.
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In Fig. 2 ist schematisch die Aufzeichnungsvorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Sie enthält das gleiche Aufzeichnungsmaterial 1 mit der Dicke e, das gleichzeitig durch ein Objektbündel 2 mit einem Öffnungswinkel 2a und durch ein Referenzbündel 3 beleuchtet wird, wobei diese beiden Bündel auf zwei zueinander orthogonalen Flächen des Materials einfallen.
Diese Vorrichtung besitzt einen ersten Vorteil bezüglich der Auflösung:
Der öffnungswinkel des Bündels kann sehr groß sein und sogar etwa 180 betragen. Ein zweiter Vorteil ergibt sich durch den großen Winkeländerungsbereich des Referenzbündels, der im Grenzfall gleich 180 ° ist.
Es ist möglich zu zeigen, daß die Winkelselektivität klei- . ner ist, da die Größe ΔΘ ,die zu sin (Θ1 - Θ1 ) umgekehrt proportional ist, für (Θ1 - Θ1 ) = y maximal ist, also wenn die optischen Achsen des Referenzbündels und des Objektbündels im Innern des Materials orthogonal sind, wobei die Winkeländerung des Referenzbündels um die Normale erfolgt und wobei die optische Achse des Objektbündels mit der Normalen zu der entsprechenden Eintrittsfläche zusammenfällt.
Die Erfahrung zeigt und die Berechnung bestätigt, daß mit den oben angegebenen Höherbewertungen für die Berechnung von ΔΘ die Winkelselektivität stark verringert und infolgedessen die Anzahl von Bildern, die einander überlagert
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werden können, mit einer solchen Aufzeichnungsvorrichtung beträchtlich vergrößert wird.
Mit einem Aufzeichnungsmaterial, das dem zuvor benutzten ähnlich ist, mit einem Objektbündel mit demselben Öffnungswinkel 2a = 60 ° und mit einem Referenzbündel, dessen optische Achse einen A'nderungsbereich von 70° beiderseits der Normalen zu der entsprechenden Eintrittsfläche hat, liegt die Anzahl N von Bildern, die einander überlagert werden können, 5.n der Größenordnung von 1800. Die entsprechende Speicherungsdichte liegt in der Größenordnung von
3,6 χ 10 Punkten pro Kubikzentimeter. Diese Vorrichtung ermöglicht somit einen Gewinn um den Faktor 5 in bezug auf die Anzahl von Bildern, die in ein und demselben Materialvolumen einander überlagert werden können, oder in bezug auf die Dichte der Punkte, die gespeichert werden können.
Bei den Aufzeichnungsmaterialien, die benutzt werden können, kann es sich beispielsweise um einen dotierten und reduzierten Lithiumniobatkristall (LiNbO3) mit stark asymmetrischem Zyklus handeln, d.h. mit schwacher Leitfähigkeit, oder um photopolymere Materialien, die im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes empfindlich sind.Die letztgenannten Materialien erfordern nach der Aufzeichnung einenFixiex-ungsvorgang, der durch Beleuchtung mittels einer ultravioletten Strahlung ausgeführt wird. Diese verschiedenen Materialien können in Form von Würfeln mit großen Abmessungen und mit sehr guter optischer Qualität hergestellt werden.
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung zur Mehrfachspeicherung im Volumen. Sie enthält einen Laser 10 und einen Strahlteiler 11, der die Laserstrahlung in ein erstes und in ein zweites Bündel teilt. Das erste Bündel durchquert eine optische Sammeleinrichtung, die symbolisch durch eine Linse 12 dargestellt ist, einen Strahlablenker 13 und ein optisches Sammelsystem, das symbolisch durch eine Sammellinse 14 dargestellt ist, die ein paralleles Bündel bildet, dessen optische Achse je nach der durch den Strahlablenker 13 gegebenen Verschiebung veränderlich ist. Das Referenzbündel fällt auf die Fläche 15 des würfelförmigen Speichermaterials 1·
Das zweite Bündel, das durch den Strahlteiler 11 gebildet wird, wird nacheinander durch zwei Spiegel 16 und 17 reflektiert und durchquert eine Sammellinse 18, die ein Bündel mit dem Öffnungswinkel 2 a bildet. Ein Objekt 19, von dem das Hologramm in Durchlichtbeleuchtung hergestellt werden soll, ist zwischen der Linse 18 und der Fläche 20 des Speichermaterial s 1 angeordnet. Die das Objekt 20 verlassende Strahlung interferiert in dem Material mit dem entsprechenden Referenzbündel, um in diesem Material Brechungsindexänderungen zu erzeugen.
Da von dem würfelförmigen Speichermaterial angenommen worden ist, daß es sich um einen Kristall, beispielsweise aus LiNbO3, handelt, dessen Übertragungsachse C für photoinduzierte Ladungen zu der Eintrittsfläche 20 des Objektbündels orthogonal ist, sind zwei lichtdurchlässige Elektroden 21
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und 22 auf den zu dieser Achse C orthogonalen Flächen des Kristalls angeordnet und miteinander verbunden, so daß eine Potentialdifferenz Null zwischen diesen Flächen aufrechterhalten wird. Auf diese Weise neigen die Speicherzonenelemente nach mehreren aufeinanderfolgenden Aufzeichnungen nicht zu einer Sättigung des Kristalls.
In dem Schema sind zwei mögliche Strahlengänge dey Referenzbündels dargestellt, wobei der nicht durch den Strahlablenker abgelenkte gestrichelt dargestellt ist und eine optische Achse aufweist, die zu der Fläche 15 normal ist, während der durch den Strahlablenker abgelenkte mit ausgezogenen Linien dargestellt ist.
Außerdem wird in der dargestellten Vorrichtung ein elektrooptischer Ablenker benutzt, aber, wenn vor und nach dem Ablenker eine etwas verschiedene Einrichtung benutzt wird, ist es möglich, den Ablenker beispielsweise durch einen akustooptisehen Ablenker zu ersetzen. Es ist außerdem möglich, einen mechanischen Ablenker zu benutzten. Es sei angemerkt, daß die Steuereinrichtungen, die dem Ablenker zugeordnet sein müssen, in dem Schema nicht dargestellt worden sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt. Nachdem in der beschriebenen Weise gemäß der Erfindung eine maximale Anzahl von Bildern aufgezeichnet worden ist, indem als Eintrittflächen der Objektstrahlung und der Referenzstrahlung zwei ortho-
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gonale Flächen des Materials benutzt worden sind, ist es insbesondere möglich, beispielsweise durch Drehen des würfelförmigen Speichermaterials um die optische Achse des Objektbündels um π/2, den zuvor aufgezeichneten Hologrammen weitere Hologramme zu überlagern, die durch Interferenzen zwischen Objektbündeln, die durch andere Objektebenen durchgelassen werden, und einem Referenzbündel, das nacheinander die gleichen Positionen wie zuvor einnimmt, erhalten werden.
In dem Fall, in welchem das benutzte Speichermaterial ein elektrooptischer, lichtempfindlicher Kristall ist, ist es außerdem möglich, alle Flächen des Kristalls kurzzuschliessen, indem auf diesen Flächen lichtdurchlässige Elektroden angeordnet werden, die untereinander verbunden sind, wobei die Achse C unter einem Winkel von 45 zu den Eintrittsflächen der Strahlungen angeordnet ist, so daß die photoinduzierten Brechungsindexänderungen sich um einen konstanten Mittelwert herum ergeben.
Es ist außerdem möglich, eine solche Aufzeichnungsvorrichtung nicht mehr zum Vergrößern der Anzahl von Punkten zu benutzen, die gespeichert werden können, sondern zum Vergrößern des Signal-Rausch-Verhältnisses der aus einer relativ kleinen Anzahl von überlagerten Hologrammen rekonstruierten Bilder, wobei die Winkeltrennung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Positionen des Referenzbündels sehr viel größer als die für eine korrekte Rekonstruktion erforderliche minimal?Winkelselektivität gewählt wird.
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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung zur optischen Mehrfachspeicherung im Volumen, mit einem dicken Aufzeichnungsmaterial, das bei der Aufzeichnung gleichzeitig ein Objektbündel und ein Referenzbündel mit veränderlicher optischer Achse ampfängt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des ins Innere des Materials geleiteten Objektbündels und die mittlere optische Achse des ins Innere des Materials geleiteten Referenzbündels im wesentlichen orthogonal sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsflächen des Objektbündels bzw. des Referenzbündels eben und zu der optischen Achse des Objektbündels bzw. zu der mittleren optischen Achse des Referenzbündels orthogonal sind.
3. Vorrichtiang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmaterial die Form eines Würfels hat.
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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Aufzeichnungsmaterial ein lichtempfindlicher elektrooptischer Kristall ist, der für die photoinduzierten Ladungen eine zu den optischen Achsen parallele Übertragungsachse hat, zwei miteinander verbundene lichtdurchlässige Elektroden auf den Flächen des Materials angeordnet sind, die zu der Übertragungsachse orthogonal sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Material ein lichtempfindlicher elektrooptischer Kristall ist, der eine Ladungsübertragungsachse hat, die unter einem Winkel von 45 zu den Eintrittsflächen des Objektbündels bzw. des Referenzbündels gerichtet ist, lichtdurchlässige Elektroden auf den Flächen des Würfels angeordnet sind, die zu der durch die optischen Achsen festgelegten Ebene orthogonal sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausrichten des Würfels, die Einrichtungen zum Drehen des Würfels um ττ/2 um die optische Achse des Objektbündels enthält.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Laser, durch eine Einrichtung zum Unterteilen der von dem Laser gelieferten Strahlung in zwei Teile, von denen der erste Teil nach Passieren einer optischen Einrichtung das konvergente Objektbündel bildet, während der zweite Teil der Strahlung einen Ablenker durchquert, um das Referenzbündel mit veränderlicher optischer Achse
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zu bilden, und durch eine Vorrichtung zum Ausrichten der Bündel auf das Aufzeichnungsmaterial in zwei im wesentlichen orthogonalen Richtungen.
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DE19772714236 1976-03-30 1977-03-30 Vorrichtung zur optischen mehrfachspeicherung Withdrawn DE2714236A1 (de)

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