WO2000057409A1 - Verfahren und vorrichtung zum auslesen von holographisch gespeicherten informationen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum auslesen von holographisch gespeicherten informationen Download PDF

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    • G11—INFORMATION STORAGE
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    • G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
    • G11C13/042—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam using information stored in the form of interference pattern
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/004—Recording, reproducing or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G11B7/0065—Recording, reproducing or erasing by using optical interference patterns, e.g. holograms

Definitions

  • the invention relates to a method for reading out holographically stored information with the features of the preamble of claim 1 and a device with the features of the preamble of claim 3
  • information i.e. analog image information or digital data
  • This information is mainly stored in magnetic memories such as tapes, floppy disks and hard disks, but also with CD-ROMs and magneto optical discs holographic storage media is basically also possible
  • the size of the data stored on a data carrier of the type mentioned is approximately less than 100 gigabytes
  • the storage medium is very long-term stable and insensitive to electromagnetic Influences and high temperatures, which can be up to about 120 ° C.
  • the suitable devices are technically very complex
  • EP 0 817 201 A2 discloses a method for reading out holographically stored data, in which a page indicator which is stored in addition to the holographic data is read out and displayed on the camera.
  • the imaging accuracy of the page indicator is a measure of the quality of the entire hologram read out and the evaluation of the hologram is only carried out when the imaging accuracy of the page indicator exceeds a predetermined limit value
  • the storage medium mounted on the turntable is modified in such a way that the intensity of the transmitted part of the beam is minimized and the information is read out from the deflected part of the beam by means of a camera
  • the further configuration of the device is characterized in that the change in the position of the storage medium, which must be carried out very quickly, but which at the same time requires short distances, is carried out by the piezo elements, the extent of which can be changed very quickly, but only slightly their extent can be changed
  • Another embodiment of the invention is characterized in that, in contrast to an analog device, the processing of the information from the intensity measurement can be carried out according to very complex algorithms
  • a further embodiment of the invention results from joining together a plurality of storage media or crystals, the number of which can reach the order of magnitude of 100 or more, as a result of which the amount of information or data stored is increased many times over.
  • the beam or laser beam is masked out in the storage media not queried Since the beam or laser beam is faded in and out electronically, the access time to the individual pieces of information is not increased or is increased only very slightly
  • Fig. 1 Schematic representation of the device for reading out the information from a crystal.
  • Fig. 2 representation of the turntable with crystal.
  • Fig. 3 representation of the turntable from a viewing direction perpendicular to
  • Fig. 4 arrangement of several assembled crystals.
  • Fig. 5 circuit diagram for the interaction of the components of the control
  • Fig. 6 representation of the operation of the control and regulating device.
  • Fig. 1 shows schematically the individual components and their interaction when reading data from a crystal.
  • the laser 1 generates a laser beam which passes through a ⁇ / 2 plate 2, a polarizer 3, a beam expansion and spatial frequency filtering 4 until it is reflected by the mirror 5. Then it passes through the aperture 6 and, as a prepared laser beam 10, reaches the crystal 14 which is attached to the turntable 7.
  • the crystal In the crystal, it is divided into a transmitted portion of the laser beam 11 and a diffracted portion of the laser beam 12, which contains the information.
  • the deflected portion of the laser beam 12 is recorded by a CCD camera 8.
  • the camera 8 converts the signals contained in the deflected portion of the laser beam 12 into electronically represented signals which are read out via the connection for the computer 21.
  • the connection for computer 21 is a standard interface which is common for computers and CCD cameras. The essential parts of this arrangement are known.
  • the transmitted portion of the laser beam 11 strikes an intensity measuring device 9, which converts the intensity of the beam into an electrical signal, which represents the magnitude of the intensity 23.
  • the size of the intensity 23 is used for the actuators that are given by the 3 piezo elements 16 and the stepper motor 15 so that the size of the intensity becomes a minimum.
  • FIG. 2 shows the representation of the turntable 7 with crystal 14.
  • the turntable 7 is rotated in the direction of rotation 13 by the stepping motor 15 in such a way that the area in which the information to be queried is pre-selected is made in the crystal.
  • the individual crystals are additionally faded in and faded out.
  • the size of the intensity 23 is changed by changing the piezo elements 16 and slightly changing the stepping motor 15.
  • FIG. 3 shows the representation of the turntable from a viewing direction that is perpendicular to the viewing direction of the representation in FIG. 2.
  • FIG. 5 shows the circuit diagram for the interaction of the components of the control and regulating device.
  • the transmitted portion of the laser beam 11 is detected by the intensity measuring device 9. This information is passed on to the control and regulating device 19 via the signal line for the intensity of the transmitted portion 18.
  • the programs in the control device 19 can be changed via the connection 22.
  • the control and regulating device is a microcomputer which is additionally equipped with the necessary signal converters.
  • the piezo elements 16 are adjusted via the connections of the piezo elements 21, and the stepper motor 15 is adjusted via the lines to the stepper motor control 20.
  • the mode of operation of the control and regulating device 19 is shown in FIG. 6.
  • the size of the intensity 23 is dependent on all 4 manipulated variables which are given by the three piezo elements 16 and the stepper motor 15.
  • the size of the intensity 23 is shown as a function of a manipulated variable 24.
  • the calculator determines the intensity values for settings 1 - 26 and settings 2 - 27 and other settings. As long as it determines values for the size of the intensity 23 and calculates new settings from these values until the minimum of the intensity 25 is reached for all manipulated variables 20. This minimum of the intensity 25 of the transmitted portion of the laser beam 11 ensures the error-free representation of the information in the deflected portion of the laser beam 12.

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  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslesen von holographisch gespeicherten Informationen aus einem Speichermedium, insbesondere Kristall, bei dem das technische Problem, das Auslesen mit sehr geringen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen, mit geringem Aufwand und gleichzeitig fehlerfrei zu ermöglichen, dadurch gelöst ist, daß ein aufbereiteter Strahl (10) kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch das die Information enthaltende Speichermedium (14) gesendet wird, daß die Intensität des transmittierten Anteils (11) des Strahles (10) gemessen wird und daß mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung (19) die Lage des auf einem Drehtisch (7) gelagerten Speichermediums (14) so verändert wird, daß die Intensität des transmittierten Anteils (11) des Strahles (10) minimiert wird und die Information aus dem abgebeugten Anteil (12) des Strahles (10) mittels einer Kameravorrichtung (8) ausgelesen wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Auslesen von holographisch gespeicherten Informationen
Die Erfindung betrifft ein Ver ahren zum Auslesen von holographisch gespeicherten Informationen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 3
In der kommerziellen aber auch in der technischen Datenverarbeitung werden Informationen, also analoge Bildinformationen oder digitale Daten in großen Mengen gespeichert Die Speicherung dieser Informationen erfolgt im wesentlichen in Magnetspeichern wie Bandern, Disketten und Festplatten aber auch mit CD-ROMs und Magneto Optical Discs Die Speicherung in holographische Speichermedien ist grundsätzlich auch möglich
Bei der Speicherung der Informationen bzw Daten in Magnetspeichern, wie Bändern, Disketten und Festplatten, tritt leicht ein Datenverlust ein Dieser Datenverlust tritt schon durch die Zeit der Lagerung ein, da sich die magnetischen Eigenschaften des Materials im Laufe der Zeit ändern Aus diesem Grunde müssen diese Datenspeicher nach etwa 6 Jahren ausgelesen und wieder neu beschrieben werden Die Einrichtung hat nur eine sehr geringe elektromagnetische Verträglichkeit Magnetfelder wie sie durch handelsübliche Magnete oder durch Strome erzeugt werden, reichen aus, die Daten zu loschen oder zu verandern und damit unbrauchbar zu machen Auch erhöhte Temperaturen, wie sie bei Lagerung unter Sonneneinwirkung entstehen, reichen bereits aus die Daten zu verandern Aus diesem Grunde ist ein hoher technischer und organisatorischer Aufwand zum Schutz der Datenträger notwendig
Auch neuere CD-Roms garantieren nur eine Datensicherheit bis zu 20 oder 30 Jahren
Bei höheren Temperaturen tritt ein Verlust von Daten auch bei diesen Datenträgern ein Die Größenordnung der gespeicherten Daten auf einem Datenträger der erwähnten Art liegt bei etwa unter 100 GigaByte
Bei größeren Datenmengen sind daher mehrere Träger erforderlich, was einen zusätzlichen Aufwand sowohl an Soft- und Hardware beim Auslesen der Daten erfordert
Auch ein Speichern und Auslesen von Daten, welche holographisch in Speichermedien beliebigen Materials, wie bspw in Kristallen oder in organischen oder anorganischen photorefraktiven Materialien gespeichert sind, ist grundsätzlich möglich Das Speichermedium ist sehr langzeitstabil und unempfindlich gegen elektromagnetische Einflüsse und hohe Temperaturen, die etwa bis 120° C betragen können Die dazu geeigneten Einrichtungen sind technisch sehr aufwendig
Beim Einlesen der Informationen bzw Daten ist es unter anderem erforderlich, die auf die Einrichtung wirkenden Schwingungen zu minimieren, wie dies nur durch bauliche Maßnahmen wie Anordnung in einem Keller und aufwendigen Fundamenten möglich ist Das Auslesen der Informationen bzw Daten ist leicht fehlerhaft, da selbst geringste Veränderungen in der Lage der Speichermedien zu einer Veränderung der Intensitäten von transmittierten Anteilen und entsprechenden Anteil im abgebeugten Teil des Strahles fuhrt
Derartige Einrichtungen sind in US 5,812,288, EP 0 817 201 , GB 2,326,735, EP 0 632 348, US 5,007,690, US 5,519,651 , US 5,727,226 beschrieben Alle diese Einrichtungen sind entweder sehr empfindlich und erfordern bei großen Datenmengen eine hohe Stuckzahl verschiedener Datenträger oder sind bei holographischer Datenspeicherung sehr aufwendig zu realisieren und beim Auslesen der Daten fehlerhaft
Weiterhin ist aus der US 5,822,263 A ein Verfahren zum Auslesen holographisch gespeicherter Informationen bekannt, bei dem der Auslesestrahl mit Hilfe eines drehbar gelagerten Reflektors auf einen Kristall gelenkt wird Durch die Einstellung des Drehwinkels des Reflektors wird der Einfallswinkel des Auslesestrahls eingestellt
Aus der EP 0 817 201 A2 ist schließlich ein Verfahren zum Auslesen von holographisch gespeicherten Daten bekannt, bei dem ein zusätzlich zu den holographischen Daten abgespeicherter Seitenindikator ausgelesen und auf der Kamera abgebildet wird Die Abbildungsgenauigkeit des Seitenindikators ist ein Maß für die Qualltat des gesamten ausgelesenen Hologramms und das Auswerten des Hologramms wird erst dann durchgeführt, wenn die Abbildungsgenauigkeit des Seitenindikators einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt
Es besteht mithin die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die nur sehr geringe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen stellen, geringen Aufwand erfordern und gleichzeitig ein fehlerfreies Auslesen der gespeicherten Daten ermöglichen
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 sowie durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 3 gelöst Ein aufbereiteter Strahl aus kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit beliebiger Wellenlänge, vorzugsweise ein Laserstrahl, wird durch das die Information enthaltende Speichermedium, vorzugsweise Kristall, gesendet, die Intensität des transmittierten Anteils des Strahles wird gemessen und mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung wird die Lage des auf einem Drehtisch gelagerten Speichermediums so verändert, daß die Intensität des transmittierten Anteils des Strahles minimiert wird und die Information aus dem abgebeugten Anteil des Strahles mittels einer Kamera ausgelesen wird
Die weitere Ausgestaltung der Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Veränderung der Lage des Speichermediums, die sehr schnell vorgenommen werden muß, die jedoch gleichzeitig geringe Wegstrecken erfordert, durch die Piezoelemente vorgenommen werden, die in ihrer Ausdehnung sehr schnell veränderbar sind, aber nur gering in ihrer Ausdehnung veränderbar sind
Die Änderung der Drehrichtung ist nicht so schnell, jedoch mit einer großen Formänderung erforderlich Sie wird mit einem Schrittmotor vorgenommen der nicht so schnell wie die Piezoelemente ihre Lange den Drehwinkel des Tisches vom Anfangs- bis Endwert ändert, durch dessen Verstellung jedoch eine große Formänderung möglich ist
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Verarbeitung der Information aus der Intensitatsmessung im Gegensatz zu einer analogen Einrichtung nach sehr komplexen Algorithmen vorgenommen werden kann
Bei der Suche eines Minimums des Meßwertes bei vier veränderbaren Stellgroßen, die durch die drei Piezoelemente und den Schrittmotor gegeben sind, sind komplexe Algorithmen erforderlich Der Mikrorechner wird so ausgelegt, daß die Programme ohne Aus- und Einbau von Speichern durch einen zusätzlichen Anschluß veränderbar sind Besonders effektiv ist diese Informationsverarbeitung wenn sie in Form von neuronalen Netzen erfolgt
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch Zusammenfugen von mehreren Speichermedien, bzw Kristallen, deren Anzahl die Größenordnung von 100 oder mehr erreichen kann, wodurch die gespeicherte Informations- bzw Datenmenge um ein Vielfaches erhöht wird Der Strahl bzw Laserstrahl wird bei den nicht abgefragten Speichermedien ausgeblendet Da das Ein- und Ausblenden des Strahls bzw Laserstrahls elektronisch erfolgt, wird die Zugπffszeit auf die einzelnen Informationen nicht oder nur sehr geringfügig erhöht
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen und Funktionsdarstellungen näher erläutert.
Fig. 1 Schematische Darstellung der Vorrichtung zum Auslesen der Informationen aus einem Kristall.
Fig. 2 Darstellung des Drehtisches mit Kristall.
Fig. 3 Darstellung des Drehtisches aus einer Blickrichtung senkrecht zur
Blickrichtung der Darstellung in Fig. 2.
Fig. 4 Anordnung von mehreren zusammengefügten Kristallen.
Fig. 5 Schaltplan für das Zusammenwirken der Komponenten der Steuer- und
Regeleinrichtung.
Fig. 6 Darstellung der Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch die einzelnen Komponenten und deren Zusammenwirken beim Auslesen von Daten aus einem Kristall.
Der Laser 1 erzeugt einen Laserstrahl, der eine λ/2 Platte 2, einen Polarisator 3, eine Strahlaufweitung und Raumfrequenzfilterung 4 durchläuft, bis er von dem Spiegel 5 reflektiert wird. Anschließend durchläuft er die Blende 6 und erreicht als aufbereiteter Laserstrahl 10 den Kristall 14, der auf dem Drehtisch 7 angebracht ist.
In dem Kristall wird er in einen transmittierten Anteil des Laserstrahles 11 und in einen abgebeugten Anteil des Laserstrahles 12, der die Information enthält, aufgeteilt. Der abgebeugte Anteil des Laserstrahles 12 wird von einer CCD-Kamera 8 aufgenommen. Die Kamera 8 wandelt die im abgebeugten Anteil des Laserstrahles 12 enthaltenen Signale in elektronisch dargestellte Signale um, die über den Anschluß für Rechner 21 ausgelesen werden. Der Anschluß für Rechner 21 ist eine bei Rechnern und CCD- Kameras übliche Standard-Schnittstelle. Die wesentlichen Teile dieser Anordnung sind bekannt.
Der transmittierte Anteil des Laserstrahles 11 trifft auf ein Intensitätsmeßgerät 9, das die Intensität des Strahles in ein elektrisches Signal, welches die Größe der Intensität 23 darstellt, umformt.
Erfindungsgemäß wird die Größe der Intensität 23 dazu verwendet die Stellglieder, die durch die 3 Piezoelemente 16 und den Schrittmotor 15 gegeben sind, so zu verändern, daß die Größe der Intensität ein Minimum wird.
In Fig. 2 ist die Darstellung des Drehtisches 7 mit Kristall 14 angegeben. Durch den Schrittmotor 15 wird der Drehtisch 7 in Drehrichtung 13 so gedreht, daß eine Vorauswahl des Bereiches in dem die abzufragende Information steht in dem Kristall erfolgt. Bei Verwendung von mehreren zusammengefügten Kristallen 17 wie in Fig. 4 angegeben, wird zusätzlich eine Ein- und Ausblendung der Einzelkristalle vorgenommen.
Durch Veränderung der Piezoelemente 16 und geringe Veränderung des Schrittmotors 15 wird die Größe der Intensität 23 verändert.
In Fig. 3 ist die Darstellung des Drehtisches aus einer Blickrichtung angegeben, die senkrecht zur Blickrichtung der Darstellung in Fig. 2 ist.
In Fig. 5 ist der Schaltplan für das Zusammenwirken der Komponenten der Steuer- und Regeleinrichtung angegeben.
Der transmittierte Anteil des Laserstrahles 11 wird durch das Intensitätsmeßgerät 9 erfaßt. Über die Signalleitung für die Intensität des transmittierten Anteiles 18 wird diese Information an die Steuer- und Regeleinrichtung 19 weitergegeben. Die Programme in der Regeleinrichtung 19 können über den Anschluß 22 verändert werden. Die Steuer- und Regeleinrichtung ist ein Mikrorechner der zusätzlich mit den notwendigen Signalwandlern ausgerüstet ist.
Über die Anschlüsse der Piezolemente 21 werden die Piezolemente 16, über die Leitungen zur Schrittmotoransteuerung 20 wird der Schrittmotor 15 verstellt.
Die Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinrichtung 19 ist in Fig. 6 dargestellt.
Die Größe der Intensität 23 ist abhängig von allen 4 Stellgrößen, die durch die drei Piezolemente 16 und den Schrittmotor 15 gegeben sind.
Dargestellt ist die Größe der Intensität 23 in Abhängigkeit von einer Stellgröße 24.
Der Rechner ermittelt Werte der Intensität bei Einstellung 1 - 26 und Einstellung 2 - 27 und weiteren Einstellungen. Er ermittelt solange Werte für die Größe der Intensität 23 und errechnet aus diesen Werten neue Einstellungen bis das Minimum der Intensität 25 für alle Stellgrößen 20 erreicht ist. Dieses Minimum der Intensität 25 des transmittierten Anteils des Laserstrahles 11 sichert die fehlerfreie Darstellung der Information im abgebeugten Anteil des Laserstrahles 12.

Claims

Patentansprüche:
1 Verfahren zum Auslesen von holographisch gespeicherten Informationen aus einem Speichermedium, insbesondere Kristall, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufbereiteter Strahl (10) kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch das die Information enthaltende Speichermedium (14) gesendet wird, daß die Intensität des transmittierten Anteils (11 ) des Strahles (10) gemessen wird und daß mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung (19) die Lage des auf einem
Drehtisch (7) gelagerten Speichermediums (14) so verändert wird, daß die Intensität des transmittierten Anteils (11 ) des Strahles (10) minimiert wird und die Information aus dem abgebeugten Anteils (12) des Strahles (10) mittels einer Kameravorrichtung (8) ausgelesen wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Drehtisch (7) mittels eines Schrittmotors (15) gedreht und die Lage des Speichermediums (14) auf diesem Drehtisch (7) durch Piezokπstalle (16) verändert wird
3 Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahren zum Auslesen von holographisch gespeicherten Daten aus einem Speichermedium, insbesondere Kristall, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit einem die holographische Information enthaltenden Speichermedium (14) und mit einer Kameravorrichtung (8) zum Auslesen der Informationen aus dem abgebeugten Anteil (12) eines Strahles (10) kohärenter elektromagnetischer
Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Speichermedium (14) tragender Drehtisch (7) vorgesehen ist, daß ein Intensitatsmeßgerat (9) zum Messen der Intensität des transmittierten
Anteils (11) des Strahles (10) vorgesehen ist und daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (19) für eine Veränderung der Lage des auf dem Drehtisch gelagerten Speichermediums (14) in Abhängigkeit von der
Intensität der transmittierten Anteils (11) des Strahles (10) vorgesehen ist
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drehtisch (7) drei Piezokπstalle (16) angeordnet sind, die untereinander den gleichen Abstand haben und jeweils die Lage des die Informationen enthaltenden Speichermediums (14) in senkrechter oder in einer Richtung, die vorzugsweise höchstens 2° von der Senkrechten abweicht, verändern.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinrichtung (19) aus einem Mikrorechner besteht, der die gemessene Intensität des transmittierten Anteils (11 ) des Strahles (10) verarbeitet und dessen Ausgang die Signale sind, die die Lage des die Informationen enthaltenden Speichermediums (14) verändern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm des Mikrorechners während des Betriebes veränderbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Programm vollständig oder teilweise aus neuronalen Netzen besteht oder aus Programmteilen besteht, in denen neuronale Netze simuliert werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das holographische Speichermedium aus mehreren zusammengefügten Speichermedien, insbesondere Kristallen (14) besteht, die holographischen Informationen enthalten.
PCT/EP2000/002254 1999-03-17 2000-03-15 Verfahren und vorrichtung zum auslesen von holographisch gespeicherten informationen WO2000057409A1 (de)

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