DE60106564T2

DE60106564T2 - Verfahren zum verteilen von datenmarken auf einem medium, und verfahren und vorrichtung zum holographischen aufzeichnen und lesen von daten

Info

Publication number: DE60106564T2
Application number: DE60106564T
Authority: DE
Inventors: Gábor SZARVAS; Emöke Lörincz; Peter Richter; Pál KOPPA; Gábor ERDEI; Jozsua Fodor; Peter Kallo; Attila SÜTO; Lászlo DOMJAN; Ferenc Ujhelyi
Original assignee: Bayer Innovation GmbH
Current assignee: Bayer Innovation GmbH
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: ATE280428T1; DE60106564D1; CN100338665C; AU2001232147A1; EP1252623B1; EP1492095A2; KR100679617B1; ES2231440T3; WO2001057859A3; HUP0000518A2; EP1492095A3; HUP0000518D0; JP2003521794A; CN1252686C; CN1681015A; EP1252623A2; WO2001057859A2; CN1418363A; KR20030004331A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verteilen von Datenmarkierungen auf einem Medium sowie das Auslesen der Daten aus einer optischen Aufnahme. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dort angewendet werden, wo Daten, die mit Datenmarkierungen kodiert sind, welche mindestens zwei Zustände besitzen, mit einer Datenquelle erzeugt werden, die einen zweidimensionalen Matrixaufbau besitzt, und das Bild der Datenquelle auf einem optischen Medium aufgenommen wird, und beim Auslesen das Bild der Datenquelle mit einem optischen Verfahren wiederhergestellt wird, und das wiederhergestellte Bild mit einem zweidimensionalen Detektor detektiert wird, und die Daten mit Hilfe von Kennmarkierungen auf dem detektieren Bild aus dem wiederhergestellten Bild ausgelesen werden.
Die Erfindung betrifft ebenso ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung für das holografische Aufzeichnen und Auslesen von Daten. Bei diesem Verfahren wird ein Bild einer zweidimensionalen Datenquelle in einem Hologramm auf einem optischen Medium aufgenommen, wobei das Hologramm aus einer Interferenz zwischen einem Objektstrahl und einem Referenzstrahl in einer zu dem Bild der Datenquelle zugehörigen Fourier-Ebene resultiert (die Brennebene des Abbildungssystems), und das aufgenommene Hologramm mit einem zweidimensionalen Detektor beim Auslesen detektiert wird.
Stand der Technik
Die WO99/57719 lehrt unter anderem ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem bzw. bei der zweidimensionale Datenfelder holografisch aufgenommen und ausgelesen werden. Die praktische Anwendung solcher Systeme führt zu Problemen. Ein solches Problem besteht in der Genauigkeit des Wiedereinführens eines entfernbaren Datenspeichermediums, was das erfolgreiche Auslesen deutlich beeinflusst. Es ist sehr schwierig, oder oftmals gar nicht möglich, sicherzustellen, dass die individuellen Bildpixel des ausgelesenen Bitmap-Bildes immer exakt auf einen, und nur einen Detektorpixel fallen. Dieses Problem ist besonders ernsthaft, wenn das wiedereingeführte Medium um einen geringen Winkel relativ zu seiner ursprünglichen Position gedreht wird, da das ausgelesene Bild ebenso auf dem Auslesedetektor gedreht wird. Aufgrund der Abbildungsfehler des optischen Systems kann der Abstand zwischen einzelnen Bildpixeln in unterschiedlichen Bereichen des Bildraumes variieren. Die großen Datendichten erfordern die Verwendung von Detektoren und Datenquellen mit einer großen Anzahl von Pixeln, und deshalb führt selbst eine Drehung um einen sehr kleinen Winkel zu eine Verschiebung („creeping off") gewisser Bildpunkte des Bitmap-Bildes von den Detektorpixeln, oder zu einem Überlappen auf die andere Reihe oder Spalte, und daher ist die Wiederherstellung der Daten sehr schwierig, oder sogar unmöglich. Aus diesem Grund ist ein geeigneter Algorithmus zum Bestimmen des zugehörigen Bildpunktes der Datenquelle für einen Bildpunkt des ausgelesenen Bitmaps notwendig.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass im Verlauf des Schreibens (Aufnehmens) und des Auslesens der eng zueinander beabstandeten Hologramme der Rand des Abbildungsstrahls ebenso auf die benachbarten Hologramme fällt (sogenannte „inter-page" Interferenz). Um dies zu vermeiden sollten die störenden Strahlen in der Hologrammebene mit einer geeigneten Blende herausgefiltert werden. Dies kann allerdings in der Praxis nicht umgesetzt werden.
Die EP-A-0817201 offenbart ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Lösung zu den voranstehenden Problemen vorzusehen, oder zumindest diese teilweise zu eliminieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird das Problem, das durch das Wiedereinführen (erneute Positionieren) verursacht wird, durch ein Verfahren der oben beschriebenen Art gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem

a die aufzunehmenden Daten mit einer Kodierung kodiert werden, die die unmittelbare Aufeinanderfolge von Daten mit identischen Zuständen oberhalb einer vorbestimmten Anzahl verhindert,
b Felder vorbestimmter Größe und Position in der Matrix der Datenquelle bestimmt werden, wobei die Felder Kenndatenmarkierungen und Benutzerdatenmarkierungen enthalten,
c die Größe der Kennfelder auf eine Art und Weise bestimmt wird, so dass die Kodierung keine solchen Datengruppen innerhalb eines Feldes erzeugt, das Benutzerdatenmarkierungen enthält, die Datenmarkierungen enthalten würden, die hinsichtlich ihrer Größe und ihres Zustandes identisch zu den Datenmarkierungen des Kennfeldes sind, und
d die Kennfelder mit Kenndatenmarkierungen, die identische Zustände besitzen, aufgefüllt werden.

Vorzugsweise werden die Daten auf eine Weise kodiert, so dass das Bild eines einzelnen Datenquellenmatrixelementes mindestens ein, vorzugsweise mehrere Datenbits enthält, vorteilhafterweise ein Byte, das mit einer Grauskala kodiert ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Auslesen der Daten aus einem Medium, das Datenmarkierungen enthält, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommen wurde, mit den folgenden Schritten durchgeführt wird:
Suchen nach den Kennfeldern und Bestimmen ihrer Position, und
Bestimmen der Position der Felder, die die Datenmarkierungen enthalten, relativ zu den Kennfeldern.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Anzahl der Matrixelemente des Detektors entlang einer Dimension ein Vielfaches der Anzahl der Matrixelemente der Datenquelle ist, vorzugsweise das Zwei bis Fünffache. In diesem Fall ist absehbar, dass das Feld der Detektormatrixelemente, die zu einem Matrixelement der Datenquelle gehören, identifiziert ist, und dass der Wert, der von einem Detektorelement oder Elementen in einem zentralen Bereich eines so identifizierten Feldes detektiert wird, als der Auslesewert angesehen wird. Dies hat den Vorteil, dass die am wenigsten mit Rauschen oder Fehler behafteten Daten aus einer großen Datengruppe, die „oversampled" ist, herausgefiltert werden, und dass ein Datenverringerung um einen Faktor von 10 bis 100 durchgeführt wird.
Des weiteren wird entsprechend der Erfindung ein Verfahren zum Vermeiden des Nebensprechens („crosstalk") zwischen den Hologrammen vorgeschlagen, und zwar im Sinne des in der Einleitung erwähnten Verfahrens, bei dem beim Abbilden neben der Fourier-Ebene des Hologramms eine weitere Fourier-Ebene zwischen der Datenquelle und dem Hologramm in dem Bildgebungsaufbau erzeugt wird, und in der weiteren Fourier-Ebene ein räumliches Filtern durchgeführt wird. Vorzugsweise wird das räumliche Filtern mit einer Blende durchgeführt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um ein kompaktes optisches System vorzusehen, wenn ein Spiegel in die weitere Fourier-Ebene platziert und die Blende durch den Spiegel gebildet wird.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung für das holografische Aufzeichnen und Auslesen von Daten, insbesondere zur Implementierung der räumlichen Filterlösung, die von der Erfindung vorgeschlagen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine zweidimensionale Datenquelle und ein optisches System auf zum Abbilden der Datenquelle durch einen Objektstrahl und einen Referenzstrahl auf ein optisches Medium sowie zum Herstellen einer Interferenz zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl auf dem Medium. Das optische Medium befindet sich in der Fourier-Ebene, die im Zusammenhang mit der Abbildung der Datenquelle steht. Im Sinne der Erfindung weist das optische System neben der Fourier-Ebene des Hologramms eine weitere Fourier-Ebene zwischen der Datenquelle und dem Hologramm auf, und es gibt ein räumliches Filtermittel in der weiteren Fourier-Ebene.
Vorteilhafterweise weist das optische System des weiteren eine weitere Abbildungs-Ebene auf, die im Zusammenhang mit der Datenquelle als Objekt steht, und weist ebenso ein Neutralisierungsmittel auf, um zumindest teilweise die Fourier-Spitzen zu neutralisieren, die von der Periodizität der Datenquelle und der Beugung der Datenquelle an der Blende herrühren. Vorzugsweise besteht das Neutralisierungsmittel in einer Zufallsphasen-Maske.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt, die nicht beschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer in der Vorrichtung verwendeten Karte, die das Datenordnungsverfahren der Erfindung durchführt,
2 ist eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht der in 1 gezeigten Karte,
3 zeigt den Aufbau des Mediums der in 1 gezeigten Karte im Querschnitt,
4A–D stellen gewisse Details der Datenstruktur dar, die auf dem Medium verwendet wird,
5 ist eine Zeichnung, die das optische System zeigt, das das verbesserte Abbildungsverfahren der Erfindung verwirklicht, und
6A–B ist eine Zeichnung des Strahlengangs des Objektstrahls und des Referenzstrahls in dem in 5 gezeigten optischen System,
7 stellt das optische System eines Lesekopfs unter Verwendung des verbesserten Abbildungsverfahrens dar,
8 ist ein schematisches optisches Layout eines modifizierten optischen Systems ähnlich dem der 5,
9 ist eine schematische Darstellung einer Polarisationsschicht in dem optischen System der 5,
10 ist eine schematische Darstellung des in dem optischen System der 8 verwendeten Detektors,
11 ist eine alternative Ausführungsform des in 10 gezeigten Detektors,
12 und 13 stellen die Proportionen der Datenquelle und des Detektors in dem optischen System dar, das zum Ausführen des Datenordnungsverfahrens der Erfindung verwendet wird.
„Best Mode" zum Ausführen der Erfindung
Das die Erfindung verkörpernde Datenordnungsverfahren wird mit Hilfe einer Datenstruktur erklärt, die auf der in 1 gezeigten optischen Karte 1 verwendet wird. Die Karte 1 besitzt ein optisches Medium 2, das für das holografische Aufzeichnen bzw. Aufnehmen geeignet ist. Das optische Medium 2 dient ebenso als eine mechanische Basisschicht, auf der sich eine optische Schichtstruktur 3 befindet. Das spezifische physikalische Datenspeichermedium liegt eigentlich in der optischen Schichtstruktur 3. Die optische Karte 1 wird durch ein optisches Aufnahmegerät aufgenommen und gelesen, das hier nicht gezeigt ist. Das Gerät weist eine geeignete optische Lese/Schreibeinheit auf. Gewisse Details der optischen Lese/Schreibeinheit werden im Anschluss zusammen mit dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren erklärt.
Die Karte 1 kann mehrmals beschrieben (aufgenommen), gelesen und gelöscht werden, wobei das Letztere durch das Material der Speicherschicht in der optischen Schichtstruktur 3 ermöglicht wird. Es gibt eine getrennte Träger(Substrat)schicht 5 in der optischen Schichtstruktur 3 auf dem optischen Medium 2. Die Trägerschicht 5 sieht eine optische Qualitätsoberfläche vor, und ist an der Oberfläche der Karte mit einer Bondierungsschicht 4 angebracht. Die Trägerschicht 5 ist mit einer Spiegelschicht 6, der Speicherschicht 7 und der Schutzschicht 8 bedeckt. Die Karte 1 besitzt die Größe einer standardmäßigen Kreditkarte, andere Größen sind aber ebenso anwendbar. In den Zeichnungen steht die Schichtstruktur 3 aus der Ebene der Karte 1 hervor, dies ist allerdings nicht notwendig. Wahlweise kann die oberste Schicht der Schichtstruktur 3, d. h. die Schutzschicht 8, vollständig in der Ebene der Karte 1 liegen, oder kann sogar unterhalb dieser Ebene liegen. In diesem Fall ist das Medium 2 in der Karte 1 versenkt.
Um das Quadrat 10, das für das Schreiben reserviert ist, befindet sich ein Rahmen 11, der ungefähr 0,5 mm breit ist. Der Rahmen 11 dient zum Positionieren der Karte 1, wie im Anschluss erklärt werden wird. Jenseits des Positionierrahmens 11 gibt es einen weiteren Bereich 12, der ebenso ungefähr 0,5 mm breit ist, in dem die Optik sich beim Suchen des Positionierrahmens bewegen kann. Die Bereiche außerhalb des Quadrates 12 auf dem Medium 2 werden nicht verwendet. Die Größe des Quadrates 2 beträgt ungefähr 12 × 12 mm. Die mechanischen und optischen Toleranzen hinsichtlich des Mediums 2 sollten innerhalb dieses Bereichs von 12 × 12 mm eingehalten werden. Es ist ebenso ausreichend, die optische Schichtstruktur 3 innerhalb des Quadrates 10 herzustellen, und die Schichtstruktur 3 muss sich nicht über die Grenzen des Quadrates 10 hinaus erstrecken.
Die Daten werden in dem System nach Blöcken 13 (Seiten) geordnet gespeichert. Jeder Block 13 besteht physikalisch gesehen aus einem einzigen Hologramm 9, das mit einem einzelnen Schreibpuls aufgenommen wird. Das optische System nimmt auf oder liest gleichzeitig einen vollständigen Block 13. Die Daten werden in einer einfachen Dateienstruktur innerhalb der Blöcke 13 geordnet.
Innerhalb des Quadrates 10 sind die Blöcke 13 geometrisch auf vorbestimmte Weise angeordnet. Im vorliegenden Fall ist eine quadratische Matrixanordnung gezeigt, die praktisch das Quadrat 10 ausfüllt. Die Blöcke 13 können jedoch eine andere Form besitzen, z. B. eine hexagonale Form, und so können sie das komplette Medium 2 wabenförmig ausfüllen.
Vorzugsweise wird ein Block 13a für das Speichern der eigentlichen Systemdaten der Karte reserviert, wobei der Block 13a bei einer genau bestimmten Stelle positioniert ist, z. B. in einer Ecke des beschreibbaren bzw. aufnehmbaren Bereichs. Dies ist der sogenannte Beschreibungsblock, der Daten bezüglich der Karte 1, als Blöcke bei jedem Schreibvorgang aufgenommen, und der fehlerhaften Blöcke enthält. Die Blöcke, die nebeneinander zum gleichen Zeitpunkt aufgenommen werden, bilden ein einfaches Dateisystem, und der Name, die Länge und die physikalische Stelle der Dateien wird in dem Beschreibungsblock aufgenommen. Beim Einführen der Karte 1 liest das System zunächst diesen Block, und falls die Karte bereits beschrieben bzw. aufgenommen worden ist, löscht das System anschließend diesen Datenblock und beschreibt ihn erneut. Das Steuerprogramm schützt die bereits aufgenommenen Bereiche.
Das erste erfinderische Konzept betrifft im wesentlichen die Verteilung der Daten eines solchen Blocks 13, der mit einem einzelnen Hologramm 9 aufgenommen ist. Dies ist in den 4B, 4C und 4D dargestellt. Erfindungsgemäß werden die Daten mit Datenmarkierungen kodiert, die mindestens zwei Zustände besitzen, mit anderen Worten, die in dem Hologramm gespeicherten Bildpixel stellen mindestens 1 Bit dar. Das Detektieren dieser ist sehr einfach, da die detektiere Lichtintensität, die im Zusammenhang mit einem Bildpixel steht, lediglich mit einem Schwellwert verglichen werden muss. Mit einem holografischen Material, das einen größeren Dynamikbereich und/oder geringere Streuung besitzt, ist es theoretisch möglich, mehrerer Bits in einem einzelnen Bildpixel zu speichern. Wie in 4C gezeigt ist, wird in dieser Ausführungsform eine vierstufige Grauskala verwendet (weiß, hellgrau, dunkelgrau und schwarz), was die Speicherung von zwei Bits in jedem Bildpixel ermöglicht. Mit einem geeigneten Material ist es möglich, bis zu einem Byte in jedem Bildpixel zu speichern.
Wendet man sich nun der in dem Hologramm 9 gespeicherten Datenstruktur zu, so zeigen die 4B und 4C, dass die Daten mit einer Datenquelle erzeugt wurden, die eine zweidimensionale Matrixstruktur besitzt. Die 4B kann als schematische Darstellung der Datenstruktur selbst oder als rekonstruiertes Bild, das in dem Hologramm 9 gespeichert und auf dem Detektor des Schreib-Lesesystems abgebildet ist und auf dem Detektor als ein Bild erscheint (Intensitätsverteilung), angesehen werden. Die zweidimensionale Datenquelle ist eine SLM(räumlicher Lichtmodulator)Matrix, dessen Bild auf dem optischen Medium aufgenommen wird, d. h. in den Hologrammen auf der Karte 1. Beim Auslesen wird das Bild der Datenquelle mit einem optischen Verfahren wiederhergestellt, und das wiederhergestellte Bild wird mit einem zweidimensionalen Detektor mit einer Matrixstruktur detektiert, d. h. das Bitmap, das durch die SLM erzeugt wurde, wird aus den Hologrammen wiederhergestellt und wird auf einem CCD Detektor abgebildet. Die Aufgabe besteht darin, die Stelle der Bildpixel auf dem abgebildeten Bitmap zu identifizieren, da sie für die Wiederherstellung der ursprünglichen Daten aus dem so erzeugten Bild notwendig ist.
Deshalb wird wie folgt weitergemacht: die Daten, die in dem durch die SLM erzeugten Bitmap erscheinen, d. h. die Daten, die direkt physikalisch aufgenommen werden sollen, werden mit einer Kodierung kodiert, die die unmittelbare Aufeinanderfolge von Daten mit identischen Zuständen oberhalb einer vorbestimmten Anzahl verhindert. Unter anderem zeigen die bekannten Hamming und Reed-Solomon Fehlerkorrekturcodes diese Eigenschaft. Dies verhindert das Erscheinen von Bereichen auf dem Bitmap, die lediglich aus dunklen oder lediglich hellen Bildpixeln bestehen würden.
Des weiteren sind in der Matrix der Datenquelle Felder mit vorbestimmter Größe und Position bestimmt, wobei die Felder Kenndatenmarkierungen und Benutzerdatenmarkierungen enthalten. Wie anhand der 4B und 4C zu sehen ist, besteht das Gesamtbild 9b aus mehreren identischen Unterblöcken 14. Im mittleren Teil des Blocks 13 sind vier Unterblöcke (2 × 2) weggelassen, aus Gründen des optischen Aufbaus, der im Anschluss erläutert wird. Ein großer Teil der Unterblöcke 14 besteht aus dem Datenfeld 15, allerdings ist ein Bereich in einer Ecke des Unterblocks 14 als ein Kennfeld 16 bezeichnet. Die eigentlichen Daten, d. h. die Benutzerdaten, sind in dem Datenfeld 15 gespeichert. Die Größe des Kennfeldes 16 wird derart bestimmt, dass die Kodierung innerhalb eines Datenfeldes 15 niemals solche Datengruppen erzeugt, die möglicherweise Datenmarkierungen enthalten können, die bezüglich ihrer Größe identisch zu den Datenmarkierungen des Kennfeldes 16 sind, wo sämtliche Datenmarkierungen identische Zustände besitzen würden.
Die Kennfelder 16 werden mit Datenmarkierungen mit identischen Zuständen gefüllt. Diese entsprechen den Kenndatenmarkierungen und keine nützlichen Benutzerdaten stehen im Zusammenhang mit den Kenndatenmarkierungen. Mit anderen Worten besitzen die Bildpixel 17 in den Kennfeldern 16 gleichmäßig den gleichen Zustand, d. h. sie sind alle hell (s. 4D). In der gezeigten Ausführungsform enthält die vollständige SLM Matrix 320 × 240 Pixel (Bildpunkte oder Bildpixel). Innerhalb dieser wird ein Bereich von 300 × 200 Pixel für die Datenkodierung verwendet. Die Größe der Unterblöcke 14 beträgt 25 × 22 Pixel, und ein Kennfeld 16, das aus 5 × 5 Pixel besteht, ist innerhalb dieser bestimmt (in der linken oberen Ecke in dem Unterblock 14, gezeigt in 4C).
Die auf diese Weise verteilten Daten werden gemäß der Erfindung mit einem Verfahren ausgelesen, bei dem nach den Kennfeldern 16 gesucht und ihre Position bestimmt wird, und anschließend die Position der Datenfelder 15 relativ zu den Kennfeldern 16 bestimmt wird. Dies wird dadurch erzielt, dass zunächst nach dem Rahmen 11 mit der Optik gesucht und dabei das Koordinatensystem des optischen Systems relativ zu dem Quadrat 10 auf dem Medium 2 der Karte 1 mit gewisser Genauigkeit fixiert wird. Anschließend sollte die Bewegung und das Steuersystem der Leseoptik in der Lage sein, ein Hologramm mit einer gewissen Adresse zu finden. Die Positioniergenauigkeit der Leseoptik ist ausreichend, so dass die Ausleseoptik einen Block 13a mit einer willkürlichen Adresse finden und seinen Inhalt abbilden kann, d. h. das Bild des gespeicherten Hologramms 9 auf den Detektor des Schreib/Lesesystems. Anschließend identifiziert ein Korrelationsalgorithmus die Stelle der Kennfelder 16, die eine Größe von 5 × 5 Pixel und einen gleichmäßigen Inhalt besitzen. Genauer gesagt, der Korrelationsalgorithmus identifiziert diejenigen CCD Detektorpixel, die im Zusammenhang mit den Bildpunkten des Kennfeldes 16 stehen. Ist die Stelle der Kennfelder 16 bekannt, so ist es möglich, durch lineare Interpolation aus den Daten der Bildpunkte 17 zweier benachbarter Kennfelder 16 die Stelle derjenigen CCD Detektorpixel zu berechnen, die im Zusammenhang mit den Bildpunkten 18 zwischen den beiden benachbarten Kennfeldern 16 stehen.
Es ist bevorzugt, dass die Kennfelder 16 ausreichend eng aneinander liegen, so dass die Verzerrung zwischen zwei benachbarten Kennfeldern für die Interpolation so gering ist, um eindeutig die Detektorpixel, die im Zusammenhang mit jedem Bildpunkt 18 stehen, zu bestimmen.
Falls die Drehung der Karte hinreichend bekannt ist, kann anschließend die Stelle der einzelnen Bildpunkte 18 um ein Kennfeld 16 herum basierend nur auf diesem einzelnen Kennfeld 16 bestimmt werden. In diesem Fall ist das Kennfeld 16 nicht in einer Ecke des Unterblocks 14, sondern in seiner Mitte bestimmt, da auf diese Weise der Abstand von dem gegebenen Kennfeld 16 zu dem Bildpunkt 18 am geringsten ist, der am weistesten von dem Kennfeld 16 entfernt ist, von dessen Position seine Stelle berechnet worden ist. In einem gegebenen Fall kann die Stelle der Bildpunkte 18 derart bestimmt werden, dass ihre Stelle von zwei benachbarten Kennfeldern 16 bestimmt wird, aber unabhängig von der Position des anderen Kennfeldes, und falls der Abstand zwischen den beiden Ergebnissen innerhalb eines vorbestimmten Wertes bleibt, wird die Stelle zwischen den beiden als die wirkliche Stelle betrachtet. Falls der Abstand zu groß ist, wird die Karte auf mechanische Weise relativ zu der Optik erneut positioniert.
Die Auslesegenauigkeit kann gemäß der Erfindung deutlich verbessert werden, falls die Anzahl der Matrixelemente des Detektors entlang einer Abmessung derart gewählt ist, dass sie ein Vielfaches der Anzahl der Matrixelemente der Datenquelle beträgt, vorzugsweise das Zwei bis Fünffache. Dies führt dazu, dass ein von einem Hologramm wiederhergestellter Bildpunkt mit einer Gruppe von Detektorpixel erfasst wird.
Deshalb wird vorausgesehen, das Feld der Detektormatrixelemente zu identifizieren, die zu einem Matrixelement der Datenquelle gehören, insbesondere das Feld der Detektormatrixelemente, die im Zusammenhang mit den Bildpunkten 17 des Kennfeldes 16 stehen. Dies kann als Folge der durchgeführten Korrelationsberechnung durchgeführt werden, um die Stelle des Kennfeldes 16 zu finden, wie zuvor erwähnt wurde. Der von einem Detektorelement oder Elementen in einem zentralen Bereich eines so identifizierten Pixelblocks detektierte Wert wird als der Auslesewert angesehen. Z. B., falls die Anzahl der Auslese-CCD Detektorpixel das Fünffache der Anzahl der Pixel der Datenquellen-SLM entlang einer Seite (d. h. 5 × 5 = 25 × auf der gesamten Oberfläche) beträgt, fällt dann ein einzelner Bildpunkt 17 in einen Bereich von 5 × 5 Pixel auf dem CCD Detektor. Dies ist unter Bezugnahme auf die 12 und 13 dargestellt, die den gleichen Maßstab besitzen. Ein Bild des Datenquellenbildpunktes 18 oder 17, gezeigt in 12 (praktisch ein einzelnes Element der Datenquellen-SLM) wird auf eine Gruppe von Pixeln 27 abgebildet, s. 13. Anscheinend entspricht der Datenquellenbildpunkt 18 oder 17 einer Gruppe von Pixeln 27, die aus 5 × 5 Pixel besteht. Aufgrund der Abbildungsungenauigkeit kann der Intensitätswert, der von den Randpixeln detektiert wird, eher ungewiss sein. Wie in 13 gezeigt ist, unterscheidet sich die Intensität, die von den Eckpixeln detektiert wird, von dem theoretischen Intensitätswert (in 13 ist die detektierte Intensität in der Farbe der Pixel 27 dargestellt). Die innere Pixelgruppe 28 aus 3 × 3 Pixeln detektiert jedoch wahrscheinlich nur einen weißen Bildpunkt (in dem gezeigten Beispiel ist lediglich die rechte obere Ecke der inneren Gruppe 28 mit Rauschen behaftet). Der am weitesten innen gelegene einzelne Pixel 29 detektiert praktisch mit Sicherheit die Intensität des zugehörigen Bildpunktes. Falls die optische Abbildung hinreichend gut ist, kann mindestens eine Pixelgruppe aus 3 × 3 Pixeln aus der theoretischen Pixelgruppe aus 5 × 5 Pixeln identifiziert werden. Unter Verwendung des mittleren Pixels zum Zwecke der linearen Interpolation können die CCD Pixel, die im Zusammenhang mit den zwischenliegenden Bildpunkten 18 stehen, mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden, zumindest soweit, dass der mittlere Pixel der Detektorpixelgruppe aus 3 × 3 (oder 5 × 5) Pixeln in der Tat die Intensität des gesuchten Bildpunktes detektieren würde, wo die Pixelgruppen durch Berechnung den Bildpunkten zugeordnet wurden.
Wie voranstehend erwähnt sind die Hologramme 9, die die Daten enthalten, von dem Rahmen 11 umgeben. Bei der Suche wird zunächst der Rahmen 11 und damit die Koordinatensysteme der Karte und des beweglichen Systems gefunden, und so wird das Koordinatensystem der Optik, die mit den beweglichen Systemen fixiert ist, einander zugeordnet. Anschließend wird nach den Kennfeldern 16 relativ zu einer Ecke der Detektormatrix gesucht. Die Kennfelder 16 identifizieren anschließend die exakte Position der Bilder 9b, die aus den Hologrammen 9 wiederhergestellt wurden.
Die Schreib/Leseeinheit wird über einen externen oder internen Mikroprozessor gesteuert, der mit einer Systemsoftware arbeitet, die das obige Verfahren implementiert. Die Schreib- und Lesebefehle, die zu schreibenden Daten und der Bereich zum Schreiben werden von dem Mikroprozessor an das Schreib/Lesesystem weitergeleitet. Die Fehlerkorrekturkodierung und Dekodierung kann durch einen Mikroprozessor durchgeführt werden, es ist jedoch ratsam, eine besonders geeignete Hardware zu verwenden (z. B. für die Hamming und/oder Reed-Solomon Kodierung, um eine geeignete Übertragungsrate beizubehalten). Diese besondere Hardware ist für die Verbesserung der endgültigen Daten-Lese-BER („bit error rate") auf einen Wert von mindestens 10^–12 von einem ursprünglichen BER von ungefähr 10^–2 bis 10^–3 verantwortlich.
Die Schreib/Leseeinheit kann ein Schutzmodul enthalten, was die Löschung der Daten beim Auslesen verhindert. Dies kann notwendig sein, da mit gewissen Speichermaterialien der Referenzstrahl einen Teil des aufgenommenen Signals beim Auslesen löschen kann. Nach einer gewissen Anzahl von Auslesevorgängen kann sich der Signalpegel derart verschlechtern, dass die Daten nicht mehr gelesen werden können. Das Schutzmodul dient der Aufgabe des Messens des Signalpegels der Hologramme beim Auslesen, und falls der Auslesesignalpegel unterhalb eines kritischen Pegels fallen sollte, beginnt das Schutzmodul damit, die Information in dem Hologramm aufzufrischen (zu löschen und erneut zu schreiben).
Im Vorliegenden wird das Verfahren für das holografische Aufnehmen und Auslesen von Daten gemäß der Erfindung dargestellt. Dies ist ein Verfahren, bei dem ein Bild einer zweidimensionalen Datenquelle in einem Hologramm auf einem optischen Medium aufgenommen wird. (In dem gezeigten Beispiel ist die zweidimensionale Datenquelle eine SLM-Matrix). Das aufgenommene Hologramm resultiert aus einer Interferenz zwischen einem Objektstrahl und einem Referenzstrahl in einer Fourier-Ebene, die dem Bild der Datenquelle zugeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist das optische Medium gleich der optischen Karte 1. Beim Auslesen wird das aufgenommene Hologramm 9, genauer gesagt das aus dem Hologramm 9 wiederhergestellte Bild 9b, mit einem zweidimensionalen Detektor detektiert. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine weitere Fourier-Ebene neben der Fourier-Ebene des Hologramms zwischen der Datenquelle und dem Hologramm in dem Abbildungsaufbau gebildet. In dieser weiteren Fourier-Ebene wird ein räumliches Filtern durchgeführt. Die Erfindung wird dadurch dargestellt, dass die Vorrichtung zum Implementieren des Verfahrens erläutert wird.
Die Schreib/Leseeinheit des Karten-Schreib/Lesesystems, das in dem voranstehenden Beispiel erwähnt wurde, und welches hier nicht im Detail gezeigt ist, weist das optische System auf, welches schematisch in 5 gezeigt ist. Die Lichtquelle des optischen Systems wird durch einen Laser 31 gebildet, im vorliegenden Beispiel einem grünen Diodenlaser. Der Strahl des Lasers 31 besitzt eine gaussförmige Verteilung, und der Strahl wird über einen sphärischen Strahlaufweiter 32 auf eine geeignete Größe auf geweitet. Um eine bessere Wellenfront zu erzielen, ist es ebenso möglich, ein räumliches Filtern an dieser Stelle mit dem Nadelloch-Verfahren durchzuführen.
Anstelle eines grünen Lasers ist ebenso eine blaue Laserdiode in Betracht gezogen worden, insbesondere ein DPSS („Diode-Pumped Solid State") Laser.
Der Strahl wird in zwei Strahlen mit geeigneter Intensität durch einen neutralen Strahlteilerkubus 34 geteilt, nämlich in einen Objektstrahl 35 und einen Referenzstrahl 26. Wahlweise kann das Intensitätsverhältnis zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl mit Hilfe des Teilungsverhältnisses des Strahlteilerkubus 34 modifiziert werden.
Der Objektstrahl 35 und der Referenzstrahl 36 verlaufen entlang den Seiten eines Rechtecks, wobei die gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks die beiden Arme eines Interferometers bilden. Die Umlenkung des Strahls an den drei Ecken des Rechtecks wird durch drei Flachspiegel 37, 38 und 40 erzielt, welche dielektrische Spiegelschichten besitzen. Mit der geeigneten Einstellung der Seitenlängen des Rechtecks kann die gleiche Länge der optischen Weglänge des Objektstrahls und des Referenzstrahls bis zur Schichtstruktur 30 sichergestellt werden.
In dem Raum des Objektstrahls wird der aufgeweitete Objektstrahl 35, der eine gaussförmige Verteilung besitzt, in eine homogene ebene Welle mit Hilfe der strahlbildenden Optik 39 transformiert. Diese Optik ist eine einzelne Linse mit zwei asphärischen Oberflächen. Auf ähnliche Weise wird in dem Referenzarm der aufgeweitete gaussförmige Strahl in eine homogene ebene Welle mit Hilfe der strahlbildenden Optik 40 transformiert. Der homogene Strahl wird auf die geeignete Größe mit Hilfe eines sphärischen Strahlkonverters 41 verkleinert. Wahlweise kann die asphärische strahlbildenden Optik 40 weggelassen werden oder durch eine planparallele Platte ersetzt werden, die die Verwendung eines Beleuchtungsstrahls mit einem gaussförmigen Profil in dem Referenzarm ermöglicht. In diesem Fall muss dieser Faktor beim Entwerfen des Strahlkonverters 41 in Betracht gezogen werden.
In dem Referenzarm befindet sich ein weitere Spiegel 43 nachfolgend dem Strahlkonverter 41, und im Anschluss daran eine quadratische Blende 42. Die Blende 42 wird auf die Karte 1 mit Hilfe des Referenzstrahls 36 abgebildet. Im vorliegenden Fall besitzt die verwendete Blende 42 eine Quadratform, Öffnungen mit einer Kreisform oder einer anderen Form können ebenso verwendet werden. Das Koppeln des Objektstrahls 35 mit dem Referenzstrahl 36 wird entlang einer Seite des Rechtecks vollzogen. Der Objektstrahl 35 wird auf die SLM 44 mit Hilfe des Spiegels 38 gekoppelt. Die SLM 44 bildet eine zweidimensionale Datenquelle (in der vorgestellten Ausführungsform wird eine Transmissions-SLM auf LCD-Basis verwendet). Das Hologramm des aktiven Bereichs der SLM 44 wird auf die Karte 1 aufgenommen, und zwar in der Aufnahmeschicht 7 der Schichtstruktur 3.
Die optische Achse der holografischen Fourier-Optik, die eine Objekt/Bild-Abbildung vorsieht, verläuft senkrecht zu den Strahlen, die die SLM 44 und die Blende 42 beleuchten. Die SLM 44 bildet das Objekt des holografischen optischen Systems, während die Blende 42 als Referenz des holografischen optischen Systems dient.
Das Prinzip dieses holografischen Fourier-Systems ist in einer ausgefalteten Position in den 6A und 6B gezeigt. Der Objekt/Bildarm, der von dem Objektstrahl gebildet wird, ist als sogenanntes 8f-System verwirklicht und in der 6A gezeigt. Dieser Objektarm weist ebenso die Polarisationsstrahlteilerprismen 45 und 46 auf (die Polarisationsstrahlteilerprismen sind nicht in den 6A und 6B gezeigt, da sie keine Rolle bei der Abbildung selbst spielen, sondern lediglich dazu dienen, den Objektstrahl mit dem Referenzstrahl in der optischen Weglänge zu koppeln). Das Schreib/Lesesystem weist zwei identische Fourier-Objektive 47 und 48 auf. Es gibt einen Spiegel in jeder Fourier-Ebene (Brennebene) 49 und 50 der Fourier-Objektive 47 und 48, so dass auf diese Weise es möglich ist, lediglich zwei Fourier-Objektive für das 8f-System zu verwenden, anstelle von vier Objektiven, die theoretisch erforderlich sind. Der erste Spiegel ist der Spiegel 51, der ebenso als das räumliche Filtermittel verwendet wird. Der andere Spiegel ist das Hologramm 9 selbst, das in der Schichtstruktur 3 der holografischen Karte aufgenommen ist, und die Spiegelschicht 6 unterhalb des Hologramms 9 in der Schichtstruktur 3 (s. ebenso 3). Wie aus der 5 ersichtlich ist, befinden sich die Teilerprismen 45 und 46 zwischen den beiden Fourier-Objektiven 47 und 48.
Der Referenzarm, der durch den Referenzstrahl 36 gebildet wird, ist ein sogenanntes 4f-System (s. ebenso 6B), das das Bild der Referenzblende 42 auf das Hologramm 9 abbildet. Das System weist zwei Fourier-Objektive auf, die sich bezüglich ihres Designs und der Brennweite unterscheiden. Das erste Fourier-Objektiv 52 ist eine einteilige Optik, und sie befindet sich zwischen der Referenzblende 42 und dem Kopplungs-Polarisationsteilerprisma 45. Das zweite Objektiv entspricht gleich dem zweiten Fourier-Objektiv 48 des Objekt/Bild-Arms. Durch die geeignete Auswahl der Brennweiten der Fourier-Objektive 52 und 48 kann die Referenzblende 42 auf die holografische Karte 1 mit geeigneter Vergrößerung oder Verkleinerung abgebildet werden.
Der Objektstrahl 35 wird mit dem Referenzstrahl 36 über das erste Polarisationsteilerprisma 45 gekoppelt. Die Polarisationsteilerschicht 43 lenkt den Objektstrahl 35 nach oben hin ab, und zwar zu dem ersten Fourier-Objektiv 47 hin, während der Referenzstrahl 36 nach unten gerichtet wird, und zwar zu der gemeinsamen Brennebene der Fourier-Objektive 52 und 48.
Die SLM 44, die das Objekt bildet, befindet sich in der ersten Brennebene des optischen Abbildungssystems, das von dem ersten Fourier-Objektiv 47 gebildet wird. Ein Spiegel 51 befindet sich hinter der Brennebene, in der sogenannten Fourier-Ebene. In der dargestellten Ausführungsform ist der Spiegel 51 ein flacher Spiegel mit vorbestimmter Größe. Verglichen mit den zuvor bekannten Lösungen wurde das optische System dahingehend modifiziert, dass eine weitere Fourier-Ebene erzeugt wird, und zwar neben der notwendigen Fourier-Ebene zum Erzeugen des Hologramms. Diese weitere Fourier-Ebene wird in der optischen Weglänge vor dem Hologramm gebildet. Der Spiegel 51 wird in diese weitere Fourier-Ebene platziert.
Beim Aufnehmen des Hologramms dient der Spiegel 51 als ein räumliches Filtermittel in dem optischen holografischen System, mit anderen Worten, als Aperturblende. Die Bedeutung dieses räumlichen Filtermittels liegt in der Tatsache, dass es tatsächlich eine Blende in der Hologrammebene 9 ersetzt, wo andererseits es nicht möglich ist, eine Blende aufgrund der dimensionalen Gegebenheiten des optischen Systems zu platzieren. Der Spiegel 51 als eine limitierende Blende verringert dabei das Licht, das auf die benachbarten Hologramme fällt. Mit anderen Worten verringert dieses räumliche Filtern die sogenannte „inter-page" Interferenz. Nebenbei trägt der Blendeneffekt zum Herausfiltern von Streulicht bei und schränkt ebenso den Kegelwinkel des aufnehmenden Objektstrahls ein.
Als weiterer Nutzen können die störenden Fourier-Komponenten aus dem Objektstrahl 35 mit einem geeignet bemessenen Spiegel 51 und einem entsprechend entworfenen optischen System herausgefiltert werden. Z. B. erscheint die periodische Struktur der SLM 44 als ein Gitter in der Abbildungsoptik. Dieses Gitter verursacht große Spitzen in der Fourier-Ebene. Falls diese großen Spitzen auf das Hologramm fallen, verringern sie deutlich die erzielbare SNR des Hologramms. Es ist jedoch möglich, einige dieser großen Spitzen mit dem Spiegel 51 herauszufiltern.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dieses räumliche Filtern ebenso die erzielbare Datendichte beeinflusst, da die Größe des Spiegels 51 exakt der Größe des aufgenommenen Hologramms entspricht. Mit anderen Worten führt ein kleinerer Spiegel zu einem kleineren Hologramm. Mit einer gleich großen SLM führt ein kleineres Hologramm zu einer größeren Datendichte. Natürlich gibt es eine obere Grenze hinsichtlich der mit diesem Verfahren erzielbaren Datendichte, da die Auflösung der Abbildung mit dem Herausfiltern der Fourier-Komponenten abnimmt.
Schließlich muss erwähnt werden, dass das System das Design eines optischen Systems ermöglicht, das zwei vollständig identische Fourier-Objektive besitzt. Deshalb fallen die speziellen Herstellungskosten des optischen Systems niedriger aus. Im allgemeinen haben die Teilerprismen einen einfacheren Aufbau verglichen mit den bekannten Lösungen, z. B. dem aus der WO99/57719 bekannten optischen System.
Die Fourier-Objektive 47 und 48, der Spiegel 51 und das Hologramm 9 bilden ein symmetrisches optisches System, und im mittleren Teil dieses Systems (zwischen den Polarisationsteilerprismen 45 und 46) wird ein reales Bild der SLM 44 erzeugt. In dieser Bildebene wird eine Zufallsverteiler-Phasenmaske 53 platziert, und zwar mit einer Pixelanordnung. Die Position, die Größe und die Anzahl der Pixel der Phasenmaske 53 entsprechen den jeweiligen Daten der SLM 44. Die Phasenmaske 53 fügt eine Zufallsphasenverschiebung dem Objektstrahl 35 zu, die sich bei jedem Pixel ändert. Mit dieser Phasenmaske 43 werden die großen Fourier-Komponenten vermieden, die aus der Periodizität des Bitmapbildes, das auf die SLM 44 geschrieben wird, resultieren würden, und diejenigen großen Komponenten werden ebenso eliminiert, die aus der Beugung an der Blende der SLM 44 resultieren und in der Nähe der Raumfrequenz "0" erscheinen.
Die Fourier-Transformierte der Blende 42 in dem Referenzarm erscheint in der Mitte der Phasenmaske 53. Aus diesem Grund gibt es keine Phasenmodulation in einem zentralen Bereich der Phasenmaske 53.
Es ist jedoch ebenso möglich, für das Fourier-Filtern des Referenzstrahls 36 eine zweite Phasen- und/oder Amplitudenmaske auf der Oberfläche der Phasenmaske 53 zu verwenden, so dass diese zweite Maske unabhängig von der peripheren Phasenmaske ist, die von dem Objektstrahl 35 verwendet wird.
Im Anschluss an die Phasenmaske 53 verlaufen der Objekt- und Referenzstrahl durch das zweite Polarisationsteilerprisma und das zweite Fourier-Objektiv 48, um das Hologramm auf der Karte zu erzeugen bzw. zu rekonstruieren bzw. zu löschen. Beim Auslesen wird das rekonstruierte Bild des Hologramms 9 durch das zweite Fourier-Objektiv 48 abgebildet und zur Detektormatrix hin durch das zweite Polarisationsteilerprisma 46 abgelenkt. Die Detektormatrix oder das Feld ist in dieser Ausführungsform durch die CCD-Detektormatrix 54 verwirklicht. Nach den Polarisationsteilerprismen befinden sich λ/4 Plättchen 55 und 56, die eine linear-zirkulare bzw. zirkular-lineare Polarisationstransformation durchführen. Dabei besitzt das Licht, das durch das λ/4 Plättchen 45 verläuft, an dem Spiegel 51 reflektiert und erneut durch das λ/4 Plättchen 55 verläuft eine lineare Polarisation, die senkrecht zu ihrer vorhergehenden Polarisation ist.
In der Polarisationsschicht 57 des zweiten Teilerprismas 46, die sich näher an der Karte 1 befindet, gibt es einen kleinen zentralen Bereich 61 ohne eine Teilerschicht. Dies ist ebenso in 9 gezeigt. Dieser zentrale Bereich 61 dient zum Durchlassen des Referenzstrahls 36. Auf diese Weise verläuft der Referenzstrahl 36, der durch die Karte 1 mit einer senkrechten Polarisation relativ zu dem Objektstrahl 35 verläuft, durch die Teilerschicht 57 ohne Reflexion. Mit anderen Worten, es gibt einen separaten Kanal in der Optik für den Verlauf des Referenzstrahls 36, und dieser Kanal weist zwei Hauptelemente auf: den nicht-modulierenden Bereich 60 in der Mitte der Phasenmaske 53 und den Bereich 61 ohne die Teilerschicht, die in der Polarisationsteilerschicht 57 des Polarisationsteilerprismas 46 gebildet ist.
Der Referenzstrahl 36, der an der Karte 1 ohne Beugung reflektiert wird, sowie andere Komponenten desselben, die an den Linsenoberflächen reflektiert werden, erreichen so nicht den Detektor, da sie zweimal durch das λ/4 Plättchen verlaufen. Ein weiterer Polarisationsfilter kann sogar vor der CCD-Detektormatrix 54 gesetzt werden, um gelegentlich auftretendes Streulicht herauszufiltern.
In dem optischen System ist der Polarisationszustand der verschiedenen Strahlen wie folgt: das Licht wird von dem Laser 31 mit linearer Polarisation emittiert. Diese Polarisation bleibt ursprünglich als lineare Polarisation sowohl in dem Objektarm als auch in dem Referenzarm unverändert.
Im Anschluss an das erste λ/4 Plättchen 55 ändert sich die Polarisation des Lichtes in eine zirkulare Polarisation, und im Anschluss an das erste Polarisationsteilerprisma 45 sind der Objektstrahl 35 und der Referenzstrahl 36 linear polarisiert, und zwar senkrecht zueinander. Nach dem zweiten λ/4 Plättchen 56 sind der Objektstrahl 35 und der Referenzstrahl 36 zirkular polarisiert, wiederum senkrecht zueinander. Der Objektstrahl 38, der von dem Hologramm zurückkehrt, ist nach dem zweiten Polarisationsteilerprisma 46 linear polarisiert.
Wie zuvor erwähnt, und um die Position des Hologramms 9 zu bestimmen, befindet sich ein Positionierrahmen außerhalb des Datenbereichs auf der holografischen Speicherkarte 1. Wird die Karte 1 eingeführt, misst der Lesekopf die Position des Rahmens 11 und dies wird als Referenzrahmen bei der Verschiebung betrachtet. Die Position der einzelnen aufzunehmenden Hologramme 9 wird relativ zu diesem Rahmen 11 bestimmt, und beim Auslesen wird die Suche nach den anderen aufgenommenen Hologrammen 9 relativ zu dem Rahmen 11 durchgeführt. Dieser Rahmen 11 kann eine nicht-reflektierende Oberfläche in einem reflektierenden Hintergrund besitzen, oder der Rahmen 11 kann reflektierend sein mit einem nicht-reflektierenden Hintergrund. Bei der Suche nach dem Positionierrahmen 11 wird lediglich der zentrale Bereich 60 der SLM 44 verwendet (s. ebenso 4B). Die Pixel in dem zentralen Bereich 60 sind diejenigen, die auf den zentralen Bereich der Phasenmaske 53 abgebildet wurden, d. h. auf dem Bereich, durch den der Referenzstrahl 36 hindurchverläuft. Bei der Suche nach dem Rahmen 11 werden diese Pixel „EIN" geschaltet, d. h. die volle Lichtintensität geht durch diese Pixel hindurch. Da es keine Phasenmodulation in dem zentralen Bereich der Phasenmaske 53 gibt, gibt es einen scharfen Brennpunkt (eine Fourier-Spitze) auf der Karte 1. Dieser Brennpunkt wird durch den beleuchteten zentralen Bereich 60 der SLM 44 bestimmt. Der Durchmesser dieses Brennpunktes beträgt ungefähr 5 bis 10 μm. Die Suche nach dem Rahmen 11 wird mit Hilfe dieses Brennpunktes durchgeführt, und zwar auf die folgende Weise: durch Verschieben des Brennpunktes über den Rahmen 11 hinweg wird die Gesamtintensität, die auf die Detektormatrix fällt, beobachtet. Erreicht der Brennpunkt des optischen Systems den Rahmen 11, nimmt die auf der CCD 54 gemessene Gesamtintensität deutlich zu (oder ab, abhängig vom Design des Rahmens 11 und seinem Hintergrund). Die Position des Rahmens 11 kann mit großer Genauigkeit (±2 μm) bestimmt werden, basierend auf der maximalen Gesamtintensität, die von der CCD-Detektormatrix 54 an verschiedenen Punkten des Mediums 2 auf der Karte 1 gemessen wird.
7 zeigt das optische System eines Lesekopfes, der dazu verwendet wird, um die auf der optischen Karte gespeicherte Information zu lesen. Dieses System unterscheidet sich von demjenigen der 5 in vielfacher Hinsicht. Erstens, es gibt keinen Objektarm, und deshalb gibt es auch keine SLM. Dieses optische System wird lediglich zum Lesen verwendet. Zweitens, ein separater Laser wird für das Positionieren des optischen Kopfes relativ zu dem optischen Medium verwendet.
Der Referenzstrahl 36 wird auf die Hologramme 9 auf ähnliche Weise wie in dem voranstehenden optischen System gekoppelt, d. h. mit Hilfe eines Polarisationsteilerprismas 46, das eine Polarisationsschicht 47 in einem zentralen Bereich 61 besitzt, wobei der zentrale Bereich 61 keine Polarisationseigenschaften besitzt (s. 9).
Das optische System der 7 funktioniert wie folgt:
Das Referenzlasermodul 131 emittiert einen gaussförmigen Strahl, der auf eine geeignete Größe mit Hilfe eines optionalen Strahlaufweiters 132 aufgeweitet werden kann. Dieser Strahl ist in geeigneter Richtung linear polarisiert, so dass der Referenzstrahl 36 auf der Polarisationsschicht 53 des Teilerprismas 45 reflektiert wird. Der Referenzstrahl wird auf die Referenzblende 52 durch die Spiegel 37 und 43 abgelenkt. Die Referenzblende 42 besitzt eine rechtwinkelige Öffnung, andere Formen sind jedoch auch anwendbar. Typischerweise sind zirkulare Blenden ebenso verwendbar.
Der kollimierte Referenzstrahl wird in der Brennebene 153 des Fourier-Objektivs 48 mit Hilfe der sphärischen Linse 52 fokussiert. Im Anschluss an die Linse 52 wird eine planparallele Platte 143 verwendet, um die optische Achse des Referenzstrahls 36 einzustellen. Dies wird dadurch erzielt, dass die planparallele Platte 153 geringfügig gekippt wird. Auf diese Weise kann die optische Achse des Referenzstrahls 36 mit großer Genauigkeit eingestellt werden.
Es gibt eine separate Laserdiode 133, die einzig und allein zum Suchen nach dem Rahmen 11 beim ursprünglichen Aufbau verwendet wird, der unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben wurde. Da der Referenzstrahl 36 nicht auf das Medium 2 der Karte 1 fokussiert ist, bedarf es in Abwesenheit des Objektstrahls einer anderen Lichtquelle, die auf die Ebene des Rahmens 11 durch die Linse 147 fokussiert wird. Eine Blende 151 schränkt die Strahlgröße des Suchstrahls ein.
Der Strahl der Laserdiode 133 ist linear polarisiert, und zwar in geeigneter Richtung, so dass der Suchstrahl 35 durch die Polarisationsschicht 53 des Teilerprismas 45 transmittiert wird.
Der Suchstrahl 35 und der Referenzstrahl 36 werden mit Hilfe des Polarisationsteilerprismas 45 miteinander gekoppelt. Die Polarisationsschicht 53 transmittiert den Suchstrahl 35, während sie den Referenzstrahl 36 zur Karte 1 hin ablenkt.
Der Referenzarm ist als ein optisches 4f-System realisiert, das das Bild der Referenzblende 42 auf die Hologramme 9 abbildet. Das System weist zwei verschiedene Fourier-Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten auf. Das erste Objektiv 52 zwischen der Blende 42 und dem Kopplungsprisma 45 ist eine Linse aus einem Element. Das zweite Objektiv entspricht dem zweiten Objektiv 48 des Objekt/Bildarms des 4f-Systems. Durch geeignete Auswahl der Brennweiten der Fourier-Objektive kann die Referenzblende auf die holografische Karte 1 mit erwünschter Vergrößerung abgebildet werden.
Der Referenzstrahl 36 wird durch das Fourier-Objektiv 28 kollimiert, um eine ebene Wellenfront auf der Karte zu erzeugen. Das Bild der Referenzblende 12 dient als Lochblende auf der Karte.
Im Anschluss an das erste Teilerprisma 45 verlaufen der Suchstrahl 35 und der Referenzstrahl durch das zweite Teilerprisma 46 (der Suchstrahl wird lediglich beim Positionieren verwendet, d. h. wenn der Rahmen 11 gefunden und lokalisiert ist). Der Referenzstrahl wird von dem Hologramm 9 reflektiert, und das in dem Hologramm gespeicherte Bild wird wiederhergestellt bzw. rekonstruiert. Der reflektierte Strahl verläuft nochmals durch das zweite Teilerprisma 46 und wird zur Detektormatrix 54 hin abgelenkt, wenn der Referenzstrahl durch den zentralen Bereich der Polarisationsschicht 57 verläuft. Ein „Relay"-Linsensystem 141 wird verwendet, um die Detektormatrix 54 in einem bequemen Abstand von dem Teilerprisma 46 zu positionieren.
Unterhalb des zweiten Teilerprismas 46 befindet sich eine λ/4-Schicht 56, die eine linear-zirkulare und auf dem Rückweg eine zirkular-lineare Polarisationstransformation durchführt. Folglich ist der Strahl, der das Teilerprisma 46 verlässt, linear polarisiert, und zwar senkrecht zu seiner vorhergehenden Polarisationsrichtung.
Aus dem voranstehend beschriebenen wird ersichtlich, dass es einen separaten Kanal in dem optischen System für den Referenzstrahl 36 gibt, ähnlich dem in 5 gezeigten Aufbau.
Die 8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform eines optischen Systems, das ähnlich dem System der 5 funktioniert. Dies ist ein optisches System, das sowohl einen Objektstrahl 35 als auch einen Referenzstrahl 36 enthält, die Datenquelle allerdings eine Reflexions-SLM 144 ist. Es ist deshalb nicht möglich, den Objektstrahl 36 in das System durch die SLM 144 zu koppeln. Das erste Teilerprisma 45 wird anstelle zu diesem Zweck verwendet. Entsprechend muss der Referenzstrahl 36 in das System an anderer Stelle gekoppelt werden. In der vorgeschlagenen Ausführungsform wird eine Detektormatrix 154 zu diesem Zweck verwendet. Diese Detektormatrix 154 weist eine Öffnung 52 in einem zentralen Bereich auf, durch den der Referenzstrahl 36 hindurch verlaufen kann. Dies entspricht ebenso einem 8f-System, und zwar mit einem räumlichen Filterelement und dem Spiegel 51 in einer der Fourier-Ebenen. In einer Zwischenbildebene befindet sich eine Zufallsphasenmaske 53 mit der gleichen Funktion wie die Maske 53 in 5. Einige Teile der strahlbildenden Optik sind nicht in 8 gezeigt. Die anderen Elemente, die das gleiche Bezugszeichen besitzen, sind hinsichtlich ihrer Funktion identisch zu denjenigen in 5.
Die Detektormatrix 154 kann mit vier einzelnen rechtwinkeligen Detektoren 154A bis D verwirklicht sein, und zwar in der in 11 gezeigten Konfiguration.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Das Datenspeichermedium kann eine Scheibe oder ein Band anstelle der Karte sein, und das Datenidentifizierungsverfahren gemäß der Erfindung kann genauso mit einer nicht holografischen optischen Datenspeicherung verwendet werden. Die zweidimensionale Datenquelle und der zweidimensionale Detektor können eine Anzahl von geeigneten alternativen Ausführungsformen besitzen, die dem Fachmann ersichtlich sind, z. B. eine Mikrospiegel-Vorrichtung als Datenquelle, oder ein CMOS Detektor als Detektormatrix. Das Kennfeld muss nicht in einer Ecke des Benutzerdatenfeldes liegen, sondern kann sich in einer zentralen Position befinden. Die für die räumliche Filterung in der weiteren Fourier-Ebene verwendete Blende kann unterschiedliche Formen besitzen, z. B. kann sie rechtwinkelig, insbesondere quadratisch, oder zirkular, hexagonal sein oder eine andere komplexe Form besitzen.

Claims

Verfahren zum Auslesen von Daten aus einem optischen Datenspeichermedium, bei dem ein Bild einer Datenquelle mit einer zweidimensionalen Matrixstruktur in einem Hologramm in einem optischen Medium aufgenommen wird, so dass Daten mit Datenmarkierungen, die mindestens zwei Zustände besitzen, codiert werden, wobei die Datenmarkierungen von der Datenquelle mit einem Verfahren erzeugt werden, das die folgenden Schritte aufweist: a) Codieren der aufzunehmenden Daten mit einer Codierung, die die unmittelbare Aufeinanderfolge von Daten mit identischen Zuständen oberhalb einer vorbestimmten Anzahl verhindert, b) Definieren von Kennfeldern und Datenfeldern vorbestimmter Größe und Position in der Datenquellenmatrix, wobei die Kennfelder Kenndatenmarkierungen und die Datenfelder Benutzerdatenmarkierungen enthalten, c) Bestimmen der Größe des Kennfeldes derart, dass die Codierung keine solche Datengruppen innerhalb eines Datenfeldes erzeugt, die Datenmarkierungen enthalten, welche hinsichtlich ihrer Größe und ihres Zustandes identisch zu den Kenndatenmarkierungen des Kennfeldes sind, und d) Auffüllen der Kennfelder mit Kenndatenmarkierungen, die identische Zustände besitzen, und Wiederherstellen des Bildes der Datenquelle während des Auslesens mit einem optischen Verfahren, Detektieren des wiederhergestellten Bildes mit einem zweidimensionalen Detektor, der Detektorpixel besitzt, und Auslesen der Daten aus dem wiederhergestellten Bild mit Hilfe der Kennmarkierungen auf dem detektierten Bild, wobei nach den Kennfeldern gesucht und ihre Position bestimmt wird, und Bestimmen der Position der Felder, die die Datenmarkierungen enthalten, relativ zu der Position der Kennfelder, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des weiteren die Schritte aufweist: Berechnen anhand der Position der Kennfelder, die Lage jener Detektorpixel, die den Datenmarkierungen der Datenfelder zugeordnet sind, Abrufen der gespeicherten Daten anhand der Datenmarkierungen mit einem Detektorpixel in den berechneten Pixellagen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Datenmarkierungen in dem Medium als ein Bild eines einzelnen Datenquellen-Matrixelements aufgenommen werden, und wobei eine Datenmarkierung mindestens zwei mit Hilfe einer Grauskallierung codierte Datenbits enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Pixel des Detektors entlang einer Achse derart ausgewählt ist, dass sie ein Vielfaches der Anzahl der Matrixelemente der Datenquelle ist, und ein Feld der Detektorpixel, das einem Matrixelement der Datenquelle zugeordnet ist, identifiziert wird, und ein Wert, der über ein Detektorpixel oder mehrere Pixel in einem zentralen Bereich des so identifizierten Feldes detektiert wird, als der Auslesewert angesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Anzahl der Pixel des Detektors entlang einer Achse das Zwei- bis Fünffache der Anzahl der Matrixelemente der Datenquelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach den Kennfeldern mit Hilfe eines Korrelations-Bestimmungsverfahrens gesucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hologramme, die die Daten enthalten, von einem Rahmen umgeben sind, mit den Schritten: zunächst Suchen nach dem Rahmen, und Suchen nach den Kennfeldern, die die exakte Position der Hologramme relativ zu einem vorbestimmten Punkt des Rahmens identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Suchstrahl dadurch erzeugt wird, indem Bildpunkte der Datenquelle auf das Speichermedium fokussiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Auslesen mit einem optischen System durchgeführt wird, umfassend: eine Zufallsphasenmaske zum zumindest teilweise Neutralisieren der Fourier-Spitzen, die durch die Periodizität der Datenquelle und eine Beugung der Apertur der Datenquelle hervorgerufen werden, wobei die Phasenmaske einen zentral gelegenen Bereich aufweist und in diesem Bereich keine Phasenmodulation stattfindet, und einen Polarisationsstrahlteiler, wobei der Strahlteiler eine Polarisationsschicht aufweist und die Polarisationsschicht einen mittleren Bereich aufweist, der keine Polarisations- und/oder Teilereigenschaften besitzt, und das Verfahren ferner den Schritt des Richtens des Suchstrahles durch den mittleren Bereich der Phasenmaske und den mittleren Bereich der Polarisationsschicht aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Positionierrahmen in eine Fourier-Ebene des optischen Systems des Suchstrahles platziert wird, und wobei das Kreuzen des Positionierrahmens dadurch detektiert wird, indem die Gesamtintensität des reflektierten Suchstrahles überwacht und eine abrupte Änderung der überwachten Intensität detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kennfelder derart eng aneinander angeordnet sind, so dass eine Bildverzerrung zwischen zwei benachbarten Kennfeldern nicht größer als ein Interpolationsfehler ist, und wobei die Interpolation die Lage der Detektorpixel bestimmt, die den Bildpunkten zugeordnet sind.