WO2009063073A1 - Verfahren zur detektion/zur erzeugung einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium, vorrichtung zum detektieren und system zum erzeugen einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium - Google Patents

Verfahren zur detektion/zur erzeugung einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium, vorrichtung zum detektieren und system zum erzeugen einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium Download PDF

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WO2009063073A1
WO2009063073A1 PCT/EP2008/065602 EP2008065602W WO2009063073A1 WO 2009063073 A1 WO2009063073 A1 WO 2009063073A1 EP 2008065602 W EP2008065602 W EP 2008065602W WO 2009063073 A1 WO2009063073 A1 WO 2009063073A1
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WO
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holograms
focusing unit
storage layer
radiation
storage medium
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Application number
PCT/EP2008/065602
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English (en)
French (fr)
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Susanna Orlic
Enrico Dietz
Christian Müller
Sven Frohmann
Jens Rass
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Technische Universität Berlin
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Publication date
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    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/26—Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique
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    • G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
    • G03H2001/0415—Recording geometries or arrangements for recording reflection holograms

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting or generating a plurality of holograms, a device for detecting and a system for generating a plurality of holograms. More particularly, the present invention relates to a micro-holographic data memory, a device for reading micro-holographic interference gratings and a method for the Generation and / or read-out of micro-holographic interference gratings. Furthermore, a new method for multiplexing the micro-holograms is proposed, which makes a new dimension available for micro-holographic data storage.
  • the micro-holographic method for data storage known from DE 101 34 769 A1 and DE 10 2007 004 025.5 is based on the generation of microscopically small diffraction gratings in a storage layer.
  • two strongly focused laser beams are oppositely superimposed within the photosensitive layer.
  • the constructive interference of the two beams then leads to a light intensity modulation, which is converted in the memory material into a corresponding spatial variation of the refractive index.
  • the grid detection and thus the data recovery done by only one of the two beams is radiated into the storage medium and reflected there on the written micro-grids.
  • the diffraction of the one beam (reading beam) at the lattice planes of a micro-holographic grating leads to the reconstruction of the other beam used for writing the micro-grating (signal beam).
  • the multiplexing of many data layers in a relatively "thick" storage medium with a few hundred micrometers layer thickness is also possible because the refractive index modulation in the Writing micro-grids takes place only in a small volume area of the storage medium.
  • the micrographs arise in discrete volume elements whose dimensions are comparable to the focal area of the focused beam. This means that they have a clearly limited extent both transversely in a depth plane and longitudinally in the depth of the storage medium.
  • the transverse extent is approximately comparable to the wavelength of light while the longitudinal extent or depth of a micro-grating is approximately the Rayleigh length of the light beam (Gaussian) and also a few wavelengths long.
  • the concept of multilayer storage is based on this depth limitation of the micro-grating, which makes it possible to deposit many clearly separated data layers over a total thickness of a few hundred micrometers distributed and without crosstalk (Cross Talk) read again.
  • a diffraction-limited mapping is used when the performance of an optical system is limited only or at least significantly by the physical effect of the diffraction, but not by design or manufacturing defects.
  • There are different ways to determine if an optical system is diffraction limited for example, by calculating and measuring optical path length difference OPD, Strehl ratio, RMS radius, RMS OPD, standard deviation, and others. Due to the different criteria, it is possible that an optical system according to one of the aforementioned methods is classified as "diffraction-limited", but not as "diffraction-limited” according to another of the aforementioned methods.
  • an image is considered to be "diffraction-limited” if the RMS radius of the geometrically-optical image is smaller than the Airy Disk radius
  • the Airy disk ATRY 0.61
  • ⁇ A Radius is defined as ⁇ A, where ⁇ is the wavelength of the light imaged by the optical system (or the center wavelength of the coherent light source used) and NA is the numerical aperture.
  • NA The numerical aperture (NA) is a dimensionless quantity and characteristic squares the angular range within which an optical system can image or actually image light.
  • the numerical aperture is defined as follows: NA - n - smC ) - n 1 SlIl ( J where n 'is the refractive index of the material in the image plane (in the case of the micro-holographic data memory, ie
  • Refractive index of the polymer and ⁇ is the image-side angle of the marginal ray to the optical axis.
  • the minimum possible focus radius (airy disk radius) or focus diameter is determined by the wavelength of the light to be focused and the marginal beam inclination of the focused laser beam realized by the optics used.
  • the edge beam in the sense of the present invention is understood to be that beam which is not yet cut off or vignetted by the aperture stop of the system . If the diameter of the irradiated laser beam is smaller than the aperture, ie if no laser radiation is cut off or vignetted at the aperture stop, the edge beam in the sense of the present invention is understood to be that beam whose intensity is 1% of the maximum intensity (Gaussian distribution of the Intensity). If the diameter of the irradiated laser beam is the same as the aperture, the marginal beam of the laser radiation contacts exactly the aperture diaphragm.
  • the RMS radius (or RMS spot radius) is the root mean square (radial mean square). That is, the distance between each ray and a reference point (optical axis or centroid of all rays) is squared, then averaged over all rays and then the square root drawn.
  • a reference point optical axis or centroid of all rays
  • the size of the RMS radius depends on the selection of the rays through the system.
  • the RMS radius is determined by the fact that, via the aperture, 5 rings a 10 beams (linear radial and .alpha With the focusing of parallel rays (as in the present case), the 5 rings are arranged equidistantly between the marginal ray and the optical axis (ie the first ring is located) on the optical axis, the fifth ring is located at the radial distance of the Edge rays from the optical axis and second to fourth ring are distributed equidistantly in between).
  • the 10 rays per ring are circumferential, so each distributed at an angle of 36 ° to each other.
  • the rays of the individual rings run on radial straight lines from the center point to the outside, ie in each case 5 rays of the individual 10 rings can be connected by radial (star-shaped) lines. It is therefore necessary according to the prior art to correct the opening error occurring during focusing in the data carrier in order to realize aberration-free, diffraction-limited laser focus spots in the storage medium which lead to the light-induced formation of the micro-grating. This requirement for error-free, diffraction-limited optical imaging of the laser beam in the storage medium is retained even during reading, since these are submicron-sized structures which are to be scanned with the reading beam. The detection process thus also takes place at the diffraction limit, the reading beam spot in focus must not be greater than the focal beam spots of the writing beams.
  • the correction of the spherical aberration known aperture error can already be considered in the design of the objective lens.
  • the thickness to be corrected changes with the depth position of the respective data plane or with the position of the laser focus when writing and reading information in this data plane.
  • the layer thickness is defined here as the distance between the outer surface of the data carrier up to the current data layer.
  • the storage layer is formed by a photosensitive layer (photopolymer layer) having a thickness of between 0.05 mm and 1.5 mm, which is surrounded on both sides by substrates having a thickness of between 0.1 mm and 1.2 mm.
  • the layer thickness is then defined as the distance between the outer surface of the substrate facing the light source (laser) to the focus in the photosensitive layer (current data layer).
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus (system) for generating and detecting a plurality of holograms, which achieves a high storage density with relatively inexpensive optical components and a simplified control.
  • the inventive method and the device according to the invention should have a lower susceptibility to mechanical influences.
  • the inventive method for generating a plurality of holograms comprises the following method steps: Provision of a storage medium with a storage layer whose refractive index undergoes a change upon irradiation of electromagnetic radiation, focusing and opposing superimposition of electromagnetic radiation of a light source such that in a predetermined spatial position the memory layer forms an interference pattern due to the opposite superposition and in the focus in areas of constructive interference leads to a greater refractive index change than in areas of destructive interference, and due to the change in refractive index a hologram is generated with a plurality of layers with alternating refractive index, wherein in the storage layer successively Variety of holograms are generated in different lateral positions and at different depths of the storage layer, wherein the lateral extent the foci of the holograms in different depths of the memory layer is varied according to the invention (ie the radiation is focused into the different depths of the memory layer with a different aperture error).
  • the depth of a focal point (focus) in the storage layer is understood to be the position along the direction of light propagation in which a convergent beam (or a convergent wavefront) has a minimal lateral extent and then diverges.
  • a lateral extent of a focal point (also ray bundle, wavefront) is understood as the maximum extent perpendicular to the light propagation direction, in which the light intensity is greater than a predetermined value of the maximum light intensity in the focus (which regularly occurs in the center).
  • the lateral extent of a focal point is the maximum extent perpendicular to the light propagation direction at which the light intensity is greater than 20% (more preferably 10% and more preferably 3%) of the maximum light intensity.
  • the light intensity along the direction of light propagation regularly forms the form of a so-called caustic, the depth of a focus being understood to be the position along the light propagation direction in which the caustic has the smallest lateral extent.
  • the holograms thus produced comprise a plurality of layers of alternating refractive index preferably in the form of a so-called caustic, the depth of a hologram in the data layer being defined by the depth (i.e., position along the light propagation direction) of the center of the hologram.
  • the idea of the invention is, under certain conditions, to dispense with an adapted correction (diffraction-limited focusing) with a constant high data density. That is, both the storage density in individual data layers and the number of layers can remain high, although the system no longer operates with diffraction-limited laser beam spots.
  • the essence lies in the opposite arrangement of the two lenses or writing beams with a reflection unit for generating the directly returning in itself beam.
  • a laser beam passes twice in different propagation directions the focusing lens. For each pass, the propagation through a certain distance within the storage medium will result in the corresponding aperture error.
  • a method for micro-holographic data storage is proposed, in which the resulting aberration of the laser beams is not corrected, but the spherical aberration is much more deliberately used.
  • the radiation is focused into the different depths of the storage layer with a different aperture error.
  • the radiation is preferably focused and counterimposed in such a way that the ratio between the lateral extent of the focus of a hologram at a first depth and the lateral extent of the focus of a second hologram in a second, different depth of the memory layer is greater than 1.1, more preferably greater than 1.5 , more preferably greater than 2, more preferably greater than 4 and even more preferably greater than 7.
  • a different aperture error spherical aberration
  • the lateral extensions of the foci in a data layer are preferably the same.
  • the radiation is focused and counter-propagated such that the foci of adjacent holograms within a plane perpendicular to the optical axis overlap at least partially (preferably more than 10% of their lateral extent, more preferably 20%, even more preferably 50%). It is also preferred that a plurality of adjacent holograms overlap at least partially (preferably more than 10% of their lateral extent, more preferably 20%, even more preferably 50%). Due to the overlap of adjacent holograms, the storage density can be as high or even higher, despite larger focal diameter (due to the accepted opening error), as if diffraction-limited holograms (elaborate optics) side by side (not overlapping) are used.
  • the radiation of the light source used is not spatially modulated to produce the holograms.
  • no modulator for spatial modulation is arranged between the light source used (preferably laser) and the memory layer.
  • the radiation of the light source used to generate multiple holograms is modulated in time (by corresponding on-off, and light and dark keys). In other words, it is not spatially modulated but only temporally modulated.
  • the data is preferably written bit by bit purely serially in the form of micro-holograms - in the case of page-by-step storage, the writing and reading takes place in parallel (typically some 100 kb-1 Mb per data page).
  • the disk moves during the exposure time by a distance (or a rotation angle) which is comparable to or greater than the lateral extent of the micro-grids
  • it is preferred to set the intensity during the writing of a Hologram vary in time.
  • the idea is to use a coding similar to CD / DVD / BluRay, ie to vary the length of the micro-gratings and thus to encode the data.
  • the laser must be modulated in time, since the speed of the storage medium is largely constant on this short time scale.
  • the intensities of the counter-superimposed radiation are selected such that the extent of the holograms, at which the refractive index difference of alternating layers at the edge is 50% of the refractive index difference of alternating layers in the center, is between 1 ⁇ m and 50 ⁇ m along the optical axis.
  • a first focusing unit is used for focusing, which is designed to focus the light of a radiation source in the storage layer
  • a compensation unit is used which is designed to the light focused by the first focusing and divergent after the first focal point propagating light
  • a back reflector is used to reflect the collimated light such that the reflected light from the back reflector is refocused by the optical compensation unit into the storage layer at a second focus, the first focus and the second focus being laterally and axially at least partially (preferably completely or at least 90% of the lateral extent) overlay.
  • the refractive power of the first focusing unit and the refractive power of the compensation unit are kept constant in the staggered generation of holograms at different depths of the memory layer and the resulting aperture error. This corresponds to the lateral extent of a hologram to the depth of the hologram in the storage layer.
  • the first focusing unit, the compensation unit and the back reflector are tuned to the thickness of the optical storage medium such that the light coming from the radiation source, striking the first focusing unit, after passing through the first focusing unit, the storage layer, the compensation unit, subsequent reflection on Rear reflector, re-passage through the compensation unit, the storage layer and the first focusing unit, congruent or substantially congruent in itself is reflected back.
  • the clou is therefore not to tune (optical) the optical components to a diffraction-limited focusing in all data layers (high effort), but merely to tune to the total thickness of the storage layer (non-variable) such that the focused (out-of-focus), passing back through the storage layer, back-reflected and again counter-focused light (rear-focus) is congruent or substantially congruent with the initially focused light, ie, outward focus and rear focus are superimposed.
  • This is done when using a plane mirror or retrograde Reflector as a back reflector then achieved when the compensation unit collimated error-free, that is focused parallel to the propagating light focused by the focusing and divergent behind the focus again.
  • compensation unit and focusing unit must be set (optimized) to the total thickness of the storage layer, but need not be changed in their respective overall refractive power at different depths of focus (data layers), that is, it is not necessary to move a plurality of refractive surfaces relative to each other. As a result, lower requirements are placed on the optical components.
  • the focusing and the counter-overlapping with a numerical aperture greater than 0.2 are adapted to the total thickness of the storage layer in such a way that the RMS radii of the oppositely superimposed light beams within the storage layer satisfy the following condition: 0.25 ⁇ -- ⁇ 4, where RMS is HIN
  • RMS radius of the focused radiation and RMS RU c ⁇ is the RMS radius of the counter-superimposed radiation in focus.
  • a plurality of holograms with different aberrations are successively generated and superposed on each other.
  • at least two holograms are successively generated and superimposed, with the RMS radius of the focused radiation differing by at least 10% (preferably at least 100%) when generating the two holograms.
  • Another aspect of the invention relates to a new multiplexing method for micro-holographic data storage. With the storage method according to the invention as described above, a novel multiplexing technique can be used, which is referred to as a berrationsmultiplexing.
  • the dependence of the generated interference pattern on the local aberration of the two write beams is used as the unique identification of each hologram. If the aberration of the rays is changed, their specific field distribution and consequently the shape and distribution of the induced hologram lattice planes change as well.
  • the spatial selectivity of such holograms during detection opens up the possibility of writing many holograms (with different aberrations) in one and the same memory position and then being able to reconstruct them separately.
  • a first thickness-variable plane-parallel plate is arranged between the focusing unit and the storage medium, and a second thickness-variable plane-parallel plate is arranged between the compensation unit and the storage medium, wherein at least two holograms are generated one after another at a predetermined depth (z) of the storage layer and are superimposed on one another. and wherein the sum of the optical thickness of the storage medium and the first and second plane-parallel plates is kept constant, and the optical thickness of the first plane-parallel plate is varied for each of the superimposed holograms.
  • the inventive method for detecting a multiplicity of holograms has the following method steps: generating a multiplicity of holograms in different spatial positions of the storage layer, irradiating and focusing radiation of a light source onto a hologram in a predetermined spatial position of the storage layer, detection of the hologram reconstructed Wavefront by means of a photosensitive detector, wherein the wavefront reconstructed by the hologram is focused onto a confocal filter by means of a second focusing unit, wherein for the lateral extent d L of the opening of the confocal filter
  • NA NA is the numerical aperture of the second focusing unit.
  • the method according to the invention is preferably used for the detection of a multiplicity of holograms in connection with storage media which have been described by the method according to the invention for producing a large number of holograms.
  • the idea of the invention consists in being able to clearly discriminate the holograms that are partly overlapping due to the different aberrations during readout.
  • the stored hologram now correctly reconstructs the corresponding other laser beam with correct illumination.
  • a confocal filter is used in the detector branch which only allows a significant amount of light to pass through when the read-out hologram is illuminated as written (meeting the Bragg condition). It achieves nearly the same spatial resolution as achieved with "perfect" (diffraction-limited, non-overlapping) micro-holograms generated with fully aperture-corrected lenses.
  • the focused radiation used to generate a hologram has the same or substantially the same aberrations as the focused radiation used to detect the hologram.
  • the RMS radius of the focused radiation used to generate the hologram and the RMS radius of the focused radiation used to detect the hologram differ by less than 2%.
  • the device according to the invention for detecting a multiplicity of holograms in a storage medium comprises: a radiation source, a recording medium for receiving a storage medium with a storage layer, the refractive index of which undergoes a change upon irradiation of electromagnetic radiation, a first focusing unit, which is configured to emit the light Focusing radiation source on a hologram of a storage layer held by the receiving means, wherein the first focusing unit and the focal point formed by the first focusing define a first optical axis, and the first focusing unit and the storage layer are movable relative to each other along the first optical axis, a Beam splitter, which is arranged on the first optical axis between the radiation source and the first focusing unit and formed such that the reconstructed by a hologram wavefront after passing through the first Fo kussier GmbH is deflected into an optical axis different from the first optical axis, and a photodetector, wherein between the beam splitter and the photodetector
  • NA NA and NA is the numerical aperture of the radiation emitted by the radiation source and incident on the confocal filter.
  • a second optical focusing unit is provided between the beam splitter and the confocal filter, and the confocal filter is arranged at the focal point of the second optical focusing unit, wherein for the lateral extent d L of the opening of the confocal filter the condition:
  • NA NA is the numerical aperture of the second optical focusing unit.
  • d L the lateral
  • NA NA optical focusing unit formed by a single lens and / or the confocal filter is formed by the entrance facet of the photodetector.
  • the second focusing optical unit, the confocal filter opening and the photodetector define a second optical axis, and the confocal filter is movable along the second optical axis.
  • the system according to the invention for generating a multiplicity of holograms in a storage medium comprises: a radiation source, a storage medium with a storage layer whose refractive index undergoes a change upon irradiation of electromagnetic radiation, a first focusing unit which is designed to convert the light of the radiation source into a first Focal point within the memory layer, a compensation unit configured to collimate the light focussed by the first focusing unit and diverging after the first focal point, a back reflector for reflecting the collimated light such that reflector is refocused by means of the optical compensation unit in the storage layer into a second focal point, wherein the first focal point and the second focal point at least partially overlap, wherein the first focusing unit and the focal point generated by the first focusing define a first optical axis, and both the first focusing unit and the compensation unit are designed to be movable along the first optical axis, and wherein the refractive power of the first focusing unit and the refractive power of the compensation unit are constant or substantially constant in
  • the first focusing unit and / or the compensation unit are formed by a single lens (particularly preferably by aspheric a single lens).
  • a lens is understood, of the refractive surfaces of which at least one surface is non-spherical, that is not spherical.
  • all (both) refractive surfaces are non-spherical, ie aspherical.
  • the refractive surfaces are rotationally symmetrical.
  • an aspherical surface is understood to mean a rotationally symmetrical surface shape which is defined by a polynomial of the shape
  • f (h) -I-.
  • f (h) is the arrow height or z-coordinate along the optical axis
  • h is the distance perpendicular to the optical axis
  • R is the peak radius
  • k is the conic constant
  • A4, A6, etc. are the aspherical parameters. At least one of the aspheric parameters A4, A6 must be non-zero in order for an aspherical surface shape to result.
  • a single lens is understood to mean a lens having two outer rotationally symmetrical, refractive surfaces whose spacing is not variable relative to one another. In between, preferably only an optical material with a refractive index greater than 1 is present. However, it is also possible that further refracting surfaces (putty lens) are arranged between the outer refracting surfaces. However, the spacing of all refracting surfaces is fixed, i. not variable.
  • the distance between the first focusing unit and the compensation unit is constant or substantially constant along the optical axis at all focal depths.
  • the compensation unit and the first focusing unit are tuned to the thickness of the optical storage medium such that the radiation of the light source is completely collimated after passing through the first focusing unit, the storage medium and the compensation unit.
  • a first variable-thickness plane-parallel plate and between the compensation unit and the storage medium a second The thickness of the storage medium, the thickness of the first plane-parallel plate and the thickness of the second plane-parallel plate is kept constant and the thickness of the first plane-parallel plate for superimposing different aberration-holograms in the same position is varied.
  • FIG. 1 shows an inventive device for detecting a plurality of holograms in a storage medium, in a schematic sectional view
  • FIG. 1a shows an alternative embodiment of an inventive device for detecting a plurality of holograms in a storage medium, in a schematic sectional representation
  • FIG. 2 shows a system according to the invention for generating a multiplicity of holograms in a storage medium, in a schematic sectional representation
  • FIG. 3 shows a system according to the invention for generating and detecting a multiplicity of holograms in a storage medium, in a schematic sectional representation
  • FIG. 4 shows a system according to the invention for generating and detecting a multiplicity of holograms in a storage medium, with thickness-variable plane-parallel plates for aberration multiplexing, in a schematic sectional representation
  • 5a shows the intensity of the Gaussian beam, focused with NA 0.75 with correction of the aperture error on focus depth in a schematic representation
  • 6a shows the wave field of the Gaussian beam according to FIG. 5a, focused with NA 0.75 with correction of the aperture error on focus depth in a schematic representation
  • 6b shows the wave field of the Gaussian beam according to FIG. 5b, focused with NA 0.75 without correction of the aperture error on focus depth (200 ⁇ m focus offset of precorrected depth) in a schematic representation
  • Fig. 7 a Gaussian grid of two counter-rotating beams with correction of the aperture error
  • Focus depth 200 ⁇ m focus offset of pre-corrected depth
  • 8a is a schematic illustration of aberration multiplexing using a Gaussian grating of two counter-rotating beams with a focus offset of +150 ⁇ m to the pre-corrected depth;
  • FIG. 8b shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of wave fronts of FIG. 8b
  • FIG. 9a shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of a Gaussian grating composed of two counter-rotating beams with a focus offset of +50 ⁇ m to the pre-corrected depth in a schematic representation
  • FIG. 9b shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of wavefronts of FIG. 9b
  • FIG. 10b shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of wave fronts of FIG. 10b
  • 1a shows the illustration of aberration multiplexing using a Gaussian grating of two counter-rotating beams with a focus offset of -50 ⁇ m to the pre-corrected depth in a schematic representation
  • FIG. 11 b shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of wavefronts of FIG. 11 b
  • FIG. 12 a shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of a Gaussian grating of two counter-propagating beams with a focus offset of -150 ⁇ m to the pre-corrected depth in a schematic representation
  • FIG. 12b shows the illustration of aberration multiplexing on the basis of wavefronts of FIG. 12b
  • FIG. 13 shows a system according to the invention for generating a multiplicity of holograms in a storage medium, with a plane-parallel plate for aberration multiplexing, in a schematic sectional representation
  • FIG 14 shows a system according to the invention for generating a multiplicity of holograms in a storage medium, with two thickness-variable plane-parallel plates for aberration multiplexing, in a schematic sectional view, and FIG 15 shows a thickness-variable plane-parallel plate for aberration multiplexing, in a schematic sectional view.
  • FIG. 3 shows a holographic data memory according to the invention for generating and for detecting a plurality of holograms in a storage medium, in a schematic sectional illustration.
  • the holographic data memory comprises a diode laser 10, a beam splitter 8, a ⁇ / 4 plate 9, a focusing unit 1, a compensation unit 2, a back reflector 4, a further focusing unit 5, a confocal filter 6 and a photodetector 7.
  • the storage medium 3 is arranged, which itself need not necessarily be part of the data memory.
  • the combination of data storage and storage medium 3 is understood as a system for data storage.
  • the beam splitter 8 and the ⁇ / 4 plate 9 are not essential (merely advantageous) components of the holographic data memory according to the invention.
  • the task of the beam splitter 8 (from element 10 via elements 8, 9 via elements 1, 3, 2, 4 and again elements 2, 3) is to control the writing beam path and the reading beam path (from element 10 via elements 8, 9 via elements 1, 3 and again elements 3, 1, 9, 8 and elements 5, 6, 7).
  • a separation can also take place via other optical configurations.
  • the elements 5, 6, 7 are not needed.
  • elements 2 and 4 are not needed.
  • the devices of Figures 1 and 1a show devices that are only suitable for reading holograms.
  • Figure 2 shows a device (not elements 5, 6, 7) which is only suitable for generating holograms.
  • the devices of Figures 3 and 4 can both generate and read holograms.
  • the reference numerals in FIGS. 1-4 always show the same elements.
  • a hologram For generating a hologram (FIGS. 2-4), light of the laser diode 10 is focused into the storage layer 3 by means of the focussing unit 1 (preferably an aspherical single lens) and then diverges again.
  • the compensation unit 2 preferably an aspherical single lens
  • the divergent light is again collimated, i. parallelization.
  • the light impinges on the back reflector 4 and is completely reflected back into itself and then focused by means of the compensation unit 2 again in the storage layer 3 (rear-focus) and superimposed in opposite directions with the outward focus.
  • an interference pattern is formed, which leads to a refractive index modulation in the memory layer 3.
  • the grid thus generated (refractive index modulation) is a hologram.
  • the optical beam path is corrected in such a way that the lens 5 (aperture-error-free and preferably diffraction-limited (or nearly diffraction-limited: RMS radius smaller than twice the Airy Disk radius) focuses on the pinhole diaphragm 6 (confocal filter) happen that the subsystem consisting of 1, 2, 3 and 4 is constructed such that the laser beam after passing (ie from left to right through 1, 3 and 2, then reflected at 4 and again by 2, 3 and 1 in opposite This is achieved, for example, by the fact that 1 and 2 in their sum correct the spherical aberration generated by 3.
  • the laser beam is free of aberration before 1 and after 2, although within the focus in FIG Aberration is present and thus aberrationsbehaftete holograms are generated.
  • the material in the resulting field distribution is stored in a hologram.
  • the beam path can somi t later reconstructed during read-out and the light reflected at the hologram can thus pass the confocal filter 6 almost diffraction-limited and be registered with the detector 7.
  • the laser beam after passing through the subsystem of 1, 2, 3 and 4 retains a remaining spherical aberration, which is then corrected by 5.
  • the total beam shaping at the pinhole of the confocal filter 6 diffraction-limited (or almost diffraction-limited: RMS radius is less than twice the Airy Disk radius).
  • the wavefronts are stored in an area (storage medium 3) of the entire beam path from the laser 10 to the detector 7, where there is a clear aberration. Since the beam is subsequently corrected as completely as possible on the further path to the detector 7, virtual aberration-free holograms are obtained with almost the resolution actually aberration-free.
  • the confocal filter 6 is essential and ensures discrimination of holograms that partially overlap due to aberration. This also makes it possible to generate a plurality of separately readable aberration states in the same volume element in the memory material 3. Since the size of the filter aperture 6 influences the resolution, it is to be as small as possible (smaller than the Airy disk diameter), but so large that a quantity of light sufficient for detection reaches the detector 7. In confocal laser microscopy, filter sizes between 0.25x and 1x Airy diameter are used. Below 0.25 Airy, there is virtually no improvement in the resolution more (diffraction limit).
  • a polarizing beam splitter 8 and a lambda / 4 plate 9 is advantageous since, when the holograms are read out, almost the entire quantity of light reflected on them reaches the detector 7.
  • the polarizing beam splitter 8 and the lambda / 4 plate 9 are to be oriented so that the predominantly linearly polarized light of the laser 10 takes the path to the photodetector 7.
  • a device as shown in Fig. 2-4 is used, the components 5, 6, 7 are not required.
  • the reflector 4 is eliminated or rendered ineffective - for example by means of a shutter; the lens 2 is also dispensable.
  • the essence lies in the opposite arrangement of the two lenses 1, 2 and writing beams with a reflection unit 4 for generating the returning beam.
  • a laser beam passes through the focusing lens 1, 2 twice in different propagation directions. In each pass, the propagation through a certain distance within the storage medium 3 will result in the corresponding aperture error.
  • a method for micro-holographic data storage is proposed, in which the resulting aberration of the laser beams is not corrected, but much more purposefully used.
  • the focusing lenses 1, 2 need only be designed so that they sum in their total to correct the aperture error caused by the total material thickness of the storage layer 3. In this case, each of the two lenses 1, 2 corrects a part of the opening error caused by the data carrier 3.
  • an individual lens 1 is used to focus the laser beam into the polymer (storage layer 3), which has a noticeable aperture error at different depths, but according to the invention a second single lens 2 is arranged behind the polymer (storage layer 3), the second single lens 2 is formed such that the divergent radiation passing through the polymer (storage layer 3) collapses without error.
  • the radiation is focused by a reflective element 4 on the second Einzellinse 2 back into the, whereby by the inventive design of the lenses 1, 2 (albeit open-defect) very accurate superposition of both foci can be achieved.
  • a standing wave is produced, which causes a corresponding change in refractive index in the polymer (storage material 3), whereby a hologram (opening-faulty) can be generated in a defined manner.
  • the invention differs from other, uncorrected systems in that according to the invention, although the focus is not corrected or not completely corrected with respect to the aperture error, however, the radiation after passing through both individual lenses 1, 2 propagates without errors, as a result of which the foci subject to the opening error can be superimposed congruent.
  • a fixed correction of the spherical aberration can also be found in conventional optical storage systems (CD / DVD / BluRay), since here too an aperture-defect-causing disk substrate is imaged.
  • Such an objective can generally be implemented as a single lens, which on the one hand reduces production costs to a minimum and on the other hand leads to a very lightweight objective.
  • Low weight is essential for fast movement through a servo system based on fast voice coil actuators to maintain focus depth position and track the data track in a rapidly rotating disk. With appropriate dimensioning of substrate thicknesses of the holographic disk, it is even possible to use exactly the same lenses to use as they are used in the current conventional storage systems.
  • the interference pattern generated by the two writing beams is no longer stored in the common aberration-free focus of the two beams in the form of a micro-grating.
  • the data storage now takes place in a depth position in which there are no diffraction-limited beam focus spots due to the resulting spherical aberration.
  • the resulting interference pattern in the region of the narrowest constriction of the two beams is stored in the storage medium 3 as a hologram.
  • Decisive here is that in the special beam path with opposite writing beams, the position of the storage medium 3 between the lenses 1, 2 has almost no effect on the aperture error of the decoupled to the detector 7 beam.
  • the rays outside the region between the two focusing objectives 1, 2 remain aberration-free even when the storage medium 3 is displaced axially, since the aperture error is always corrected by the complementary objective.
  • the opening error corrections of the lenses 1, 2 in their total correspond to the total storage medium thickness 3 (in other words, the first single lens 1, the plane-parallel plate (the storage medium 3 including any substrates present) and the second Single lens 2 for parallel light aberration-free, ie parallel incident rays are parallel again after passing through).
  • the stored hologram now correctly reconstructs the corresponding other laser beam with correct illumination.
  • a confocal filter 6 is used in the detector branch, which allows a significant amount of light to pass only when the reading hologram is illuminated as written (meeting the Bragg condition). It achieves nearly the same spatial resolution as we achieve with "perfect" micro-holograms generated with fully aperture-corrected lenses.
  • the main difference to conventional micro-gratings lies in the size and shape of the three-dimensional lattice structure.
  • the optical resolution of the storage method is not lost, although the hologram structure is very large compared to diffraction-limited micro-gratings. This large aberration-distorted structure is exactly bound to a focus area of the write beam that is only a few hundred nanometers wide and changes location-dependently with each displacement in the transverse and longitudinal direction.
  • the higher diffraction efficiency makes the holograms easier to detect, so that the error rate can be reduced by an increased signal-to-noise ratio. Moreover, with sufficiently high diffraction efficiency, the laser beam energies required for writing can be reduced. With lower exposure energies per writing process, the limited dynamic range of the storage medium is less stressed and can therefore be used more efficiently for multiplexing techniques, so that higher multiplexing rates can be achieved with the method according to the invention.
  • Another aspect of the invention relates to a new multiplexing method for micro-holographic data storage ( Figures 4, 13-15).
  • a novel multiplexing technique known as aberration multiplexing can be used.
  • the dependence of the generated interference pattern on the local aberration of the two write beams is used as the unique identification of each hologram. If the aberration of the rays is changed, their specific field distribution and consequently the shape and distribution of the induced hologram lattice planes change as well.
  • the spatial selectivity of such holograms when detecting opens up the possibility of writing many holograms in one and the same memory position and then being able to reconstruct them separately.
  • both lenses 1, 2 together always have to correct the same total aperture error, but the ratio of the individual correction components of the two lenses 1, 2 can be changed.
  • This change leads to the creation of holograms that differ in their shape.
  • Each particular setting of the lenses 1, 2 leads to a clearly defined local field distribution of the laser beams, which can be represented as aberrated wavefronts. If such wavefronts are superimposed on the two writing beams, a complex spatial modulation of the refractive index, which is greatly degenerated by the aberration in comparison to normal micro-gratings according to the prior art, results. This modulation represents a hologram that is now clearly defined by the aberration of the wavefronts.
  • many such holograms can be superimposed or spatially multiplexed in one and the same volume element.
  • the required selectivity of the holograms corresponds to the classical Bragg selectivity of thick volume holograms. Only if the wavefronts of the reading beam aberration correctly overlap with the lattice planes of a hologram, the Bragg condition is satisfied. This then results in a high efficiency of diffraction of the reading beam on the hologram, which further corresponds to a high level of the read signal.
  • This multiplexing technique opens up the fifth dimension for micro-holographic data storage, since in addition to three spatial dimensions and the spectrum of light as the fourth dimension, the wavefront aberration space is also available for multiplexing.
  • FIG. 8-12 demonstrate the aberration multiplexing: On the left are the Gaussian grids of two counter-rotating beams, on the right the wavefronts of the reading beam (not to scale).
  • FIG. 8: Storage layer 3 is too close to first objective 1 ( ⁇ z -150 ⁇ m)
  • FIG. 9: Storage layer 3 is displaced in the direction of the corrected position / corrected layer thickness ( ⁇ z -50 ⁇ m).
  • FIG. 11 shows the same displacement of the substrate as in FIG. 9, but away from the first lens 1.
  • Fig. 12 same displacement of the substrate as in Fig. 8, but away from the first lens 1.
  • the aberration multiplexing can be practically implemented by a controlled change of the aperture errors generated by the two lenses 1, 2.
  • the dynamic change of the aperture errors of the two beams can be effected, for example, by correction plates 1 1, 12 (FIGS. 4, 13-15), which are respectively inserted between objective 1, 2 and disk 3.
  • An introduced thicker correction plate 11, 12 on the one side of the disk 3 is compensated by a correspondingly thinner on the other side of the disk, so that the total optical thickness remains constant (FIGS. 13, 14).
  • FIG. 13 shows a system according to the invention for generating a large number of holograms in a storage medium, with a plane-parallel plate for aberration multiplexing, in a schematic sectional representation.
  • a simple correction plate 11 is alternately arranged in the beam path between the lens 1 and the storage medium 3 from both sides of the medium to superimpose two data layers with different aberration holograms and record in one and the same depth position.
  • an optical thickness-variable correction component 1 1 is arranged to the aberration of Beams stepless and electronically controllable to vary.
  • variable thickness component 11 (12) is preferably realized as a compressible component.
  • a preferred realization is to arrange a liquid 13 between two thin plane plates 14 and to make the two plane plates 14 movable relative to each other, so that the thickness of the component 11, 12 can be varied.
  • the thickness-variable component 11, 12 may be fixedly arranged in the optical system.
  • the thickness change of Compressible component is realized by suitable electromechanical actuators (electromagnetic, piezo, electrostatic).
  • the task solution is that the two thin plane plates 14 are designed to be movable relative to each other. Due to the elastic regions 15, the liquid 13 located between the plane plates 14 can escape or re-flow. Alternatively, a solid, compressible material such as rubber or gelatin may be used, the thickness of which is then varied.
  • An important advantage of this solution is that in addition to the lenses 1, 2, only one further optical element is present in the beam path. It is particularly advantageous that the thickness of such an element 11, 12 by applying a current or an electric field (electromagnetic, piezo, electrostatic) can be varied. As a result, the number of mechanically moved components is reduced to a minimum, thus increasing the reliability of such a system. Furthermore, very fast switching times can be achieved because of the control via the electric field.
  • the path length of the compression is on the order of magnitude in the range of the focal depth range, ie in the range of 50-500 micrometers.
  • the variation of the thickness can be effected, for example, by magnetized region (which can be arranged in the edge region of the plane plates 14) and electrical contacts.
  • the faceplates 14 When an electrical field is applied across the electrical contacts (each disposed on one of the faceplates 14 - e.g., ITO contacts), the faceplates 14 are pressed against each other and the excess portion of the liquid 13 is forced into the elastic regions 15.
  • the thickness can be controlled by the strength of the electric field. If the field strength is reduced, the liquid 13 located in the elastic regions 15 again moves into the region between the plane plates 14 and the thickness increases. Of course, a number of other means of varying the thickness are possible.
  • variable-thickness component adopts the setting of the degree of aberration in multiplexing.
  • the sum of the thicknesses of both correction elements 11 (FIG. 14) and 11, 12 (FIG. 4) is constant.
  • the practical realization of a micro-lographic storage system is greatly simplified. Furthermore, the storage capacity can be increased. Aberrated holograms can also improve the security of the data from unauthorized access because they can only be read with laser beams of correct aberration. Therefore, the method according to the invention is suitable for holographic security technology for the identification of objects and persons or for the protection of stored contents through restricted access.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion bzw. zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung (System) zur Erzeugung und Detektion einer Vielzahl von Hologrammen anzugeben, das eine hohe Speicherdichte bei vergleichsweise preiswerten optischen Komponenten und einer vereinfachten Ansteuerung erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium weist folgende Verfahrensschritten auf: Bereitstellen eines Speichermediums mit einer Speicherschicht (3), deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, Fokussieren und gegenläufiges Überlagern von elektromagnetischer Strahlung einer Lichtquelle (10) derart, dass sich in einer vorgegebenen räumlichen Position (x, y, z) der Speicherschicht (3) aufgrund der gegenläufigen Überlagerung ein Interferenzmuster ausbildet und im Fokus in Bereichen konstruktiver Interferenz zu einer stärkeren Brechzahländerung als in Bereichen destruktiver Interferenz führt, und aufgrund der Brechzahländerung ein Hologramm mit einer Vielzahl von Schichten mit alternierender Brechzahl erzeugt wird, wobei in der Speicherschicht (3) nacheinander eine Vielzahl von Hologrammen in unterschiedlichen lateralen Positionen (x, y) und in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht (3) erzeugt werden, wobei die laterale Ausdehnung der Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht (3) variiert wird.

Description

Verfahren zur Detektion/zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, Vorrichtung zum Detektieren und System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion bzw. zur Erzeugung einer Vielzahl von Hologrammen, eine Vorrichtung zum Detektieren und ein System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen mikroholographischen Datenspeicher, eine Vorrichtung zum Auslesen mikroholographischer Interferenzgitter und ein Verfahren zur Erzeugung und/oder zum Auslesen von mikroholographischen Interferenzgittern. Des Weiteren wird ein neues Verfahren zum Multiplexen der Mikrohologramme vorgeschlagen, das eine neue Dimension für die mikroholographische Datenspeicherung verfügbar macht.
Das aus DE 101 34 769 A1 und DE 10 2007 004 025.5 bekannte mikroholographische Verfahren zur Datenspeicherung basiert auf der Erzeugung von mikroskopisch kleinen Beugungsgittern in einer Speicherschicht. Für die Gittererzeugung und das Schreiben von Information werden zwei stark fo- kussierte Laserstrahlen innerhalb der photoempfindlichen Schicht gegenläufig überlagert. Die konstruktive Interferenz der beiden Strahlen führt dann zu einer Lichtintensitätsmodulation, welche im Speichermaterial in eine entsprechende räumliche Variation des Brechungsindex umgesetzt wird. Die Gitterdetektion und damit die Datenrückgewinnung geschehen, indem lediglich einer der beiden Strahlen in das Speichermedium eingestrahlt und dort an den geschriebenen Mikrogittern reflektiert wird. Die Beugung des einen Strahls (Lesestrahl) an den Gitterebenen eines mikroholographischen Gitters führt hierbei zur Rekonstruktion des anderen zum Schreiben des Mikrogitters verwendeten Strahls (Signalstrahl).
Das Konzept zur hochkapazitiven mikroholographischen Datenspeicherung basiert auf zwei Prämissen: Zum einen soll die Flächendatendichte einer Einzelebene durch physikalische Lokalisierung der Mikrogitterabmessungen maximiert werden. Zum anderen wird diese "einfache" Datendichte unter Verwendung geeigneter Multiplexverfahren mehrfach erhöht. In den o.g. Patentanmeldungen sind zwei verschiedene Multiplextechniken beschrieben -Wellenlängenmultiplexing und Tiefenmultiplexing als eine Art des räumlichen Multiplexing. Während die technologische Umsetzung des Multiplexen im Spektralbereich zusätzliche Laser erfordert, liegt der wichtigste Vorteil der mikroholographischen Vo- lumenspeicherung gegenüber der konventionellen optischen Flächendatenspeicherung (CD/DVD/Blu- Ray) in der Möglichkeit, Information in vielen, untereinander liegenden Datenebenen (Layers) statt nur einer einzelnen zu speichern. Ein wichtiger Vorteil bei der Implementierung des Tiefenmultiplexing oder der Multilayer Speicherung liegt darin, dass die Umsetzung dieses Verfahrens keine signifikante Erweiterung des optoelektronischen Systems impliziert.
Das Multiplexen vieler Datenebenen in einem relativ „dicken" Speichermedium mit einigen hundert Mikrometern Schichtdicke wird ebenfalls dadurch möglich, dass die Brechungsindexmodulation beim Schreiben von Mikrogittern nur in einem kleinen Volumenbereich des Speichermediums stattfindet. Infolge der longitudinalen Intensitätsverteilung eines stark fokussierten Lichtstrahls entstehen die Mik- rogitter in diskreten Volumenelementen deren Abmessungen mit dem fokalen Bereich des fokussierten Strahls vergleichbar sind. Dies bedeutet, dass sie sowohl transversal in einer Tiefenebene als auch longitudinal in der Tiefe des Speichermediums eine klar begrenzte Ausdehnung aufweisen. Unter Verwendung beugungsbegrenzter Laserstrahlen zum Schreiben der Mikrogitter ist die transversale Ausdehnung etwa mit der Lichtwellenlänge vergleichbar während die longitudinale Ausdehnung oder Tiefe eines Mikrogitters annähernd durch die Rayleigh-Länge des Lichtstrahls (nach Gauß) gegeben und ebenfalls wenige Wellenlängen groß ist. Das Konzept der Multilayer Speicherung beruht auf dieser Tiefen begrenzung der Mikrogitter, die es möglich macht, viele klar getrennte Datenschichten über eine Gesamtdicke von einigen hundert Mikrometer verteilt abzulegen und ohne Übersprechen (Cross Talk) wieder auszulesen.
Zusammen mit der Prämisse, die Speicherdichte einzelner Datenebene durch die räumliche Lokalisierung der Modulation zu maximieren, führt dies zur Anforderung, den Laserstrahlspot im Fokusbereich so klein wie möglich abzubilden. Dieselbe Anforderung hat die Entwicklung der CD und DVD Technologie geprägt und letztendlich in einem Arbeitsregime am optischen Auflösungslimit resultiert. Aufgrund der konzeptuellen Ähnlichkeit führt dies in der technologischen Realisierung des mikroholographischen Verfahrens ebenfalls zur Notwendigkeit, die Größe des Laserfokusspots im Bereich der Mikrogittererzeugung beugungsbegrenzt zu minimieren. Dies wird erreicht, indem der Laserstrahl von beiden Seiten beugungsbegrenzt in die photoempfindliche Schicht fokussiert wird. Die dreidimensionale Gitterlokalisierung ist dann direkt von der Fokusgröße des Schreibstrahls abhängig. Beim Auslesen sollen die erzeugten Gitter fehlerfrei detektiert werden, d.h. der Lesestrahl muss dieselbe beu- gungsbegrenzte Fokusgröße aufweisen.
Von einer beugungsbegrenzten Abbildung wird gesprochen, wenn die Leistung eines optischen Systems lediglich oder zumindest maßgeblich durch den physikalischen Effekt der Beugung, nicht jedoch durch Mängel im Design oder in der Herstellung begrenzt ist. Es gibt unterschiedliche Methoden festzustellen, ob ein optisches System beugungsbegrenzt ist, beispielsweise durch Berechnung und Messung der optischen Weglängendifferenz OPD, des Strehl-Verhältnisses, des RMS Radius, der RMS OPD, der Standardabweichung und weitere. Aufgrund der unterschiedlichen Kriterien ist es möglich, dass ein optisches System nach einer der vorgenannten Methoden als „beugungsbegrenzt", jedoch nach einer anderen der vorgenannten Methoden nicht als „beugungsbegrenzt" eingestuft wird.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Abbildung als „beugungsbegrenzt" angesehen, wenn der RMS Radius der geometrisch optischen Abbildung kleiner als der Airy-Disk-Radius ist. Der Airy-Disk- rATRY = 0.61
Radius ist definiert als ^A , wobei Λ die Wellenlänge des durch das optische System abgebildeten Lichts (bzw. die Zentralwellenlänge der verwendeten kohärenten Lichtquelle) und NA die numerische Apertur ist. Die numerische Apertur (NA) ist eine dimensionslose Größe und charakteri- siert den Winkelbereich, innerhalb dessen ein optisches System Licht abbilden kann oder tatsächlich abbildet. Die numerische Apertur ist wie folgt definiert: NA — n - smC) — n 1 SlIl(J wobei n' die Brechzahl des Materials in der Bildebene (im Fall des mikroholographischen Datenspeichers also die
Brechzahl des Polymers) und σ der bildseitige Winkel des Randstrahls zur optischen Achse ist. Mit anderen Worten wird durch die Wellenlänge des zu fokussierenden Lichts und die durch die verwendeten Optiken realisierte Randstrahlneigung des fokussierten Laserstrahls der aufgrund der Beugung minimal mögliche Fokusradius (Airy-Disk-Radius) bzw. Fokusdurchmesser festgelegt.
Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls größer als die Apertur, wird also Laserstrahlung an der Aperturblende abgeschnitten bzw. vignettiert, so wird als Randstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung wird derjenige Strahl verstanden, der gerade noch nicht durch die Aperturblende des Systems abgeschnitten bzw. vignettiert wird. Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls kleiner als die Apertur, wird also keine Laserstrahlung an der Aperturblende abgeschnitten bzw. vignettiert, so wird als Randstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung wird derjenige Strahl verstanden, dessen Intensität 1 % der Intensität im Maximum (Gauß-Verteilung der Intensität) entspricht. Ist der Durchmesser des eingestrahlten Laserstrahls gleich als die Apertur, kontaktiert der Randstrahl der Laserstrahlung genau die Aperturblende.
Als RMS Radius (oder auch RMS Spot Radius) im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die root- mean-square (quadratische Mittelung) Radialgröße bezeichnet. D.h., der Abstand zwischen jedem Strahl und einem Referenzpunkt (optische Achse oder Schwerpunkt aller Strahlen) wird quadriert, dann über alle Strahlen gemittelt und danach die Quadratwurzel gezogen. Wie bereits erwähnt, wird ein optisches System als „beugungsbegrenzt" angesehen, wenn der RMS Radius kleiner als der Airy- Disk-Radius ist. Die Größe des RMS Radius hängt von der Auswahl der durch das System hindurchzurechnenden Strahlen ab. So ist es möglich, dass ein optisches System nach einer bestimmten Strahlenauswahl als „beugungsbegrenzt" und nach einer anderen Strahlenauswahl nicht als „beugungsbegrenzt" angesehen wird. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird der RMS Radius dadurch bestimmt, dass über die Apertur 5 Ringe a 10 Strahlen (linear radial und bezogen auf den unlaufenden Winkel gleichmäßig) verteilt werden. Dabei werden die Strahlen über die Apertur möglichst gleichverteilt. Bei der Fokussierung paralleler Strahlen (wie im vorliegenden Fall) werden die 5 Ringe äquidistant zueinander zwischen Randstrahl und optischer Achse angeordnet (d.h. der erste Ring befindet sich auf der optischen Achse, der fünfte Ring befindet sich in der radialen Entfernung der Randstrahlen von der optischen Achse und zweiter bis vierter Ring sind dazwischen äquidistant verteilt). Die 10 Strahlen je Ring sind umlaufend, also je mit einem Winkel von 36° zueinander verteilt. Die Strahlen der einzelnen Ringe verlaufen auf radialen Geraden vom Mittelpunkt bis nach außen, d.h. jeweils 5 Strahlen der einzelnen 10 Ringe können durch radiale (sternförmige) Linien verbunden werden. Es ist daher nach Stand der Technik notwendig, den beim Fokussieren in den Datenträger auftretenden Öffnungsfehler zu korrigieren, um im Speichermedium aberrationsfreie, beugungsbegrenzte Laserfokusspots zu realisieren, die zur lichtinduzierten Entstehung der Mikrogitter führen. Diese Anforderung an eine fehlerfreie, beugungsbegrenzte optische Abbildung des Laserstrahls im Speichermedium bleibt auch beim Lesen erhalten, da es sich um submikrometergroße Strukturen handelt, die mit dem Lesestrahl abgetastet werden sollen. Der Detektionsprozess findet somit ebenfalls am Beugungslimit statt, der Lesestrahlspot im Fokus darf dabei nicht größer sein als die fokalen Strahlspots der Schreibstrahlen.
Bei einer bestimmten Materialdicke, d.h. beim Adressieren nur einer Tiefenebene (wie in konventionellen CD und DVD Systemen) kann die Korrektur des als sphärische Aberration bekannten Öffnungsfehlers bereits beim Design der Objektivlinse berücksichtigt werden. Bei Multilayer Speicherung in vielen durch die Tiefe des Mediums verteilten Datenebenen ändert sich die zu korrigierende Dicke mit der Tiefenposition der jeweiligen Datenebene bzw. mit der Position des Laserfokus beim Schreiben und Lesen von Information in dieser Datenebene. Um die gesamte Schichtdicke des Speichermediums adressieren zu können ist es daher notwendig, die fokussierenden Optiken, mit welchen die Strahlen in das Medium fokussiert werden, dynamisch an die jeweilige Schichtdicke anzupassen. Die Schichtdicke ist hierbei als Abstand zwischen der Außenfläche des Datenträgers bis zum aktuellen Datenlayer definiert. Vorzugsweise ist die Speicherschicht durch eine photoempfindliche Schicht (Photopolymerschicht) mit einer Dicke zwischen 0,05 mm und 1 ,5 mm, die von beidseitig Substraten mit einer Dicke zwischen 0,1 mm und 1 ,2 mm umgeben ist, ausgebildet. Die Schichtdicke ist dann als Abstand zwischen der Außenfläche des der Lichtquelle (Laser) zugewandeten Substrats bis zum Fokus in der photoempfindliche Schicht (aktuelle Datenlayer) definiert. Solche dynamische Korrektur des Öffnungsfehlers macht vergleichsweise komplexe Optiken mit entsprechenden Aktuatoren notwendig. Dazu werden nach Stand der Technik Objektive verwendet, welche als optische Systeme aus mehreren Linsen konstruiert sind und bei denen mindestens eine Linse axial verschoben wird, um den Öffnungsfehler zu korrigieren. Dies führt nachteilhafterweise zu komplexen (teuren) optischen Komponenten, die einerseits mittels einer aufwändigen Ansteuerung positioniert und nachgeregelt werden müssen und andererseits das System aufgrund der erhöhten Anzahl beweglicher optischer Komponenten anfälliger machen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung (System) zur Erzeugung und Detektion einer Vielzahl von Hologrammen anzugeben, das eine hohe Speicherdichte bei vergleichsweise preiswerten optischen Komponenten und einer vereinfachten Ansteuerung erzielt. Darüber hinaus sollen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Einflüssen aufweisen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 (Erzeugung von Hologrammen) und 15 (Detektion von Hologrammen) sowie durch eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche 19 (Detektion von Hologrammen) und 24 (Erzeugung von Hologrammen) gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen weist folgende Verfahrensschritte auf: Bereitstellen eines Speichermediums mit einer Speicherschicht, deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, Fokussieren und gegenläufiges Überlagern von elektromagnetischer Strahlung einer Lichtquelle derart, dass sich in einer vorgegebenen räumlichen Position der Speicherschicht aufgrund der gegenläufigen Überlagerung ein Interferenzmuster ausbildet und im Fokus in Bereichen konstruktiver Interferenz zu einer stärkeren Brechzahländerung als in Bereichen destruktiver Interferenz führt, und aufgrund der Brechzahländerung ein Hologramm mit einer Vielzahl von Schichten mit alternierender Brechzahl erzeugt wird, wobei in der Speicherschicht nacheinander eine Vielzahl von Hologrammen in unterschiedlichen lateralen Positionen und in unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht erzeugt werden, wobei die laterale Ausdehnung der Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht erfindungsgemäß variiert wird (also die Strahlung in die unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht mit einem unterschiedlichen Öffnungsfehler fokussiert wird). Als Tiefe eines Brennpunktes (Fokus) in der Speicherschicht wird diejenige Position entlang der Lichtausbreitungsrichtung verstanden, in der ein konvergentes Strahlenbündel (oder eine konvergente Wellenfront) eine minimale laterale Ausdehnung aufweist und danach divergiert. Unter lateraler Ausdehnung eines Brennpunktes (auch Strahlenbündel, Wellenfront) wird die maximale Erstreckung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung verstanden, bei der die Lichtintensität größer als ein vorgegebener Wert der maximalen Lichtintensität im Fokus (die regelmäßig im Mittelpunkt auftritt) ist. Vorzugsweise ist die laterale Ausdehnung eines Brennpunktes die maximale Erstreckung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, bei der die Lichtintensität größer als 20% (noch bevorzugter 10% und noch bevorzugter 3%) der maximalen Lichtintensität ist. Regelmäßig wird die Lichtintensität entlang der Lichtausbreitungsrichtung die Form einer sog. Kaustik ausbilden, wobei als Tiefe eines Fokus diejenige Position entlang der Lichtausbreitungsrichtung verstanden, in der die Kaustik die geringste laterale Ausdehnung aufweist. Die so erzeugten Hologramme weisen eine Vielzahl von Schichten mit alternierender Brechzahl vorzugsweise in der Form einer sog. Kaustik auf, wobei die Tiefe eines Hologramms in der Datenschicht durch die Tiefe (d.h. Position entlang der Lichtausbreitungsrichtung) des Mittelpunktes des Hologramms definiert ist.
Die Idee der Erfindung besteht darin, unter bestimmten Voraussetzungen auf eine angepasste Korrektur (beugungsbegrenzte Fokussierung) bei gleichbleibend hoher Datendichte verzichtet werden. D.h., es können sowohl die Speicherdichte in einzelnen Datenlayern als auch die Anzahl der Layer unverändert hoch bleiben, obwohl das System nicht länger mit beugungsbegrenzten Laserstrahlspots operiert. Das Wesentliche liegt in der gegenläufigen Anordnung der beiden Objektive bzw. Schreibstrahlen mit einer Reflexionseinheit zur Generierung des direkt in sich zurücklaufenden Strahls. Bei dieser Anordnung passiert ein Laserstrahl zweimal und zwar in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen das fokussierende Objektiv. Bei jedem Durchgang wird die Propagation durch eine bestimmte Strecke innerhalb des Speichermediums im entsprechenden Öffnungsfehler resultieren. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur mikroholographischen Datenspeicherung vorgeschlagen, bei dem die daraus entstehende Aberration der Laserstrahlen nicht korrigiert, sondern die sphärische Aberration viel mehr gezielt genutzt wird.
Vorzugsweise wird die Strahlung in die unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht mit einem unterschiedlichen Öffnungsfehler fokussiert. Vorzugsweise wird die Strahlung derart fokussiert und gegenläufig überlagert, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Ausdehnung des Fokus eines Hologramms in einer ersten Tiefe und der lateralen Ausdehnung des Fokus eines zweiten Hologramms in einer zweiten, dazu unterschiedlichen Tiefe der Speicherschicht größer als 1.1 , bevorzugter größer 1.5, bevorzugter größer als 2, bevorzugter größer als 4 und noch bevorzugter größer als 7 ist. Das bedeutet, dass die Fokusse in den Datenlayern deutliche Größenunterschiede aufweisen, da auf einen aufwändige Korrektur beispielsweise mittels mehrerer entlang der optischen Achse verschiebbarer Linsen verzichtet wird. Daher wird in unterschiedlichen Datenlayern, d.h. in unterschiedlicher Fokustiefe (bei bevorzugter Verwendung einer asphärischen Einzellinse, die entsprechend der Fokustiefe verschoben wird) ein unterschiedlicher Öffnungsfehler (sphärische Aberration) und somit unterschiedliche Fokusgrößen resultieren. Die laterale Ausdehnungen der Fokusse in einer Datenschicht sind vorzugsweise gleich.
Vorzugsweise wird die Strahlung derart fokussiert und gegenläufig überlagert, dass sich die Fokusse benachbarter Hologramme innerhalb einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene mindestens teilweise (bevorzugt zu mehr als 10% ihrer lateralen Ausdehnung, bevorzugter 20%, noch bevorzugter 50%) überlappen. Es ist auch bevorzugt, dass sich mehrere benachbarte Hologramme mindestens teilweise (bevorzugt zu mehr als 10% ihrer lateralen Ausdehnung, bevorzugter 20%, noch bevorzugter 50%) überlappen. Durch die Überlappung benachbarter Hologramme kann die Speicherdichte trotz größer Fokusdurchmesser (aufgrund des in Kauf genommenen Öffnungsfehlers) genauso hoch oder sogar höher sein, als wenn beugungsbegrenzte Hologramme (aufwändige Optiken) nebeneinander (nicht überlappend) verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Strahlung der verwendeten Lichtquelle (vorzugsweise Laser) zur Erzeugung der Hologramme nicht räumlich moduliert. Vorzugsweise ist zwischen der verwendeten Lichtquelle (vorzugsweise Laser) und der Speicherschicht kein Modulator zur räumlichen Modulation angeordnet. Tatsächlich wird die Strahlung der verwendeten Lichtquelle zur Erzeugung mehrerer Hologramme zeitlich (durch entsprechendes Ein-Ausschalten, bzw. Hell- und Dunkeltasten) moduliert. Es wird mit anderen Worten nicht örtlich, sondern ausschließlich zeitlich moduliert. Die Daten werden vorzugsweise Bit für Bit rein seriell in Form von Mikrohologrammen geschrieben - bei seitenweiser Speicherung erfolgt das Schreiben und Lesen parallel (typischerweise einige 100kb-1 Mb pro Datenseite). Bei dynamisch erzeugten Mikrogittern - (die Disk bewegt sich während der Belichtungszeit um eine Strecke (bzw. um einen Drehwinkel), die (der) mit der lateralen Ausdehnung der Mikrogitter vergleichbar oder größer ist) - ist es bevorzugt, die Intensität während des Schreibens eines Hologramms zeitlich zu variieren. Die Idee besteht darin, eine ähnliche Codierung wie bei CD/DVD/BluRay zu verwenden, d.h. die Länge der Mikrogitter zu variieren und somit die Daten zu codieren. Zur Variation der Länge muss daher der Laser zeitlich moduliert werden, da die Geschwindigkeit des Speichermediums auf dieser kurzen Zeitskala weitgehend konstant ist.
Vorzugsweise werden die Intensitäten der gegenläufig überlagerten Strahlung derart gewählt, dass die Ausdehnung der Hologramme, bei der die Brechzahldifferenz alternierender Schichten am Rand 50% der Brechzahldifferenz alternierender Schichten im Zentrum beträgt, entlang der optischen Achse zwischen 1 μm und 50 μm beträgt.
Vorzugsweise wird zur Fokussierung eine erste Fokussiereinheit verwendet wird, die ausgebildet ist, das Licht einer Strahlungsquelle in die Speicherschicht zu fokussieren, und eine Kompensationseinheit verwendet wird, die ausgebildet ist, das von der ersten Fokussiereinheit fokussierte und sich nach dem ersten Brennpunkt divergent ausbreitende Licht zu kollimieren, und weiterhin ein Rückreflektor zur Reflexion des kollimierten Lichts derart verwendet wird, dass das vom Rückreflektor reflektierte Licht mittels der optischen Kompensationseinheit wieder in die Speicherschicht in einen zweiten Brennpunkt fokussiert wird, wobei sich der erste Brennpunkt und der zweite Brennpunkt lateral und axial zumindest teilweise (bevorzugt vollständig oder zu mindestens 90% der lateralen Ausdehnung) überlagern. Vorzugsweise werden die Brechkraft der ersten Fokussiereinheit und die Brechkraft der Kompensationseinheit beim zeitlich versetzten Erzeugen von Hologrammen in unterschiedlichen Tiefen der Speicherschicht konstant gehalten und der resultierende Öffnungsfehler. Damit korrespondieren die laterale Ausdehnung eines Hologramms zur Tiefe des Hologramms in der Speicherschicht.
Vorzugsweise werden die erste Fokussiereinheit, die Kompensationseinheit und der Rückreflektor auf die Dicke des optischen Speichermediums derart abgestimmt, dass das von der Strahlungsquelle kommende, auf die erste Fokussiereinheit treffende Licht, nach Durchtritt durch die erste Fokussiereinheit, die Speicherschicht, die Kompensationseinheit, nachfolgende Reflexion am Rückreflektor, erneutem Durchtritt durch die Kompensationseinheit, die Speicherschicht und die erste Fokussiereinheit, deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich in sich zurückreflektiert wird. Der Clou ist also, die optischen Komponenten nicht auf eine beugungsbegrenzte Fokussierung in allen Datenlay- ern (variabel) abzustimmen (hoher Aufwand), sondern lediglich auf die Gesamtdicke der Speicherschicht (nicht variabel) derart abzustimmen, dass das fokussierte (Hin-Fokus), durch die Speicherschicht hindurchtretende, zurückreflektierte und wieder gegenläufig fokussiert Licht (Rück-Fokus) deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich mit dem anfangs fokussierten Licht ist, also Hin- Fokus und Rück-Fokus übereinander liegen. Das wird bei Verwendung eines Planspiegels oder Retro- reflektors als Rückreflektor dann erreicht, wenn die Kompensationseinheit das von der Fokussiereinheit fokussierte und hinter den Fokus wieder divergente propagierende Licht fehlerfrei kollimiert, also parallelisiert. Dazu müssen Kompensationseinheit und Fokussiereinheit auf die Gesamtdicke der Speicherschicht eingestellt (optimiert) sein, brauchen jedoch bei unterschiedlichen Fokustiefen (Da- tenlayern) in ihrer jeweiligen Gesamtbrechkraft nicht verändert werden, also es müssen nicht mehrere brechende Flächen relativ zueinander bewegt werden. Dadurch sind geringere Anforderungen an die optischen Komponenten zu stellen.
Vorzugsweise erfolgt die Fokussierung und die gegenläufige Überlagerung mit einer numerischen Apertur größer 0,2 (bevorzugter größer 0,4, bevorzugter größer 0,5 und noch bevorzugter größer oder gleich 0,6). Vorzugsweise sind Kompensationseinheit und Fokussiereinheit derart an die Gesamtdicke der Speicherschicht angepasst, dass die RMS Radien der gegenläufig überlagerten Lichtstrahlen innerhalb der Speicherschicht folgende Bedingung erfüllen:0,25 ≤ ^- ≤ 4, wobei RMSHIN der
RMSRUCK
RMS Radius der fokussierten Strahlung und RMSRUcκ der RMS Radius der gegenläufig überlagerten Strahlung im Fokus ist.
Vorzugsweise werden in einer vorgegebenen räumlichen Position der Speicherschicht mehrere Hologramme mit unterschiedlicher Aberration nacheinander erzeugt und einander überlagert. Vorzugsweise werden für eine vorgegebene laterale Position in einer vorgegebenen Tiefe der Speicherschicht mindestens zwei Hologramme nacheinander erzeugt und einander überlagert, wobei sich der RMS Radius der fokussierten Strahlung beim Erzeugen der beiden Hologramme um mindestens 10% (vorzugsweise um mindestens 100%) unterscheidet. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein neues Multiplexverfahren zur mikroholographischen Datenspeicherung. Mit dem erfindungsgemäßen Speicherverfahren wie oben beschrieben lässt sich eine neuartige Multiplextechnik anwenden, die als A- berrationsmultiplexing bezeichnet wird. Bei diesem Multiplexverfahren wird die Abhängigkeit des erzeugten Interferenzmuster von der lokalen Aberration der beiden Schreibstrahlen als eindeutige Identifikation jedes einzelnen Hologramms genutzt. Wird die Aberration der Strahlen verändert, so ändert sich auch deren spezifische Feldverteilung und damit konsequenterweise die Form und Verteilung der induzierten Hologrammgitterebenen. Durch die räumliche Selektivität solcher Hologramme beim De- tektieren eröffnet sich die Möglichkeit, viele Hologramme (mit unterschiedlicher Aberration) in ein und derselben Speicherposition zu schreiben und sie dann wieder getrennt rekonstruieren zu können.
Vorzugsweise wird zwischen der Fokussiereinheit und dem Speichermedium eine erste dickenveränderliche planparallele Platte und zwischen der Kompensationseinheit und dem Speichermedium eine zweite dickenveränderliche planparallele Platte angeordnet, wobei in einer vorgegebenen Tiefe (z) der Speicherschicht mindestens zwei Hologramme nacheinander erzeugt und einander überlagert wer- den, und wobei die Summe der optischen Dicke des Speichermediums und der ersten und zweiten planparallele Platten konstant gehalten wird und die optische Dicke der ersten planparallelen Platte für jedes der überlagerten Hologramme variiert wird. Dadurch können (mittels der dickenveränderlichen planparallelen Platten unterschiedliche Aberrationen in ein und derselben Speicherposition geschrieben und dann wieder getrennt rekonstruiert werden, ohne die Gesamtdicke der Speicherschicht zu verändern, auf die Kompensationseinheit und Fokussiereinheit abgestimmt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Vielzahl von Hologrammen weist folgende Verfahrensschritte auf: Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in unterschiedlichen räumlichen Positionen der Speicherschicht, Einstrahlen und Fokussieren von Strahlung einer Lichtquelle auf ein Hologramm in einer vorgegebenen räumlichen Position der Speicherschicht, Detektion der durch das Hologramm rekonstruierten Wellenfront mittels eines photoempfindlichen Detektors, wobei die durch das Hologramm rekonstruierte Wellenfront mittels einer zweiten Fokussiereinheit auf einen konfokalen Filter fokussiert wird, wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen Filters die Be-
0 12 * λ 3 6*λ dingung: — < dL < — , gilt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlungsquelle und NA die
NA NA numerische Apertur der zweiten Fokussiereinheit ist. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion einer Vielzahl von Hologrammen in Verbindung mit Speichermedien verwendet, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen beschrieben wurden. Die Idee der Erfindung besteht nun darin, die sich aufgrund der unterschiedlichen Aberrationen teilweise überlagernden Hologramme beim Auslesen eindeutig diskriminieren zu können. Das gespeicherte Hologramm rekonstruiert bei korrekter Beleuchtung nun genau den zugehörigen anderen Laserstrahl. Zur Erhöhung der Positionsselektivität der gespeicherten Hologramme wird ein konfokaler Filter im Detektorzweig benutzt, der nur dann eine deutliche Lichtmenge passieren lässt, wenn dass Hologramm zum Auslesen so beleuchtet wird, wie es eingeschrieben wurde (Erfüllen der Bragg- Bedingung). Es wird dadurch nahezu die gleiche Ortsauflösung erzielt, wie sie mit „perfekten" (beu- gungsbegrenzten, nicht überlappenden) Mikrohologrammen erzielt wird, die mit vollständig öffnungs- fehlerkorrigierten Objektiven erzeugt werden.
Vorzugsweise wird während des Fokussierens der Strahlung ein gegenläufiges Überlagern der Strahlung vermieden oder zumindest unterdrückt. Vorzugsweise weist die zum Erzeugen eines Hologramms verwendete fokussierte Strahlung die gleichen oder die im Wesentlichen gleichen Aberrationen wir die zum Detektieren des Hologramms verwendete fokussierte Strahlung auf. Vorzugsweise unterscheiden sich der RMS Radius der zum Erzeugen des Hologramms verwendeten fokussierten Strahlung und der RMS Radius der zum Detektieren des Hologramms verwendeten fokussierten Strahlung um weniger als 2%. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, umfasst: eine Strahlungsquelle, ein Aufnahmemittel zur Aufnahme eines Speichermediums mit einer Speicherschicht, deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, eine erste Fokussiereinheit, die ausgebildet ist, das Licht der Strahlungsquelle auf ein Hologramm einer durch das Aufnahmemittel gehaltenen Speicherschicht zu fokussieren, wobei die erste Fokussiereinheit und der durch die erste Fokussiereinheit erzeugte Brennpunkt eine erste optische Achse definieren, und die erste Fokussiereinheit und die Speicherschicht relativ zueinander entlang der ersten optischen Achse beweglich ausgebildet sind, einen Strahlteiler, der auf der ersten optische Achsen zwischen der Strahlungsquelle und der ersten Fokussiereinheit angeordnet und derart ausgebildet ist, dass die durch ein Hologramm rekonstruierte Wellenfront nach Durchtritt durch die erste Fokussiereinheit in eine von der ersten optischen Achse verschiedene optische Achse umgelenkt wird, und einen Photodetektor, wobei zwischen dem Strahlteiler und dem Photodetektor ein konfokaler Filter angeordnet ist, und wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen
0 12 * λ 3 6*λ Filters die Bedingung: — < dL < — gilt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlungsquelle
NA NA und NA die numerische Apertur der von der Strahlungsquelle emittierten und auf den konfokaler Filter treffenden Strahlung ist.
Vorzugsweise ist zwischen dem Strahlteiler und dem konfokalen Filter eine zweite optische Fokussiereinheit vorgesehen, und der konfokale Filter im Brennpunkt der zweiten optischen Fokussiereinheit angeordnet, wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen Filters die Bedingung:
0 12 * λ 3 6* λ
— < dL < — gilt, wobei λ die Wellenlänge der kohärenten Strahlungsquelle und NA die
NA NA numerische Apertur der zweiten optischen Fokussiereinheit ist. Vorzugsweise gilt für die laterale (dL)
0.3*λ 1.2*λ Ausdehnung des konfokalen Filters die Bedingung: < dL < . Vorzugsweise ist die erste
NA NA optische Fokussiereinheit durch eine Einzellinse ausgebildet und/oder der konfokale Filter ist durch die Eintrittsfacette des Photodetektors ausgebildet. Vorzugsweise definieren die zweite optische Fokussiereinheit, die Öffnung des konfokalen Filters und der Photodetektor eine zweite optische Achse, und der konfokale Filter ist entlang der zweiten optischen Achse beweglich ausgebildet.
Das erfindungsgemäße System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, umfasst: eine Strahlungsquelle, ein Speichermedium mit einer Speicherschicht, deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, eine erste Fokussiereinheit, die ausgebildet ist, das Licht der Strahlungsquelle in einen ersten Brennpunkt innerhalb der Speicherschicht zu fokussieren, eine Kompensationseinheit, die ausgebildet ist, das von der ersten Fokussiereinheit fokussierte und sich nach dem ersten Brennpunkt divergent ausbreitende Licht zu kollimieren, einen Rückreflektor zur Reflexion des kollimierten Lichts derart, dass das vom Rückre- flektor reflektierte Licht mittels der optischen Kompensationseinheit wieder in die Speicherschicht in einen zweiten Brennpunkt fokussiert wird, wobei sich der erste Brennpunkt und der zweite Brennpunkt mindestens teilweise überlagern, wobei die erste Fokussiereinheit und der durch die erste Fokussiereinheit erzeugte Brennpunkt eine erste optische Achse definieren, und sowohl die erste Fokussiereinheit als auch die Kompensationseinheit entlang der ersten optischen Achse beweglich ausgebildet sind, und wobei die Brechkraft der ersten Fokussiereinheit und die Brechkraft der Kompensationseinheit jeweils in sämtlichen Positionen entlang der optischen Achse konstant oder im Wesentlichen konstant sind.
Vorzugsweise sind die erste Fokussiereinheit und/oder die Kompensationseinheit durch eine Einzellinse (besonders bevorzugt durch asphärische eine Einzellinse) ausgebildet. Als asphärische Linse im Sinne der Erfindung wird eine Linse verstanden, von deren brechenden Flächen mindestens eine Fläche nicht-sphärisch, also nicht kugelförmig ist. Vorzugsweise sind alle (beide) brechenden Flächen nicht-sphärisch, also asphärisch. Vorzugsweise sind die brechenden Flächen rotationssymmetrisch ausgebildet. Speziell wird unter einer asphärischen Fläche eine rotationssymmetrische Flächenform verstanden, die sich durch ein Polynom der Form
f(h) -I- . . .
Figure imgf000013_0001
definieren lässt, wobei f(h) die Pfeilhöhe oder die z-Koordinate entlang der optischen Achse, h der Abstand senkrecht zur optischen Achse, R der Scheitelradius, k die konische Konstante und A4, A6 usw. die asphärischen Parameter sind. Mindestens einer der asphärischen Parameter A4, A6 muss ungleich Null sein, damit eine asphärische Flächenform resultiert.
Unter einer Einzellinse wird eine Linse mit zwei äußeren rotationssymmetrischen, brechenden Flächen verstanden, deren Abstand nicht variabel zueinander ist. Dazwischen ist vorzugsweise nur ein optisches Material mit einer Brechzahl größer 1 vorhanden. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den äußeren brechenden Flächen weitere brechende Flächen (Kittlinse) angeordnet sind. Jedoch ist der Abstand sämtlicher brechender Flächen fix, d.h. nicht variabel.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der ersten Fokussiereinheit und der Kompensationseinheit entlang der optischen Achse in sämtlichen Fokustiefen konstant oder im Wesentlichen konstant. Vorzugsweise sind die Kompensationseinheit und die erste Fokussiereinheit auf die Dicke des optischen Speichermediums derart abgestimmt, dass die Strahlung der Lichtquelle nach Durchlaufen der erste Fokussiereinheit, des Speichermediums und der Kompensationseinheit vollständig kollimiert ist. Vorzugsweise sind zwischen der Fokussiereinheit und dem Speichermedium eine erste dickenveränderliche planparallele Platte und zwischen der Kompensationseinheit und dem Speichermedium eine zwei- te dickenveränderliche planparallele Platte angeordnet, wobei die Summe der Dicke des Speichermediums, der Dicke der ersten planparallelen Platte und der Dicke der zweiten planparallelen Platte konstant gehalten wird und die Dicke der ersten planparallelen Platte zum Überlagern unterschiedlich aberrationsbehafteter Hologramme in derselben Position variiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 1a eine alternative Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen und zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen und zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit dickenveränderlichen planparallelen Platten zum Aberrationsmultiplexing, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 5a die Intensität des Gaußstrahls, fokussiert mit NA 0.75 mit Korrektion des Öffnungsfehlers auf Fokustiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 5b die Intensität des Gaußstrahls, fokussiert mit NA 0.75 ohne Korrektion des Öffnungsfehlers auf Fokustiefe (200 μm Fokus-Versatz von vorkorrigierter Tiefe) in schematischer Darstellung,
Fig. 6a das Wellenfeld des Gaußstrahls gemäß Fig. 5a, fokussiert mit NA 0.75 mit Korrektion des Öffnungsfehlers auf Fokustiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 6b das Wellenfeld des Gaußstrahls gemäß Fig. 5b, fokussiert mit NA 0.75 ohne Korrektion des Öffnungsfehlers auf Fokustiefe (200 μm Fokus-Versatz von vorkorrigierter Tiefe) in schematischer Darstellung,
Fig. 7a Gaußgitter aus zwei gegenläufigen Strahlen mit Korrektion des Öffnungsfehlers auf
Fokustiefe in schematischer Darstellung, Fig. 7b Gaußgitter aus zwei gegenläufigen Strahlen ohne Korrektion des Öffnungsfehlers auf
Fokustiefe (200 μm Fokus-Versatz von vorkorrigierter Tiefe) in schematischer Darstellung,
Fig. 8a die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand eines Gaußgitters aus zwei gegenläufigen Strahlen mit einem Fokus-Versatz von +150 μm zur vorkorrigierte Tiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 8b die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand von Wellenfronten des
Lesestrahls eines gemäß Fig. 8a erzeugten Gitters in schematischer Darstellung,
Fig. 9a die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand eines Gaußgitters aus zwei gegenläufigen Strahlen mit einem Fokus-Versatz von +50 μm zur vorkorrigierte Tiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 9b die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand von Wellenfronten des
Lesestrahls eines gemäß Fig. 0a erzeugten Gitters in schematischer Darstellung,
Fig. 10a die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand eines Gaußgitters aus zwei gegenläufigen Strahlen ohne Fokus-Versatz (=vorkorrigierte Tiefe) in schematischer Darstellung,
Fig. 10b die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand von Wellenfronten des
Lesestrahls eines gemäß Fig. 10a erzeugten Gitters in schematischer Darstellung,
Fig. 1 1a die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand eines Gaußgitters aus zwei gegenläufigen Strahlen mit einem Fokus-Versatz von -50 μm zur vorkorrigierte Tiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 1 1 b die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand von Wellenfronten des
Lesestrahls eines gemäß Fig. 11a erzeugten Gitters in schematischer Darstellung,
Fig. 12a die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand eines Gaußgitters aus zwei gegenläufigen Strahlen mit einem Fokus-Versatz von -150 μm zur vorkorrigierte Tiefe in schematischer Darstellung,
Fig. 12b die Veranschaulichung von Aberrationsmultiplexing anhand von Wellenfronten des
Lesestrahls eines gemäß Fig. 12a erzeugten Gitters in schematischer Darstellung,
Fig. 13 ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit einer planparallelen Platte zum Aberrationsmultiplexing, in schematischer geschnittener Darstellung,
Fig. 14 ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit zwei dickenveränderlichen planparallelen Platten zum Aberrationsmultiplexing, in schematischer geschnittener Darstellung, und Fig. 15 ein dickenveränderliche planparallele Platte zum Aberrationsmultiplexing, in schemati- scher geschnittener Darstellung.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen holographischen Datenspeicher zum Erzeugen und zum Detek- tieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, in schematischer geschnittener Darstellung.
Der holographische Datenspeicher weist einen Diodenlaser 10, einen Strahlteiler 8, ein λ/4 - Plättchen 9, eine Fokussiereinheit 1 , eine Kompensationseinheit 2, einen Rückreflektor 4, eine weitere Fokussiereinheit 5, einen konfokalen Filter 6 und einen Photodetektor 7 auf. Zwischen der Fokussiereinheit 1 und der Kompensationseinheit 2 ist das Speichermedium 3 angeordnet, das selbst nicht notwendigerweise Teil des Datenspeichers sein muss. Die Kombination aus Datenspeicher und Speichermedium 3 wird als System zur Datenspeicherung verstanden. Der Strahlteiler 8 und das λ/4 - Plättchen 9 sind keine essentiellen (lediglich vorteilhafte) Bestandteile des erfindungsgemäßen holographischen Datenspeichers. Aufgabe des Strahlteilers 8 (von Element 10 über Elemente 8, 9 über Elemente 1 , 3, 2, 4 und wieder Elemente 2, 3) ist es, den Schreibstrahlengang und den Lesestrahlengang (von Element 10 über Elemente 8, 9 über Elemente 1 , 3 und wieder Elemente 3, 1 , 9, 8 und Elemente 5, 6, 7) zu trennen. Eine solche Trennung kann aber auch über andere optische Ausgestaltungen erfolgen.
Zum Erzeugen von Hologrammen werden die Elemente 5, 6, 7 nicht benötigt. Zum Auslesen von Hologrammen werden die Elemente 2 und 4 nicht benötigt. Dementsprechend zeigen die Vorrichtungen der Figuren 1 und 1a (keine Elemente 2 und 4) Vorrichtungen, die lediglich zum Auslesen von Hologrammen geeignet sind. Und die Figur 2 zeigt eine Vorrichtung (keine Elemente 5, 6, 7), die lediglich zum Erzeugen von Hologrammen geeignet ist. Die Vorrichtungen der Fig. 3 und 4 können sowohl Hologramme erzeugen als auch auslesen. Die Bezugszeichen in den Fig. 1-4 zeigen stets die gleichen Elemente.
Zum Erzeugen eines Hologramms (Fig. 2-4) wird Licht der Laserdiode 10 mittels der Fokussiereinheit 1 (vorzugsweise eine asphärische Einzellinse) in die Speicherschicht 3 fokussiert (Hin-Fokus) und divergiert danach wieder. Mittels der Kompensationseinheit 2 (vorzugsweise eine asphärische Einzellinse) wird das divergente Licht wieder kollimiert, d.h. parallelisiert. Nachfolgend trifft das Licht auf den Rückreflektor 4 und wird vollständig in sich zurückreflektiert und danach mittels der Kompensationseinheit 2 wieder in die Speicherschicht 3 fokussiert (Rück-Fokus) und mit dem Hin-Fokus gegenläufig überlagert. Dadurch bildet sich ein Interferenzmuster aus, das zu einer Brechzahlmodulation in der Speicherschicht 3 führt. Das so erzeugte Gitter (Brechzahlmodulation) ist ein Hologramm.
Zum Auslesen (Fig. 1 , 1a, 3, 4) wird Licht der Laserdiode 10 mittels der Fokussiereinheit 1 in die Speicherschicht 3 fokussiert. Ist nun am Ort des Fokus ein Hologramm (Brechzahlmodulation) vorhanden und die Bragg-Bedingung erfüllt, wird das fokussierte Licht reflektiert und kann als Signal im Photodetektor 7 registriert werden.
Der optische Strahlengang ist derart korrigiert, dass die Linse 5 (öffnungs- fehlerfrei und vorzugsweise beugungsbegrenzt (bzw. nahezu beugungsbegrenzt: RMS Radius kleiner als der doppelte Airy-Disk- Radius) auf die Lochblende 6 fokussiert (konfokaler Filter). Insbesondere kann das dadurch geschehen, dass das Teilsystem bestehend aus 1 ,2,3 und 4 derart gebaut ist, dass der Laserstrahl nach Durchlauf (also von links nach rechts durch 1 ,3 und 2, dann reflektiert an 4 und erneut durch 2,3 und 1 in entgegengesetzter Richtung) öffnungsfehlerfrei ist. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass 1 und 2 in ihrer Summe die durch 3 erzeugte sphärische Aberration korrigieren. Das heißt vom Laser 10 aus gesehen ist der Laserstrahl vor 1 und hinter 2 aberrationsfrei, wenngleich innerhalb des Fokus in 3 sphärische Aberration vorliegt und somit aberrationsbehaftete Hologramme erzeugt werden. Im Material wird die resultierende Feldverteilung in einem Hologramm gespeichert. Der Strahlengang kann somit später beim Auslesen rekonstruiert werden und das am Hologramm reflektierte Licht kann somit nahezu beugungsbegrenzt den konfokalen Filter 6 passieren und mit dem Detektor 7 registriert werden.
Es ist jedoch ebenso möglich dass der Laserstrahl nach Durchlaufen des Teilsystems aus 1 , 2, 3 und 4 eine verbleibende sphärische Aberration behält, die dann erst durch 5 korrigiert wird. Zur Gewährleistung einer hohen Auflösung ist nur entscheidend, dass die Gesamtstrahlformung an der Lochblende des konfokalen Filters 6 beugungsbegrenzt (bzw. nahezu beugungsbegrenzt: RMS Radius kleiner als der doppelte Airy-Disk-Radius) ist. Man speichert sozusagen die Wellenfronten in einem Bereich (Speichermedium 3) des gesamten Strahlengangs vom Laser 10 zum Detektor 7 an dem eine deutliche Aberration vorliegt. Da der Strahl dann aber anschließend auf dem weiteren Weg zum Detektor 7 wieder möglichst vollständig korrigiert wird, erhält man virtuell aberrationsfreie Hologramme mit nahezu der Auflösung tatsächlich aberrationsfreier. Zum Erzielen der Auflösung ist der konfokale Filter 6 essentiell und gewährleistet die Diskriminierung der sich infolge der Aberration teilweise überlappenden Hologramme. Dadurch wird es auch möglich, mehrere von einander getrennt auslesbare Aberra- tionszustände im gleichen Volumenelement im Speichermaterial 3 zu erzeugen. Da die Größe der Filterblende 6 die Auflösung beeinflusst, ist sie möglichst klein zu bemessen (kleiner als Airy-Disk- Durchmesser), jedoch so groß, dass eine zur Detektion ausreichende Lichtmenge den Detektor 7 erreicht. In der konfokalen Lasermikroskopie werden dazu Filtergrößen zwischen 0,25x und 1x Airy- Durchmesser verwendet. Unterhalb von 0,25 Airy gibt es quasi keine Verbesserung der Auflösung mehr (Beugungslimit).
Die Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers 8 und einer Lambda/4-Platte 9 ist vorteilhaft, da dadurch beim Auslesen der Hologramme nahezu die gesamte an ihnen reflektierte Lichtmenge auf den Detektor 7 gelangt. Der polarisierende Strahlteiler 8 und die Lambda/4-Platte 9 sind so zu orientieren, dass das vorwiegend linear polarisierte Licht des Lasers 10 den Weg zum Photodetektor 7 nimmt. Zum Schreiben eines Hologramms wird eine Vorrichtung wie in Fig. 2-4 verwendet, die Komponenten 5, 6, 7 sind dazu nicht erforderlich. Zum Auslesen eines Hologramms wird der Reflektor 4 eliminiert oder unwirksam gemacht - beispielsweise mittels eines Shutters; die Linse 2 ist ebenfalls entbehrlich.
Die Überlegung, dass unter bestimmten Voraussetzungen auf eine angepasste Korrektur verzichtet werden kann liegt dieser Erfindung zugrunde. Es ist eine Besonderheit des optischen Aufbaus und des entsprechenden Strahlengangs in einem mikroholographischen Speichersystem, das eine technologische Umsetzung des Verfahrens auch ohne aufwendige Aberrationskorrektur ermöglicht und zwar ohne jegliche Verluste in der Speicherleistung. Sowohl die Speicherdichte in einzelnen Datenlayern als auch die Anzahl der Layer können unverändert hoch bleiben, obwohl das System nicht länger mit beugungsbegrenzten Laserstrahlspots operiert. Zwar können die Einzellinsen 1 , 2 derart voroptimiert sein, dass sie für eine Datenlayer beugungsbegrenzt fokussieren, jedoch kann eine beugungsbe- grenzte Fokussierung nicht auch in davon unterschiedlichen Datenlayern erreicht werden (zumindest nicht mit Einzellinsen).
Das Wesentliche liegt in der gegenläufigen Anordnung der beiden Objektive 1 , 2 bzw. Schreibstrahlen mit einer Reflexionseinheit 4 zur Generierung des zurücklaufenden Strahls. Bei dieser Anordnung passiert ein Laserstrahl zweimal und zwar in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen das fokussie- rende Objektiv 1 , 2. Bei jedem Durchgang wird die Propagation durch eine bestimmte Strecke innerhalb des Speichermediums 3 im entsprechenden Öffnungsfehler resultieren. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur mikroholographischen Datenspeicherung vorgeschlagen, bei dem die daraus entstehende Aberration der Laserstrahlen nicht korrigiert, sondern viel mehr gezielt genutzt wird.
Die fokussierenden Objektive 1 , 2 müssen lediglich so konstruiert sein, dass sie in ihrer Summe den Öffnungsfehler korrigieren, der durch die gesamte Materialdicke der Speicherschicht 3 hervorgerufen wird. Dabei korrigiert jedes der beiden Objektive 1 , 2 einen Teil des durch den Datenträger 3 hervorgerufenen Öffnungsfehlers. Mit anderen Worten wird zur Fokussierung des Laserstrahls in das Polymer (Speicherschicht 3) eine Einzellinse 1 verwendet, die in unterschiedlichen Tiefen zwar einen spürbaren Öffnungsfehler aufweist, jedoch ist erfindungsgemäß eine zweite Einzellinse 2 hinter dem Polymer (Speicherschicht 3) angeordnet, wobei die zweite Einzellinse 2 derart ausgebildet ist, dass die durch das Polymer (Speicherschicht 3) hindurchtretende (öffnungsfehlerbehaftete) divergente Strahlung fehlerfrei kollimiert. Nachfolgend wird die Strahlung durch ein reflektierendes Element 4 über die zweite Einzellinse 2 wieder zurück in das fokussiert, wobei durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Linsen 1 , 2 eine (wenn auch öffnungsfehlerbehaftete) sehr genaue Überlagerung beider Fokusse erreicht werden kann. Durch die Überlagerung wird eine stehende Welle erzeugt, die eine entsprechende Brechzahländerung im Polymer (Speichermaterial 3) bewirkt, wodurch definiert ein (öffnungsfehlerbehaftetes) Hologramm erzeugt werden kann. Die Erfindung unterscheidet sich von sonstigen, nicht korrigierten Systemen dadurch, dass erfin- dungsgemäß zwar nicht der Fokus bzgl. des Öffnungsfehlers korrigiert bzw. nicht vollständig korrigiert ist, jedoch die Strahlung nach Durchtritt durch beide Einzellinsen 1 , 2 fehlerfrei propagiert, wodurch die öffnungsfehlerbehafteten Fokusse deckungsgleich überlagert werden können.
Eine feste Korrektur der sphärischen Aberration findet man auch bei konventionellen optischen Speichersystemen (CD/DVD/BluRay), da auch hier durch ein öffnungsfehler-verursachendes Disksubstrat abgebildet wird. Ein solches Objektiv lässt sich im Allgemeinen als Einzellinse ausführen, was einerseits die Fertigungskosten auf ein Minimum reduziert und andererseits zu einem sehr leichtgewichtigen Objektiv führt. Ein geringes Gewicht ist essentiell für die schnelle Bewegung durch ein auf schnellen Voice Coil Aktuatoren basierendes Servosystem zur Einhaltung der Fokustiefenposition und zur Verfolgung der Datenspur in einer schnell rotierenden Disk. Bei entsprechender Dimensionierung der Substratdicken der holographischen Disk ist es sogar denkbar, exakt die gleichen Objektive zu verwenden, wie sie in den aktuellen konventionellen Speichersystemen verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird das mit den beiden Schreibstrahlen erzeugte Interferenzmuster nicht mehr im gemeinsamen aberrationsfreien Fokus der beiden Strahlen in Form eines Mikrogitters gespeichert. Die Datenspeicherung findet nun in einer Tiefenposition statt, in der infolge der resultierenden sphärischen Aberration keine beugungsbegrenzten Strahlfokusspots vorliegen.
Das entstehende Interferenzmuster im Bereich der engsten Einschnürung der beiden Strahlen (minimale Kaustik) wird im Speichermedium 3 als Hologramm gespeichert. Entscheidend ist hier, dass bei dem speziellen Strahlengang mit gegenläufigen Schreibstrahlen, die Position des Speichermediums 3 zwischen den Objektiven 1 , 2 nahezu keinen Einfluss auf den Öffnungsfehler des zum Detektor 7 ausgekoppelten Strahls hat. Die Strahlen außerhalb des Bereiches zwischen den beiden fokussieren- den Objektiven 1 , 2 bleiben auch bei axialer Verschiebung des Speichermediums 3 aberrationsfrei, da der Öffnungsfehler immer gerade durch das komplementäre Objektiv korrigiert wird. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass die Öffnungsfehlerkorrekturen der Objektive 1 , 2 in ihrer Summe der gesamten Speichermediendicke 3 entsprechen (mit anderen Worten sind die erste Einzellinse 1 , die planparallel Platte (das Speichermedium 3 inkl. ggf. vorhandener Substrate) sowie die zweite Einzellinse 2 für paralleles Licht aberrationsfrei, d.h. parallel einfallende Strahlen sind nach Durchtritt wieder parallel).
Das gespeicherte Hologramm rekonstruiert bei korrekter Beleuchtung nun genau den zugehörigen anderen Laserstrahl. Zur Erhöhung der Positionsselektivität der gespeicherten Hologramme wird ein konfokaler Filter 6 im Detektorzweig benutzt, der nur dann eine deutliche Lichtmenge passieren lässt, wenn dass Hologramm zum Auslesen so beleuchtet wird, wie es eingeschrieben wurde (Erfüllen der Bragg-Bedingung). Es wird dadurch nahezu die gleiche Ortsauflösung erzielt, wie wir sie mit „perfekten" Mikrohologrammen erzielen, die mit vollständig öffnungsfehlerkorrigierten Objektiven erzeugt werden. Der wesentliche Unterschied zu konventionellen Mikrogittern liegt in der Größe und Form der dreidimensionalen Gitterstruktur. Diese ist direkt durch die Feldverteilung, d.h. Wellenfronten der Schreibstrahlen gegeben und wie bereits dargelegt bei beugungsbegrenzten Mikrogittern auf wenige, im fokalen Bereich der überlagernden Strahlen lokalisierte Gitterebenen begrenzt. Werden die Öffnungsfehler nicht korrigiert, so wird diese beugungsbegrenzte Feldverteilung verzerrt und deformiert. Infolge dessen entstehen die aberrationsbehafteten Hologramme in einem wesentlich größeren Volumenbereich, d.h. die Brechungsindexmodulation verläuft effektiv gleichmäßiger verteilt über größere Volumenelemente des Speichermaterials 3. Ein anderer wichtiger Effekt ist die aberrationsspezifische Deformation der Wellenfronten, die eindeutig durch die lokale Fokusposition der Schreibstrahlen in der Tiefe des Mediums 3 definiert ist. Die optische Auflösung des Speicherverfahrens geht dabei nicht verloren, obwohl die Hologrammstruktur im Vergleich zu beugungsbegrenzten Mikrogittern sehr groß wird. Diese große aberrationsverzerrte Struktur ist exakt an einem wenige hundert Nanometer großen Fokusbereich des Schreibstrahls gebunden und ändert sich ortsabhängig bei jeder Verschiebung in transversaler und longitudinaler Richtung.
Darin liegt ein signifikanter Vorteil des Speicherverfahrens nach der vorliegenden Erfindung - es wird erfindungsgemäß ein wesentlich größerer Volumenbereich zur Speicherung durch Hologrammerzeugung genutzt bei unverändert hoher optischer Auflösung und räumlicher Selektivität. Eine effiziente Hologrammrekonstruktion kommt nur dann zustande wenn sich die Wellenfronten des durch den Öffnungsfehler deformierten Lesestrahls exakt mit den aberrationsbehafteten Hologrammgitterebenen überlagern. Die physikalische Bedeutung lässt sich einfach durch die Anzahl und räumliche Ausdehnung der lichtinduzierten Gitterebenen interpretieren. Aberrationsbehaftete und verzerrte Hologramme verfügen effektiv über eine größere Anzahl von Gitterebenen und ein größeres Modulationsvolumen. Dementsprechend lassen sich mit solchen Hologrammen bei gleicher Belichtungsenergie sogar höhere Beugungseffizienzen erzielen als mit „echten" aberrationsfreien Mikrohologrammen. Dies lässt sich auf die höhere Anzahl an effektiv gespeicherten Gitterebenen zurückzuführen. Die effektive Brechungsindexmodulation nimmt zwar quadratisch mit der abfallenden Lichtintensität ab, das gesamte Beugungssignal entsteht aber kumulativ durch Reflexion an allen modulierten Gitterebenen.
Durch die höhere Beugungseffizienz werden die Hologramme leichter detektierbar so dass die Fehlerrate durch ein gestiegenes Signal-zu-Rausch Verhältnis reduziert werden kann. Außerdem lassen sich bei ausreichend hoher Beugungseffizienz die zum Schreiben benötigten Laserstrahlenergien reduzieren. Mit niedrigeren Belichtungsenergien pro Schreibprozess wird der begrenzte Dynamikbereich des Speichermediums weniger beansprucht und kann damit effizienter für Multiplextechniken genutzt werden so dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren höhere Multiplexraten erzielen lassen.
Infolge der höheren effektiven Anzahl an Gitterebenen ergibt sich auch eine höhere Wellenlängenselektivität der erzeugten Hologramme. Dies bringt wiederum den Vorteil, dass bei Verwendung von Wellenlängenmultiplexing mit geringeren spektralen Abständen der einzelnen Wellenlängenkanäle gearbeitet werden kann. Dadurch wird es möglich, eine größere Anzahl von Wellenlängenkanälen zu verwenden und dementsprechend die Datendichte zu erhöhen. Bei einer niedrigen Multiplexrate des Wellenlängenmultiplexing lassen sich die Anforderungen an die chromatische Abbildungsleistung der Objektive reduzieren, da sich die nötige Korrektur für kleinere Spektralbereiche leichter realisieren lässt. Für sehr schmale Wellenlängenbereiche kann sogar gänzlich auf chromatische Korrekturen verzichtet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein neues Multiplexverfahren zur mikroholographischen Datenspeicherung (Fig. 4, 13-15). Mit dem erfindungsgemäßen Speicherverfahren wie oben beschrieben lässt sich eine neuartige Multiplextechnik anwenden, die als Aberrationsmultiplexing bezeichnet wird. Bei diesem Multiplexverfahren wird die Abhängigkeit des erzeugten Interferenzmuster von der lokalen Aberration der beiden Schreibstrahlen als eindeutige Identifikation jedes einzelnen Hologramms genutzt. Wird die Aberration der Strahlen verändert, so ändert sich auch deren spezifische Feldverteilung und damit konsequenterweise die Form und Verteilung der induzierten Hologrammgitterebenen. Durch die räumliche Selektivität solcher Hologramme beim Detektieren eröffnet sich die Möglichkeit, viele Hologramme in ein und derselben Speicherposition zu schreiben und sie dann wieder getrennt rekonstruieren zu können.
Wie erwähnt, müssen beide Objektive 1 , 2 zusammen immer den gleichen Gesamtöffnungsfehler korrigieren, das Verhältnis der Einzelkorrekturanteile der beiden Objektive 1 , 2 kann jedoch verändert werden. Diese Änderung führt zur Erzeugung von Hologrammen, die sich in ihrer Form unterscheiden. Jede bestimmte Einstellung der Objektive 1 , 2 führt zu einer eindeutig definierten örtlichen Feldverteilung der Laserstrahlen, die sich als aberrationsbehaftete Wellenfronten darstellen lässt. Werden solche Wellenfronten der beiden Schreibstrahlen überlagert, so entsteht eine komplexe, durch die Aberration im Vergleich zu normalen Mikrogittern nach Stand der Technik stark degenerierte räumliche Modulation des Brechungsindex. Diese Modulation repräsentiert ein Hologramm, das nun eindeutig durch die Aberration der Wellenfronten definiert ist.
Erfindungsgemäß lassen sich viele solche Hologramme in ein und demselben Volumenelement überlagern bzw. räumlich multiplexen. Beim Auslesen der Daten wird dann jeweils nur das bestimmte Hologramm detektiert, das exakt zur Aberration des Lesestrahls passt. Die dazu erforderliche Selektivität der Hologramme entspricht der klassischen Bragg-Selektivität dicker Volumenhologramme. Nur wenn sich die Wellenfronten des Lesestrahls aberrationsrichtig mit den Gitterebenen eines Hologramms überlagern, ist die Bragg-Bedingung erfüllt. Dies resultiert dann in einer hohen Effizienz der Beugung des Lesestrahls am Hologramm, welche weiterhin einem hohen Niveau des Lesesignals entspricht. Mit dieser Technik zum Multiplexen eröffnet sich die fünfte Dimension für die mikroholographische Datenspeicherung, da neben drei Raumdimensionen und dem Spektrum des Lichtes als vierte Dimension nun der Wellenfrontenaberrationsraum ebenfalls für das Multiplexing zur Verfügung steht.
Fig. 8-12 demonstrieren das Aberrationsmultiplexing: Links sind jeweils die Gaußgitter aus zwei gegenläufigen Strahlen dargestellt, rechts die Wellenfronten des Lesestrahls (nicht Maßstabsgerecht). Fig. 8: Speicherschicht 3 befindet sich zu nah am ersten Objektiv 1 (Δz=-150 μm) Fig. 9: Speicherschicht 3 wird in Richtung der korrigierten Position / korrigierten Schichtdicke verschoben (Δz=-50 μm). Fig. 10: Abbildung optimal korrigiert. Fig. 11 : gleiche Verschiebung des Substrates wie in Fig. 9, aber von der ersten Linse 1 weg. Fig. 12: gleiche Verschiebung des Substrates wie in Fig. 8, aber von der ersten Linse 1 weg.
Das Aberrationsmultiplexing lässt sich praktisch durch eine kontrollierte Änderung der durch die beiden Objektive 1 , 2 generierten Öffnungsfehler umsetzten. Die dynamische Änderung der Öffnungsfehler der beiden Strahlen kann beispielsweise durch Korrekturplättchen 1 1 , 12 (Fig. 4, 13-15) erfolgen, die jeweils zwischen Objektiv 1 , 2 und Disk 3 eingefügt werden. Ein eingebrachtes dickeres Korrektur- plättchens 11 , 12 auf der einen Seite der Disk 3 wird durch ein entsprechend dünneres auf der anderen Diskseite kompensiert, so dass die optische Gesamtdicke konstant bleibt (Fig. 13, 14).
Hohe Multiplexraten beim Aberrationsmultiplexing lassen sich relativ einfach erzielen in dem zwischen jedem Objektiv und dem Speichermedium ein solches Stufenloses, extern elektronisch gesteuertes Korrekturelement angeordnet wird.
Fig. 13 zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit einer planparallelen Platte zum Aberrationsmultiplexing, in schematischer geschnittener Darstellung. Ein einfaches Korrekturplättchen 11 wird im Strahlengang zwischen dem Objektiv 1 und dem Speichermedium 3 von beiden Seiten des Mediums abwechselnd angeordnet, um zwei Datenschichten mit unterschiedlich aberrationsbehafteten Hologrammen zu überlagern und in ein und derselben Tiefenposition aufzunehmen. Fig. 14 zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit zwei dickenveränderlichen planparallelen Platten zum Aberrationsmultiplexing hoher Multiplexrate: Zwischen jedem Objektiv 1 , 2 und dem Speichermedium 3 wird eine optische dickenvariable Korrekturkomponente 1 1 angeordnet, um die Aberration der Strahlen stufenlos und elektronisch steuerbar zu variieren.
Wie in Fig. 15 veranschaulicht, wird die dickenvariable Komponente 11 (12) vorzugsweise als eine komprimierbare Komponente realisiert. Eine bevorzugte Realisierung besteht darin, eine Flüssigkeit 13 zwischen zwei dünnen Planplatten 14 anzuordnen und die beiden Planplatten 14 zueinander beweglich auszubilden, so dass die Dicke der Komponente 11 , 12 variiert werden kann. Die dickenvariable Komponente 11 , 12 kann im optischen System fest angeordnet sein. Die Dickenänderung der komprimierbaren Komponente wird durch geeignete elektromechanische Aktuatoren realisiert (elektromagnetisch, Piezos, elektrostatisch). Die Aufgabenlösung besteht darin, dass die zwei dünnen Planplatten 14 zueinander beweglich ausgebildet sind. Durch die elastischen Bereiche 15 kann die zwischen den Planplatten 14 befindliche Flüssigkeit 13 entweichen bzw. wieder einströmen. Alternativ kann auch ein festes, komprimierbares Material wie Gummi oder Gelatine verwendet werden, dessen Dicke dann variiert wird.
Ein wichtiger Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass neben den Linsen 1 ,2 lediglich noch ein weiteres optisches Element im Strahlengang vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die Dicke eines solchen Elementes 11 , 12 durch Anlegen eines Stroms oder eines elektrischen Feldes (elektromagnetisch, Piezos, elektrostatisch) variiert werden kann. Dadurch wird die Anzahl der mechanisch bewegten Komponenten auf ein Minimum reduziert und somit die Zuverlässigkeit eines solchen Systems erhöht. Ferner können wegen der Ansteuerung über das elektrische Feld sehr schnelle Schaltzeiten erreicht werden. Die Weglänge der Komprimierung liegt größenordnungsmäßig im Bereich des Fokustiefenbereichs - also im Bereich von 50 - 500 Mikrometern. Die Variation der Dicke kann beispielsweise durch magnetisierte Bereich (die im Randbereich der Planplatten 14 angeordnet sein können) und elektrische Kontakte erfolgen. Wird über die elektrischen Kontakte (die jeweils an einer der Planplatten 14 angeordnet sind - z.B. ITO Kontakte) ein elektrisches Feld angelegt, werden die Planplatten 14 aufeinander und der überschüssige Teil der Flüssigkeit 13 in die elastischen Bereiche 15 gedrückt. Die Dicke kann über die Stärke des elektrischen Feld gesteuert werden. Wird die Feldstärke verringert, so bewegt sich die in den elastischen Bereichen 15 befindliche Flüssigkeit 13 wieder in den Bereich zwischen den Planplatten 14 und die Dicke erhöht sich. Es sind natürlich eine Reihe anderer Mittel zur Variation der Dicke möglich.
Die dickenvariable Komponente übernimmt die Einstellung des Aberrationsgrades beim Multiplexing. Vorzugsweise ist die Summe der Dicken beider Korrekturelemente 11 (Fig. 14) bzw. 11 , 12 (Fig. 4) konstant.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die praktische Realisierung eines mikroholographischen Speichersystems stark vereinfacht. Weiterhin kann die Speicherkapazität erhöht werden. Aberrationsbehaftete Hologramme können außerdem die Sicherheit der Daten vor unerlaubten Zugriff verbessern, da sie nur mit Laserstrahlen korrekter Aberration gelesen werden können. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren für die holographische Sicherheitstechnologie zur Identifikation von Objekten und Personen oder zum Schutz gespeicherter Inhalte durch beschränkten Zugriff geeignet. Bezugszeichenhste
1 Fokussiereinheit /Einzellinse
2 Kompensationseinheit /Einzellinse
3 Speicherschicht
4 Rückreflektor
5 Fokussiereinheit /Einzellinse
6 konfokaler Filter
7 Photodetektor
8 Strahlteiler (in Kombination mit 9 polarisierend)
9 λ/4 - Plättchen
10 Strahlungsquelle /Diodenlaser
11 dickenvariable, planparallele Platte
12 dickenvariable, planparallele Platte
13 Flüssigkeit
14 verschiebbare Glasplatte
15 elastischer Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, mit folgenden Verfahrensschritten:
Bereitstellen eines Speichermediums mit einer Speicherschicht (3), deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, Fokussieren und gegenläufiges Überlagern von elektromagnetischer Strahlung einer Lichtquelle (10) derart, dass sich in einer vorgegebenen räumlichen Position (x, y, z) der Speicherschicht (3) aufgrund der gegenläufigen Überlagerung ein Interferenzmuster ausbildet und im Fokus in Bereichen konstruktiver Interferenz zu einer stärkeren Brechzahländerung als in Bereichen destruktiver Interferenz führt, und aufgrund der Brechzahländerung ein Hologramm mit einer Vielzahl von Schichten mit alternierender Brechzahl erzeugt wird, wobei in der Speicherschicht (3) nacheinander eine Vielzahl von Hologrammen erzeugt wird, deren Mittelpunkte in unterschiedlichen lateralen Positionen (x, y) und/oder in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht (3) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung der Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen Tiefen (z) der
Speicherschicht (3) variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung der Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen lateralen Positionen (x, y) der Speicherschicht (3) mit gleicher Tiefe (z) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung derart fokussiert und gegenläufig überlagert wird, dass das Verhältnis zwischen der lateralen Ausdehnung eines ersten Hologramms in einer ersten Tiefe und der lateralen Ausdehnung eines zweiten Hologramms in einer zweiten Tiefe (z) der Speicherschicht (3) größer als 5 ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung derart fokussiert und gegenläufig überlagert wird, dass sich die Fokusse benachbarter Hologramme innerhalb einer senkrecht zur optischen Achse (z) verlaufenden Ebene (x, y) zumindest teilweise überlappen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fokusse benachbarter Hologramme innerhalb einer senkrecht zur optischen Achse (z) verlaufenden Ebene (x, y) zu mehr als 10% ihrer lateralen Ausdehnung überlappen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitäten der gegenläufig überlagerten Strahlung derart gewählt werden, dass die Ausdehnung der Hologramme, bei der die Brechzahldifferenz alternierender Schichten am Rand 50% der Brechzahldifferenz alternierender Schichten im Zentrum beträgt, entlang der optischen Achse zwischen 1 μm und 50 μm beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokussierung eine erste Fokussiereinheit (1 ) verwendet wird, die ausgebildet ist, das Licht einer Strahlungsquelle (10) in die Speicherschicht (3) zu fokussieren, und eine Kompensationseinheit (2) verwendet wird, die ausgebildet ist, das von der ersten Fokussiereinheit (1 ) fokussierte und sich nach dem ersten Brennpunkt divergent ausbreitende Licht zu kollimieren, und weiterhin ein Rückreflektor (4) zur Reflexion des kollimierten Lichts derart verwendet wird, dass das vom Rückreflektor (4) reflektierte Licht mittels der optischen Kompensationseinheit (2) wieder in die Speicherschicht (3) in einen zweiten Brennpunkt fokussiert wird, wobei sich der erste Brennpunkt und der zweite Brennpunkt lateral und axial zumindest teilweise überlagern.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechkraft der ersten Fokussiereinheit (1 ) und die Brechkraft der Kompensationseinheit (2) beim zeitlich versetzten Erzeugen von Hologrammen in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht (3) konstant gehalten wird und der resultierende Öffnungsfehler und damit die laterale Ausdehnung eines Hologramms zur Tiefe (z) des Hologramms in der Speicherschicht (3) korrespondieren.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fokussiereinheit (1 ), die Kompensationseinheit (2) und der Rückreflektor (4) auf die Dicke des optischen Speichermediums derart abgestimmt werden, dass das von der Strahlungsquelle (10) kommende, auf die erste Fokussiereinheit (1 ) treffende Licht, nach Durchtritt durch die erste Fokussiereinheit (1 ), die Speicherschicht (3), die Kompensationseinheit (2), nachfolgende Reflexion am Rückreflektor (4), erneutem Durchtritt durch die Kompensationseinheit (2), die Speicherschicht (3) und die erste Fokussiereinheit (1 ), deckungsgleich deckungsgleich in sich zurückreflektiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung und die gegenläufige Überlagerung mit einer numerischen Apertur größer 0,5 erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RMS Radien der gegenläufig überlagerten Lichtstrahlen innerhalb der Speicherschicht (3) folgende Bedingung erfüllen:
0,25 < ^- < 4,
RMSRUCK wobei RMSHIN der RMS Radius der fokussierten Strahlung und RMSRUcκ der RMS Radius der gegenläufig überlagerten Strahlung im Fokus ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vorgegebenen räumlichen Position (x, y, z) der Speicherschicht (3) mehrere Hologramme mit unterschiedlicher Aberration zeitlich nacheinander erzeugt und einander überlagert werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorgegebene laterale Position (x, y) in einer vorgegebenen Tiefe (z) der Speicherschicht (3) mindestens zwei Hologramme nacheinander erzeugt und einander überlagert werden, wobei sich der RMS Radius der fokussierten Strahlung beim Erzeugen der beiden Hologramme um mindestens 10% unterscheidet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fokussiereinheit (1 ) und dem Speichermedium eine erste dickenveränderliche planparallele Platte (11 ) und zwischen der Kompensationseinheit (2) und dem Speichermedium eine zweite dickenveränderliche planparallele Platte (12) angeordnet wird, wobei in einer vorgegebenen Tiefe (z) der Speicherschicht (3) mindestens zwei Hologramme nacheinander erzeugt und einander überlagert werden, und wobei die Summe der optischen Dicke des Speichermediums und der ersten und zweiten planparallele Platten (1 1 , 12) konstant gehalten wird und die optische Dicke der ersten planparallelen Platte (1 1 ) für jedes der überlagerten Hologramme variiert wird.
15. Verfahren zur Detektion einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium, wobei die Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht unterschiedliche laterale Ausdehnungen aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:
Einstrahlen und Fokussieren von Strahlung einer Lichtquelle (10) auf ein Hologramm in einer vorgegebenen räumlichen Position (x, y, z) der Speicherschicht (3), Detektion der durch das Hologramm rekonstruierten Wellenfront mittels eines photoempfindlichen Detektors (7), dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Hologramm rekonstruierte Wellenfront mittels einer zweiten Fokussiereinheit (5) auf einen konfokalen Filter (6) fokussiert wird, wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen Filters (6) die Bedingung:
0.12 * λ 3.6*λ < dL < ,
NA NA gilt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlungsquelle (10) und NA die numerische Apertur der zweiten Fokussiereinheit (5) ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fokussierens der Strahlung ein gegenläufiges Überlagern der Strahlung vermieden oder zumindest unterdrückt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen eines Hologramms verwendete fokussierte Strahlung die gleichen oder die gleichen Aberrationen wir die zum Detektieren des Hologramms verwendete fokussierte Strahlung aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der RMS Radius der zum Erzeugen des Hologramms verwendeten fokussierten Strahlung und der RMS Radius der zum Detektieren des Hologramms verwendeten fokussierten Strahlung um weniger als 2% unterscheiden.
19. Vorrichtung zum Detektieren einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium gemäß dem Verfahren der Patentansprüche 15-18, wobei die Fokusse der Hologramme in unterschiedlichen Tiefen (z) der Speicherschicht unterschiedliche laterale Ausdehnungen aufweisen, aufweisend: eine Strahlungsquelle (10), ein Aufnahmemittel zur Aufnahme eines Speichermediums mit einer Speicherschicht (3), deren Brechzahl bei Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, eine erste Fokussiereinheit (1 ), die ausgebildet ist, das Licht der Strahlungsquelle (10) auf ein Hologramm einer durch das Aufnahmemittel gehaltenen Speicherschicht (3) zu fokussieren, wobei die erste Fokussiereinheit (1 ) und der durch die erste Fokussiereinheit (1 ) erzeugte Brennpunkt eine erste optische Achse definieren, und die erste Fokussiereinheit (1 ) und die Speicherschicht (3) relativ zueinander entlang der ersten optischen Achse beweglich ausgebildet sind, einen Strahlteiler (8), der auf der ersten optische Achsen zwischen der Strahlungsquelle (10) und der ersten Fokussiereinheit (1 ) angeordnet und derart ausgebildet ist, dass die durch ein Hologramm rekonstruierte Wellenfront nach Durchtritt durch die erste Fokussiereinheit (1 ) in eine von der ersten optischen Achse verschiedene optische Achse umgelenkt wird, und einen Photodetektor (7), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlteiler (8) und dem Photodetektor (7) ein konfokaler Filter (6) angeordnet ist, wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen Filters (6) die Bedingung:
0.12 * λ 3.6* λ < dL < ,
NA NA gilt, wobei λ die Wellenlänge der Strahlungsquelle (10) und NA die numerische Apertur der von der Strahlungsquelle (10) emittierten und auf den konfokaler Filter (6) treffenden Strahlung ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlteiler (8) und dem konfokalen Filter (6) eine zweite optische Fokussiereinheit (5) vorgesehen ist, und der konfokale Filter (6) im Brennpunkt der zweiten optischen Fokussiereinheit (5) angeordnet ist, wobei für die laterale Ausdehnung dL der Öffnung des konfokalen Filters (6) die Bedingung:
0.12 * λ 3.6* λ < dL < ,
NA NA gilt, wobei λ die Wellenlänge der kohärenten Strahlungsquelle (10) und NA die numerische Apertur der zweiten optischen Fokussiereinheit (5) ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass für die laterale (dL) Ausdehnung des konfokalen Filters (6) die Bedingung:
0.3*λ 1.2*λ < dL < ,
NA NA gilt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19-21 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Fokussiereinheit (1 ) durch eine Einzellinse ausgebildet ist und/oder der konfokale Filter (6) durch die Eintrittsfacette des Photodetektors (7) ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19-22, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Fokussiereinheit (5), die Öffnung des konfokalen Filters (6) und der Photodetektor (7) eine zweite optische Achse definieren, und der konfokale Filter (6) entlang der zweiten optischen Achse beweglich ausgebildet ist.
24. Vorrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Hologrammen in einem Speichermedium gemäß dem Verfahren der Patentansprüche 1-14, aufweisend: eine Strahlungsquelle (10), ein Speichermedium mit einer Speicherschicht (3), deren Brechzahl bei Einstrahlung von e- lektromagnetischer Strahlung eine Änderung erfährt, eine erste Fokussiereinheit (1 ), die ausgebildet ist, das Licht der Strahlungsquelle (10) in einen ersten Brennpunkt innerhalb der Speicherschicht (3) zu fokussieren, eine Kompensationseinheit (2), die ausgebildet ist, das von der ersten Fokussiereinheit (1 ) fo- kussierte und sich nach dem ersten Brennpunkt divergent ausbreitende Licht zu kollimieren, einen Rückreflektor (4) zur Reflexion des kollimierten Lichts derart, dass das vom Rückreflektor (4) reflektierte Licht mittels der optischen Kompensationseinheit (2) wieder in die Speicherschicht (3) in einen zweiten Brennpunkt fokussiert wird, wobei sich der erste Brennpunkt und der zweite Brennpunkt mindestens teilweise überlagern, wobei die erste Fokussiereinheit (1 ) und der durch die erste Fokussiereinheit (1 ) erzeugte Brennpunkt eine erste optische Achse definieren, und sowohl die erste Fokussiereinheit (1 ) als auch die Kompensationseinheit (2) entlang der ersten optischen Achse beweglich ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechkraft der ersten Fokussiereinheit (1 ) und die Brechkraft der Kompensationseinheit (2) jeweils in sämtlichen Positionen entlang der optischen Achse (z) konstant oder konstant sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fokussiereinheit (1 ) und/oder die Kompensationseinheit (2) durch eine Einzellinse ausgebildet sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Fokussiereinheit (1 ) und der Kompensationseinheit (2) entlang der optischen Achse (z) in sämtlichen Fokustiefen (z) konstant oder konstant ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit (2) und die erste Fokussiereinheit (1 ) auf die Dicke des optischen Speichermediums derart abgestimmt ist, dass die Strahlung der Lichtquelle (10) nach Durchlaufen der erste Fokussiereinheit (1 ), des Speichermediums und der Kompensationseinheit (2) kollimiert ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fokussiereinheit (1 ) und dem Speichermedium eine erste dickenveränderliche planparallele Platte (1 1 ) und zwischen der Kompensationseinheit (2) und dem Speichermedium eine zweite dickenveränderliche planparallele Platte (12) angeordnet sind, wobei die Summe der Dicke des Speichermediums, der Dicke der ersten planparallelen Platte (1 1 ) und der Dicke der zweiten planparallelen Platte (12) konstant gehalten wird und die Dicke der ersten planparallelen Platte (11 ) zum Überlagern unterschiedlich aberrationsbehafteter Hologramme in derselben Position variiert wird.
PCT/EP2008/065602 2007-11-14 2008-11-14 Verfahren zur detektion/zur erzeugung einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium, vorrichtung zum detektieren und system zum erzeugen einer vielzahl von hologrammen in einem speichermedium WO2009063073A1 (de)

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